第六章复合材料优秀PPT.ppt

第六章 复合材料第一页，本课件共有106页主要内容主要内容u概述概述u复合材料的复合理论复合材料的复合理论u复合材料的界面复合材料的界面u树脂基复合材料树脂基复合材料u金属基复合材料金属基复合材料u陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料u层叠复合材料层叠复合材料第二页，本课件共有106页第一节第一节 概概 述述l复合材料的涵义复合材料的涵义l复合材料的分类复合材料的分类l复合材料的用途及重要性复合材料的用途及重要性l复合材料过去、现在和未来复合材料过去、现在和未来l复合材料的增强材料复合材料的增强材料l复合材料的性能特点复合材料的性能特点第三页，本课件共有106页一、复合材料的涵义一、复合材料的涵义 1 1、复合材料：、复合材料：由两种或两种以上性能不同的材料组合为由两种或两种以上性能不同的材料组合为一个整体，从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的一个整体，从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的材料。材料。复合材料应满足下面三个条件：复合材料应满足下面三个条件：（1）至少含有两种组元，且组元含量大于）至少含有两种组元，且组元含量大于 5%；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；（3）通过各种方法混合而成。）通过各种方法混合而成。第四页，本课件共有106页 2、复合材料的特点、复合材料的特点 (1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面界面。(2)(2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备度地挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。的优良特殊性能。(3)(3)复合材料具有可设计性。复合材料具有可设计性。第五页，本课件共有106页3、复合材料的基本结构模式、复合材料的基本结构模式复合材料由复合材料由基体相和增强相基体相和增强相两个组分构成；两个组分构成；基体相：构成复合材料的连续相；基体相：构成复合材料的连续相；增强相（增强剂、增强体）：复合材料中独立的形增强相（增强剂、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。优越，会使材料的性能显著改善和增强。增强相一般较基体相硬，强度、模量较基体相大，增强相一般较基体相硬，强度、模量较基体相大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强相与基体相之间存在着明显界面增强相与基体相之间存在着明显界面。第六页，本课件共有106页4、复合材料的命名、复合材料的命名 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。例如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称名。例如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为为“玻璃纤维环氧树脂复合材料玻璃纤维环氧树脂复合材料”。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料复合材料“。如。如“玻璃环氧复合材料玻璃环氧复合材料”。有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，也可简称为也可简称为“玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料”或或“环氧树脂复合环氧树脂复合材料材料”。第七页，本课件共有106页二、复合材料的分类二、复合材料的分类按基体材料分类按基体材料分类 分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，目前使分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，目前使用最多的是树脂基复合材料。用最多的是树脂基复合材料。按增强材料的种类和形态分类按增强材料的种类和形态分类 分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最广泛。增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最广泛。按复合材料的使用性能分类按复合材料的使用性能分类 分为结构复合材料和功能复合材料两大类，目前应分为结构复合材料和功能复合材料两大类，目前应用最广的是结构复合材料。用最广的是结构复合材料。第八页，本课件共有106页复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料水泥基复合材料水泥基复合材料导电导磁复合材料导电导磁复合材料阻尼吸声复合材料阻尼吸声复合材料屏蔽功能复合材料屏蔽功能复合材料摩擦磨损复合材料摩擦磨损复合材料第九页，本课件共有106页三、复合材料的用途及重要性三、复合材料的用途及重要性机械工业机械工业汽车工业及交通运输汽车工业及交通运输航空航天领域航空航天领域化学工业化学工业建筑领域建筑领域第十页，本课件共有106页复合材料玻璃钢玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用第十一页，本课件共有106页由于玻璃钢比重小、强度高、耐腐蚀、耐由于玻璃钢比重小、强度高、耐腐蚀、耐燃且成型性能好，现已广泛用于汽车车身、燃且成型性能好，现已广泛用于汽车车身、氧气瓶、轻型船体及石油化工的管道、阀氧气瓶、轻型船体及石油化工的管道、阀门等。门等。缺点是刚性差，易变形，耐热性能差，易缺点是刚性差，易变形，耐热性能差，易老化。老化。第十二页，本课件共有106页碳纤维增强复合材料 碳纤维复合碳纤维复合材料，它具有强材料，它具有强度高、耐疲劳、度高、耐疲劳、重量轻等优点，重量轻等优点，主要以聚丙烯腈主要以聚丙烯腈为原料，也可用为原料，也可用人造丝、石油沥人造丝、石油沥青或煤沥青为原青或煤沥青为原料。料。第十三页，本课件共有106页图图6.5 波音波音767上使用的复合材料上使用的复合材料第十四页，本课件共有106页 图图 6.6 美国美国F-22 军用飞机军用飞机国外将碳纤维国外将碳纤维/环氧和碳纤环氧和碳纤维维/双马复合材料应用在战双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能等性能。第十五页，本课件共有106页 图图6.7 法国阿里安娜法国阿里安娜V 型导弹型导弹 碳纤维复合材料主要应碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承部件和卫星主体结构承力件上，碳力件上，碳/碳和碳碳和碳/酚醛酚醛是弹头端头和发动机喷管是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料。防热材料。第十六页，本课件共有106页四、复合材料过去、现在和未来四、复合材料过去、现在和未来6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；极为重要的作用；20世纪世纪40年代年代 玻璃纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，玻璃纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛应用的较现代化复合材料。料（玻璃钢）这种广泛应用的较现代化复合材料。60年代末年代末 树脂基高性能复合材料用于制造军用飞机的承力结树脂基高性能复合材料用于制造军用飞机的承力结构。构。70年代末年代末 发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。80年代年代 开始逐渐发展陶瓷基复合材料开始逐渐发展陶瓷基复合材料第十七页，本课件共有106页第一代复合材料：玻璃强化树脂第一代复合材料：玻璃强化树脂第二代复合材料：碳纤维强化塑料第二代复合材料：碳纤维强化塑料 硼纤维强化塑料硼纤维强化塑料第三代复合材料：金属基和陶瓷基复合材料第三代复合材料：金属基和陶瓷基复合材料第十八页，本课件共有106页复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势1.由宏观复合向微观复合发展由宏观复合向微观复合发展 宏观复合材料包括以纤维、晶须和颗粒等尺寸较宏观复合材料包括以纤维、晶须和颗粒等尺寸较大的增强材料与基体材料复合而成。大的增强材料与基体材料复合而成。微观复合材料包括微纤增强复合材料、纳米复合微观复合材料包括微纤增强复合材料、纳米复合材料和分子复合材料。材料和分子复合材料。2.向多元混杂复合和超混杂复合方向发展向多元混杂复合和超混杂复合方向发展 混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方法。法。第十九页，本课件共有106页3由结构复合材料为主，向结构复合材料与功由结构复合材料为主，向结构复合材料与功 能复合材料并重的方向发展能复合材料并重的方向发展 功能复合材料的最大特点是设计的自由度比一般均功能复合材料的最大特点是设计的自由度比一般均质功能材料大得多，功能复合材料可以任意改变复合质功能材料大得多，功能复合材料可以任意改变复合度、连接类型和对称性，使其性能达到最佳优化值。度、连接类型和对称性，使其性能达到最佳优化值。4由被动复合材料向主动复合材料发展由被动复合材料向主动复合材料发展5由常规设计向仿生设计方向发展由常规设计向仿生设计方向发展第二十页，本课件共有106页五、复合材料的性能特点1 1比强度和比模量高比强度和比模量高材料轻而且刚性大。材料轻而且刚性大。比强度比强度=强度强度/密度密度 MPa/（g/cm3）,比模量比模量=模量模量/密度密度 GPa/（g/cm3）。）。表表6.4 常用金属材料与复合材料的性能对比常用金属材料与复合材料的性能对比第二十一页，本课件共有106页2 2 抗疲劳与断裂安全性能好抗疲劳与断裂安全性能好 复合材料对缺口、应力集中的敏感性小。复合材料对缺口、应力集中的敏感性小。图图6.13 纤维增强复合材料中疲劳裂纹扩展过程纤维增强复合材料中疲劳裂纹扩展过程疲劳疲劳是材料在循是材料在循环应力作用下的环应力作用下的性质。性质。复合材料复合材料能有效地阻止疲能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。劳裂纹的扩展。第二十二页，本课件共有106页具有良好的断裂安全性。具有良好的断裂安全性。碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢玻璃钢铝合金铝合金图图6.14 材料疲劳性能比较材料疲劳性能比较第二十三页，本课件共有106页3.3.良好的减振性能良好的减振性能u纤维增强的复合材料的自振频率高，工作中纤维增强的复合材料的自振频率高，工作中不易发生共振现象。不易发生共振现象。u大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特性好，振动会很快衰减。阻尼特性好，振动会很快衰减。碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料钢钢图图6.15 材料的振动衰减特性比较材料的振动衰减特性比较第二十四页，本课件共有106页4.4.良好的高温性能良好的高温性能图图6.16 几种纤维的高温强度几种纤维的高温强度Al2O3晶须晶须碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维SiC纤维纤维玻璃纤维玻璃纤维钨纤维钨纤维树脂基复合材料的最高耐树脂基复合材料的最高耐温上限为温上限为350 C；金属基复合材料按不同金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温的基体性能，其使用温度在度在350 1100 C范围范围内变动；内变动；陶瓷基复合材料的使用陶瓷基复合材料的使用温度可达温度可达1400 C；碳碳/碳复合材料的使用温碳复合材料的使用温度最高可达度最高可达2800 C第二十五页，本课件共有106页 5、良好的尺寸稳定性：、良好的尺寸稳定性：加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。热膨胀系数。第二十六页，本课件共有106页第二节第二节 复合材料的复合理论复合材料的复合理论1.复合原理复合原理 纤维增强复合材料的复合原理纤维增强复合材料的复合原理 颗粒增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的复合原理2.增强机理增强机理 纤维增强纤维增强 颗粒增强颗粒增强3.增韧增韧 纤维增韧纤维增韧 颗粒增韧颗粒增韧第二十七页，本课件共有106页一、复合原理一、复合原理1.1.纤维增强复合材料的复合原理纤维增强复合材料的复合原理 纤维增强复合材料的性能不但取决于基体和纤维增强复合材料的性能不但取决于基体和增强体的性能和相对数量，也取决于两者的结合增强体的性能和相对数量，也取决于两者的结合状态，同时还与纤维在基体中的排列方式有关。状态，同时还与纤维在基体中的排列方式有关。假设：假设：复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，并且平行连续排列，同时质和直径都是均匀的，并且平行连续排列，同时纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。第二十八页，本课件共有106页 外载荷与纤维方向一致外载荷与纤维方向一致 则在外载荷作用下纤维与基体处于则在外载荷作用下纤维与基体处于等应变状态等应变状态，即，即角标角标c、f、m分别代表复合材料、增强纤维和基体分别代表复合材料、增强纤维和基体作用在复合树料上的总力是纤维和基体受力的总和作用在复合树料上的总力是纤维和基体受力的总和=+第二十九页，本课件共有106页 如果复合材料在外载荷作用下处于如果复合材料在外载荷作用下处于弹性变形状态弹性变形状态，复合材料的载荷与变形符合虎克定律，则纤维和基体承复合材料的载荷与变形符合虎克定律，则纤维和基体承受的应力分别为受的应力分别为 应力应力f和和m分别作用在纤维的整个横截面分别作用在纤维的整个横截面Af和基和基体整个横截面体整个横截面Am上。因而纤维和基体所承受的载荷上。因而纤维和基体所承受的载荷Ff和和Fm分别为分别为第三十页，本课件共有106页总载荷作用于复合材料整个横截面总载荷作用于复合材料整个横截面A c上，因而上，因而纤维和基体的体积分数纤维和基体的体积分数(f、m)可用面积分数表示可用面积分数表示复合材料混合定律复合材料混合定律第三十一页，本课件共有106页混合定律混合定律：当复合材料满足以下条件当复合材料满足以下条件:(连续纤维增强）连续纤维增强）（1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；（2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。复合材料力学性能同组分之间的关系复合材料力学性能同组分之间的关系 Xc=Xm m+Xf f 式中：式中：X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度、热导：材料的性能，如强度、弹性模量、密度、热导率和磁导率等率和磁导率等 ：材料的体积百分比；：材料的体积百分比；下脚标下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、基体和纤维。分别代表复合材料、基体和纤维。第三十二页，本课件共有106页图图6.18 硼纤维增强铝复合材料的抗拉强度硼纤维增强铝复合材料的抗拉强度 和弹性模量与纤维体积分数的关系和弹性模量与纤维体积分数的关系第三十三页，本课件共有106页基体材料发生弹性变形时，基体材料发生弹性变形时，复合材料遵循虎克定律，弹复合材料遵循虎克定律，弹性模量遵循混合定律：性模量遵循混合定律：图图6.19 单向连续纤维增强复合材料的单向连续纤维增强复合材料的 应力一应变曲线应力一应变曲线第三十四页，本课件共有106页 外载荷与纤维方向垂直外载荷与纤维方向垂直 如果外载荷垂直于单相连续纤维增强复合材料的纤维方如果外载荷垂直于单相连续纤维增强复合材料的纤维方向，则复合材料、纤维和基体处于向，则复合材料、纤维和基体处于等应力状态等应力状态，即，即 复合材料中应变量等于各组元应变量与体积分数乘复合材料中应变量等于各组元应变量与体积分数乘积之和，即积之和，即第三十五页，本课件共有106页2.2.颗粒增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的密度可以用混合定律表达为：颗粒增强复合材料的密度可以用混合定律表达为：角标角标p代表颗粒增强材料代表颗粒增强材料对刚性纯颗粒对刚性纯颗粒(尺寸为微米量级尺寸为微米量级)增强的复合材料，其弹性增强的复合材料，其弹性模量随纯颗粒体积分数的增加而提高，也可由混合定律模量随纯颗粒体积分数的增加而提高，也可由混合定律来预测，已推导出的这种复合材料弹性模量的上限数值来预测，已推导出的这种复合材料弹性模量的上限数值和下限数值的关系表达式分别为和下限数值的关系表达式分别为上限值：上限值：下限值：下限值：第三十六页，本课件共有106页1.纤维增强纤维增强纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。相材料。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。设计纤维增强树脂基和金属基复合材料的目标：设计纤维增强树脂基和金属基复合材料的目标：二、增强机理二、增强机理第三十七页，本课件共有106页纤维增强复合材料的机理：纤维增强复合材料的机理：1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低，有利。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低，有利于改善纤维的脆性，提高其强度。于改善纤维的脆性，提高其强度。2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但韧性基体能阻止裂。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但韧性基体能阻止裂纹扩展。纹扩展。4。纤维受载断裂，若要使整体断裂，必须有许多根纤维从基体。纤维受载断裂，若要使整体断裂，必须有许多根纤维从基体中拔出，由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦中拔出，由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。力，使得材料的强度大大提高。第三十八页，本课件共有106页图图6.20 钨纤维铜基复合材料的裂纹钨纤维铜基复合材料的裂纹 在铜中扩展受阻在铜中扩展受阻图图6.21 碳纤维环氧树脂复合材料断时，碳纤维环氧树脂复合材料断时，纤维纤维 断口不在一个平面上断口不在一个平面上第三十九页，本课件共有106页增强纤维起到强化基体作用必要条件：增强纤维起到强化基体作用必要条件：1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有适当的结合强。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有适当的结合强度。度。3。纤维应有合理的含量、尺寸和分布。纤维应有合理的含量、尺寸和分布。4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。5。纤维与基体之间有良好的相容性。纤维与基体之间有良好的相容性。第四十页，本课件共有106页 2 2颗粒增强机理颗粒增强机理 根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料分根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料分为弥散增强复合材料和真正颗粒为弥散增强复合材料和真正颗粒(或纯颗粒或纯颗粒)增强复合增强复合材料两类。材料两类。弥散增强复合材料通常是指尺寸为弥散增强复合材料通常是指尺寸为1002500的微细硬颗粒弥散分布在金属和合金中而形成的复合的微细硬颗粒弥散分布在金属和合金中而形成的复合材料。材料。纯颗粒增强复合材料是指以微米量级的颗粒增强纯颗粒增强复合材料是指以微米量级的颗粒增强的金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。的金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。第四十一页，本课件共有106页弥散强化机理弥散强化机理 弥散强化复合材料中的增强材料弥散分布于金属或合金基弥散强化复合材料中的增强材料弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动阻碍位错运动，产生显著的强化，产生显著的强化作用。认为作用。认为复合材料所受载荷主要由基体承担。复合材料所受载荷主要由基体承担。位于位于Fe3Al晶界处及晶界内的晶界处及晶界内的Al2O3第四十二页，本课件共有106页颗粒增强机理颗粒增强机理 纯颗粒增强复合材料不是通过阻碍位错运动而纯颗粒增强复合材料不是通过阻碍位错运动而使材料强化，而是借助于使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运限制颗粒邻近基体的运动动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。，约束基体的变形来达到强化基体的目的。认为复合材料所受载荷并非完全由基体承担。认为复合材料所受载荷并非完全由基体承担。增强颗粒也承受部分载荷增强颗粒也承受部分载荷。颗粒与基体间的结合力。颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显，颗粒增强复合材料的性越大，增强的效果越明显，颗粒增强复合材料的性能与增强颗粒和基体的比例密切相关。能与增强颗粒和基体的比例密切相关。第四十三页，本课件共有106页三、增三、增 韧韧1.1.纤维增韧纤维增韧 纤维增韧：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在纤维增韧：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在陶瓷基体中加入纤维而制成陶瓷基复合材料，由陶瓷基体中加入纤维而制成陶瓷基复合材料，由于定向、取向或无序排布的纤维的加入，使陶瓷于定向、取向或无序排布的纤维的加入，使陶瓷基复合材料韧度显著提高。基复合材料韧度显著提高。设计纤维增强陶瓷基复合材料的目标：提高基体的韧性设计纤维增强陶瓷基复合材料的目标：提高基体的韧性第四十四页，本课件共有106页 单向排布长纤维增韧单向排布长纤维增韧图图6.23 Cf/Si3N4复合材料平行复合材料平行 于纤维方向的组织于纤维方向的组织图图6.24 Cf/Si3N4复合材料中裂纹垂直复合材料中裂纹垂直 于纤维方向扩展示意图于纤维方向扩展示意图第四十五页，本课件共有106页图图6.25 Cf/Si3N4复合材料断口复合材料断口 形貌的形貌的SEM照片照片图图6.26 Cf/Si3N4复合材料复合材料 断口的侧面形貌断口的侧面形貌第四十六页，本课件共有106页单向排布长纤维陶瓷基复合材料单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度的提高来自中韧度的提高来自纤维拔出、纤维纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向断裂及裂纹转向。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向上具有各向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。的纵向性能大大高于横向性能。单向应力场合单向应力场合第四十七页，本课件共有106页 多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长纤维增韧多向应力场合多向应力场合 多维多向排布长纤维增韧复合材料中纤维排布的方多维多向排布长纤维增韧复合材料中纤维排布的方式有两种。一种是将纤维编织成纤维布；另一种是纤式有两种。一种是将纤维编织成纤维布；另一种是纤维分层单向排布。韧化机理：维分层单向排布。韧化机理：纤维拔出、纤维断裂及裂纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向纹转向。图图6.27 纤维布层压复合纤维布层压复合 材料示意图材料示意图图图6.28 多层纤维按不同角度层压多层纤维按不同角度层压 (或缠绕或缠绕)复合材料示意固复合材料示意固第四十八页，本课件共有106页 短纤维、晶须增韧短纤维、晶须增韧 制备短纤维增韧陶瓷基复合材料时将长纤维剪制备短纤维增韧陶瓷基复合材料时将长纤维剪(切切)短短(3mm)，然后分散并与基体粉料混合均匀，再用热压，然后分散并与基体粉料混合均匀，再用热压烧结的方法制得高性能复合材料。烧结的方法制得高性能复合材料。这种短纤维增强体在与原料粉料混合时，取向是随机的，这种短纤维增强体在与原料粉料混合时，取向是随机的，但在受压成形时，短纤维将沿压力方向转动，在最终制成但在受压成形时，短纤维将沿压力方向转动，在最终制成的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性，上的各向异性，沿加压面方向的性能优于垂直加压面沿加压面方向的性能优于垂直加压面方向上的性能方向上的性能。韧化机理：韧化机理：纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向。第四十九页，本课件共有106页图图6.29 碳纤维增韧玻璃陶瓷复合碳纤维增韧玻璃陶瓷复合 材料中的纤维分布情况材料中的纤维分布情况图图6.30 碳纤维增强碳纤维增强Pyrex玻璃纤维玻璃纤维 中纤维定向排列情况中纤维定向排列情况第五十页，本课件共有106页 晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料的相同，即主要靠基复合材料的相同，即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转晶须的拔出桥连与裂纹转向机制向机制对韧性提高产生突出贡献。对韧性提高产生突出贡献。图图6.32 晶须拔出桥连及裂纹转向的晶须拔出桥连及裂纹转向的SEM照片照片第五十一页，本课件共有106页2 2颗粒增韧颗粒增韧 颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有相变增相变增韧、裂纹转向与分叉增韧韧、裂纹转向与分叉增韧等。等。相变增韧相变增韧 相变增韧是发展最早的一种增韧机理。氧化锆增韧陶瓷就是利相变增韧是发展最早的一种增韧机理。氧化锆增韧陶瓷就是利用氧化锆马氏体相变达到增韧目的。氧化锆在一定温度和应力用氧化锆马氏体相变达到增韧目的。氧化锆在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方氧化锆颗粒转变为单斜相氧化锆。伴随场作用下，亚稳定四方氧化锆颗粒转变为单斜相氧化锆。伴随着这种相变有着这种相变有35的体积膨胀，因而产生压缩应力，从的体积膨胀，因而产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹扩展、达到增韧目的。而抵消外加应力，阻止裂纹扩展、达到增韧目的。第五十二页，本课件共有106页 裂纹转向与分叉增韧裂纹转向与分叉增韧 裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧度，了裂纹尖端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧度，达到增韧目的。达到增韧目的。裂纹转向与分叉增韧不像相变增韧那样受温度的限裂纹转向与分叉增韧不像相变增韧那样受温度的限制，因而是适合高温结构陶瓷增韧的方法。制，因而是适合高温结构陶瓷增韧的方法。第五十三页，本课件共有106页(Y,Nb)-TZP/20 Al2O3复合材料复合材料中中Al2O3对裂纹的桥联效应对裂纹的桥联效应ZrO2对位错的钉扎对位错的钉扎第五十四页，本课件共有106页第三节第三节 复合材料的界面复合材料的界面复合材料界面的基本概念复合材料界面的基本概念树脂基复合材料的界面树脂基复合材料的界面金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面第五十五页，本课件共有106页复合材料界面的基本概念复合材料界面的基本概念 复合材料的界面：复合材料的界面：指基体与增强物之间化学指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此连结的、能起载荷传成分有显著变化的、构成彼此连结的、能起载荷传递作用的微小区域。递作用的微小区域。界面是复合材料的特征界面是复合材料的特征界面上的化学成分和相结构复杂界面上的化学成分和相结构复杂界面对复合材料特别是对其力学性能起着极为重要界面对复合材料特别是对其力学性能起着极为重要的作用。的作用。第五十六页，本课件共有106页3Y-TZP/Fe3Al复合材料界面复合材料界面第五十七页，本课件共有106页图图6.33 复合材料的界面复合材料的界面第五十八页，本课件共有106页一、树脂基复合材料的界面一、树脂基复合材料的界面 1 1界面的形成界面的形成 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程；第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程；第二阶段是树脂的固化过程，树脂通过物理第二阶段是树脂的固化过程，树脂通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。或化学的变化而固化，形成固定的界面层。第五十九页，本课件共有106页 界面层的性质大致包括界面层的性质大致包括结合力、区域结合力、区域(或厚度或厚度)和微观结构和微观结构等方向。等方向。界面结合力存在于两相之间，并由此产生复合界面结合力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。界面结合力可分为宏观结合力和微效果和界面强度。界面结合力可分为宏观结合力和微观结合力两种前者主要指材料的几何因素，如表面观结合力两种前者主要指材料的几何因素，如表面凸凹不平、表面裂纹和孔隙等所产生的机械铰合力；凸凹不平、表面裂纹和孔隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，化学键结合是最强的结后者包括化学键和次价键，化学键结合是最强的结合，通过化学反应产生。合，通过化学反应产生。第六十页，本课件共有106页 界面及其附近区域的性能、结构都不同于界面及其附近区域的性能、结构都不同于组分本身。组分本身。界面层是由纤维与基体之间的界面界面层是由纤维与基体之间的界面以及纤维和基体的表面薄层构成的。以及纤维和基体的表面薄层构成的。界面层使纤维与基体形成一个整体，并界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力。通过它传递应力。第六十一页，本课件共有106页 2.2.界面作用机理界面作用机理 界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。界面浸润理论界面浸润理论 化学键理论化学键理论 物理吸附理论物理吸附理论 变形层理论变形层理论 减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论第六十二页，本课件共有106页 界面浸润理论界面浸润理论 主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开裂，完全浸润可使基体与增强纤维的结合强裂，完全浸润可使基体与增强纤维的结合强度大于基体的强度，复合材料才能度大于基体的强度，复合材料才能显示其优显示其优越的性能。越的性能。第六十三页，本课件共有106页 化学键理论化学键理论 处理增强纤维表面的偶联剂既含有能与增强处理增强纤维表面的偶联剂既含有能与增强纤维起化学作用的官能团，又含有能与树脂基纤维起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团，在界面上形成共价键体起化学作用的官能团，在界面上形成共价键结合。结合。无偶联剂存在时，如果基体与纤维表面可无偶联剂存在时，如果基体与纤维表面可以发生化学反应，两相之间也能形成牢固界以发生化学反应，两相之间也能形成牢固界面。面。但是化学键理论不能解释为什么有的处理剂官但是化学键理论不能解释为什么有的处理剂官能团不能与树脂反应却仍有较好的处理效果。能团不能与树脂反应却仍有较好的处理效果。第六十四页，本课件共有106页 物理吸附理论物理吸附理论 物理吸附理论认为，增强纤维与树脂基物理吸附理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。用的物理吸附。物理吸附理论对上述化学键理论不能解释物理吸附理论对上述化学键理论不能解释的问题给予了较好的解释。的问题给予了较好的解释。第六十五页，本课件共有106页 变形层理论变形层理论 将增强纤维表面进行处理，在界面上形将增强纤维表面进行处理，在界面上形成一层塑性层，就可以起到松弛和减小界面成一层塑性层，就可以起到松弛和减小界面应力的作用。应力的作用。第六十六页，本课件共有106页 减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论 减弱界面局部应力作用理论认为，基体和增减弱界面局部应力作用理论认为，基体和增强纤维之间的处理剂提供了一种具有强纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力自愈能力”的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。裂的动态平衡状态。低分子物质（主要是水低分子物质（主要是水)的应力浸蚀会使界面的应力浸蚀会使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂的化学键重新结合，与此维表面滑移，使已断裂的化学键重新结合，与此同时，应力得以松弛减缓了界面的应力集中。同时，应力得以松弛减缓了界面的应力集中。第六十七页，本课件共有106页二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面1 1界面的类型界面的类型表表6.4 纤维增强金属基复合材料界面的类型纤维增强金属基复合材料界面的类型第六十八页，本课件共有106页 2 2界面的结合界面的结合纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式。纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式。机械结合机械结合 纤维与基体互不反应也不溶解纤维与基体互不反应也不溶解 借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械铰合，借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合。如以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合。如经过表面刻蚀处理的纤维增强金属基复合材料比光滑纤维经过表面刻蚀处理的纤维增强金属基复合材料比光滑纤维增强金属基复合材料强度高增强金属基复合材料强度高23倍。倍。溶解和浸润结合溶解和浸润结合纤维与基体互不反应但溶解纤维与基体互不反应但溶解 对纤维表面进行处理，破坏纤维表面的氧化膜，对纤维表面进行处理，破坏纤维表面的氧化膜，使纤维与金属基体发生浸润或互溶，提高界面结合力。使纤维与金属基体发生浸润或互溶，提高界面结合力。第六十九页，本课件共有106页 反应结合反应结合纤维与基体反应纤维与基体反应 纤维和基体之间形成亚微米级左右的新的化合物层纤维和基体之间形成亚微米级左右的新的化合物层界面反应层。但界面反应层内的产物多为脆性物质，界面反应层。但界面反应层内的产物多为脆性物质，当界面反应层达到一定厚度时，不仅不能起到强化目的，当界面反应层达到一定厚度时，不仅不能起到强化目的，反而使得界面上的残余应力太大，降低界面结合强度。反而使得界面上的残余应力太大，降低界面结合强度。混合结合混合结合 混合结合是最重要最普遍的结合形式，在实际复合材混合结合是最重要最普遍的结合形式，在实际复合材料中经常同时存在几种结合形式。料中经常同时存在几种结合形式。第七十页，本课件共有106页 三、陶瓷基复合材料的界面三、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合也是采取机械结合、溶解和浸润结间的结合也是采取机械结合、溶解和浸润结合、反应结合和混合结合的方式。合、反应结合和混合结合的方式。第七十一页，本课件共有106页界面控制界面控制 改变增强材料表面的性质改变增强材料表面的性质 改变增强材料表面性质是用化学手段控改变增强材料表面性质是用化学手段控制界面的方法。制界面的方法。改变增强材料表面性质的目的：改变增强材料表面性质的目的：防止强化材料与基体间的反应，获得最佳界防止强化材料与基体间的反应，获得最佳界面力学待性。面力学待性。改变纤维与基体间的结合力。改变纤维与基体间的结合力。第七十二页，本课件共有106页 向基体内添加特定的元素向基体内添加特定的元素 促进烧结促进烧结 使纤维与基体之间发生适度反应