《現(xiàn)代復合材料》課件現(xiàn)代復合材料1-3章

1、現(xiàn)代復合材料課程內(nèi)容復合材料的基本概念增強相復合理論聚合物基復合材料國家支撐計劃和航空項目金屬基復合材料ITER專項陶瓷基復合材料ITER專項和航空項目什么是材料經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象。一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。材料是人類賴以生存與發(fā)展、征服及改造自然的物質基礎,是人類活動不可缺少的東西材料是社會生產(chǎn)力發(fā)展的標志，生產(chǎn)中使用的材料性質反映了人類社會的文明水平現(xiàn)代一個國家的實力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展第一章復合材料概述復合材料的定義和分類復合材料的性能復合材料的用途第一節(jié)復合材料的定義和分類什么是復合材料：國際標準化組

2、織曾在塑料名詞術語的定義中，把復合材料定義為：“由兩種以上物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多相體系”。（偏重性能）有人認為：“由連續(xù)相的基體(如聚合物樹脂、金屬、陶瓷等)與分散相的增強材料(如各種纖維、織物及粉末填料等)組合的多相材料稱為復合構料”。（偏重結構）材料的優(yōu)缺點組合示意圖復合材料的特點 (1)復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面（相界面）。 (2)復合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。（3）復合材料具有可設計性。復合材料的分

3、類按基體分類聚合物基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料石墨基復合材料（碳/碳復合材料）水泥基復合材料按增強相種類分顆粒晶須纖維無機非金屬基復合材料復合材料的分類按增強相的形狀分零維（顆粒）一維（纖維）二維（片狀或平面織物）三維（立體織物）按用途分結構復合材料功能復合材料智能復合材料復合材料性能特點比強度和比模量高比強度強度/密度比模量模量/密度化學穩(wěn)定性好減摩、耐摩和自潤滑性能好耐熱性高高韌性和高抗熱沖擊性、導電和導熱性其它特殊性能：優(yōu)良的電器絕緣材料復合材料性能比較: (1)強度和模量復合材料性能比較:(1)強度和模量(2)化學穩(wěn)定穩(wěn)定性金屬材料不耐酸、Cl-腐蝕金屬材料不耐硫化腐蝕塑料具

4、有良好的耐腐蝕性能陶瓷具有良好的耐硫腐蝕性能(3)減摩、耐磨和自潤滑性能碳纖維可以增加石棉的摩擦系數(shù)，也可以降低塑料的摩擦系數(shù)。還可以增強聚合物材料耐磨性能PVC增加3.8倍PTFE增加3倍PP增加2倍(3)耐熱性能 耐熱性是指材料在一定的溫度上限內(nèi)能長期使用，而其力學性能保持不低于80的一種性能指標。目前聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350 ，金屬基復合材料的耐溫性較好，3501100。SiC Al2O3/陶瓷復合材料：12001400 SiC/Si3N4復合材料：1500 復合材料的用途機械汽車化學化工航空航天建筑日常生活第二章增強相增強相的種類纖維及織物：有機和無機纖維、金屬纖維晶須：

5、氧化物、氮化物和硼化物顆粒：陶瓷和金屬第一節(jié)纖維單絲(Monofilament)指拉絲漏板每個孔中拉出的絲 原紗(strand)指多根單絲(數(shù)目由漏板的孔數(shù)決定)從漏板拉出匯集而成的單絲束，也稱纖維束絲Tow)、單股紗或原絲 捻度(Twist)亦稱捻數(shù)，指有捻紗或其它紗線在每米長度沿著軸向的捻回效(螺旋匝數(shù))。S為左捻，逆時針，Z為右捻，順時針細度指單絲的直徑，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原紗的長度來表示，稱為支數(shù)。 定長法：是目前國際上統(tǒng)一使用的方法，單位為Tex，系指1000米長原紗的克數(shù)。 粗紗(Roing)由若干單股有捻紗、原紗或單股無捻紗以無捻或少捻平行集束而成。 無捻粗

6、紗有多股連續(xù)單股原紗并排合股而成(不加捻)以紗束，以構成原紗的股數(shù)和支數(shù)表示，如40支40股、40支20股等。一段來講，無捻粗紗適于制作預浸料，因為它易于浸透樹脂，有捻纖維適于編織。 短切纖維(Short fiber)將原絲、無捻粗紗或加捻紗切斷成或拉斷成長度為35150m(有的書中為0.660mm)的纖維，也稱為短纖維。長徑比短纖維長度與直徑之比。 短纖維氈由不規(guī)則的短切纖維隨意交叉重疊鋪成氈狀簿片，隨機器的移動均勻排列，用樹脂粘結而成。 連續(xù)纖維氈由纖維本身的卷纏而形成并由少量粘合劑粘合。這種氈蓬松而具有彈性。 纖維織物(c1oth)用加了捻的纖維以不同方式編織的織物，依織法不同可以分為平

7、紋布、斜紋布、緞紋布和單向布等。 無緯布用膠液將平行的纖維連在一起的布不加任何緯向纖維。橫向粘結強度由樹脂決定。 預浸料(Prepreg)用于制造復合材料浸漬樹脂基體的纖維或其織物經(jīng)烘干或預聚的一種中間材料。一、有機纖維1、kevlar纖維：芳香族酰胺纖維特點：高強度、高模量，韌性好，密度低Kevlar49：聚對苯撐對苯二甲胺Kevlar29：聚對苯酰胺具有高的結晶度和取向度具有垂直于纖維軸的層狀結構Kevlar纖維的物理性能Kevlar纖維的化學穩(wěn)定性2、超高分子量聚乙烯纖維特點：高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。但熔點較低(約135

8、)，高溫容易蠕變用途：纜繩、武器裝甲、防彈背心、航天航空部件 UHMWPE纖維的沖擊強度幾乎與尼龍相當，在高速沖擊下的能量吸收是芳綸纖維（PPTA）、尼龍纖維的兩倍。這種并疲勞性能非常適合制作防彈材料。二、無機纖維玻璃纖維：有堿(12%),中堿()6-12%,低堿(2-6%)，無堿(2%) 特點：耐腐蝕、高溫；便宜；不耐磨、易折斷碳纖維：熱膨脹系數(shù)??；耐高溫蠕變；自潤滑、導電性高；價格高硼纖維：在鎢絲表面沉積B氧化鋁纖維：耐熱性和抗氧化性好；密度大SiC纖維玻璃纖維的結構玻璃纖維的化學成分和結構玻璃纖維的物理性能玻璃纖結的力學性能影響因素碳纖維的結構目前廣泛采用的方法是在隔絕空氣和水分的情況下

9、，加熱至1000左右分解碳化聚丙烯脂、黏膠纖維或瀝青纖維。層與層之間的距離叫層間距，可用d表示，一股約為0.35nm圖a。由數(shù)層到數(shù)十層組成石墨微晶，即碳纖維的二級結構單元見圖b。再由石墨微晶組成原纖維圖c，其直徑為50nm左右，長度達數(shù)百納米，這是碳纖維的三級結構單元。最后由原纖維組成碳纖維的單絲直徑一般為68um。碳纖維的性能 碳纖維的熱膨脹系數(shù)呈各向異性。平行于纖維方向是負值，為-(0.720.90)10-6/,垂直于纖維方向是正值。碳纖維的熱導率也有方向性，平行纖維方向的熱導率約為1.6w/(mK)；垂直于纖維方向的熱導率約為0.08w/(mK) 。熱導率隨溫度升高而下降，此外，碳纖維

10、具有良好的導電性。碳纖維的性能熱處理溫度的影響 隨著熱處理溫度的提高，碳纖維的電阻率隨之降低。碳纖維屬于半導體性質而石墨纖維的導電性比鋁、銅還要高。低熱膨脹系數(shù)使碳纖維制品具有高度的尺寸穩(wěn)定性。氧化鋁纖維的性能SiC纖維的性能金屬纖維金屬纖維鋼纖維特點：導電性和導熱性好，塑性和抗沖擊性能好。纖維性能比較纖維的柔韌性及斷裂都沒有屈服Kevlar49是韌性斷裂，其它為脆性斷裂比性能 CF的比模量最高GF的比模量最低PE的比強度和比模量配合最好熱穩(wěn)定性CF的耐高溫性能最好Kevalr49最差第二節(jié)晶須晶須(wisker)是指具有一定長徑比(般大于10)和截面積小于52105cm2的單晶纖維材料。晶須

11、是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。晶須的生長機制VLS機制(V表提供的氣體原料，L為液體觸媒，S為固體晶須） 系統(tǒng)中存在的觸媒液滴而是氣體原料和固體產(chǎn)物之間的媒介，形成晶須的氣體原料通過氣液界而輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原料的熔體，當熔體達到一定的過飽和度時析出晶體，并沉積在液滴與接體的界面上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長出，而將小液滴抬起，直到停止生長第三節(jié)顆粒剛性顆粒增強體或陶瓷顆粒增強體。具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化硼、石墨、細金剛石等。 作用：提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作

12、用。延性顆粒增強體，主要為金屬顆粒。作用：增強材料的韌性。但高溫力學性能會有所下降。顆粒增韌機制 顆粒增強體可以通過三種機制產(chǎn)生增韌效果 當材料受到破壞應力時，裂紋尖端處的顆粒發(fā)生顯著的物理變化，如晶型轉變、體積改變、裂紋產(chǎn)生與增殖等，它們均能消耗能量，從而提高復合材料的韌性。這種增韌機制稱為相變增韌和微裂紋增韌。復合材料中的第二相顆粒使裂紋擴展路徑發(fā)生改變，如裂紋偏轉、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘扎等，從而產(chǎn)生增韌效果。以上兩種機制同時發(fā)生，此時稱為混合增韌。第四節(jié)增強材料的表面處理作用：改善增強材料與基體的浸漬性相與界面的結合強度聚合物基復合材料（1）偶聯(lián)劑處理：有機硅烷，鈦酸脂（2）等離

13、子處理：（3）氧化處理金屬基復合材料 對于金屬基復合材料，對纖維進行表面處理的目的主要是改善纖維的浸潤性，抑制纖維與金屬基體之間界面發(fā)生反應形成界面反應層，如利用化學氣相沉積技術在硼纖維表面沉積形成碳化硅或碳化硼涂層，可以抑制熱壓成型時硼纖維與錢之間的界面反應。對氧化鋁纖維表面則可沉積鎳或鎳合金層。第三章復合理論第一節(jié)復合原則材料組元的選擇依據(jù)：復合材料的性能1、顆粒增強復合材料的原則(1)顆粒應高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導致塑性變形的位錯運動(金屬、陶瓷基體)或分子鏈的運動(聚合物基體)。 (2)顆粒直徑的大小要合適，因為顆粒直徑過大會引起應力集中或本身破碎導致材料強度降低；顆粒直

14、徑太小，則起不到大的強化作用。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。(3)顆粒的數(shù)量一般大于20，數(shù)量太少，達不到最佳的強化效果。2纖維增強復合材料的原則(1)纖維的強度和模量都要高于基體，即纖維應具有高模量和高強度，因為除個別情況外，在多數(shù)情況下承載主要是靠增強纖維。 (2)纖維與基體之間要有一定的粘結作用，兩者之間結合要保證所受的力通過界面?zhèn)鬟f給纖維。 (3)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不能相差過大。 (4)纖維與基體之間不能發(fā)生有害的化學反應，特別是不發(fā)生強烈的反應，否則將引起纖維性能降低而失去強化作用。 (5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。制備方法的選擇原則：(1)所選的工藝方法對材

15、料組元的損傷最小(2)能使任何形式的增強材料(纖維、顆粒、晶須)均勻分布或按預設計要求規(guī)則排列；(3)使最終形成的復合材料在性能上達到充分發(fā)揮各組元的作用，即達到揚長避短，而且各單元組元仍保留著固有的特性。第二節(jié) 復合材料的界面設計原則 復合材料的界面，并不是個理想的幾何面。實驗證明，復合材料相與相之間的兩相交接區(qū)是一個具有相當厚度的界面層，兩相的接觸會引起多種界面效應，隨界面層的結構和性能不同于它兩側鄰兩側相的結構和性質，具有如下特點：具有一定厚度性能在厚度方向上有梯度變化隨環(huán)境條件變化而改變界面效應界面層的存在，導致界面效應的發(fā)生(1)分割效應：個連續(xù)體被分割成許多小區(qū)域，從而對基體力學性

16、能造成影響。(2)不連續(xù)件止：在界面上引起的物理性質的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻，介電特性，耐熱性，尺寸穩(wěn)定性等。(3)散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收.(4)感應效應：在界面上產(chǎn)生的感應效應，特別是應變、內(nèi)應力和由此引出的現(xiàn)象界面設計原則適度粘接的界面層界面的作用：（1）把施加在整體上的力，由基體通過界面層傳遞到增強材料組元。（2）在一定的應力條件下能夠脫粘，以及使增強纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦。這樣就可以借助脫粘增大表面能、拔出和摩擦功等形式來吸收外加載荷的能量以達到提高其抗破壞能力。合適性質的界面層 一種是界面層的模量應介于增強材料與基體材料之

17、間，最好形成梯度過渡。另一種觀點是界面層的模量低于增強材料與基體，最好是一種類似橡膠的彈性體，在受力時有較大的形變。界面對性能的影響聚合物基復合材料的界面設計關?。涸鰪娊缑娴慕櫺越饘倩鶑秃喜牧系慕缑嬖O計關?。海?）對增強材料進行表面處理，增強浸漬性和防止界面反應 （2）選擇金屬元素。改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來控制界面反應。陶瓷基復合材料的界面設計關?。盒枰环N既能提供界面粘接又能發(fā)生脫粘的界面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差的缺點。第三節(jié) 復合材料界面理論浸潤性熱力學原理：體系自由能減小 力平衡原理 界面粘結 粘結(或稱粘合、粘著、粘接)是指不同種類的兩種材料

18、相互接觸并結合在一起的一種現(xiàn)象。1、機械作用理論機械作用機理如下圖所示，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。表面越粗糙，互鎖作用越強，因此機械粘結作用越有效。2、靜電作用理論 當復合材料的基體及增強材料的表面帶有異性電荷時，在基體與增強材料之間將發(fā)生靜電吸引力。靜電互作用的距離很短，僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效。因此表面的污染等將大大減弱這種粘結作用。3、化學作用理論化學作用是指增強材料表面的化學基團(圖中標有x面)與基體表面的相容基團(標有R面)之間的化學粘結。化學作用理論最成功的應用是偶聯(lián)劑利用于增強材料表面與聚合物基體的粘結。4、界面反應或界面擴散理論 復合材料的

19、基體與增強材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴散或發(fā)生反應，從而形成反應結合或互擴散結合。第四節(jié) 力學性能復合原理顆粒增強纖維增強晶須增強4.1顆粒增強原理彌散增強原理 彌散增強復合材料是由彌散微粒與基體復合而成。其增強機理與金屬材料析出強化機理相似，可用位錯（鏈段）繞過理論解釋。載荷主要由基體承擔，彌散微粒阻礙基體的位錯（鏈段）運動，微粒阻礙總體位錯（鏈段）運動能力越大，增強效果愈大。4.2顆粒增強原理顆粒增強復合材料是由尺寸較大(1um)的堅硬顆粒與基體復合而成，其增強原理與彌散增強原理有區(qū)別。在顆粒增強復合材料中，雖然載荷主要由基體承擔，但顆粒也承受載荷并約束基體的變形，顆粒阻止基體位錯運動的

20、能力越大，增強效果越好。在外載荷的作用下，基體內(nèi)位錯滑移在基體顆粒界面上受到阻滯，并在顆粒上產(chǎn)生應力集中，其值為 i = n 根據(jù)位錯理論，應力集中因子為 因此 Gm為基體的剪切模量， b為柏氏矢量 Df為顆粒之間的距離為 如果i P (顆粒強度)時，顆粒開始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復合材料變形 P =Gp/C (C為常數(shù))顆粒增強復合材料的屈服強度為 將體視學關系式代入得到4.3單向連續(xù)纖維增強原理復合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的物理、化學作用有關。復合材料性能可以通過實驗測量確定，理論和半實驗的方法可以用于預測復合材料中系統(tǒng)變量的影響，但是不十分可靠，特別在單向復合材料的橫向性能方

21、面不準確。然而，數(shù)學模型在研究某些單向復合材料縱向性能方面相當精確的。4.3.1 縱向強度和剛度 (1)復合材料應力應變曲線的初始階段 連續(xù)纖維增強復合材料層板受沿纖維方向的拉伸應力作用，假設纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的并全部相互平行；纖維基體之間的結合是完美的，在界面無相對滑動發(fā)生；忽略纖維和基體之間的熱膨脹系數(shù)、泊松比以及彈性變形差所引起的附加應力。整個材料的縱向應變可以認為是相同的，即復合材料、纖維和基體具有相向的應變 在沿纖維方向的外加載荷由纖維和基體共同承擔，應有 對于平行纖維的復合材料，體積分數(shù)等于面積分數(shù) 復合材料、纖維、基體的應變相同對應變求導數(shù)，得到 d /de表示在給定應

22、變時相應應力應變曲線的斜率。如果材料的應力應變曲線是線性的。則斜率是常數(shù)，可以用相應的彈性模量代人，得到(2)復合材料初始變形后的行為 一般復合材料的變形有4個階段：纖維和基體均為線彈性變形；纖維繼續(xù)線彈性變形，基體非線性變形；纖維和基體都是非線性變形；隨纖維斷裂，復合材料斷裂。對于合屬基復合材料來說，由于基體的塑性變形，第二階段可能占復合材料的應力應變曲線的相當部分。(3)斷裂強度對于縱向受載的單向纖維復合材料，當纖維達到其斷裂應變值時，復合材料開始斷裂。當基體斷裂應變大于纖維斷裂應變時，理論計算時一般假設所有的纖維在同一應變值斷裂，如果纖維的斷裂應變值比基體的小，在纖維體積分數(shù)足夠大時，基

23、體不能承擔纖維斷裂轉移的全部裁荷，則復合材料斷裂。這種條件下，復合材料縱向斷裂強度可以認為與纖維斷裂應變值對應的復合材料應力相等，從混合法則，得到復合材料縱向斷裂強度 是纖維的強度 是對應纖維斷裂應變值的基體應力在纖維體積分數(shù)很小時，基體能夠承擔纖維斷裂后所轉移的全部載荷，隨基體應變增加，基體進一步承載，并假設在復合材料應變高于纖維斷裂應變時纖維完全不能承載。這時復合材料的斷裂強度為 式中 是基體強度。聯(lián)立以上二式，得到纖維控制復合材料斷裂所需的最小體積分數(shù) 當基體斷裂應變小于纖維斷裂應變時，纖維斷裂應變值比基體大的情況與纖維增強陶瓷基復合材料的情況一致。在纖維體積分數(shù)較小時，纖維不能承擔基體斷裂后所轉移的載荷，則在基體斷裂的同時復合材料斷裂，由混合法則得到復合材料縱向斷裂強度 為對應基體斷裂應變時纖維承受的應力 當纖維維體積分數(shù)較大時，纖維能夠承擔基體斷裂后所轉移的全部載荷假如基體能夠繼續(xù)傳遞載荷，則復合材料可以進一步承載，直至纖維斷裂，這時復合材料的斷裂強度為 同樣的方法，可以得到控制復合材料斷裂所需的最小纖維體積分數(shù)為4.3.2橫向剛度和強度(1)HalpinTs