復合材料的復合原理及界面

復合材料原理陳剛江蘇大學材料學院1第二章復合材料的復合原理及界面2第二章復合材料的復合原理及界面2.1復合原則2.2彌散增強及顆粒增強原理

2.3單向連續(xù)纖維增強原理

2.4短纖維增強原理2.5混雜增強原理2.6復合材料界面及其改性2.7復合材料界面表征3思考題根據連續(xù)纖維增強原理，舉例說明采用哪些措施可以保證復合材料具有優(yōu)異的性能？優(yōu)異的纖維性能、足夠的纖維體積分數、與整體結構配合的纖維排列、良好的界面結合、基體具有良好的塑性、基體性能均勻。42.4短纖維增強原理一、短纖維的作用特點及效應二、高分子基復合材料增強原理三、金屬基復合材料增強原理四、陶瓷基復合材料增強原理5一、短纖維的作用特點及效應短纖維的含義應力傳遞理論彈性模量、強度與纖維長度的關系61、短纖維的含義短纖維一般指長徑比小于100的各種增強纖維。作用于復合材料的載荷不直接作用于纖維，而是先作用于基體材料并通過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞給纖維。對于短纖維復合材料，端頭效應不可忽略，同時復合材料的性能是纖維長度的函數。7短纖維上受力分析2rττσf+dσfσfdz假設：纖維中部的界面剪切應力和纖維端部的正應力為零。2、應力傳遞理論81）應力傳遞分析對于短纖維，最大應力發(fā)生在纖維的中部（z=1/2）?？梢缘玫焦? lf/d=σfu/（2τy）其中l(wèi)f是臨界纖維長度；d是纖維的直徑；σfu是纖維的強度；τy是沿纖維長度的界面剪切應力，等于基體的剪切屈服強度。9圖2-7纖維應力沿纖維長度分布l1<lf10纖維的應力分布（徑向應力和剪切應力）。在纖維長度大于載荷傳遞長度時，復合材料的行為接近連續(xù)纖維復合材料。112）應力分布的有限元分析圖2-8纖維和基體上的應力分布情況123）平均纖維應力表1平均應力-最大應力比133、復合材料的彈性模量和強度主要影響因素：纖維的長徑比、體積分數、成分和強度等。彈性模量與纖維長徑比的關系見圖2-10。14圖2-10縱向彈性模量與纖維長徑比的關系15復合材料的強度可以用混合法則來表示單向纖維復合材料的縱向應力。當纖維長度短于臨界長度時，最大纖維應力小于纖維的平均斷裂強度，無論外加應力多大纖維都不會斷裂。此時，復合材料的斷裂發(fā)生在基體或界面上，復合材料的強度近似為： σcu=τylVf/d+σmVm16當纖維長度大于臨界長度時，纖維應力可以達到平均強度。此時，可以認為纖維應力等于其強度，纖維將發(fā)生斷裂，復合材料的強度為： σcu=σfuVf+(σm)εf(1-Vf)其中(σm)εf是纖維斷裂應變?yōu)棣艜r對應的基體的應力。17與連續(xù)纖維復合材料相似，我們可以得到最小體積分數和臨界體積分數Vmin和Vcrit。當纖維的體積分數小于Vmin，當所有纖維斷裂時復合材料也不會斷裂。只有當基體斷裂時，復合材料才會發(fā)生斷裂，此時的強度為： σcu=σmu(1-Vf)Vf<Vmin18二、高分子基復合材料增強原理基本特點（塑性基體）增強規(guī)律遇到的問題（界面結合）1920PEN/PET復合材料樣品斷面電鏡照片力學性能測試表明，PEN短纖維的加入提高了復合材料的拉伸強度、模量和斷裂強度，而韌性也略有提高。聚萘二甲酸乙二酯(PEN)/聚對苯二甲酸乙二脂(PET)21PEN纖維用量對復合材料強度和模量的影響22

PEN纖維長度對復合材料強度和模量的影響23PEN纖維的加入對PET樹脂的結晶狀態(tài)沒有顯著影響，復合材料中PET以無定型狀態(tài)存在。用PEN短纖維與PET共混的方法能夠在一定程度上提高復合材料的斷裂強度與初始模量。由于復合材料中纖維與基體的粘結性能不夠理想，造成復合材料的力學性能隨纖維含量和長度的變化規(guī)律尚不明顯。24三、金屬基復合材料增強原理基本特點（塑性基體）增強規(guī)律遇到的問題25制備出疏密均勻、有一定強度要求的硅酸鋁短纖維預制體;通過擠壓浸滲法制備鎂基復合材料。預制體的制備過程中粘結劑的選用非常重要，不僅需要提高預制體的強度和穩(wěn)定預制體的形狀以外,還能夠調整復合材料的界面結構。26硅酸鋁短纖維增強AZ91D復合材料微觀結構多數纖維直徑為5～15μm,長度約30～200μm。27復合材料的力學性能復合材料比AZ91D基體合金的抗拉強度平均提高了約18%，彈性模量平均提高了約58%。28透射電鏡分析表明：復合材料界面上可以發(fā)現(xiàn)很多的反應產物，除了幾個納米大小的MgO顆粒和尖晶石MgAl2O4顆粒外，還有為數不少的MgP4顆粒。另外，在界面上還有尺寸較大的Mg2Si顆粒。但是，看不出這些界面反應產物之間以及與纖維之間存在共格關系，說明它們之間很可能是以非共格的形式結合的。29氧化鋁短纖維增強鋁硅復合材料的凝固組織及斷口形貌(SEM)3031擠壓鑄造氧化鋁短纖維增強鋁硅合金復合材料，纖維分布均勻，氧化鋁纖維可作為初生硅和共晶硅非自發(fā)形核的襯底，細化了復合材料的組織。在氧化鋁短纖維增強鋁硅合金復合材料中，存在界面反應。反應程度適當，可增強纖維與基體的結合，有利于提高材料的性能；反應程度不足或過度，則會影響材料的性能。改進制備工藝，宜從控制界面反應和細化凝固組織著手，以獲得性能優(yōu)良的復合材料。32纖維的排列？界面結合？性能匹配？界面反應？33四、陶瓷基復合材料增強原理基本特點（脆性基體）增強規(guī)律遇到的問題34SiCf/C-SiC復合材料的XRD譜及SEM照片Al2O3陶瓷罐中混合35SiCf/C-SiC復合材料不同溫度下氧化失重率與時間的關系36復合材料的氧化質量損失率隨溫度的升高而變小，表明溫度越高復合材料的抗氧化性能越好。因為高溫使試樣表面氧化形成SiO2保護層的速度加快，有利于減少和阻礙氧氣對試樣中C相的進一步氧化。因而氧化質量損失率減小。37短纖維增強脆性基復合材料以其高性能低成本的特點在工程中得到了廣泛的應用。短纖維對基體裂紋擴展的阻滯作用是提高短纖維復合材料強度和改善材料韌性的一個重要因素。同時由于短纖維的加入，大大增強了復合材料內部的應力分布的復雜性，增加對短纖維增強脆性基復合材料強度預測和破壞過程分析的難度。增強短纖維的長徑比對復合材料的彈性性能、強度、破壞模式都有影響。38短纖維增強復合材料的斷裂模擬圖39長徑比的增加可以提高脆性基體復合材料的峰值強度和剛度，當其達到臨界長徑比時，強度和剛度不再繼續(xù)增加；復合材料的韌性隨短纖維長徑比的增加而增加；不同的短纖維長徑比，會導致不同的裂紋擴展路徑與材料失穩(wěn)破壞模式。40第二章復合材料的復合原理及界面2.1復合原則2.2彌散增強及顆粒增強原理2.3單向連續(xù)纖維增強原理2.4短纖維增強原理2.5混雜增強原理2.6復合材料界面及其改性2.7復合材料界面表征41思考題：1、如何使短纖維有序排列？2、短纖維增強復合材料的優(yōu)勢和不足分別有哪些？1、排列成預制件、逐層鋪設等。2、成本較低、制備相對容易；不足：纖維分布難以控制，復合材料的界面結合有待加強，相關增強機理有待完善。422.5混雜增強原理一、混雜增強的基本概念二、不同類型纖維混雜增強三、短纖維（晶須）+顆?；祀s增強四、不同類型（尺寸）的顆粒混雜增強43一、混雜增強的基本概念混雜增強復合材料最早出現(xiàn)于20世紀70年代初，主要是混雜增強樹脂基復合材料。目的在于保持各組元材料優(yōu)點的同時，獲得優(yōu)良的綜合性能，既降低了成本，又提高了材料的實用性。混雜增強復合材料由于各種增強材料不同性質的相互補充，特別是可以產生混雜效應，將明顯提高或改善原單一增強材料的某些性能，同時也大大降低復合材料的原料費用。44混雜效應：利用各種不同材料之間的協(xié)同增強作用，在不同層次上對基體進行強化、韌化等。除了各種混雜增強樹脂基復合材料外，目前在顆粒混雜增強金屬基復合材料、纖維混雜增強水泥基復合材料等方面均開展了比較充分的研究。45在制備混雜增強復合材料時，最不易解決的就是增強體均勻分布的問題。尺寸和形貌差距大的兩種增強體之間的混合更為制備成分均勻的復合材料帶來了一定難度。增強體組成和成分的復雜導致復合材料的結構復雜化，以往建立的很多模型不能很好地描述混雜增強復合材料的力學行為。界面問題是制備組織均勻和性能優(yōu)良的復合材料的重要環(huán)節(jié)，需要加強建立完善的基體-增強相界面對性能影響的理論模型，從而有利于實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用。46目前制備混雜增強復合材料已取得了一系列研究成果，但仍然屬于技術探索和經驗積累的起步階段。在如何制備成分均勻的混雜增強復合材料、力學模型的建立以及界面研究等很多方面尚有待于進行深入的研究。雖然混雜增強復合材料在工業(yè)上尚未得到廣泛的實際應用，但是基于其優(yōu)異的性能，必將在高科技新材料應用領域占有一席之地。47二、不同類型纖維混雜增強1、混雜纖維增強酚醛熱固性注塑料2、混雜纖維增強聚丙烯復合材料3、混雜纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料4、混雜鋼纖維-聚丙烯纖維增強水泥481、混雜纖維增強酚醛熱固性注塑料采用混雜纖維對酚醛塑料增強，為兼顧材料耐熱性能和力學性能，應考慮與玻纖摻混的纖維應具有高的斷裂強度、高模量，并且耐熱。采用有機纖維與玻纖混雜，增強了酚醛熱固性注塑料，大幅度地提高了酚醛注塑料的力學性能。研究表明，混雜纖維更能阻礙裂紋的擴展。49玻纖增強及混雜纖維增強酚醛注塑料斷口SEM照片50混雜纖維對酚醛塑料韌性的影響(粒料長8～10mm)51由于應力集中效應，微裂紋一般是在纖維末端起始的，然后在界面上與基體分離。相鄰的微裂紋匯合成連續(xù)的裂紋，最后纖維的斷裂是由于外部拉應力和相鄰纖維通過基體傳過來的剪應力共同引起的。一般來說，離裂紋尖端不遠就有纖維斷裂。當裂紋尖端達到一個未斷裂的纖維時，界面脫膠和纖維拔出是裂紋擴展的主要機理。522、混雜纖維增強聚丙烯復合材料采用新的混雜復合工藝，將不同形式的玻璃纖維、劍麻纖維、玻璃纖維氈與黃麻纖維氈用不同的混雜方式(I層內，II夾芯)混雜增強聚丙烯。天然纖維復合材料由于其環(huán)保特性日益受到研究者的關注，但由于天然纖維本身力學性能較低，其復合材料力學性能相比玻璃纖維等合成纖維復合材料有較大的差距，尤其是沖擊韌性較低。將玻璃纖維和黃麻纖維用不同方式混雜增強聚丙烯,并對基體進行改性，可望在保持組分材料優(yōu)點的同時，獲得優(yōu)良的綜合性能。5354麻纖維氈/短玻璃纖維增強聚丙烯的斷面形貌55563、混雜纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料復合材料線芯鋁絞線是對普通鋼芯鋁絞線進行的一場根本性的變化。采用拉擠工藝制備了一種碳/玻璃混雜纖維增強環(huán)氧樹脂復合線芯。復合材料線芯的密度僅為1.76g/cm3，抗彎強度大于1600MPa，抗拉強度大于2000MPa。5758圖環(huán)氧樹脂復合線芯照片59隨著溫度范圍的增大，復合材料線芯的線膨脹系數逐漸減小，當溫度高達310℃時，線膨脹系數為零。這主要是因為碳纖維的線膨脹系數為負值，而且在復合材料中碳纖維的體積分數(45%)和模量(230GPa)等都占有主導地位。整個復合材料線芯在縱軸方向的長度隨溫度的升高而縮短。604、混雜鋼纖維-聚丙烯纖維增強水泥混雜纖維增強混凝土具有優(yōu)異的力學性能和耐久性能，研究較多的是碳纖維-聚丙烯纖維混雜、碳纖維-鋼纖維混雜、碳纖維-尼龍纖維混雜和鋼纖維-聚丙烯纖維混雜。纖維對混凝土的增強、增韌效應可見，混雜纖維增強混凝土已成為當前新興的研究領域。61鋼纖維增強是提高水泥砂漿韌性的一項有效措施，目前多數研究工作都采用單一尺寸鋼纖維作增強材料。由于水泥基材料(水泥凈漿、水泥砂漿、混凝土)具有多層次性特征，因此宜摻入不同尺寸的鋼纖維與基體各結構層次相匹配，以達到從整體上優(yōu)化其力學性能的目的?；祀s鋼纖維增強水泥砂漿是在優(yōu)化的基體中摻入不同尺寸的鋼纖維，以利用各種不同尺寸鋼纖維之間的協(xié)同增強作用，在不同層次上對基體進行強化、韌化。622種不同直徑鋼纖維在水泥砂漿受荷破壞過程中起著不同的作用。在基體初裂階段，微細鋼纖維在基體中的間距更小，對微裂縫的橋接作用更大，因此相應提高了水泥砂漿的斷裂能。隨著荷載的增加，微裂縫逐漸聚合成局部裂縫，而微細鋼纖維因長度較短，對局部裂縫的橋接作用就不如中等直徑鋼纖維。荷載繼續(xù)增加，中等直徑鋼纖維與基體脫粘并逐漸被拔出，消耗了較多的能量，從而顯著提高了水泥砂漿的韌性。在整個破壞過程中不同直徑的鋼纖維作用互補，對于水泥砂漿的韌性存在協(xié)同效應。63不同直徑鋼纖維的混雜對于水泥砂漿抗折強度的提高具有明顯的混雜效應。在鋼纖維體積分數一定的情況下，混雜鋼纖維對水泥砂漿力學性能的改善作用可優(yōu)于單一直徑鋼纖維。64鋼纖維的彈性模量高，價格較聚丙烯纖維高，但較碳纖維低。與素混凝土相比，鋼纖維對混凝土的抗壓強度并無明顯促進作用，甚至還有所降低。鋼纖維密度大、造價較高、攪拌困難而不易于分散，有生銹問題，對于火災引起的爆裂幾乎無效等，這些問題影響了其在建筑工程中的應用。65聚丙烯纖維屬于合成纖維，它的價格最低，彈性模量低、變形大。聚丙烯纖維混凝土的研究在國外還是近20年的事，在我國則是近10年的事。聚丙烯纖維對混凝土的強度影響不明顯，但可顯著提高混凝土的韌性、抗沖擊性能、阻裂性和高耐久性，延緩鋼筋銹蝕和抗熱爆性能等與韌性有關的物理性能。主要應用于抗裂要求高、耐久性要求好和要求非磁性增強材料的一些場合，如地下室、水利工程、港口工程等等。66聚丙烯纖維物理力學性能指標混凝土配合比注：為提高纖維與水泥砂漿的粘結力，已對纖維表面作適當的處理67混凝土配合比（聚丙烯/鋼混雜增強）F摻量：硅粉摻量，摻量在5％～15％，比較經濟。FDN摻量：高效減水劑摻量，為水泥重量的0.5～1.5%。68高性能混凝土的力學性能69混雜纖維混凝土具有良好的抗凍性、抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕和抵抗水浸泡對抗彎強度影響的能力。混雜纖維增強水泥基復合材料抗彎強度均明顯高于素混凝土。該類復合材料把具有不同性能和優(yōu)點的纖維混雜，相互取長補短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮“正混雜效應”來增強混凝土。70三、短纖維（晶須）+顆?；祀s增強圖1熱壓法制備的TiC+TiB/Ti復合材料組織71TiC、TiB混雜增強鈦基復合材料的研究處在初級階段，制備方法主要有原位熱壓法、熔鑄法、自蔓延燃燒合成＋熔鑄技術。混雜效應將明顯提高或改善單一增強材料的某些性能，從而擴大材料設計的自由度。進一步探索反應體系和工藝，使增強體的界面及形態(tài)最優(yōu)化，獲得最佳的力學性能。72Al2O3

短纖維和SiC顆粒增強鋁基復合材料復合材料的增強體為Al2O3

短纖維和SiC顆粒，顆粒尺寸為20μm。Al2O3短纖維和SiC顆粒的體積分數分別為10%和20%，總體積分數為30%。復合材料較易形成致密均勻的轉移膜，在制動過程中能保證有較穩(wěn)定的摩擦系數，且對材料的磨損有抑制作用。73混雜增強鎂基復合材料的金相組織74增強相的引入改善了純鎂的強度但降低了其塑性。與純鎂相比，含有8%和18%增強相的復合材料的拉伸強度分別提高了近110%和170%。鎂基復合材料的阻尼性能遠低于純鎂，位錯阻尼和界面阻尼是純鎂及其復合材料中主要的阻尼機制。75四、不同類型（尺寸）的顆粒混雜增強SiC顆粒增強鋁基復合材料兼有高熱導率﹑低熱膨脹系數﹑低密度﹑高比強度和高比模量等優(yōu)點，在電子封裝﹑航空航天﹑光學儀器等領域具有廣闊的應用前景。TiB2顆粒在鋁合金熔體中具有良好的懸浮穩(wěn)定性，在TiB2+SiC混雜顆粒增強鋁基復合材料中，由于TiB2顆粒的存在，有效抑制了SiC顆粒的沉降行為。76表1ZL109合金基體成分將ZL109合金在電阻爐中熔化，當熔體溫度上升到850℃后，再將按Ti與B摩爾比1?

2比例混合的K2TiF6

和KBF4

合成反應鹽加入到高溫合金熔體中，同時加入少量Na3AlF6

和Sb作為反應助劑和變質劑，用攪