第四章第七,八節(jié)

1、4-7 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能properties of compositesprinciple of combined action of composites, rule of mixture of particle composites What is difference of particle size, fiber length and orentation for strengthening composites Calculate longitudinal and transverse modulus, and longitudinal strength for an a

2、ligned and continuous fiber-reinforced composite. Compute longitudinal strengths for discontinuous and aligned fibrous composite materials. 4-7 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能(properties of composites) 4-7-1 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)(principle of combined action ） 1. 復(fù)合材料各組元（相）相互作用復(fù)合材料各組元（相）相互作用 基體：基體： 將增強(qiáng)材料粘合粘合成整體并使增強(qiáng)材料的位

3、置固定。 增強(qiáng)材料間傳遞載荷傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。 保護(hù)增強(qiáng)體保護(hù)增強(qiáng)體免受各種損傷。 很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇。 決定部分性能。 增強(qiáng)體：增強(qiáng)體：主要承受絕大部分載荷、增強(qiáng)、增韌增強(qiáng)、增韌 功能體：功能體：賦予一定功能 界面相層界面相層：復(fù)合材料產(chǎn)生組合力學(xué)及其它性能，復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源 PMC界面區(qū)域示意圖界面區(qū)域示意圖 1-外力場； 2-樹脂基體； 3-基體表面區(qū)； 4-相互滲透區(qū)； 5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑 2、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)復(fù)合 效 應(yīng) 表現(xiàn)形 式形 式 多 種多樣 大 致 可分為： 混合效應(yīng)混合效應(yīng)：線性加合線性加合 固有固有性質(zhì)，

4、如密度、密度、 模量、模量、 比熱比熱 非固有非固有性質(zhì)， 如強(qiáng)度、強(qiáng)度、 泊松比等泊松比等 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)：非線性綜合非線性綜合 混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)，混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)， 是組份材料性能取長補(bǔ)短共同作用取長補(bǔ)短共同作用的結(jié)果，是組份材料性能比較穩(wěn)定的總體反應(yīng)，局部的撓動、薄弱環(huán)節(jié)、界面、工藝因素等通常對混合效應(yīng)沒有明顯的作用，表現(xiàn)為各種形式的混合律混合律。 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)： 復(fù)合材料的本質(zhì)特征本質(zhì)特征， 使復(fù)合材料的性能與組份材料相比，發(fā)生飛躍式提飛躍式提高高，甚至具有組份材料沒有的性能，這些潛在性能是研制開發(fā)新材料的源泉。復(fù)合材料追求的就是這種協(xié)同效應(yīng)。 對微觀非均

5、勻性、薄弱環(huán)節(jié)、界面、制備工藝，甚至某些偶然因素都十分敏感。敏感。 界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、乘積效應(yīng)、 系統(tǒng)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)等。 ( 1) 混合定律混合定律 Xc = XmVm + Xf1V1 + Xf2V2 + 復(fù)合材料性能與各組元性能及分量的關(guān)系（線性關(guān)系）。 組份效應(yīng)組份效應(yīng)：各組元性能確定，相對組成作為變量，不考慮組份的幾何形狀、分布狀態(tài)和尺度等影響。相對組成通常用體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表達(dá)。 （三個(gè)前提） 復(fù)合材料的固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來的材料固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來的材料性質(zhì)性質(zhì)，如密度密度 C和比熱容和比熱容Cc等，屬于固有性質(zhì)的

6、物理量，都應(yīng)服從混合律，如： C = m(1 Vf) + fVf CC = Cm(1 Vf) + CfVf (2) 幾何尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng) 復(fù)合材料性能不僅與各組元分量各組元分量有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于增加相的幾增加相的幾何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。 復(fù)合材料中纖維上受力狀態(tài)和界面受力狀態(tài)纖維上受力狀態(tài)和界面受力狀態(tài)，隨纖維的長徑比纖維的長徑比變化而變化，見圖4-106、4-107，表4-40。 臨界長度臨界長度lc和臨界長徑比和臨界長徑比lc/d的概念見書P419-420，表4-41 不同材料的不同材料的 lc 納米量子尺寸效應(yīng)納米量子尺寸效應(yīng)：固體物理研究表明，

7、固體顆粒尺寸減少到某一臨界值時(shí)（一般為0.1m或100nm），顆粒的某些性某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會發(fā)生質(zhì)的變化質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會發(fā)生質(zhì)的變化，呈現(xiàn)與物體宏觀狀態(tài)下差異很大的特性。具有顯著的量子尺寸效應(yīng)。 納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于102nm量級量級的復(fù)合材料的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面積及強(qiáng)大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用的界面相互作用，使納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相同組份常規(guī)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要途徑之一。 ( 3) 界面效應(yīng)界面效應(yīng)(interfa

8、ce effect) 復(fù)合材料的絕大部分性能很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，材料的破壞與失效機(jī)制往往是從界面破壞與失效開始的。 復(fù)合材料的力學(xué)性能，對界面層的狀態(tài)和性質(zhì)，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取決于界面層的狀態(tài)和性質(zhì)。 幾乎所有協(xié)同效應(yīng)（復(fù)合效應(yīng)的本質(zhì)特征）都是由界面層的存在帶來的，這就是所謂界面效應(yīng)的內(nèi)涵。而界面效應(yīng)的表現(xiàn)方式卻多種多樣。 從數(shù)學(xué)上可以由混合律和二次混合律混合律和二次混合律加以簡述（見圖4-108，4-109） 4）乘積效應(yīng)乘積效應(yīng) (X/Y）（）（Y/Z）= X/Z（見表4-42） 主要表現(xiàn)在功能復(fù)合材料中，詳見P421 5）其它復(fù)合效應(yīng)其它復(fù)合效應(yīng) “界面誘

9、導(dǎo)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、共振效應(yīng)，一般了解見P422 4-7-2 復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能（mechanical properties of composites) 1.單向板的強(qiáng)度與模量單向板的強(qiáng)度與模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)(1)縱向載荷彈性行為縱向載荷彈性行為（Elastic Behavior longitudinal loading)條件；FC=Fm + Ff c= m= f Vm +Vf =1 推導(dǎo)結(jié)果：模量模量 Ef、Em是纖維和基體的模量， Vf、Vm是纖維和基體的體積

10、分?jǐn)?shù)強(qiáng)度強(qiáng)度 (2) 單向板縱向拉伸的三種破壞模式三種破壞模式： 基體斷裂基體斷裂； 界面脫粘界面脫粘； 纖維斷裂纖維斷裂，（3）單向板縱向壓縮強(qiáng)度單向板縱向壓縮強(qiáng)度)1 (32fffmfCVVEEVX失效失效模式模式fmCVGX1拉壓屈服剪切屈服（2）橫向載荷彈性行為橫向載荷彈性行為（Elastic Behavior-transverse loading)條件： c= m= f = c= m Vm +Vf f Vm +Vf =1 推導(dǎo)結(jié)果：模量模量 或 （1）單向板橫向拉伸強(qiáng)度單向板橫向拉伸強(qiáng)度 單向板橫向拉伸的三種破壞模式三種破壞模式： 基體破壞基體破壞； 界面脫粘界面脫粘； 纖維破壞纖維

11、破壞 YcVf fy Vm my YcVf（1/ y 1） my y：應(yīng)力分配系數(shù)應(yīng)力分配系數(shù)表4-43單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能 表表4-44 幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能 表表4-45 浸漬法制造的單向碳浸漬法制造的單向碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能碳復(fù)合材料的力學(xué)性能 單向板復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 與纖維方向與纖維方向關(guān)系，圖4-116 2. 復(fù)合材料的沖擊韌性復(fù)合材料的沖擊韌性 沖擊韌性是復(fù)合材料的重要性能，可由 沖擊強(qiáng)度；沖擊強(qiáng)度；斷裂韌斷裂韌性性Gc； 沖擊后的壓縮強(qiáng)度（沖擊后的壓縮強(qiáng)度（CAI）來表征。）來表征。

12、 沖擊實(shí)驗(yàn)中的典型加載歷程見圖4-118 韌性指數(shù)韌性指數(shù) 裂紋擴(kuò)展能裂紋擴(kuò)展能Qp與與裂紋引發(fā)能裂紋引發(fā)能Qi之之比比 ipQQDI 沖擊過程中裂紋擴(kuò)展模式?jīng)_擊過程中裂紋擴(kuò)展模式見圖4-119，受界面顯著影響沖擊過程的能量吸收包括： 基體變形和開裂基體變形和開裂； 纖維破壞纖維破壞； 纖維脫膠纖維脫膠拔出拔出（摩擦功）； 分層裂紋分層裂紋等多個(gè)方面?；w變形吸收較多的能量。 熱固性基體熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差。 熱塑性基體熱塑性基體可產(chǎn)生較大塑性變形，沖擊強(qiáng)度高。 CMC、纖維與基體-脆性特征，陶瓷基體中加入連續(xù)纖維、短纖維和晶須時(shí)，能得到韌性大幅度提高的復(fù)合材料。圖4-120

13、CMC增韌理論增韌理論，詳見P431 3. 復(fù)合材料的疲勞性能疲勞性能 疲勞的概念疲勞的概念：低于靜態(tài)強(qiáng)度極限條件下的動載荷（交變載荷）作用，經(jīng)過不同時(shí)間（或次數(shù)）都會破壞失效。 疲勞過程內(nèi)部損傷（或疲勞裂紋）內(nèi)部損傷累積至一定程度材料突然破壞失效 四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂 疲勞S-N曲線見圖4-121，4-122，4-123，復(fù)合材料的疲勞性能一般高于基體高于基體的疲勞性能。 4-8 納米材料及納米效應(yīng)納米材料及納米效應(yīng) 1. 概述 納米材料必須同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件兩個(gè)條件： (1)幾何尺寸至少一維在納米尺度（10910

14、7或0.1100nm） (2)必須具有納米效應(yīng)，即 小尺寸效應(yīng)， 表面效應(yīng)， 量子尺寸效應(yīng)， 宏觀量子隧道效應(yīng)等 納米材料包含三個(gè)層次： 納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元 零維：納米微粒、原子團(tuán)簇、人造原子量子點(diǎn) 一維：納米管、納米棒、納米絲量子線 二維：超薄膜、多層膜、超晶格量子阱 納米固體納米固體 納米相材料：單相納米微粒構(gòu)成 納米復(fù)合材料：多種或多相納米微粒至少在一個(gè)方面以納米尺寸復(fù)合而成 納米組裝體系納米組裝體系 自組裝：通過共價(jià)鍵或弱作用力實(shí)現(xiàn)自組裝 （氫鍵、 范氏力、離子鍵等） 人工組裝：按人的意志，利用物理和化學(xué)方法構(gòu)筑成一個(gè)納米尺度的物質(zhì)1. 2. 納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元 團(tuán)簇（團(tuán)簇

15、（cluster） 粒徑小于或等于1nm的原子聚集體，如nFe、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特點(diǎn)在于：以化學(xué)鍵緊密結(jié)合，但尚未形成軌整的晶體，不同于分子團(tuán)簇和周期性極強(qiáng)的晶體，有許多奇異的特性。 納米微粒納米微粒 納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。尺寸在1100nm之間的超細(xì)微粒，尺寸大于原子團(tuán)簇 人造原子人造原子（artificial atoms），又稱量子點(diǎn)，是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm 納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜 1. 3. 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料 指分散相尺度至少有一維小于102nm量級的復(fù)合材料，是獲得高性能復(fù)合材料重要途徑之一 。舉例：分子復(fù)合材料 4-8-2 納米材料的基本物理效應(yīng)納米材料的基本物理效應(yīng) 1.1. 納米效應(yīng)納米效應(yīng) 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長、以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等物性與宏觀尺寸物體相比發(fā)生很大變化，甚至完全相反。 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 隨粒徑的減少，微粒的比表面積，表面原子比例、表面能會成倍或成數(shù)量級增加。表面原子配位嚴(yán)重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，易與其