復(fù)合材料的復(fù)合原理及界面

1、1復(fù)合材料原理復(fù)合材料原理2第一章第一章 概論概論1.1 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的定義1.2 復(fù)合材料的命名復(fù)合材料的命名1.3 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類1.4 復(fù)合材料的組成復(fù)合材料的組成1.5 復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的基本性能1.6 復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合材料發(fā)展概況3思考題思考題在給定基體材料和增強(qiáng)材料的前提下，如何才能獲得優(yōu)在給定基體材料和增強(qiáng)材料的前提下，如何才能獲得優(yōu)異性能的復(fù)合材料，試舉一例說明。異性能的復(fù)合材料，試舉一例說明。4復(fù)合材料的復(fù)合原理及界面復(fù)合材料的復(fù)合原理及界面2.1 復(fù)合原則復(fù)合原則2.2 彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理 2.3 單向連續(xù)纖維

2、增強(qiáng)原理單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理 2.4 短纖維增強(qiáng)原理短纖維增強(qiáng)原理2.5 混雜增強(qiáng)原理混雜增強(qiáng)原理2.6 復(fù)合材料界面及其改性復(fù)合材料界面及其改性2.7 復(fù)合材料界面表征復(fù)合材料界面表征5 2.1 要想制備一種要想制備一種，首先應(yīng)根據(jù)，首先應(yīng)根據(jù)所要求所要求的性能的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)如下：如下： 一、材料組元的選擇一、材料組元的選擇 二、制備方法的選擇二、制備方法的選擇6l挑選最合適的挑選最合適的尤為重要。尤為重要。l在選擇材料組元時(shí)，首先應(yīng)明確在選擇材料組元時(shí)，首先應(yīng)明確，也就是說，必須明確，也就是說，必須明確對材料性能的要求對材料性能的要求。l對對，既可能

3、要求復(fù)合后材料達(dá)到如下性能，既可能要求復(fù)合后材料達(dá)到如下性能，如如高強(qiáng)度高強(qiáng)度、高剛度高剛度、高耐蝕高耐蝕、耐磨耐磨、耐熱耐熱或或?qū)щ妼?dǎo)電、傳熱傳熱等性等性能，也可能是要求某些能，也可能是要求某些綜合性能綜合性能如如既高強(qiáng)又耐蝕、耐熱既高強(qiáng)又耐蝕、耐熱。一、材料組元的選擇一、材料組元的選擇7必須根據(jù)必須根據(jù)來選擇組成復(fù)合材料的來選擇組成復(fù)合材料的和和。如所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料是如所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料是，則復(fù)合的目的就，則復(fù)合的目的就是要使復(fù)合后材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等。是要使復(fù)合后材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等。8設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須明確其中時(shí)，首先必須明確其中，它必須具有，它必須具有高強(qiáng)度和

4、高模量高強(qiáng)度和高模量。這種組元就是所要選擇的這種組元就是所要選擇的；而其它組元應(yīng)起而其它組元應(yīng)起，而且要，而且要把把增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起，這類組元就是要選的，這類組元就是要選的。9其次，除考慮其次，除考慮外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料的的，這包括，這包括物理物理、化學(xué)化學(xué)、力學(xué)力學(xué)等性等性能的相容，使材料各組元能的相容，使材料各組元彼此和諧地彼此和諧地共同發(fā)揮作用。共同發(fā)揮作用。在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的各組元之間的各組元之間的、等都應(yīng)等都應(yīng)相互或彼此協(xié)調(diào)一致相互或彼此協(xié)調(diào)一致。10第三，要考慮復(fù)合材料第三，要考慮復(fù)合材料，使，使

5、增強(qiáng)增強(qiáng)材料與基體之間材料與基體之間形成比較理想的形成比較理想的具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)牟粌H有利于不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度，提高材料的整體強(qiáng)度，更便于更便于將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)材料將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)材料，以，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。11若若，界面很難傳遞載荷界面很難傳遞載荷，不能起潛在材，不能起潛在材料的作用，料的作用，影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度；但但也不利，它也不利，它遏制復(fù)合材料斷裂對能量遏制復(fù)合材料斷裂對能量的吸收的吸收，易發(fā)生，易發(fā)生。除此之外，材料設(shè)計(jì)還應(yīng)聯(lián)系除此之外，材料設(shè)計(jì)

6、還應(yīng)聯(lián)系整個(gè)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)整個(gè)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來來考慮?？紤]。12具體到具體到和和增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)復(fù)合材料來說，來說，與與顆粒顆?；蚶w維的或纖維的、及及有關(guān)。有關(guān)。131）(1)顆粒應(yīng)顆粒應(yīng)分散在基體中分散在基體中 阻礙阻礙的的位錯(cuò)運(yùn)動位錯(cuò)運(yùn)動(金屬、陶瓷基體金屬、陶瓷基體)或或分子鏈的運(yùn)動分子鏈的運(yùn)動(聚合物基體聚合物基體)。(2)要合適要合適因?yàn)橐驗(yàn)?，會引起，會引起?yīng)力集中應(yīng)力集中或或本身破本身破碎碎，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低；，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低；，則起不到，則起不到大的強(qiáng)化作用大的強(qiáng)化作用。因此，一。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。般粒徑為幾微米到幾十微米。14(3)。數(shù)量太少，達(dá)。數(shù)量

7、太少，達(dá)不到不到最佳的強(qiáng)化效果最佳的強(qiáng)化效果。(4)顆粒與基體之間顆粒與基體之間應(yīng)有應(yīng)有。152）(1)纖維的纖維的都要都要高于基體高于基體，即纖維，即纖維應(yīng)應(yīng)。因?yàn)槌齻€(gè)別情況外，在多。因?yàn)槌齻€(gè)別情況外，在多數(shù)情況下數(shù)情況下承載主要是靠增強(qiáng)纖維承載主要是靠增強(qiáng)纖維。(2)纖維與基體之間要有纖維與基體之間要有，兩者，兩者之間結(jié)合要保證之間結(jié)合要保證傳遞給纖維。傳遞給纖維。16(3)纖維與基體的纖維與基體的不能相差過大不能相差過大，否則，否則在熱脹冷縮過程中在熱脹冷縮過程中會自動會自動削弱它們之間的結(jié)合強(qiáng)度削弱它們之間的結(jié)合強(qiáng)度。(4)纖維與基體之間纖維與基體之間，特，特別是別是不發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)不

8、發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，否則將引起，否則將引起而而失去強(qiáng)化作用。失去強(qiáng)化作用。17(5)、和和必須適宜。必須適宜。一般而言，基體中一般而言，基體中，其，其；，則，則，；大大高于大大高于，必須大于一定的長度必須大于一定的長度(一般是長徑比一般是長徑比5)才能顯示才能顯示出出明顯的增強(qiáng)效果明顯的增強(qiáng)效果。18 二、制備方法的選擇二、制備方法的選擇選擇后，就要考慮所采用的選擇后，就要考慮所采用的，即，即具體的制備方法具體的制備方法。主要應(yīng)考慮以下四個(gè)主要應(yīng)考慮以下四個(gè)方面：方面：19(1)所選的所選的對材料組元的損傷最小對材料組元的損傷最小，尤其是，尤其是纖維或晶須摻入基體之中時(shí)纖維或晶須摻入基體之中時(shí)，一

9、些，一些往往造往往造成成；(2)能使能使(纖維纖維、顆粒顆粒、晶須晶須)均勻均勻分布分布或按預(yù)設(shè)計(jì)要求或按預(yù)設(shè)計(jì)要求規(guī)則排列規(guī)則排列；(3)使最終形成的復(fù)合材料使最終形成的復(fù)合材料在性能上在性能上達(dá)到達(dá)到，即達(dá)到，即達(dá)到揚(yáng)長避短揚(yáng)長避短，且各組元仍保留著，且各組元仍保留著固有的特固有的特性性。20 (4)在在制備方法的選擇上制備方法的選擇上還應(yīng)考慮還應(yīng)考慮，在，在能能達(dá)到復(fù)合材料使用要求達(dá)到復(fù)合材料使用要求的情況下，盡可能選擇的情況下，盡可能選擇以以降低制備成本降低制備成本。針對不同的針對不同的增強(qiáng)材料和基體特性增強(qiáng)材料和基體特性應(yīng)采用不同的制備應(yīng)采用不同的制備方法。方法。21如如，采用，采用

10、纖維與顆粒、晶須纖維與顆粒、晶須增增強(qiáng)時(shí)，同樣采用固態(tài)法，但強(qiáng)時(shí)，同樣采用固態(tài)法，但用纖維增強(qiáng)時(shí)用纖維增強(qiáng)時(shí)，一般采用，一般采用；而用；而用顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)，往往采用，往往采用。因?yàn)橐驗(yàn)轭w粒或晶須增強(qiáng)時(shí)顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)若采用若采用，勢必使，勢必使制造工藝十分復(fù)雜制造工藝十分復(fù)雜，且，且無法保證顆?；蚓ы毦鶆蚍稚o法保證顆粒或晶須均勻分散。22氧化鋁纖維形貌采用擠壓鑄造法制備活塞用氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料23壓鑄浸滲法制備的SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(顆粒體積分?jǐn)?shù)為50%)a) 鑄態(tài)b) 時(shí)效后242.2 彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理v彌散增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)原

11、理（彌散顆粒與基體復(fù)合）（彌散顆粒與基體復(fù)合）v顆粒增強(qiáng)原理顆粒增強(qiáng)原理（較大顆粒與基體復(fù)合）（較大顆粒與基體復(fù)合）25彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制位錯(cuò)繞過機(jī)制）：使位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為R時(shí)，所需的切應(yīng)力為=Gb/（2R）。設(shè)顆粒間距顆粒間距為D，則=Gb/D，所以Rmin=D/2。只有當(dāng)外力大于Gb/D時(shí)，位錯(cuò)線才能繞過顆粒顆粒。26位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制D2728v顆粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。v一般顆粒的體積分?jǐn)?shù)為1%15%，顆粒直徑為0.0010.1m。29位錯(cuò)概念引入及位錯(cuò)觀察位錯(cuò)概念引入及位錯(cuò)觀察v30年代，在研究晶體滑移時(shí)，發(fā)現(xiàn)

12、理論屈服強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度間有巨大差異，為了解釋這種差異，人們設(shè)想晶體中存在某種缺陷缺陷。形變就在這種局部缺陷處發(fā)生。v晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則的完整排列是主要的，非完整排列則是次要的。v晶體力學(xué)性能力學(xué)性能晶體的非完整性是主要的，完整性處于次要地位。3031實(shí)際觀察到的位錯(cuò)圖片32矛盾之一：v原子由一個(gè)平衡位置滑到下一個(gè)平衡位置需要G/2的應(yīng)力，而在通常受力條件下，是難達(dá)到的，即晶體難于滑動。v而實(shí)際上，（103 104）G。33矛盾之二：v設(shè)想原子滑移時(shí)的切應(yīng)力是周期性變化，并假定為剛性球。vx很小時(shí)為彈性變形，sin2x/a2x/a。sin2226mmmxxGaaxxGGGaa34v若假定原子不

13、是剛性的，而是可壓縮的，則矛盾之三：111050mG35由上面的理論和實(shí)際的差別，可見規(guī)則整體剛性滑移模由上面的理論和實(shí)際的差別，可見規(guī)則整體剛性滑移模型是不切合實(shí)際的。型是不切合實(shí)際的。設(shè)想晶體具有不完整性，則可以引入位錯(cuò)概念：設(shè)想晶體具有不完整性，則可以引入位錯(cuò)概念：1）缺陷運(yùn)動符合滑移特征。）缺陷運(yùn)動符合滑移特征。2）缺陷是易動的，但不如點(diǎn)缺陷那樣易熱激活。）缺陷是易動的，但不如點(diǎn)缺陷那樣易熱激活。3）說明這種缺陷的來源和增殖。）說明這種缺陷的來源和增殖。引入位錯(cuò)概念引入位錯(cuò)概念36實(shí)際上，有許多方法可觀察到位錯(cuò)：透射電鏡、浸實(shí)際上，有許多方法可觀察到位錯(cuò)：透射電鏡、浸蝕法、綴飾法、蝕法

14、、綴飾法、X射線衍射法、場離子顯微鏡等。射線衍射法、場離子顯微鏡等。37位錯(cuò)分為兩類：位錯(cuò)分為兩類：刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)，由滑移區(qū)，由滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線來確定類型。與未滑移區(qū)的分界線來確定類型。38刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)v如圖：上半部分相對下半部分沿ABCD滑移了一個(gè)原子間距，多余的半原子面與滑移面交線即為刃型位錯(cuò)。v多余的半原子面不一定是平面，可以是見曲面。但位錯(cuò)線是一定垂直于滑移方向的，這是刃型位錯(cuò)的特征之一。39刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖( (可分為正負(fù)刃型位錯(cuò)可分為正負(fù)刃型位錯(cuò)) )40位錯(cuò)滑移過程示意圖位錯(cuò)滑移過程示意圖41刃型位錯(cuò)正負(fù)的判定刃型位錯(cuò)正負(fù)的判定刃型位

15、錯(cuò)中柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直。正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)：出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正向，用右手螺旋法則確定回路方向，拇指位錯(cuò)線方向；四指柏氏矢量回路方向。向向方方線線錯(cuò)錯(cuò)位位柏氏矢量回路方向柏氏矢量回路方向柏氏回路的確定柏氏回路的確定42v半原子面的下部相當(dāng)于刀刃，刃口的交界線稱為刃型位錯(cuò)，是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的分界線。v畸變量左右對稱，但并不是一條線，而是一個(gè)細(xì)長管道。v位錯(cuò)線與滑移方向相垂直。43v一簡單立方晶體，受切應(yīng)力作用，右側(cè)上下兩部分原子沿滑移面ABCD滑移，滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界線即為螺型位錯(cuò)。v位錯(cuò)線平行于滑移方向，可分為左螺型位錯(cuò)和右螺型位錯(cuò)。v位錯(cuò)線周圍存在畸變，實(shí)際上是一個(gè)管道。44

16、螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖45混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)v實(shí)際中的位錯(cuò)一般來說很少是單純的刃型位錯(cuò)或是螺型位錯(cuò)，更普遍的是其混合產(chǎn)物混合位錯(cuò)。v混合位錯(cuò)的滑移矢量不平行也不垂直位錯(cuò)線，而是與位錯(cuò)線成任意角度。46在切應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生在切應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生(a)及其原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)及其原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)(b)47位錯(cuò)的強(qiáng)度柏氏矢量的確定v1939年，柏格斯(J.M.Burgers)采用一個(gè)矢量來提示位錯(cuò)的本質(zhì)并描述位錯(cuò)的各種行為稱為柏氏矢量。v在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)(避開位錯(cuò)線)，以一定的步數(shù)作閉合回路(柏氏回路、逆時(shí)針)；在完整晶體中按同樣方向和步數(shù)作相同回路；再自完整晶體中回路終

17、點(diǎn)向始點(diǎn)引一矢量使回路閉合，該矢量就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏矢矢量 。bv48柏氏矢量示意圖柏氏矢量示意圖刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)MbvMQ柏氏氏量bv49柏氏矢量示意圖柏氏矢量示意圖螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)50位錯(cuò)柏氏氏量和位錯(cuò)線的關(guān)系位錯(cuò)柏氏氏量和位錯(cuò)線的關(guān)系在切應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生在切應(yīng)力作用下混合位錯(cuò)的產(chǎn)生(a)及其及其原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)原子錯(cuò)排結(jié)構(gòu)(b)EE處為螺型位錯(cuò)F處為刃型位錯(cuò)EF之間為混合位錯(cuò)be=bsinbf=bcosFb51位錯(cuò)環(huán)與柏氏矢量的確定52位錯(cuò)的性質(zhì)位錯(cuò)的性質(zhì)v已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線就是位錯(cuò)線位錯(cuò)線。v位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，只能露頭于晶體表面(包括晶界)，或與其它位錯(cuò)線相連接

18、、或自成封閉線。v柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)，分為正、正、負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)。v柏氏矢量與位錯(cuò)線平行的位錯(cuò)是螺型位錯(cuò)，分為左、左、右旋螺位錯(cuò)右旋螺位錯(cuò)。53切割機(jī)制切割機(jī)制：適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形。：適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形。542.1 復(fù)合原則復(fù)合原則2.2 彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理原理 2.3 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理 2.4 短纖維增強(qiáng)原理短纖維增強(qiáng)原理2.5 混雜增強(qiáng)原理混雜增強(qiáng)原理2.6 復(fù)合材料界面及其改性復(fù)合材料界面及其改性2.7 復(fù)合材料界面表征復(fù)合材料界面表征55思考題：1 1、復(fù)合材料制備方法的選擇要

19、遵循哪些原則、復(fù)合材料制備方法的選擇要遵循哪些原則? ?( (增強(qiáng)材料損傷小、分布可控、發(fā)揮性能優(yōu)勢、性能增強(qiáng)材料損傷小、分布可控、發(fā)揮性能優(yōu)勢、性能/ /價(jià)格比低）價(jià)格比低）2 2、彌散強(qiáng)化是如何實(shí)現(xiàn)的？、彌散強(qiáng)化是如何實(shí)現(xiàn)的？（彌散顆粒對位錯(cuò)的釘扎）（彌散顆粒對位錯(cuò)的釘扎）56顆粒增強(qiáng)原理顆粒增強(qiáng)原理v顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是由尺寸較大（直徑大于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是由尺寸較大（直徑大于1m）顆粒與基）顆粒與基體復(fù)合而成，增強(qiáng)原理與彌散增強(qiáng)原理有明顯區(qū)別。體復(fù)合而成，增強(qiáng)原理與彌散增強(qiáng)原理有明顯區(qū)別。v此時(shí)，載荷主要由基體承擔(dān)，但增強(qiáng)顆粒也承受載荷并約束此時(shí)，載荷主要由基體承擔(dān)，但增強(qiáng)顆粒也承受載荷

20、并約束基體的變形，顆粒阻止基體位錯(cuò)運(yùn)動的能力越大，增強(qiáng)效果基體的變形，顆粒阻止基體位錯(cuò)運(yùn)動的能力越大，增強(qiáng)效果越好。越好。v顆粒尺寸越小顆粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高體積分?jǐn)?shù)越高，顆粒對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果，顆粒對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果越好。越好。v一般顆粒直徑為一般顆粒直徑為150m，顆粒間距為，顆粒間距為125m ，顆粒的體積，顆粒的體積分?jǐn)?shù)為分?jǐn)?shù)為550%。57彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng)vsvs顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)顆粒尺寸越小顆粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高體積分?jǐn)?shù)越高，增強(qiáng)效果越好？，增強(qiáng)效果越好？58Al10Ti elemental powder mixtures via friction stir proces

21、sing離心條件下離心條件下SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基顆粒增強(qiáng)鋁基活塞微觀組織圖活塞微觀組織圖59小顆粒小顆粒：尺寸上有優(yōu)勢，但體積分?jǐn)?shù)難以提高，且在基體上分散困難。大顆粒大顆粒：體積分?jǐn)?shù)高，但尺寸、性能上沒有優(yōu)勢。60鋯剛玉顆粒增強(qiáng)鐵基表面復(fù)合材料 612.3 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理v單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料v縱向強(qiáng)度和剛度v橫向剛度和強(qiáng)度62圖圖1 1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品及其原料玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品及其原料63圖圖2 不同復(fù)合材料的不同復(fù)合材料的SEM斷口形貌斷口形貌a: GF/ PPESK; b: GF/ PPESK/ PEI ; c: GF/ PPESK/ PES

22、64圖3 連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料橫截面的金相照片65圖4 C/ SiC復(fù)合材料及其制造的火箭“Uncooled”同軸雙壁燃燒室66圖5 火箭及其結(jié)構(gòu)示意圖67圖6 火箭發(fā)動機(jī)及待組裝零件68復(fù)合材料要解決涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)涉及工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。如CFRCMCs主要包括：纖維預(yù)制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作、致密化技術(shù)、加工技術(shù)、CFRCMCs與金屬的焊接技術(shù)、構(gòu)件的無損檢測及性能評估技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)等。69v連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料復(fù)合材料的制備存在工藝復(fù)雜 、成本高、生產(chǎn)周期長等問題 。v我國在復(fù)合材料成型技術(shù)上有很大改進(jìn)，性能指標(biāo)也達(dá)

23、到國際先進(jìn)水平 ，但在應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家如美國、法國、日本等相比存在差距。v在使用溫度范圍內(nèi)、使用壽命達(dá)幾千小時(shí)的復(fù)合材料航空發(fā)動機(jī)部件，如“幻影 ”-2000戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動機(jī)燃燒室襯板 、調(diào)節(jié)片等已經(jīng)在國外得到應(yīng)用 。v對于該復(fù)合材料制備時(shí)存在的工藝與成本等問題，如果加強(qiáng)與傳統(tǒng)金屬材料如高溫合金等結(jié)合使用，既有利于降低成本，又能夠擴(kuò)大該先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。70纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體通過界面將載荷有效地傳遞到纖維，不是主承基體通過界面將載荷有效地傳遞到纖維，不是主承力相。力相。纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，為主承力相。纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，為主承

24、力相。假定：纖維、基體理想結(jié)合，且泊松比相同；在外力假定：纖維、基體理想結(jié)合，且泊松比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過界面將外力傳移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過界面將外力傳遞到纖維上。遞到纖維上。71圖圖7 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的受力情況分析纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的受力情況分析72混合法則混合法則 （不考慮界面效應(yīng)時(shí)）（不考慮界面效應(yīng)時(shí)） 當(dāng)當(dāng)連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料滿足以下條件復(fù)合材料滿足以下條件: （1）復(fù)合材料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力；）復(fù)合材料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力； （2

25、）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料；）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料； （3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對滑移。）各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對滑移。 復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系 Xc= XmVm + XfVf 或或 Xc=XfVf +Xm（1 - Vf） 式中式中 X：材料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；：材料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；V：材：材料的體積百分比；下標(biāo)料的體積百分比；下標(biāo) c、m、f 分別代表復(fù)合材料、基體和分別代表復(fù)合材料、基體和纖維。纖維。73對于對于單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合

26、材料彈性模量彈性模量、拉伸強(qiáng)、拉伸強(qiáng)度、泊度、泊松比、剪切強(qiáng)度等性能均符合松比、剪切強(qiáng)度等性能均符合混合定律混合定律。如果考慮界面效應(yīng)，如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響因子前面乘以一通常是在纖維的影響因子前面乘以一個(gè)系數(shù)。個(gè)系數(shù)。在平行于纖維長度方向的強(qiáng)度計(jì)算，主要考慮基體的強(qiáng)度在平行于纖維長度方向的強(qiáng)度計(jì)算，主要考慮基體的強(qiáng)度和纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。和纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。 74平行于纖維方向稱為平行于纖維方向稱為“縱向縱向”，垂直于纖維方向?yàn)?，垂直于纖維方向?yàn)椤皺M向橫向”。假設(shè)纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的并全部相互平行，界面假設(shè)纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的并全部相互平行，界面結(jié)合良

27、好且無相對滑動。結(jié)合良好且無相對滑動。忽略熱膨脹系數(shù)、泊松比以及彈性變形差等引起的附加應(yīng)力，忽略熱膨脹系數(shù)、泊松比以及彈性變形差等引起的附加應(yīng)力，認(rèn)為整個(gè)材料的認(rèn)為整個(gè)材料的縱向應(yīng)變是相同的縱向應(yīng)變是相同的。75縱向強(qiáng)度和剛度縱向強(qiáng)度和剛度復(fù)合材料應(yīng)力復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段應(yīng)變曲線的初始階段復(fù)合材料的強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率、彈性模量等符合“混合法則”，即與組元的性能、體積分?jǐn)?shù)成正比。復(fù)合材料中，各組分承載的應(yīng)力比等于相應(yīng)的彈性模量比，為了有效利用纖維的高強(qiáng)度，應(yīng)使纖維具有比基體高得多的彈性模量。76vf/m=Ef/Em，f/c=Ef/Ecv纖維與基體彈性模量比值越大，纖維的體積含量

28、越高，則纖維承載越大。v對于給定的纖維/基體復(fù)合材料體系，應(yīng)盡可能提高纖維的體積分?jǐn)?shù)。前提前提：保證纖維與基體之間有良好的界面結(jié)合。77復(fù)合材料初始變形后的行為復(fù)合材料初始變形后的行為四個(gè)階段：1）纖維與基體均為線彈性變形；2）纖維繼續(xù)線彈性變形，基體為非線性變形；3）纖維與基體都是非線性變形；4）隨著纖維斷裂，復(fù)合材料斷裂。金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的第二階段占比較大的比例，而脆性纖維復(fù)合材料未觀察到第三階段。78斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度v一般來說，基體的斷裂應(yīng)變大于纖維的斷裂應(yīng)變。v在這種條件下，復(fù)合材料縱向斷裂的強(qiáng)度可以認(rèn)為與纖維斷裂應(yīng)變值對應(yīng)的復(fù)合材料應(yīng)力相等。v根據(jù)混合法則，可以得到復(fù)合材

29、料的縱向斷裂強(qiáng)度為：cu=fuVf+(m)f(1-Vf)79v在纖維體積分?jǐn)?shù)很小的情況下，纖維斷裂后基體能承擔(dān)所轉(zhuǎn)移的全部載荷，隨基體應(yīng)變值增加基體可進(jìn)一步承載直至斷裂。v此時(shí)，復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度為cu=mu(1-Vf)。v可以得到控制復(fù)合材料斷裂所需要的最小纖維體積分?jǐn)?shù)為：Vmin=mu-(m)f/fu-(m)f 其中， (m)f是對應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變值的基體應(yīng)力，fu是纖維的強(qiáng)度。80v對于纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料，基體的斷裂應(yīng)變則小于纖維的斷裂應(yīng)變。v此時(shí)，可以得到控制復(fù)合材料斷裂所需要的最小纖維體積分?jǐn)?shù)為：Vmin=mu/(fu+mu-*f)式中*f為對應(yīng)基體應(yīng)變時(shí)纖維承受的應(yīng)力。81Halpi

30、n-Tsia 公式v在纖維的體積分?jǐn)?shù)不為1的情況，可以采用Halpin-Tsia 公式預(yù)測復(fù)合材料的彈性摸量。vHalpin-Tsia 公式為ET =（1+Vf）/（ 1-Vf ）式中=（ Ef /Em-1）/ （Ef /Em+）。是與纖維幾何形狀等有關(guān)的參數(shù)。橫向剛度和強(qiáng)度橫向剛度和強(qiáng)度82橫向強(qiáng)度橫向強(qiáng)度v纖維對橫向強(qiáng)度不僅沒有增強(qiáng)作用，反而有相反作用。v纖維在與相鄰的基體中所引起的應(yīng)力和應(yīng)變將對基體形成約束，使復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比未增強(qiáng)的基體低得多。v假設(shè)纖維與基體之間有完全的結(jié)合，斷裂發(fā)生在基體或界面附近。83v假設(shè)復(fù)合材料的強(qiáng)度受基體強(qiáng)度的控制，則可以引入一個(gè)強(qiáng)度衰減因子S。此時(shí)tu= mu/S。vS與纖維、基體性能及纖維的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。v可以采用最大形變能（Umax）判據(jù)對復(fù)合材料的斷裂進(jìn)行判斷，即當(dāng)任何一點(diǎn)的形變能達(dá)到臨界值時(shí)即發(fā)生斷裂。v形變能判據(jù)可以表達(dá)為：S= Umax/ c式中c是外加應(yīng)力。84圖 玻璃纖維布、氈非單向