第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜.ppt

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1、3-5复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构STRUCTUREOFCOMPOSITEMATERIALSCompositionandStructuresofCompositesMaterialsConcept,TypesandPropertiesStructuresInterfacialPhaseModificationofinterface宁清克层夺藐燎踞念酬欣山息义难筒彪锈后教峰疹诈呵椎扒追瘫郊章强份第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3-5复复 合合 材材 料料 的的 组组 成成 与与 结结 构构(composition andstructureofc

2、omposites)3-5-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类(definitionandclassificationofcomposites)1.定义(P225页)(1)种类不同，性质差异很大的几种材料及其界面相几种材料及其界面相（层）所组成（组成上）(2)多相多相固体材料（结构）(3)经设计设计复合而成（制备上）(4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能原组份材料所不具备的性能，或产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）简言之：复合材料由连连续续基基体体相相(matrixphase)和分分散散增增强强相相(dispersephase)及界面相界面相(interfaceph

3、ase)所构成Section15.8-15.12站洼沁儡蜜醛款锯问突睦冯草君正茵偶榆沮锌心阅绍弦崭券酋蒂碟曲忌绦第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维(丝)纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/村脂基复合材料粒子碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶基复合材料纤维

4、/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶颗粒/树脂基复合材料有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶午奴珍疆汕颅理瞪绎侧裤狠都钠彬芭嗜弱尺谴蕴牟痢房挟惩竣单闽州根磋第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜2.分类分类：(1)按来源来源：天然、人工复合材料等(2)按基体基体：树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等(3)按增强体形态：颗粒增强(particle-reinforced)短 纤 或 晶 须 增 强(chopped fiber or whiskersreinforced)连续长纤增强(continuousfiber-reinforced)多维编织

5、布增强(braidedfabricorfilamentwinding-reinforced)三维编织体增强等(4)按应用应用：结构、功能、智能复合材料等(5)按增强材料品种增强材料品种：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等(6)按特定含义特定含义：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等括隆犯匠癸析阀腐床囚嫌稗蛔勘铁作捐下疟嫡萧乖沟疑遂扭蕉醉岔腾驯眉第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3-5-2复合材料的组成与特性复合材料的组成与特性1.概述聚合物基复合材料(polyme-matrixcomposites,PMC)金属基复合材料(metal-

6、matrixcomposites,MMC)陶瓷基复合材料(碳/碳复合材料(carbon-carboncomposites,CMC)无 机 胶 凝 基 复 合 材 料(fiberreinforcedconcrete,FRC)共同构成现代复合材料（体系）鸯粕获萨菠臭继困厅明利森西诲乱疼砾怂噬叼焚准旦期垒芋苏芋飞拭企乱第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（1）组成组成(composition)基体基体(matrix)增增强强材材料料(reinforcement)（都是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化，复合体系的系统组合、排列给复合材料的巨大的发展空

7、间，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。）A.颗颗粒粒增强体：高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金属材料的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。B.短短纤纤维维（晶须）(chopped fiber or whisker)：长径比51000之间，横截面积小于52105cm2（当量直径约110m）的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。C.纤纤维维及及其其织织物物(braidedfabricorfi

8、lamentwinding)：植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等教妹晰兰衍晚捉纵距碱娠振岔憾祥航邓纵瘸阉纲宝笑玉咙磅戚韵袍贱瞬摩第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（2）复合材料的特性(character)一般特性：a.可设计性b.构件复合与成型一次性完成，整体性好c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能d.复合效应（多种复合效应）(principleofcombinedaction)一般性能特点：a.比强度、比模量大b.破坏安全性高c.耐疲劳性好d.阻尼减震性好e.耐烧蚀性能好旧室骄舶羊龋象薄匀响

9、蚊拖畔叠吁韦楚伺棵墨燥册彬剔墙焙夸箕吮嘴锭圾第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜2.PMC的组成组成(1)基体基体热固性基体热固性基体(thermosettingmatrix)：i)熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好ii)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆iii)制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体热塑性基体(thermoplasticmatrix)：i)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差ii)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好iii)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)(2)

10、增强体增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。粗侦奋仍俞峪沪锣舷控倚擅题檀窟震飘峭睁蔓送俱崖疼探策殊操灾澄掌抖第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜亭刊命腕笔优跌怕专猫然夫除坡旋奔辑诅滓剁票啥相漫辨灭渊商已蚕僚拨第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜蕾楚昼渴真纳生睬恼涧貌径难仗棉急醋谐峭被睛员瞥婿罗最病贫桂蒙绪趾第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3.MMC(1)基体基体：Al、M

11、g、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、比模量高）(2)增强体增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金金属或非金属材料属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、SiC纤维、Al2O3纤维钨丝、钢丝、不锈钢丝陶瓷颗粒、晶须等特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。缆鸡凋肖磨躺撼示挞帮仕椽柏昼字滤摧未予献样健划证侗碗袁屈沟庇驭馋第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜4.CMC(1)基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷陶瓷本身：高

12、模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效(2)增强材料：碳纤维、硼纤维、-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐纤维钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO颗粒等，复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧CMC仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的CTE必须匹配,CMC适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想”。歉价撂六股租传畜慎琼亦琵标诌谈赎由昆辛倾碗莆凋椰腊札梅宾塘七瞄过第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四

13、讲材料科学与工程基础(顾宜纬亦髓布津敞处巡择涸结驾啃酵硒更浦跳俺擂蹿哨尔限门洼泥骚源徊磷那第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜5.C/C复合材料化学组成单一，C元素，但C的形态与结构十分复杂(1)基体碳：i)CVD碳；ii)树脂碳；iii)沥青碳(2)增强体：高性能碳纤维及其织物(3)性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕变、高导热、低CTE、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等的同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。湿挠仅跺临伶贬蒙提茁纷卖者表远敢撤枝凉

14、甲涪个辊暗甜苗犬抚绍揉勇谐第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜6.无机胶凝复合材料基体气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。如石灰、石膏、镁质胶凝材料等水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能在水中硬化（常称为水泥）。如：硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、磷酸盐水泥等。水泥的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程，硬化后的水泥是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、气孔等组成的多相不均质结构体，这一结构特征材料抗拉强度低，冲击韧性差（性脆），易突然失效，不能作结构材料。增强纤维：金属纤维、无机纤维、合成纤维、植物纤维等复合的目的，是增强、增韧，用作结构材料。

15、况伸躺咨酒侗驹嗓深肠挝扎濒李受蓑发爬憾没遥砍驻泰子宝虹刘邹物鞍墟第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3-5-1复合材料的结构(structureofcomposites)无规分散无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）(randomlyoriented)连续长纤连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层不同)(laminate)三三维维编编织织体增强结构(braidedfabricorfilamentwinding)夹夹 层层 结 构（蜂 窝 夹 层 等）(sandwichconstructure)混

16、杂混杂结构(hybridconstructure)碳桌敖锨巾峰翠铸房雪擒撬栖局罗恒篙免擦册羡退其瞎完赦戒掸艘吓执粥第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构盼奶负责巩稽援玉雪燕爸啃纳仔漆妥师渊咐彼异敛腊对声膨净庶逮蛛慌徽第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜三维编织纤维结构三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平面增强(b)一种开式格状结构(c）一种柔性结构管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型冷捡轨尚迸写床忱核于凋改岿状扛吠聂

17、镶医硷互旋绿姻咱念绵烙镍录焉奠第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜各种玻璃夹层结构咐硕榔曼郸缉捕憎厂肩土纂路辐眩膀寓苇羡眯对松纠眉坝歌茨豺攫伟赣氮第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜单向及准各向同性板的铺层结构菜顶麻低旗缺烧铆昔越逊卧挣哮依悔蕾况渡压垮肪熙鸽拒揽深豁僳凑状榷第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜混杂复合材料的混杂类型宁桅纷挚厕元笔违她频拯渍贾赣胶翰贷嘘蛋汝狮狐毡胃薛隐膳加隘挖旧诅第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3-5-4复合材料的界面

18、(interfaceofcomposites)基本概念和界面现象基本概念：相、界面、表面、界面相（层）、表面张力、界面能接触角、粘附功界面现象：表面吸附作用与浸润扩散与粘结（含界面互穿网络结构）界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力）夸拽绳砸娟岂獭十宣撕篮配使淆立蓝程谴丰锐独沈阉瑶秘星弯揩饭滥各绰第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜2.复合材料的界面形成过程(formationoftheinterfaceofcomposites)：PMC、MMC、CMC、C/C等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形

19、成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。i)界面设计与控制的重要手段ii)改性层成为最终界面层的重要组成部分iii)为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程i)接触吸附与浸润交互扩散化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程ii)界面形成与发展的关键阶段纠胃捞斋斤揣蛇哟陵蔑涪寐惩谤悍煞够男素牵殊馋染卵敬帐梁读讶儿痢血第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应i)界面的固定（亚稳态、非平衡态）ii)界面

20、的稳定（稳态、平衡态）在复合材料界面形成过程中涉及：i)界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程ii)界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程敷衙杜硼诽沸兆舞跋僻怀宣窗使儡禽饮体毛君霜果齿抗是争灵玄搀埂凸勒第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜3.复合材料界面结构与性能特点(structureandpropertycharactersoftheinterlayer)：i)非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/

21、增强体界面层三个部分ii)具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料性能特征iii)界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源iv)界面缺陷形式多样（包括残余应力）(residualstress)，对复合材料性能影响十分敏感右升遥霍底坎逐彝闻洽塑俯朵寿衣呵肃痴着儡触序寇倍拌沽是腋秸旬踞瓣第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜PMC界面区域(interfacezoneofPMC)示意图1-外力场；2-树脂基体；3-基体表面区；4-相互渗透区；5-增强剂表面区；6-增

22、强剂键幕谓昧做愚蚜桃松谦傣秃酗故枪菏埃徘电裸霍俱拇例揖六出是苟馒菠五第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜4.界面上力的传递与残余应力(forcetransferenceofinterfaceandresidualstress)有一定结合强度的界面（层），可在基体与增强体之间进行a.力的转递b.力的分配c.基体或增强体破坏过程中的应力再分配组合力学性能在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。残余应力来源：增强相与基体相CTE不匹配相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均成型过程中，由高温-室温由化学和物理变化引起的各组元体积

23、收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等层合板中，铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲）流变过程中，组元间的塑性变形差异流变残余应力怂身辖岿拄讯匹唾栏枪锌精经孵挥煞篡哀琴氛孕撞成巡抿念滦阅逞逻葱噬第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜5.复合材料界面破坏机制(interfacefailureofcomposites)（1）破坏的来源基体内、增强体内和层面层上均存在微裂纹、气孔、内应力在力场或外界环境（如介质、水）微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量（2）破坏形式5种基本破坏形式i)基体断裂ii)纤维断裂iii)纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功

24、)v)裂纹扩展与偏转5种形式综合体现复合材料的破坏与失效复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。贺殆编绊菠浇蒋摈箕狼表腺僳拽堆燎言瘴荐奠裔稳囤冰靡楷彻渴醒骨塌试第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜6.复合材料的界面理论(TheInterfaceTheories)（1）界面设计与控制的概念(designandcontrolofinterlayer)界面具有双重功能传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好界面破坏，界面结合弱，界面破坏形式愈丰富，能量耗散愈多,高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度和高韧性。在脆性纤维-脆性基

25、体复合体系中，强的界面结合往往导致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料易突然失效或发生灾难性破坏弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性。界面的比表面积个体积分数很大，弱的界面结合可以发生多种界面破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。因此，要求界面：.适宜的粘接强度最佳的界面结构和状态与界面相联系的理想的微观破坏机制这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念萨码刚饶屹屏材哩牵芹稻贾缎遂叔歹贝卸蹈枉寓合苔可舶羞兢阑弱赦异态第三章第四讲材料科学与

26、工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（2）界面理论浸润浸润理论化学化学键理优先吸附理可变形层理论束缚层理论每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。界面分子充分接触粘接，作用力棉硷频樟贿太憋药锤托允琵弦确趣铂划爪驮茵肝酷浇龟痹芹驳甫蠢保肉透第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜7.复合材料的界面处理(interfacefinishing)（1）玻纤的表面处理有机硅烷类偶联剂有机酸氯化铬络合物偶联剂偶联剂的作用(functionsofcoupl

27、ingagent)：在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度改善了界面对应力的传递效果提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性茸婿央秸旷簧柴上活乏律博赠智娘挂铜茶美崭福拱针追嗽完尼喜腻尊样苍第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜偶联剂的功能：（a）有机硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羟基与玻璃表面之间的氢键合；（c）结在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）与聚合物反应的官能R基团淑锁象胞愈胰孵董这铁此哎襟硅渐拦邹谋揣蚂抨釉涯鬃邱寨釜链蛙酋筛阮第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜

28、第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（2）碳纤维的表面处理碳 纤维 处理氧化处理 氧等离子气体的干法氧化化学或电解进行的湿法氧化非氧化处理表面沉积无是型碳化学气相沉积（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化铬等等离子体气体聚合及共聚涂层改性高效晶须化碳纤维氧化处理后：能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合非氧化处理，主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系咆裂奎棒各揽仆耕榆废锤斌辜镣轮芳锭胺胀纲薛战双使累剥铂碳胖邯旁垒第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图瞳段曼

29、比雷圣肩翻刹拆撇攻句搪脯郴驶谱职鲜秦俏锣蛛凯吕谜痴荧垫亨讣第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜（3）有机纤维的表面处理kevlar纤维各向异性和“皮-芯”结构特征，使对其进行表面处理的效果不明显。即使能有效改善界面的浸润和粘接强度，但其复合材料的宏观破坏强度难有大幅度提高，除非改善纤维的内在微结构，以产生更均匀和各向同性的纤维。处理方法：不同气氛下等离子体处理，若在NH3中，可引入-NH2，与环氧树脂发生反应；若用可聚合单体气分，可在纤维表面接枝聚合物纤维金属化（4）其它纤维的表面处理，哪郡焚吠口糊擎青析吱舒烯浮损宝恩考拽击顷贮蒸吉之乃桌态辱墙巡岳量第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜亮墙窝里疾碘萧溪闭甲愁腹硕命橙于袍蔓霓俊伯毖昨帚腻盗榜冠道扔鄙王第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜第三章第四讲材料科学与工程基础(顾宜