復(fù)合材料原理09第8講

復(fù)合材料原理課程學(xué)科分類：材料學(xué)課程授課人：成來飛殷小瑋超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第八講界面結(jié)合與模量匹配1界面結(jié)合與失效模式2模量匹配問題3模量匹配控制引入無量綱參數(shù)θ表示界面結(jié)合強(qiáng)度，θ的取值范圍為0～1θ=0，界面完全弱結(jié)合θ=1，界面完全強(qiáng)結(jié)合0<θ<1，界面介于強(qiáng)弱之間IIIIII12maxStrength01界面結(jié)合狀態(tài)最佳θ=θmax，斷裂強(qiáng)度最大1.1界面結(jié)合與增強(qiáng)效果1界面結(jié)合與失效模式0<θ<θ1，出現(xiàn)非積累型斷裂 基體不能將載荷有效地傳遞給纖維，整個(gè)復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)不均勻的積聚損傷θ2<θ<l，出現(xiàn)積聚型斷裂 復(fù)合材料斷裂主要集中在一個(gè)截面上，在斷裂過程不存在纖維的拔出θ1<θ<θ2，出現(xiàn)混合型斷裂 在纖維與基體之間結(jié)合弱的部位發(fā)生非積聚斷裂，而在結(jié)合較強(qiáng)的部位發(fā)生積聚性斷裂1.2界面結(jié)合與失效模式1界面結(jié)合與失效模式lc太長(zhǎng)，非積累型破壞，強(qiáng)度低而韌性高；lc太短，積累型破壞，強(qiáng)度高而韌性低；lc在一定范圍內(nèi)，混合型破壞，強(qiáng)度和韌性匹配。1.3失效模式與臨界長(zhǎng)度1界面結(jié)合與失效模式2模量匹配問題典型復(fù)合材料纖維與基體模量比與失效特征：前提：界面不發(fā)生滑移復(fù)合材料體系纖維基體模量比失效模式纖維拔出PMC：T300/環(huán)氧230/4＝57.5非積聚型斷裂長(zhǎng)拔出MMC:T300/LY12230/70＝3.3混合型斷裂中拔出CMC:T300/SiC230/450＝0.5積聚型斷裂無拔出2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題在復(fù)合材料界面不發(fā)生滑移的情況下：基體模量必須低于纖維模量，纖維才有增強(qiáng)效果2.1彈性界面的模量匹配多孔彈性基體可以改善界面模量匹配：Em’：彈性基體的名義模量遠(yuǎn)低于理論模量連續(xù)纖維/多孔基體Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微結(jié)構(gòu)特征:基體孔隙率60-85Vol%纖維體積分?jǐn)?shù)42-48Vol%總孔隙率35-50Vol%2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微結(jié)構(gòu)特征:基體孔隙率30-50Vol%纖維體積分?jǐn)?shù)42-48Vol%總孔隙率20-30Vol%2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題WalterKrenkel，CarbonFibreReinforcedSiliconCarbideComposites(C/SiC,C/C-SiC)2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題WalterKrenkel，CarbonFibreReinforcedSiliconCarbideComposites(C/SiC,C/C-SiC)2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題The90?fiberdirectionstrengthsfortheuni-directionalsamples,withdensestructureand0.15m-thicknessSiCcoating(a),withporousstructureand0.15m-thicknessSiCcoating(b),withporousstructureand0.48

m-thicknessSiCcoating(c).S.SUYAMA,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE37(2002)1101–11062.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題多孔彈性基體可以改善界面模量匹配：2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題Gm/Gb

Gm:基體斷裂能Gb:纖維束斷裂能由孔隙率>30%控制的弱基體可降低

Gm彈性界面的裂紋偏轉(zhuǎn)條件：criterionforcrackdeflectionTuetal.,19962.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題控制基體孔隙率控制纖維臨界長(zhǎng)徑比：2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題低模量界面相可以改善界面模量匹配：Ei：界面相的模量InterphaselayerSiCMatrixHi-NicalonfiberCfiberSiCMatrixInterphaselayer2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題彈性界面的裂紋偏轉(zhuǎn)條件：2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題A.G.EVANS,F.W.ZOK,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE29(1994)38573896Gi/Gf<? Gi:界面脫粘能Gf:纖維絲斷裂能由弱界面控制的纖維基體脫粘可降低Gi(PyC,BN)彈性界面的裂紋偏轉(zhuǎn)條件：纖維的斷裂能f20Jm-2挑戰(zhàn)：選擇抗氧化界面層Evansetal.,1994criterionforcrackdeflection2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題控制界面層厚度控制纖維臨界長(zhǎng)徑比：控制基體孔隙率控制纖維臨界長(zhǎng)徑比：2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題控制界面層厚度控制纖維臨界長(zhǎng)徑比：T.Nozawa，TheEffectsofNeutronTheEffectsofNeutronIIrrrradiiattiionontheIIntterrffaciiall

Shearr

SttrrengtthoffSiiC//SiiC

Composiittes2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題控制界面層厚度控制纖維臨界長(zhǎng)徑比：2.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題EffectonmechanicalpropertiesofcarboncoatingsonNicalon

fibresinaSiCmatrix.臨界長(zhǎng)度影響復(fù)合材料韌性T.W.Clyne,F.R.Jones,Composites:Interfaces,“Composites:MMC,CMC,PMC”,AMortensen(ed.),Elsevier,20012.1彈性界面的模量匹配2模量匹配問題低模量：緩解熱膨脹失配；低剪切強(qiáng)度：控制界面結(jié)合強(qiáng)度；與纖維和基體共有化學(xué)組元：防止界面化學(xué)反應(yīng)。彈性界面的界面相2模量匹配問題2.1彈性界面的模量匹配纖維臨界長(zhǎng)徑比與纖維和基體模量比有關(guān)：如果模量比太小，需要低模量界面層：如果模量比太大，需要高模量界面層：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題模量比和體積分?jǐn)?shù)影響載荷傳遞效果：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題纖維臨界長(zhǎng)度與纖維和基體模量比有關(guān)：E-glass/Nylon-6復(fù)合材料2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題溫度升高，基體模量下降，纖維臨界長(zhǎng)徑比增加：E-glass/Nylon-6復(fù)合材料2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題模量比對(duì)纖維和界面應(yīng)力的影響大：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題模量比對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響(R=Em/Ef,:x=0,:x=L)模量比對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響()2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題模量比對(duì)纖維徑向應(yīng)力的影響()模量比對(duì)纖維軸向應(yīng)力的影響()2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題R/rf幾何比對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響(PMC:Steel/epoxy,

:上部,:底部)模量比越大，界面剪切應(yīng)力越低，影響區(qū)域越大：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題R/rf幾何比對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響(MMC:SiC/Al,

:上部,:底部)模量比適中，界面剪切應(yīng)力適中，影響區(qū)域適中：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題R/rf幾何比對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響(CMC:SiC/ZrO2

:上部,:底部)模量比越小，界面剪切應(yīng)力越大，影響區(qū)越越小：2.2屈服界面的模量匹配2模量匹配問題Mrr基體裂紋模量梯度可減小基體應(yīng)力，抑制基體裂紋擴(kuò)展：3模量匹配控制密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：纖維臨界長(zhǎng)徑比，控制強(qiáng)度和韌性的匹配臨界長(zhǎng)徑比高：強(qiáng)度低而韌性高臨界長(zhǎng)徑比低：強(qiáng)度高而韌性低纖維種類界面層厚度與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)短結(jié)合：混合斷裂(斷裂強(qiáng)度)(界面強(qiáng)度)3模量匹配控制密度梯度造成模量梯度，形成分區(qū)拔出：纖維束高致密區(qū)強(qiáng)約束區(qū)低致密區(qū)弱約束區(qū)纖維束短拔出區(qū)增強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)拔出區(qū)增韌區(qū)3D-SiC/SiC3模量匹配控制2DC/SiC復(fù)合材料及其改性A和B的性能CompositeDepositiontime/hInterfaceMatrixCoatingPyCSiCPyCSiCPyCSiCSiC改性A100801008020080160改性B1008020080100801602DC/SiC100320－－－－160CompositeDepositiontime/hInterfaceMatrixCoatingPyCSiCPyCSiCPyCSiCSiC改性A100801008020080160改性B1008020080100801603DC/SiC100320－－－－1603DC/SiC復(fù)合材料及其改性A和B的性能成分梯度控制模量梯度：3模量匹配控制改性A的PyC層纖維束內(nèi)部較薄，纖維束外部較厚改性B的PyC層纖維束內(nèi)部較厚，纖維束外部較薄基體改性2DC/SiC的顯微結(jié)構(gòu)：3模量匹配控制基體改性對(duì)2D/SiC性能的影響復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度/MPa斷裂韌性/MPa.m1/2斷裂功/KJ.m-2拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa斷裂應(yīng)變/%改性A346.922.548.77240.61101.430.69-31.8％15.9％18.4％-7.5％-6.26.2％改性B466.223.7711.74268.42109.281.57-8.6％22.2％58.4％3.2％1.1％141.5％2DC/SiC508.919.457.41260.01108.120.653模量匹配控制基體改性對(duì)C/SiC應(yīng)力－應(yīng)變的影響：BA2DC/SiC2DC/SiC的應(yīng)力－應(yīng)變3模量匹配控制AB2DC/SiC2DC/SiC的彎曲載荷－位移基體改性對(duì)C/SiC載荷－擾度的影響3模量匹配控制復(fù)合材料2DC/SiC改性狀態(tài)改性A改性B不改性碳分布絲表面薄厚／束表面厚?。C合性能-5.0％217.8％基體改性對(duì)C/SiC綜合性能的影響3模量匹配控制2DC/SiC改性Thefirstpull-outThesecondpull-outThefirstpull-outThesecondpull-out模量梯度造成兩級(jí)拔出：3模量匹配控制纖維束內(nèi)基體的模量應(yīng)該比纖維束外基體的模量低纖維束內(nèi)和纖維束外基體模量都應(yīng)該比纖維的模量低靠近纖維絲和束的基體模量應(yīng)該比遠(yuǎn)離的基體模量低纖維基體改性界面和基體一體化基體模量低高3.2界面模量匹配原則3模量匹配控制彈性界面模量匹配原則模量梯度可增加界面剪切強(qiáng)度，抑制界面裂紋擴(kuò)展：Mrr基體裂紋3.2界面模量匹配原則3模量匹配控制屈服界面模量匹配原則屈服界面模量匹