復(fù)合材料的性能課件

6-2

復(fù)合材料的性能

propertiesofcomposites

principleofcombinedactionofcomposites,ruleofmixtureofparticlecompositesWhatisdifferenceofparticlesize,fiberlengthandorentationforstrengtheningcompositesCalculatelongitudinalandtransversemodulus,andlongitudinalstrengthforanalignedandcontinuousfiber-reinforcedcomposite.Computelongitudinalstrengthsfordiscontinuousandalignedfibrouscompositematerials.6-2

復(fù)合材料的性能(propertiesofcomposites)

6-2-1復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)(principleofcombinedaction）1.

復(fù)合材料各組元（相）相互作用

基體：①

將增強(qiáng)材料粘合成整體并使增強(qiáng)材料的位置固定。②

增強(qiáng)材料間傳遞載荷，并使載荷均勻，自身承受一定載荷。③

保護(hù)增強(qiáng)體免受各種損傷。④

很大程度上決定成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇。⑤

決定部分性能。

增強(qiáng)體：主要承受絕大部分載荷、增強(qiáng)、增韌

功能體：賦予一定功能

界面相層：復(fù)合材料產(chǎn)生組合力學(xué)及其它性能，復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源PMC界面區(qū)域示意圖1-外力場；2-樹脂基體；3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑混合效應(yīng)：平均效應(yīng)或組份效應(yīng)，是組份材料性能取長補(bǔ)短共同作用的結(jié)果，是組份材料性能比較穩(wěn)定的總體反應(yīng)，局部的撓動、薄弱環(huán)節(jié)、界面、工藝因素等通常對混合效應(yīng)沒有明顯的作用，表現(xiàn)為各種形式的混合律。協(xié)同效應(yīng)：①復(fù)合材料的本質(zhì)特征，使復(fù)合材料的性能與組份材料相比，發(fā)生飛躍式提高，甚至具有組份材料沒有的性能，這些潛在性能是研制開發(fā)新材料的源泉。復(fù)合材料追求的就是這種協(xié)同效應(yīng)。②對微觀非均勻性、薄弱環(huán)節(jié)、界面、制備工藝，甚至某些偶然因素都十分敏感。

3.協(xié)同效應(yīng)：界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)等。(1)

混合律

Xc=XmVm+Xf1V1+Xf2V2+……復(fù)合材料性能與各組元性能及分量的關(guān)系（線性關(guān)系）。

組份效應(yīng)：各組元性能確定，相對組成作為變量，不考慮組份的幾何形狀、分布狀態(tài)和尺度等影響。相對組成通常用體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表達(dá)。復(fù)合材料的固有性質(zhì)是指各相之間不相互作用所表現(xiàn)出來的材料性質(zhì)，如密度C和比熱容Cc等，屬于固有性質(zhì)的物理量，都應(yīng)服從混合律，如：

C=m(1Vf)+fVfCC=Cm(1Vf)+CfVf(2)

幾何尺寸效應(yīng)復(fù)合材料性能不僅與各組元分量有關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于增加相的幾何形狀、尺寸、排布與分布狀態(tài)。復(fù)合材料中纖維上受力狀態(tài)和界面受力狀態(tài)，隨纖維的長徑比變化而變化，見圖4-106、4-107，表4-40。

臨界長度lc和臨界長徑比lc/d的概念見書P419-420，表4-41不同材料的lc納米量子尺寸效應(yīng)：固體物理研究表明，固體顆粒尺寸減少到某一臨界值時（一般為0.1m或100nm），顆粒的某些性質(zhì)（如光、電、磁、熱、化學(xué)特性等）會發(fā)生質(zhì)的變化，呈現(xiàn)與物體宏觀狀態(tài)下差異很大的特性。具有顯著的量子尺寸效應(yīng)。

納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于102nm量級的復(fù)合材料。由于其納米量子尺寸效應(yīng)，大的比表面積及強(qiáng)的界面相互作用，使納米復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相同組份常規(guī)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要途徑之一。1).界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力

有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面（層），可在基體與增強(qiáng)體之間進(jìn)行a.

力的轉(zhuǎn)遞b.

力的分配c.基體或增強(qiáng)體破壞過程中的應(yīng)力再分配→組合力學(xué)性能在復(fù)合材料未受外力時，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布，這就是“殘余應(yīng)力”。

殘余應(yīng)力來源：①

增強(qiáng)相與基體相CTE不匹配②

相與相之間的彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均③成型過程中，由高溫-室溫由化學(xué)和物理變化引起的各組元體積

收縮的不同，如：基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶相轉(zhuǎn)變等④

層合板中，鋪層方向不同帶來的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲）⑤

流變過程中，組元間的塑性變形差異→流變殘余應(yīng)力

2).復(fù)合材料界面破壞機(jī)制①破壞的來源

基體內(nèi)、增強(qiáng)體內(nèi)和層面層上均存在微裂紋、氣孔、內(nèi)應(yīng)力在力場或外界環(huán)境（如介質(zhì)、水）———————→微裂紋和缺陷按本身的規(guī)律發(fā)展，并消散能量

②破壞形式

5種基本破壞形式———————→i)

基體斷裂ii)

纖維斷裂iii)纖維脫粘iv)纖維拔出(摩擦功)v)裂紋擴(kuò)展與偏轉(zhuǎn)5種形式————→綜合體現(xiàn)復(fù)合材料的破壞與失效

復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結(jié)果。4）乘積效應(yīng)

(X/Y）（Y/Z）=X/Z （見表4-42）主要表現(xiàn)在功能復(fù)合材料中，詳見P4215）其它復(fù)合效應(yīng)“界面誘導(dǎo)效應(yīng)、混雜效應(yīng)、共振效應(yīng)，一般了解見P422(1)縱向載荷彈性行為（ElasticBehavior–longitudinalloading)條件；FC=Fm+Ff

εc=εm=εfVm+Vf=1推導(dǎo)結(jié)果：模量

Ecl=Em(1-Vf)+EfVfFf/Fm=(EfVf)/(EmVm)

強(qiáng)度

σ*cl=σ’(1-Vf)+σ*fVfEf、Em是纖維和基體的模量，Vf、Vm是纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)（3）不連續(xù)短纖增強(qiáng)單向板縱向拉伸強(qiáng)度（Longitudinaltensilestrengthofdiscontinuousandalignedfiber(composites)

l>lc:σ*cd=σ*fVf[1-lc/(2l)]+σ’m(1-Vf)l>lc:σ*cd=lτcVf/d+σ’(1-Vf)

(4)單向板縱向拉伸的三種破壞模式：①基體斷裂；②界面脫粘；③纖維斷裂，（5）單向板橫向拉伸強(qiáng)度

單向板橫向拉伸的三種破壞模式：①基體破壞；②界面脫粘；③纖維破壞Yc＝Vffy＋Vmmy

Yc＝［１＋Vf（1/y－1）］my應(yīng)力分配系數(shù)表6-4單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料的典型性能

表6-5幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能

沖擊過程中裂紋擴(kuò)展模式見圖4-119，受界面顯著影響沖擊過程的能量吸收包括：①基體變形和開裂；②纖維破壞；③纖維拔出（摩擦功）；④分層裂紋等多個方面?；w變形吸收較多的能量。

熱固性基體性脆，變形很小，沖擊韌性差。

熱塑性基體可產(chǎn)生較大塑性變形，沖擊強(qiáng)度高。

CMC、纖維與基體------脆性特征，陶瓷基體中加入連續(xù)纖維、短纖維和晶須時，能得到韌性大幅度提高的復(fù)合材料。圖4-120

CMC增韌理論，詳見P431

3.

復(fù)合材料的疲勞性能疲勞的概念：低于靜態(tài)強(qiáng)度極限條件下的動載荷（交變載荷）作用，經(jīng)過不同時間（或次數(shù)）都會破壞失效。疲勞過程—→內(nèi)部損傷（或疲勞裂紋）—→內(nèi)部損傷累積至一定程度—→材料突然破壞失效

四種疲勞損傷：基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂疲勞S-N曲線見圖4-121，4-122，4-123，復(fù)合材料的疲勞性能一般高于基體的疲勞性能。6-3納米材料及納米效應(yīng)1.

概述納米材料必須同時滿足以下兩個條件：①

(1)幾何尺寸至少一維在納米尺度（10–9~10–7或0.1~100nm）(2)必須具有納米效應(yīng)，即①小尺寸效應(yīng)，②表面效應(yīng)，③量子尺寸效應(yīng)，④宏觀量子隧道效應(yīng)等納米材料包含三個層次： 零維：納米微粒、原子團(tuán)簇、人造原子——量子點(diǎn)①納米結(jié)構(gòu)單元一維：納米管、納米棒、納米絲——量子線二維：超薄膜、多層膜、超晶格——量子阱 納米相材料：單相納米微粒構(gòu)成②

納米固體納米復(fù)合材料：多種或多相納米微粒至少在一個方面以納米尺寸復(fù)合而成自組裝：通過共價鍵或弱作用力實(shí)現(xiàn)自組裝（氫鍵、范氏力、離子鍵等）③

納米組裝體系

人工組裝：按人的意志，利用物理和化學(xué)方法構(gòu)筑成一個納米1.

2.

納米結(jié)構(gòu)單元①

團(tuán)簇（cluster）粒徑小于或等于1nm的原子聚集體，如Fen、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特點(diǎn)在于：以化學(xué)鍵緊密結(jié)合，但尚未形成軌整的晶體，不同于分子團(tuán)簇和周期性極強(qiáng)的晶體，有許多奇異的特性。②

納米微粒尺寸在1~100nm之間的超細(xì)微粒，尺寸大于原子團(tuán)簇③

人造原子（artificialatoms），又稱量子點(diǎn)

①

納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜1.

3.納米復(fù)合材料指分散相尺度至少有一維小于102nm量級的復(fù)合材料，是獲得高性能復(fù)合材料重要途徑之一舉例：分子復(fù)合材料：……P405圖4-8-32納米材料的基本物理效應(yīng)1.1.

小尺寸效應(yīng)①

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長、以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等物性與宏觀尺寸物體相比發(fā)生很大變化，甚至完全相反。②

表面效應(yīng)隨粒徑的減少，微粒的比表面積，表面原子比例、表面能會成倍或成數(shù)量級增加。表面原子配位嚴(yán)重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，