材料科學基礎(chǔ)第九章

材料科學基礎(chǔ)第九章第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料的三種分類方法：１按復合效果分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料；２按基體類型分為樹脂基或聚合物復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料等等；３按增強體的形態(tài)與排布方式分為顆粒增強復合材料、連續(xù)纖維增強材料、短纖維或晶須增強材料、單向纖維復合材料、二向織物層復合材料、三向及多向編織復合材料和混合復合材料等。第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料的顯著特征是：材料性能的可設(shè)計性；各向異性及結(jié)構(gòu)一次成型性。與傳統(tǒng)材料相比的優(yōu)點是：比強度高和比模量高；抗疲勞性能好；減振性好；耐高溫性能好；抗破壞安全性好；成型工藝性好。第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月*比強度(模量)：強度(模量)/比重，材料承載能力指標之一?？蛊谛阅埽翰牧显诮蛔冚d荷作用下，由于內(nèi)部裂紋的形成和擴展而導致的低應力破壞的抵抗性能。疲勞破壞由里向外發(fā)展，無預兆。減振性好：復合材料中的纖維與基體界面有較強的吸振能力，阻尼高。高溫性能好：常用無機纖維(Al2O3,C,W,SiC,B,SiO2)在數(shù)百攝氏度時強度和模量基本不變。破壞安全性好：纖維復合材料中有大量獨立纖維，當構(gòu)件超載使少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未斷裂纖維上，構(gòu)件不至于在短期內(nèi)破壞。成型工藝好：可一次成型或整體成型。第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2增強體的性能：常用的復合材料增強體為纖維材料，有無機的，也有有機的。主要特點是高強度和高模量(參見表9-1)。9.1.3復合效應：復合效應主要指復合材料除保持原有組分的性能外，還增添了原有組分所沒有的性能?？煞譃椋壕€性效應、非線性效應、界面效應、尺寸效應和各向異性效應5種。第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月線性效應可細分為平均效應、平行效應、相補效應和相抵效應。平均效應也稱加和效應，由混合定則表述：

pc=Σ(pi)nφi(9-1)指復合材料的某一性能pc由單一組分的同一性能pi加和而得；φi為體積分數(shù)；n是由實驗確定的常數(shù)(-1≤n≤1)。第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月相補(協(xié)同)效應和相抵(不協(xié)同)效應往往共存，如圖9-1。AB兩種材料有4種組合結(jié)果，在研制復合材料時應盡量取優(yōu)值互補.比如PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷的彈性柔順系數(shù)(彈性常數(shù))SE33的優(yōu)值為2×10-12m2/N,把它與高分子聚合物復合后，SE33可高達2000×10-12m2/N第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月*性能良好的省電換能器(聲納)需要從壓電體與負載的最佳聲匹配，與超聲發(fā)射接收裝置的最佳電聲匹配，提高分辨力等幾個方面來考慮設(shè)計，使換能器達到寬帶窄脈沖，高靈敏度，高分辨力等性能指標。

通過分析換能器的暫態(tài)特性，可以從理論上計算出，壓電晶片、背襯和前匹配層(增透膜)的性能參數(shù)。選擇適合的壓電材料，來保證換能器的高靈敏度和寬帶，選取適合的背襯以及聲阻抗相近的前匹配層來保證換能器的窄脈沖，以獲得高的分辨率。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月混雜復合材料是由兩種以上纖維增強同一基體或兩種相容基體的復合材料。多材料混雜會使某些性能加強產(chǎn)生相補效應或叫正混雜效應，也會使某些性能減弱產(chǎn)生負混雜效應。只要需要的性能得以改善，而負混雜效應可以容忍時，該種復合材料就算成功。第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性效應可細分為乘積效應、系統(tǒng)效應、誘導效應和共振效應。乘積效應也稱交叉耦合效應或傳遞特性，比如把一種功能轉(zhuǎn)換(Y/X)材料與另一種功能轉(zhuǎn)換(Z/Y)材料復合可得到一種新功能轉(zhuǎn)換(Z/X)材料，其轉(zhuǎn)換效率比單一材料組合提高兩個數(shù)量級以上。復合材料的傳遞特性實例參見表9-2。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)效應的機理還未確定，但效果很奇妙，如彩色膠片只有紅綠藍三種感光層，但照片色彩千變?nèi)f化；又如玻纖短裂能約0.0075kg/cm，常用樹脂斷裂能約0.226kg/cm，而兩者復合成玻璃鋼后，短裂能猛增到176kg/cm。誘導效應指增強體晶形會誘導基體結(jié)構(gòu)改變形成界面層相，使增強體與基體結(jié)合更為牢固。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月復合材料的界面效應可歸納為6種：1阻斷效應：阻止裂紋擴展，減緩應力集中，中斷材料破壞等。2不連續(xù)效應：物理性能在界面處發(fā)生突變。3散射和吸收效應：界面對各種波傳遞的散射和吸收。4感應效應：一種物質(zhì)的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)使與之接觸的另一種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。5界面結(jié)晶效應：材料固化時，容易在界面形核結(jié)晶。6界面化學效應：官能團、原子間發(fā)生化學反應。第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在顆粒增強復合材料中，增強顆粒尺寸為1~50μm的稱為顆粒增強復合材料，顆粒尺寸在0.01~1μm稱為彌散強化復合材料，把亞微米至納米級顆粒增強的稱為精細復合材料。在聲、光、電、磁等領(lǐng)域，功能材料應用十分普遍。制造復合功能材料時，第二相粒子尺寸必須小于其工作波長。第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在纖維束增強復合材料中，若纖維束長度為L，承受應力為σ，則拉伸斷裂概率符合Weibull分布方程：F(σ)=1-exp(-αLσβ)(9-2)式中α為尺寸參數(shù)，β為形狀參數(shù)，都由實驗測定。纖維平均強度：

σ=(αL)-1/βΓ(1+1/β)(9-3)式中Γ為伽瑪函數(shù)。第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2復合材料增強原理9.2.1復合思想9.2.1.1仿生思想：效仿和借鑒動植物結(jié)構(gòu)形式。9.2.1.2綠色材料思想：環(huán)保和資源合理利用。9.2.1.3充分利用協(xié)同效應思想：使材料復合作用大于單獨作用效果之和。9.2.1.4智能材料思想：使復合材料對環(huán)境自適應。第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2復合材料增強原理：在復合材料中，增強體主要用來承擔載荷，要求具有高強度和高模量?；w主要用于固定和黏附增強體，并通過界面將所受載荷傳遞給增強體，而自身只承受少量載荷；基體還隔離各單一增強體，當有增強體損傷或斷裂時，裂紋不至于在增強體之間傳遞；同時能保護增強體免受環(huán)境的化學作用和物理損傷。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月增強體、基體和界面共同作用可改變復合材料的韌性、抗疲勞性、抗蠕變性、抗沖擊性和其他性能。基體和增強體通過界面結(jié)合，但結(jié)合力應適當，過小容易開裂，過大則使韌性下降。陶瓷基復合材料的基體已有足夠強度，但脆性大，陶瓷基復合的主要目的是增韌補強，而金屬基和樹脂基的復合作用是增強補韌。按增強體種類和形態(tài)可將復合材料分為彌散增強型、粒子增強型和纖維增強型三類。第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月彌散增強型：彌散增強主要針對金屬基，彌散分布的硬質(zhì)顆粒如Al2O3,TiC,SiC等可有效阻止位錯運動，顯著提高金屬及合金的強度。為了保證彌散增強效果，增強體應該堅硬、穩(wěn)定且不與基體產(chǎn)生化學反應，同時顆粒尺寸、形狀和體積分數(shù)及結(jié)合情況都應合理。第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)位錯繞過機制，若顆粒間距為DP，復合材料產(chǎn)生塑性變形時，剪切力應為復合材料的屈服強度，即：

τy=Gmb/Dp(9-4)式中Gm為基體剪切模量，b為位錯柏氏矢量的模。基體的理論斷裂強度約為Gm/30，理論屈服強度約為Gm/100，分別對應位錯運動所需剪切應力的上下限。由此算出彌散增強體的顆粒間距應在0.01μm~0.3μm之間。第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月如果顆粒直徑為dp，體積分數(shù)為φp，顆粒呈彌散分布，根據(jù)體視金相學，有：Dp=(2dp2/3φp)1/2(1-φp)(9-5)代入式9-4可得彌散顆粒金屬基復合材料屈服強度：τy=Gmb/[(2dp/3φp)1/2(1-φp)](9-6)可見顆粒越小，體積分數(shù)越高，強化效果越好。但φP受工藝條件和韌性要求限制不能過高，一般φp=0.01~0.15,dp=0.01~0.1μm。第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月*彌散銅(鋁銅CuAl2O3）制品：

1.CuAl2O3彌散鋁銅:彌散硬化Cu-Al2O3復合材料是用12~25納米極細小Al2O3微粒強化銅的基體，使該材料具有高強度、高硬度、高導電性及高軟化溫度。在美國、日本等國家已被廣泛應用于大型微波管結(jié)構(gòu)和導電材料、轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶銀觸頭和點焊接電極等方面新材料的生產(chǎn)，工藝為：Cu-Al合金內(nèi)氧化-等靜壓壓胚-燒結(jié)-熱擠壓-拉拔-加工成型。具有良好的熱穩(wěn)定性，具有較好的塑性和加工性能，可以通過鍛造、冷拉、軋制等工藝制備成管、棒、片、帶、板等不同的形狀和規(guī)格.

2.技術(shù)指標：密度g/cm3：8.85，抗拉強度MPa：560，屈服強度MPa：470，

延伸率%：7，硬度HV>120，電導率IACS%：85，軟化溫度℃>900

第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子增強復合材料的性能與增強體和基體的比例有關(guān)，某些性能只取決于各組成物質(zhì)的相對數(shù)量和性能。復合材料的密度由混合定則表述：

ρc=ρpφp+ρmφm

式中：ρc,ρp,ρm分別表示復合材料，粒子和基體的密度；φp,φm分別表示復合材料中粒子和基體的體積分數(shù)。第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月對于晶體結(jié)構(gòu)的基體材料，當粒子大到位錯運動不能繞過時，將發(fā)生位錯受阻塞積，限制基體變形，同時在界面處產(chǎn)生應力集中，領(lǐng)先位錯受力σi為:

σi=nσ(9-9)式中σ為平均應力；n為塞積位錯數(shù)。根據(jù)位錯理論n=σ2Dp/Gmb(9-10)Dp為粒子剪切彈性模量。第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)粒子理論破壞應力為Dp/30，當粒子破壞時位錯得以運動，此時應力應為材料屈服強度σy，則有：

σi=Gp/30=σy2Dp/Gmb(9-11)由此可得：

σy=GmGpb/30Dp(9-12)將式９-5代入得：

σy=

3GmGpbVp1/2/30

2dp(1-φp)(9-13)由此可知，粒子直徑dp越小，體積分數(shù)φp越高，對結(jié)晶型基體復合材料的增強效果越好。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶體基體復合材料的強度計算公式分兩種。界面未結(jié)合或結(jié)合差時，其強度σcu為：

σcu=0.83pαφp+Kσmu(1-φp)(9-14)式中P為粒子通過界面受基體的正壓力；α為基體與粒子間的磨擦因數(shù)；σmu為基體抗拉強度；K為由于界面無結(jié)合造成的基體強度降低因數(shù)，其值為0.7~1.0,K=a+bdp-1/2,a,b為常數(shù)。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月嚴格說來，界面無結(jié)合的不能稱為復合材料。但由于基體變形時會與粒子間產(chǎn)生相互作用，粒子將限制基體變形而使材料得以強化。從前式可看出：φp一定時，界面無結(jié)合的非晶體基體復合材料的強度可通過提高摩擦因數(shù)

和減小粒子尺寸dp來提高。第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月當基體與粒子界面有黏結(jié)時，復合材料的強度σcu為:σcu=(σa+0.83τm)φp+σaS(1+φp)(9-15)式中σa為界面黏結(jié)強度在外力方向所允許的最大應力；τm為界面剪切強度(近似等于基體剪切強度τmu)；S為材料破壞時基體內(nèi)平均應力與σa的比值，稱為應力集中因數(shù)。式中第一部分為粒子承載部分，第二部分為基體承載部分，即粒子也能分擔部分載荷；同時，界面黏結(jié)強度對復合材料性能有明顯影響。第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月用粒子增強碳素或陶瓷等需要燒結(jié)成型的材料時，不同相之間的幾何形態(tài)、尺寸效應和增強粒子的最優(yōu)分布與匹配設(shè)計對復合材料性能影響很大。加入的粒子尺寸過小不易產(chǎn)生增強效果；過大會產(chǎn)生殘余應力，出現(xiàn)自發(fā)微裂紋。根據(jù)經(jīng)驗規(guī)律，燒結(jié)后的粒徑約為原始粒徑的2~6倍。對高性能陶瓷材料，一般增強顆粒粒徑選在0.1~100μm范圍。第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-3為圓形粒子大小配合圖，下圖中綠色的為基體分料粒子，紅色為增強粒子。為了得到致密和性能優(yōu)良的最終產(chǎn)品，增強粒子粒徑應與基體粒子粒徑適當搭配并分布均勻。第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2.3纖維增強型(1)連續(xù)纖維增強原理：若纖維在基體中呈單向均勻排列，則沿纖維方向，復合材料的各項性能可用混合定則表述：Pc=Pfφf+Pmφm(9-16)在制造復合材料時，難免出現(xiàn)一些不理想情況，為了更準確計算纖維方向的彈性模量，混合定則可改寫為：Ec=k(Efφf+Emφm)(9-17)k取值0.9~1.0之間。第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月當外力達到使基體發(fā)生塑性變形，基體對復合材料的剛度影響可以忽略不計時：

Ec=kEfφf(9-18)如果外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復合材料的纖維方向,而纖維與基體對復合材料線性伸長的作用不相關(guān)，則每一組元的應變加權(quán)和等于復合材料的總應變。由此可導出垂直于纖維方向彈性模量的計算式：1/Ec=φf/Ef+φm/Em(9-19)第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月對于復混材料,若Ef1和Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性模量，Em表示基體的彈性模量，則單向排列纖維的混雜復合材料模量可表示為：Ec=Ef1φf1+Ef2φf2+Emφm(9-20)式中φ為體積分數(shù)；φf1＋φf2＋φm=1。式9-17~9-20適用于拉伸和壓縮載荷的計算,但對拉伸計算更為精確。第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月單向連續(xù)纖維復合材料在纖維方向的強度為：σcu=σfuφf+σm*(1-φf)(9-21)式中σfu為纖維抗拉強度；σm*為纖維斷裂時的基體應力；σcu為復合材料沿纖維方向的抗拉強度。由于纖維是復合材料的主要承載者，因此可以用基體屈服強度σmu為來近似代替σm*。此式只適合于拉伸載荷的計算。第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月由式9-21可以看出：復合材料的強度由基體強度σmu和增強纖維強度σfu兩部分線性組成，據(jù)此可作圖9-4。圖中φfmin表示纖維最小體積分數(shù)，當φf<φfmin時，復合材料的強度由基體決定；當φf>φfmin時，材料的強度由纖維控制。復合材料的目的是為了增強基體，要求σcu

σmu。由此可得臨界纖維體積分數(shù)φfer=(σmu-σm*)/(σfu-σm*)(9-22)第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月φfer的意義是基體真正得到增強時所應該加入的纖維的最小體積分數(shù)。單向復合材料在纖維方向的抗拉強度大大高于抗壓強度，但拉伸和壓縮模量相差不大；在垂直于纖維方向的拉伸強度低于基體強度，但壓縮強度大于基體強度，拉伸和壓縮模量都高于基體模量。第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)短纖維和晶須增強復合材料：與長纖維增強相比，短纖維和晶須增強的成本低，各向異性較小。圖9-5中，短纖維或晶須復合材料受水平拉力作用變形后，因基體變形量大于增強體變形量，而兩者結(jié)合緊密，于是在界面產(chǎn)生剪應力。并通過剪應力將承受載荷合理分攤在纖維和基體上，纖維所受拉應力更大，這就是短纖維或晶須增強的原理。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月短纖維或晶須復合材料強度可大致表示為：σcu=(1-Lc/2L)σfuφf+σm*(1-φf)(9-30)式中σm*為纖維斷裂時的基體應力；Lc為纖維臨界長度(因拉長而斷裂時的增長度)；L為纖維長度。短纖維或晶須增強的臨界體積分數(shù)φfer的導出過程與連續(xù)纖維復合材料相似，即：φfer=(σmu-σm*)/(σf-σm*)(9-31)與式9-22比較，由于σf<σfu，短纖維和晶須增強復合材料的臨界體積分數(shù)高于連續(xù)纖維復合材料，說明增強作用較小一些。第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在連續(xù)纖維增強復合材料中，纖維斷裂應變小于基體斷裂應變時，纖維將先于基體斷裂為Lc或2Lc長的短纖維。此時材料仍能承載，只是承載能力變?yōu)槎汤w維承載時的狀態(tài)。第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3復合材料界面界面是基體與增強體之間化學成分有顯著變化但彼此結(jié)合的、能傳遞載荷作用的過渡區(qū)域(1~102nm)。該區(qū)域中的材料結(jié)構(gòu)和性能不同與組分材料中的任意一個。簡稱為界面相或界面層。由于增強體細小，界面層面積比例很大，其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和完整性對復合材料的性能影響極大。第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1復合材料界面結(jié)合類型建立界面需要一定的結(jié)合力。界面結(jié)合力大致分為物理結(jié)合力和化學結(jié)合力。物理結(jié)合力一般為范得華力，包括偶極定向力、誘導偶極定向力和色散力以及氫鍵作用力；化學結(jié)合力指界面產(chǎn)生共價鍵和金屬鍵。實際上又根據(jù)界面形成中物理和化學形式進行分類。第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1.1金屬基和陶瓷基復合材料界面結(jié)合類型：(1)機械結(jié)合：指僅由粗糙表面和因基體收縮包緊增強體產(chǎn)生的磨擦結(jié)合。復合不充分時發(fā)生此類結(jié)合。承載力很小。(2)熔解和浸潤結(jié)合：基體能潤濕增強體，相互間發(fā)生擴散和熔解，相互作用為短程力(幾個原子間距)。當增強體表面能很小不能被潤濕時，可借助涂層予以改善。第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)反應結(jié)合：特征是通過基體與增強體的反應生成化合物。如硼纖維增強鈦合金在界面處生成TiB2。實際上界面反應是復雜的，可能發(fā)生多個反應，并通過擴散發(fā)生元素交換。一般情況下結(jié)合強度隨反應程度增加而增加，達到一定程度后有所減弱。第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)氧化結(jié)合：為增強體表面吸附空氣帶來的氧化作用或是氧化物與基體的結(jié)合。如硼纖維增強鋁合金時，硼纖維吸附的氧與之反應生成BO2，BO2又與鋁接觸反應生成B和AL2O3，形成氧化結(jié)合。(5)混合結(jié)合：上述幾種方式的組合。其存在較為普通，是最重要的一種結(jié)合方式。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1.2樹脂基復合材料的界面結(jié)合類型(1)化學鍵合：基體表面的官能團與增強體表面的官能團發(fā)生化學反應，形成共價鍵結(jié)合的界面區(qū)。這種方式在增強體表面處理后和使用偶聯(lián)劑后存在較普遍。如用有機硅烷偶聯(lián)劑強化增強體與樹脂基界面結(jié)合(圖9-8)。第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)浸潤-浸吸附結(jié)合：增強體被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。這種結(jié)合有時會超過基體的內(nèi)聚力。(3)擴散結(jié)合：界面擴散作用形成界面模糊區(qū)。如玻璃纖維增強樹脂基，用偶聯(lián)劑一端與玻璃纖維基質(zhì)表面以化學鍵結(jié)合，另一端可熔解擴散于界面區(qū)域的樹脂中，形成互穿高聚物網(wǎng)絡(圖9-9)。第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)機械結(jié)合：類似前述金屬基復合材料。(5)靜電結(jié)合:兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時(如金屬與聚合物)，在界