復合材料制備技術(shù)1

1、復合材料制備技術(shù)復合材料制備技術(shù)第一章第一章 前言前言一、材料的發(fā)展與人類社會的進步材料的發(fā)展與人類社會的進步 材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎和先導，是材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎和先導，是人類進步的里程碑。人類進步的里程碑。 當前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科當前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推技的三大支柱，它會將人類物質(zhì)文明推向新的階向新的階段。段。 二十一世紀將是一個新材料時代。二十一世紀將是一個新材料時代。 二、二、 復合材料的提出復合材料的提出 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展；現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展； 同時也對材料

2、提出同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求。了更高、更苛刻的要求。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，當前作為單一的金當前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。 復合材料復合材料，特別是先進復合材料就是為了滿足以上高，特別是先進復合材料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的先進材料。復合材技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的

3、先進材料。復合材料是應現(xiàn)代科學技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的料是應現(xiàn)代科學技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的材料。材料。三、復合材料的發(fā)展歷史和意義三、復合材料的發(fā)展歷史和意義 1、復合材料的發(fā)展歷史復合材料的發(fā)展歷史 60006000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復合材料。合材料。水泥復合材料已廣泛地應用于高樓大廈和河水泥復合材料已廣泛地應用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用； 20世紀世紀40年代，美國用碎布酚醛樹脂制備槍托、年代，美國用碎布酚醛樹脂制備槍托、代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強塑料

4、（玻璃鋼）這代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）這種種廣泛應用的較現(xiàn)代化復合材料。種種廣泛應用的較現(xiàn)代化復合材料。 2、復合材料的意義、復合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復合材料。現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復合材料。 例如例如：火箭殼體材料對射程的影響，火箭殼體材料對射程的影響， 航空發(fā)動機材料發(fā)展預測如下航空發(fā)動機材料發(fā)展預測如下四、課程的重點和要求四、課程的重點和要求 學習學習重點是重點是使學生能夠較全面和系統(tǒng)地理解使學生能夠較全面和系統(tǒng)地理解復合材料及其力學的重要基本概念和理論，各類復合材料及其力學的重要基本概念和理論，各類復合材料的性能、成型工藝、界面特征和結(jié)構(gòu)設復合材

5、料的性能、成型工藝、界面特征和結(jié)構(gòu)設計以及復合材料，同時具有初步的復合材料設計計以及復合材料，同時具有初步的復合材料設計能力。為學生今后在材料領域的學習和研究奠定能力。為學生今后在材料領域的學習和研究奠定較堅實的基礎。較堅實的基礎。參考書參考書 張玉龍主編，先進復合材料制造技術(shù)手冊，機張玉龍主編，先進復合材料制造技術(shù)手冊，機械工業(yè)出版社，械工業(yè)出版社，2003年年6月。月。 沃丁柱主編，復合材料大全，化學工業(yè)出版社，沃丁柱主編，復合材料大全，化學工業(yè)出版社，2001.1 吳人潔主編，復合材料，天津大學出版社，吳人潔主編，復合材料，天津大學出版社，2000.12 徐國財，張立德主編徐國財，張立德

6、主編 ，納米復合材料，化學工，納米復合材料，化學工業(yè)出版社，業(yè)出版社，2002.3 賈成廠主編，陶瓷基復合材料導論，冶金工業(yè)賈成廠主編，陶瓷基復合材料導論，冶金工業(yè)出版社，出版社，2002.1 第二章第二章 復合材料概述復合材料概述 一、復合材料的定義和特點：一、復合材料的定義和特點： 1、復合材料的定義：、復合材料的定義： ISO定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì) 不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。 復合材料應滿足下面三個條件：復合材料應滿足下面三個條件： （1）組元含量大于）組元含量大于 5 %； （2）復

7、合材料的性能顯著不同于各組元的性能；）復合材料的性能顯著不同于各組元的性能； （3）通過各種方法混合而成。）通過各種方法混合而成。 2、復合材料的特點：、復合材料的特點： 1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀觀 復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。的界面。 2）各組分保持各自固有特性的同時可最大限度各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。優(yōu)良特殊性能。 3）復合材料具有可設計性。）復合材料具有可設計

8、性。 3、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式、復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式 復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成： 基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相；基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相； 增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。會使材料的性能顯著改善和增強。 增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀?；蚓哂衅渌匦??？梢允?/p>

9、纖維狀、顆粒狀或彌散狀。 增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。 二、復合材料的分類二、復合材料的分類 1、按性能分類按性能分類 ： 普通復合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強普通復合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強 普通聚合物復合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。普通聚合物復合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。 先進復合材料：高性能增強劑（碳、硼、氧化鋁、先進復合材料：高性能增強劑（碳、硼、氧化鋁、 SiCSiC纖維及晶須等）增強高溫聚合物、金屬、陶瓷纖維及晶須等）增強高溫聚合物、金屬、陶瓷 和碳（石墨）等復合材料。和碳（石墨）等復合材料。 先進復合材料的比強

10、度和比剛度應分別達到先進復合材料的比強度和比剛度應分別達到 400MPa / (g / cm3) 和和40GPa / (g / cm3) 以上。以上。 2、按基體材料分類：、按基體材料分類： 聚合物復合材料聚合物復合材料 金屬基復合材料金屬基復合材料 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 碳碳復合材料碳碳復合材料 水泥基復合材料水泥基復合材料3、按用途分類、按用途分類 結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)復合材料 功能復合材料功能復合材料 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) / 功能一體化功能一體化復合材料復合材料4、按增強劑分類、按增強劑分類 顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料 晶須增強復合材料晶須增強復合材料 短纖維增強復合材料短纖維增強復合材

11、料 連續(xù)纖維增強復合材料連續(xù)纖維增強復合材料 混雜纖維增強復合材料混雜纖維增強復合材料 三向編織復合材料三向編織復合材料 四、四、 復合材料的基本性能（優(yōu)點）：復合材料的基本性能（優(yōu)點）： 1、高比強度、高比模量（剛度）：、高比強度、高比模量（剛度）： 比強度比強度 = 強度強度/密度密度 MPa /（g/cm3）, 比模量比模量 = 模量模量/密度密度 GPa /（g/cm3）。）。 2、良好的高溫性能：、良好的高溫性能： 目前：目前： 聚合物基復合材料的最高耐溫上限為聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復合材料按不同的基體性能，金屬基復合材料按不同的基體性能， 其使用溫度在

12、其使用溫度在350 1100 C范圍內(nèi)變動；范圍內(nèi)變動； 陶瓷基復合材料的使用溫度可達陶瓷基復合材料的使用溫度可達1400 C； 碳碳/碳復合材料的使用溫度最高可達碳復合材料的使用溫度最高可達2800 C。 3、良好的尺寸穩(wěn)定性：、良好的尺寸穩(wěn)定性： 加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度 和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變 復合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復合材料的熱復合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復合材料的熱膨脹膨脹 系數(shù)。系數(shù)。 4、良好的化學穩(wěn)定性：、良好的化學穩(wěn)定性： 聚合

13、物基復合材料和陶瓷基復合材料。聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料。 5、良好的抗疲勞、蠕變、良好的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性：沖擊和斷裂韌性： 陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善 6、良好的功能性能、良好的功能性能 第三章第三章 復合材料界面復合材料界面 一、復合材料界面一、復合材料界面 復合材料的界面是指基體與增強相之間化學復合材料的界面是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。遞作用的微小區(qū)域。 復合材料的界面是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，復合材料的界面是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)

14、域，約幾個納米到幾個微米約幾個納米到幾個微米。 1、外力場、外力場 2、基體、基體 3、基體表面區(qū)、基體表面區(qū) 4、相互滲透區(qū)、相互滲透區(qū) 5、增強劑表面區(qū)、增強劑表面區(qū) 6、增強劑、增強劑 1、界面效應、界面效應 界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納 為以下幾種效應：為以下幾種效應： （1）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受 的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間 的橋梁作用。的橋梁作用。 （2）阻斷效應：）阻斷效應：基體和增強相之間結(jié)合力適當?shù)慕缁w和增強相

15、之間結(jié)合力適當?shù)慕?面有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。面有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。 （3）不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)）不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù) 性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應 性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。（4）散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、）散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、 沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光 性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。（5）誘導效應：一種物質(zhì)（

16、通常是增強劑）的）誘導效應：一種物質(zhì)（通常是增強劑）的 表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體） 與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā) 生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強彈性、生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強彈性、 低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。 界面效應是任何一種單一材料所沒有的特界面效應是任何一種單一材料所沒有的特 性，它對復合材料具有重要的作用。性，它對復合材料具有重要的作用。 2、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度 界面的結(jié)合狀態(tài)和強度對復合材料的性能有重要界面的結(jié)合狀態(tài)和強度對復合材料的性

17、能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結(jié)合影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度。強度。界面結(jié)合較差界面結(jié)合較差的復合材料大多呈剪切破壞，且的復合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現(xiàn)象。弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強界面結(jié)合過強的復合材料則呈脆性斷裂，的復合材料則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。也降低了復合材料的整體性能。界面最佳態(tài)界面最佳態(tài)的衡量是的衡量是當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進一步當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能

18、和一定界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。的韌性。 二、復合材料組分的相容性二、復合材料組分的相容性 1、物理相容性：、物理相容性： （1）基體應具有足夠的韌性和強度，能夠?qū)⑼獠枯d荷）基體應具有足夠的韌性和強度，能夠?qū)⑼獠枯d荷 均勻地傳遞到增強劑上，而不均勻地傳遞到增強劑上，而不會有明顯的不連續(xù)會有明顯的不連續(xù) 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 （2）由于裂紋或位錯移動，在基體上產(chǎn)生的局部應力）由于裂紋或位錯移動，在基體上產(chǎn)生的局部應力 不應在增強劑上形成不應在增強劑上形成高的局部應力。高的局部應力。 （3）對復合材料的界對復合材料的界 面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的

19、影響。 對于韌性對于韌性基體材料，最好具有較高的基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)。 這是因為熱膨脹系數(shù)較高的相，從較高的加工溫度這是因為熱膨脹系數(shù)較高的相，從較高的加工溫度 冷卻時將受到張應力；冷卻時將受到張應力； 對于脆性材料的增強相，一般都是抗壓強度大于對于脆性材料的增強相，一般都是抗壓強度大于 抗拉強度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。抗拉強度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。 而對于像鈦這類高屈服強度的而對于像鈦這類高屈服強度的基體，一般卻要求基體，一般卻要求 避免高的殘余熱應力，因此避免高的殘余熱應力，因此熱膨脹系數(shù)不應相差熱膨脹系數(shù)不應相差 太大。太大。2、化學相容性：、化學相容性： 對

20、原生復合材料，在制造過程是熱力學平衡的，對原生復合材料，在制造過程是熱力學平衡的， 其兩相化學勢相等，比表面能效應也最小。其兩相化學勢相等，比表面能效應也最小。 對非平衡態(tài)復合材料，化學相容性要嚴重得多。對非平衡態(tài)復合材料，化學相容性要嚴重得多。 1 1）相反應的自由能相反應的自由能 F F： 小小 2 2）化學勢）化學勢U U： 相近相近 3 3）表面能）表面能T T： 低低 4 4）晶界擴散系數(shù)）晶界擴散系數(shù)D D： 小小三、復合材料的界面理論三、復合材料的界面理論 1、界面潤濕理論界面潤濕理論 界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物

21、理和化學吸附作用。親和，即物理和化學吸附作用。 浸潤不良浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和應力集中，應力集中，使界面強度下降使界面強度下降。良好的或完全浸潤良好的或完全浸潤可使可使界面強度大大提高界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。 根據(jù)力的合成根據(jù)力的合成 ： L cos = S - SL 粘合功可表示為：粘合功可表示為：WA = S + L - SL= L（1+ cos ） 粘合功粘合功WA最大時：最大時： cos =1，即，即 = 0， 液體完全平鋪在固體表面。液體完全平鋪在固體表面。 同時：同時： = S

22、 L , S = L 潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。 2、機械作用理論：、機械作用理論： 當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將 發(fā)生機械互鎖。發(fā)生機械互鎖。 盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中 有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無 法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且 也形成了應力集中點。也形成了應力集中點。 3、靜電理論：、靜電理論： 當復合材料不同組分表

23、面帶有異性電荷時，將當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將 發(fā)生靜電吸引。發(fā)生靜電吸引。 僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效 。 4、化學鍵理論：、化學鍵理論： 在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結(jié)合。成共價鍵結(jié)合。 在理論上可獲得最強的界面粘結(jié)能在理論上可獲得最強的界面粘結(jié)能 （210 - 220 J / mol）。）。 5、界面反應或界面擴散理論、界面反應或界面擴散理論 在復合材料組分之間發(fā)生原子或在復合材料組分之間發(fā)生原子或 分子間的擴散或反應，從而形成反應分子間的擴散或反應，從而形成反應 結(jié)合

24、或擴散結(jié)合。結(jié)合或擴散結(jié)合。四、界面的表征四、界面的表征 1、界面結(jié)合強度的測定、界面結(jié)合強度的測定 1）三點彎曲法：）三點彎曲法： 測定界面拉伸強度時纖維的排布測定界面拉伸強度時纖維的排布 測定界面剪切強度時纖維的排布測定界面剪切強度時纖維的排布 2）聲發(fā)射（）聲發(fā)射（Acoustic Emissin ，AE）法：）法： 聲發(fā)射是當固體材料在外部條件（如載荷、溫度、聲發(fā)射是當固體材料在外部條件（如載荷、溫度、 磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時，由于其內(nèi)部原因而磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時，由于其內(nèi)部原因而 產(chǎn)生的瞬時彈性應力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料產(chǎn)生的瞬時彈性應力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材

25、料 內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動態(tài)信息，借助靈敏的電子內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動態(tài)信息，借助靈敏的電子 儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。 用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技 術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。富碳處理的富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的拉伸過程中的AE行為行為 富富SiO2處理的處理的SiCF/Al拉伸過程中的拉伸過程中的AE行為行為 2、界面結(jié)構(gòu)的表征、界面結(jié)構(gòu)的表征 界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進 儀器觀察分析。儀器觀察分析。 包括：俄歇電子譜儀（包括：俄歇電子譜儀

26、（AES）、電子探針（）、電子探針（EP） X光電子能譜儀（光電子能譜儀（XPS） 掃描二次離子質(zhì)譜儀（掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS） 電子能量損失儀（電子能量損失儀（EELS） X射線反射譜儀（射線反射譜儀（GAXP） 透射電子透射電子顯微鏡（顯微鏡（ TEM） 掃描電鏡（掃描電鏡（ SEM）、拉曼光譜（）、拉曼光譜（ Raman）等）等 TiB2纖維表面涂層纖維表面涂層SiCF / Ti復合復合材料界面材料界面SEM（黃線為連續(xù)線掃描）（黃線為連續(xù)線掃描） 3、界面殘余應力及其表征、界面殘余應力及其表征（1）界面殘余應力）界面殘余應力 復合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生復合材料成型

27、后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強體則體積體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應力，相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應力，同時同時又因增強體與基又因增強體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應力。這界面產(chǎn)生熱應力。這兩種應力的加和總稱兩種應力的加和總稱為界面殘為界面殘余應力。余應力。 （A）界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理，界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理， 使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強度的控制，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強度的控制， 在界面結(jié)合很強的情況下效

28、果不明顯。在界面結(jié)合很強的情況下效果不明顯。（B）界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有 影響，其利弊與加載方向和復合材料殘余應力的影響，其利弊與加載方向和復合材料殘余應力的 狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在殘狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在殘 余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。（2 2）界面殘余應力的測量）界面殘余應力的測量 主要方法主要方法X射線衍射法和中子衍射法。射線衍射法和中子衍射法。 中子的穿透能力較中子的穿透能力較X射線強，可用來測量界面射線強，可用來測量界面 內(nèi)應力；其結(jié)果是很大區(qū)域的

29、應力平均值。內(nèi)應力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應力平均值。 X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力。射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力。 目前，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的目前，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X X射線衍射法。射線衍射法。 第四章第四章 復合材料的復合理論復合材料的復合理論 一、復合材料一、復合材料 增強機制增強機制 1 、 顆粒增強復合材料增強機制顆粒增強復合材料增強機制 基體和顆粒共同承受外來載荷基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒起著阻；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的移動礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的移動 性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受性。另外，復合材料中的

30、裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：CV1dVbGG3PPPmy）（221式中：式中： y 復合材料屈服強度；復合材料屈服強度；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量； b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑；C 常數(shù)常數(shù) VP 顆粒體積分數(shù)；顆粒體積分數(shù)； Gp 顆粒的切變模量。顆粒的切變模量。 2、 彌散增強復合材料增強機制彌散增強復合材料增強機制 基體是承受外

31、來載荷的主要相基體是承受外來載荷的主要相；顆粒起著；顆粒起著 阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了錯的流阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了錯的流 動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒 前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示：彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示：)1 (21PP2myV3V2dbG 式中：式中： y 復合材料屈服強度；復合材料屈服強度；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量；

32、 b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑； VP 顆粒體積分數(shù)。顆粒體積分數(shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制 基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強相（晶基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強相（晶須、纖維等），不是主承力相。須、纖維等），不是主承力相。 纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。受力分析如下：受力分析如下： 假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同； 在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不在外力作用下，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)生了剪切應變，通過同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應變，通過 界面將外力傳遞到纖維上。界面將外力傳遞到纖維上。短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示：短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示： fmfcFfFVV2