材料科學與工程導論

1、材料科學與工程導論第1頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四構(gòu)成的纖維增強復合材料將表現(xiàn)出圖16.9b 所示的單軸應力-應變響應。 在起始階段I 區(qū)，纖維和基體均為彈性形變。正常情況下，這一部分的曲線是線性的。這種復合材料，基體在ym 屈服發(fā)生塑性形變（如圖16.9b），而纖維繼續(xù)彈性伸長。這是因為纖維的拉伸強度比基體的屈服強度要高的多。這一過程構(gòu)成了第II 階段，如圖所示，此區(qū)通常非常接近線性，但是相對階段I，斜率有所降低。此外，由第I 階段到第II 階段，纖維承受的載荷比例提高了。第2頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四圖16.9 (a) 脆性纖維

2、和延性基體材料的應力-應變曲線；(b)取向排列增強復合材料的應力應變曲線，單軸應力沿取向排列方向施加。 第3頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四當纖維開始斷裂時，復合材料失效開始啟動，這對應于圖16.9b 中應變大約為f*點。由于下面幾個原因，復合材料失效不是災難性的。首先并不是所有的纖維同時斷裂，因為脆性纖維材料的斷裂強度總有差別。其次，即使纖維斷裂后，基體仍然完整，因為f*m*（圖16.9a）。因此這些斷裂的纖維比原來的長度短，仍然鑲嵌在完整的基體內(nèi)，因而當基體繼續(xù)塑性變形時，能夠承受減弱的載荷。第4頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四圖17.8

3、第5頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四軸向加載時的彈性行為：考慮連續(xù)、取向纖維增強復合材料的彈性行為，載荷沿纖維排列方向施加。首先假設纖維-基體界面鍵合很好，因為基體和纖維的形變相同（等應變狀態(tài)）。在此條件下，復合材料承受的總的載荷Fc 等于基體相承受的載荷Fm 和纖維相承受的載荷Ff 之和，即：Fc = Fm + Ff (16.4)由應力的定義，F(xiàn) =A ，用應力（c ， m ， f ）和界面面積（Ac， Am， Af ）表示載荷Fc， Fm和Ff ，16.4 式變?yōu)椋?第6頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四cAc =mAm +f Af (16

4、.5) 公式的兩邊同時除以聚合物總的界面面積Ac，得到：c =mAm/Ac + f Af/Ac (16.6) 其中，Am 和Af 分別是基體相和纖維相的面積比例。如果復合材料、纖維相和基體相的長度相同，那么Am/Ac 等于基體相的體積分數(shù)Vm。同樣，對于纖維相也有Vf = Af/Ac 。因此公式（16.6 ）變?yōu)椋篶 =mVm +fVf (16.7) 第7頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四前面的等應變狀態(tài)假設意味著：c =m =f (16.8) 將16.7 式中的每一項除以各自的應變，得到： (16.9) 第8頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四如

5、果基體、纖維和復合材料都只有彈性變形，那么連續(xù)、取向纖維增強復合材料軸向彈性模量公式為：Ecl=EmVm+EfVf (16.10a)如果復合材料只有基體和增強纖維兩相構(gòu)成，那么：Ecl=Em(1-Vf)+EfVf (16.10b)第9頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四復合材料的其它特性，例如密度對體積分數(shù)有相同依賴關(guān)系。同樣可以證明，纖維相和基體相在軸向承受的載荷比值為：Ff/Fm=EfVf/EmVm (16.11)第10頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四例題16.1連續(xù)、取向排列玻璃纖維-增強復合材料含有40 vol% 的玻璃纖維和60 vol

6、% 聚合酯，玻璃纖維的彈性模量為69 GPa，聚合酯的彈性模量為3.4 GPa. (a)計算這種復合材料的軸向彈性模量。(b)如果截面面積為250 mm2，軸向所加應力為50 MPa，計算纖維和基體相所承受的載荷的大小。(c)當施加(b)中所述的應力時，確定每個相所發(fā)生的應變。 第11頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四橫向加載彈性行為：一個連續(xù)、取向排列纖維復合材料可以橫向加載，即加載方向與纖維排列方向成90，如圖16.8a 所示。在這種情況下，復合材料以及兩個組成相的應力相同，即：c =m =f = (16.12) 這稱為等應力狀態(tài)。復合材料總的應變或形變?yōu)椋篶 =m

7、 Vm +f Vf (16.13)根據(jù)彈性模量公式= /E第12頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四得到：/Ect=Vm/Em+Vf/Ef (16.14)其中Ect是軸向彈性模量。上式中約去應力，得到：1/Ect=Vm/Em+Vf/Ef (16.15)進一步變?yōu)椋篍ct=EmEf/(VmEf+VfEm) =EmEf/(1-Vf)Ef+VfEm (16.16)例題16.2假設例題16.1中，應力變?yōu)檩S向加載，計算復合材料軸向彈性模量第13頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四軸向拉伸強度：連續(xù)、取向纖維-增強復合材料軸向加載，強度是應力-應變曲線上最大應

8、力（圖16.9b）,對應于纖維斷裂，而且標志著復合材料失效的起始點。表17.1 列出了三種普通纖維復合材料的軸向和橫向拉伸強度值。這種類型復合材料的失效是一個相對復雜的過程，而且?guī)追N失效模式都有可能。對一種具體的復合材料，起用那種模式由纖維和基體的特性以及纖維-基體界面鍵合的本質(zhì)和強度決定。第14頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四第15頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四如果我們假設f* lc，軸向強度cd*由下面關(guān)系式給出：cd * = m (1 Vf ) +f*Vf (1 lc/ 2l ) (16.18) 其中f*和m分別代表纖維的斷裂強度和復

9、合材料失效時基體中的應力。如果纖維長度小于臨界值，l lc，那么軸向強度cd*由下式給出：cd* =m (1 Vf ) + Vf lc/ d (16.19) 其中，d 是纖維直徑；c是纖維-基體鍵合強度和基體剪切屈服強度兩者中小的一個。第19頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四三、不連續(xù)、隨機取向纖維增強復合材料當纖維隨機取向時，使用短的不連續(xù)纖維。在這種情況下，可以使用類似于式16.8a 彈性模量的“混合規(guī)則”表達式：Ecd = KE fVf + EmVm (16.20) K 是纖維效率參數(shù)，K 依賴于Vf 和Ef /Em 比值。K 的值小于1，通常在0.1 到0.6

10、范圍內(nèi)。對隨機纖維增強復合材料，（與取向纖維比較）模量增加與纖維的體積分數(shù)成某種比例。表17.2 給出了不連續(xù)、隨機分布纖維未強化和強化后的聚碳酸酯的力學特性。為可能達到的增強量級提供了一個概念。 第20頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四第21頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四第22頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四16.6 纖維相基于直徑和特點，纖維分為三類：晶須，纖維和絲。晶須是單晶體，具有極大長徑比。晶須具有高度晶格完整性，無缺陷，這一點說明了晶須為什么具有異常高的強度。晶須是目前已知最強材料。除了高強度之外，作為增

11、強介質(zhì)，晶須的應用不廣泛，因為它們特別昂貴。另外，將晶須摻入到基體中很難，而且常常是不切實際的。晶須材料包括：石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁。表17.4 給出了這些材料的某些力學特性。第23頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四第24頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四纖維材料可以是多晶或非晶，直徑小。纖維材料通常是聚合物或者陶瓷，例如，聚合物芳族聚酰胺纖維、玻璃、碳、硼、氧化鋁和碳化硅。表17.4 給出了少數(shù)材料以纖維的方式使用時的某些數(shù)據(jù)。絲具有較大直徑，典型材料包括：鋼、鉬和鎢。絲作為輻射狀增強使用在汽車輪胎、纏絲火箭殼體和繞絲高壓水龍帶中。16.

12、7 基體相 基體相可以是金屬、聚合物或陶瓷。基體材料具有一定程度的延性是非常理想的。 第25頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四纖維-增強復合材料，基體相具有以下幾個功能：第一，基體將纖維膠合在一起，作為介質(zhì)將外加應力傳遞給并分布在纖維上，基體相只承受很小比例的外加載荷。第二，基體保護單個纖維，避免纖維機械磨耗和與周圍環(huán)境發(fā)生化學反應造成表面損傷。這種相互作用可能引入能夠形成裂紋的表面缺陷，而裂紋可以導致材料在很低的拉伸應力水平失效；最后，基體相將纖維分隔開。第26頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四基體相軟而塑，可以阻止脆性裂紋由一個纖維擴展到另一

13、個纖維，避免突然失效。換句話說，基體相成為裂紋傳播的障礙。即使單個纖維失效，總的復合材料也不發(fā)生斷裂，除非大量已斷裂纖維形成具有臨界尺寸的團。為了減小纖維拉拔，必須增強纖維和基體之間的粘著鍵合。事實上，鍵合強度是選擇基體纖維組合時的一個重要考慮。復合材料的最終強度在很大程度上依賴于這一鍵合的大小。為了將應力最大程度的從基體傳遞給強的纖維，充分鍵合是必要的。第27頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四17.8 聚合物基復合材料 聚合物基復合材料(PMCs)由作為基體的聚合物樹脂和作為增強介質(zhì)的纖維構(gòu)成。玻璃纖維-增強聚合物基(GFRP)復合材料纖維玻璃直徑通常在320 m 范

14、圍內(nèi)。玻璃作為纖維增強材料很普遍，因為：1. 在熔化狀態(tài)下很容易拉成高強度纖維。2. 速效而且使用多種復合材料-生產(chǎn)技術(shù)可以經(jīng)濟的加工成玻璃纖維-增強塑料。第28頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四3. 纖維很強，嵌入塑料基體內(nèi)時，生產(chǎn)出的復合材料具有很高的比強度。 4. 與各種塑料結(jié)合，纖維具有化學惰性，因此復合材料可以在多種腐蝕環(huán)境中使用。存在的局限性有：盡管有高的強度，但是不夠剛，不夠堅硬（如飛機構(gòu)件或橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件）。大多數(shù)纖維玻璃的服役溫度在200以下。 纖維玻璃的許多應用是我們熟悉的：汽車外殼、船體、塑料管、儲藏容器和工業(yè)地板。 第29頁，共37頁，2022年

15、，5月20日，22點27分，星期四碳纖維-增強聚合物基(CFRP)復合材料碳是一種高性能纖維材料，是先進聚合物基復合材料中最常用的增強劑。原因如下：1. 在所有的增強纖維材料中，碳纖維具有最高的比模量和比強度。2. 在高溫下，碳纖維保持高拉伸模量和高強度。但是高溫氧化性是個問題。3. 室溫，碳纖維不受濕氣和多種溶劑、酸、堿的影響，4. 纖維表現(xiàn)出多種多樣的物理和力學特性，使得與纖維結(jié)合的復合材料具有特殊的工程特性。第30頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四5. 已經(jīng)發(fā)展了經(jīng)濟、有效的纖維和復合材料生產(chǎn)過程。碳纖維不是完全晶體，而是由石墨和非晶區(qū)共同組成，非晶區(qū)域是缺乏三維

16、有序排列，具有石墨特征的六角碳網(wǎng)（圖12.17 ）碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)比較復雜，這里將不討論。所使用的三種不同的有機母體材料分別是粘膠、聚丙烯腈(PAN) 、瀝青。加工技術(shù)隨著使用的母體不同而不同，合成的纖維的特性也將不同。第31頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四芳香族聚酰胺纖維-增強聚合物基復合材料芳香族聚酰胺纖維有幾種，其中兩種最常見材料的商業(yè)名稱是：Kevlar 和Nomex 。它們強度-重量比高于金屬。在合成過程中，像液晶疇一樣，堅硬分子沿纖維軸方向排列，如圖16.10 所示。這類纖維軸向拉伸強度和拉伸模量（表17.4 ）比其它聚合物纖維材料高，壓縮時比較弱。此外，

17、這種材料因韌性、抗沖擊能力、抗蠕變和抗疲勞失效而聞名。盡管是熱塑塑料，然而它們抗燃燒，保持高力學特性的溫度范圍為-200200。容易受到強酸和強堿的破壞，但是在其它溶劑和化合物中不活潑。 第32頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四圖16.10第33頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四常用基體材料是環(huán)氧和聚合酯。由于纖維比較柔韌，有微量延展性，因此可以通過許多常用的紡織操作加工。芳族聚酰胺復合材料的典型應用是彈道制品、防彈背心、運動工具、輪胎、繩子、導彈箱體、壓力倉以及汽車車閘、離合器襯墊、密封墊中石棉的替代品。表17.5 包含了連續(xù)和取向玻璃、碳和芳族聚酰胺纖維增強環(huán)氧復合材料的特性，可以對這三種材料的軸向和橫向力學特性進行比較。 第34頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四第35頁，共37頁，2022年，5月20日，22點27分，星期四其他纖維增強復合材料玻璃、碳、芳香族纖維是聚合物基復合材料中最常用的三種增強纖維。其他增強纖維材料有