第六章--复合材料

第六章复合材料概述复合材料的复合理论复合材料的界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料层叠复合材料第一节概述复合材料的涵义复合材料的用途及重要性复合材料过去、现在和未来复合材料的分类复合材料的增强材料复合材料的性能特点一、复合材料的涵义复合材料：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材料。含两种以上的不同的化学相具有每个组分所不具备的优良性能复合材料的基本组分可划分为基体相(基体材料)和增强相(增强材料)两种。图6.1两种或两种以上材料所组成的复合材料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名。例如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“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称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料“。如“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，也可简称为“玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。二、复合材料的用途及重要性应用领域机械工业汽车工业及交通运输化学工业航空宇航领域建筑领域图6.2碳纤维增强聚合物制作的导波天线图6.3碳纤维和Kevlar纤维混杂复合材料制造的赛车三、复合材料过去、现在和未来20世纪40年代纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。60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构。70年代末发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料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图6.4复合材料的发展简图复合材料的发展趋势1.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混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方法。3．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5．由常规设计向仿生设计方向发展四、复合材料的分类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。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，目前应用最广的是结构复合材料。图6.5复合材料的分类五、复合材料的增强材料粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料，称为增强树料，也称为增强体、增强相、增强剂等。复合材料所用的增强材料主要有三类，即纤维及其织物、晶须和颗粒。其中碳纤维、凯芙拉(Kevlar)纤维和玻璃纤维应用最为广泛。1.纤维纤维包括天然纤维和合成纤维。合成纤维分为有机纤维和无机纤维两大类。有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维及聚乙烯纤维等。无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。Kevlar纤维图6.6Kevlar纤维的三维取向结构表6.1Kevlar纤维的物理、机械性能碳纤维图6.7碳纤维的三维结构示意图表6.2某些品牌碳纤维的性能2.晶须晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和截面积小于52×l0-5cm2的单晶纤维材料。晶须的直径可由0.1至几个微米，长度一般为数十至数千微米，但具有实用价值的晶须直径约为1~10μm，长度与直径比在5~1000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。3.颗粒颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。这些颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。颗粒增强体以很细的粉状(一般在l0μm以下)加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体，主要为金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强材料的韧性。六、复合材料的性能特点1．比强度和比模量高图6.8材料的比强度随年代的变化2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，特别是纤维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，使裂纹尖端变钝或改变方向，所以具有较高的疲劳强度。纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维，借助塑韧性基体结合成一个整体，当复合材料构件由于过载或其他原因而部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长，故具有良好的断裂安全性。3.良好的减振性能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。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。4.良好的高温性能图6.9各类材料的耐热温度第二节复合材料的复合理论1.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2.增强机理纤维增强颗粒增强3.增韧纤维增韧颗粒增韧一、复合原理1.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。①外载荷与纤维方向一致假设：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，同时纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。则在外载荷作用下纤维与基体处于等应变状态，即角标c、f、m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=+如果复合材料在外载荷作用下处于弹性变形状态，复合材料的载荷与变形符合虎克定律，则纤维和基体承受的应力分别为应力σf和σm分别作用在纤维的整个横截面Af和基体整个横截面Am上。因而纤维和基体所承受的载荷Ff和Fm分别为总载荷作用于复合材料整个横截面Ac上，因而纤维和基体的体积分数(φf、φm)可用面积分数表示图6.10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外载荷很大、基体材料发生塑性变形时，复合材料不再遵循虎克定律，此时基体对复合材料刚度的贡献较小，弹性模量可近似表示为图6.11单向连续纤维增强复合材料的应力一应变曲线②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向，则复合材料、纤维和基体处于等应力状态，即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，即混合定律在纤维增强复合材料物理性能方面的应用利用混合定律可以对纤维增强复合材料的某些物理量进行计算。例如复合材料的密度存在下列关系式：描述沿复合材料纤维排列方向的热导率(K)和磁导率(k)2.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：角标p代表颗粒增强材料对刚性纯颗粒(尺寸为微米量级)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上限值：下限值：二、增强机理l.纤维增强纤维增强复合材料：指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体(树脂、金属)或脆性基体(陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。目标：提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量是纤维增强树脂基复合材料和纤维增强金属基复合材料的主要设计目标；而纤维增强陶瓷基复合材料的主要目的是提高基体材料的韧性，即增韧。纤维增强的复合材料的增强机理①增强纤维脆性较大，内部往往存在一些微裂纹，容易断裂，材料的强度不能被充分利用。但是如果能将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆件的改善和强度的提高。②纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承裁过程中产生裂纹，使承载能力增强。③复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。图6.12钨纤维铜基复合材料的裂纹在铜中扩展受阻④纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，若要使整体断裂，必然有许多根纤维从基体中被拔出，因而必须克服基体对纤维的黏结力以及基体与纤维之间的摩擦力，从而使材料的抗拉强度大大提高，与此同时断裂韧度也增加。图6.13碳纤维环氧树脂复合材料断时，纤维断口不在一个平面上增强纤维与基体复合时应注意的几个问题①增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。因为增强纤维的弹性模量E愈高，在同样应变量ε的条件下，所受应力越大，这样才能充分发挥纤维的增强作用，保证复合材料中承受载荷的材料是增强纤维。②基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应具当适当的结合强度，以保证基体所受的应力通过界面传递给纤维。结合强度小，界面很难传递载荷，纤维无法发挥主要承受载荷的作用；结合强度也不宜过大，因为复合材料受力破坏时，纤维从基体中拔出将消耗一部分能量，过大的结合强度将使纤维拔出消耗能量过程消失，降低强度并导致危险的脆性断裂。③纤维应有合理的含量、尺寸和分布。纤维的直径对其强度有较大影响，纤维越细．则缺陷越小，材料强度越高；同时细纤维的比表面积大，有利于增强与基体的结合力。纤维的长度t对增强有利，连续纤维比短纤纤维的增强效果好得多。对于短切纤维，只有当长度超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。纤维的排列方向应符合构件的受力要求。由于纤维的纵向比横向的抗拉强度高几十倍，应尽量使纤维的排列方向平行于应力作用方向。受力比较复杂时，纤维可以采用不同方向交叉层叠排列，以使之沿几个不同方向产生增强效果。④纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。通常要求两者的线膨胀系数相近。对于韧性较低的基体(例如陶瓷和热固性树脂)，纤维的线膨胀系数应略高于基体的线膨胀系数，以便在受热后冷却时，由于纤维收缩大使基体处于受压状态而获得一定程度的保护。对于韧性较好的基体，纤维的线膨胀系数应略低于基体的线膨胀系数，以便使纤维处于压应力状态而增加韧度。⑤纤维与基体之间要有良好的相容性。以便在高温作用下纤维与基体之间不发生化学反应，基体对纤维不产生腐蚀和损伤作用。2．颗粒增强机理根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可分为弥散增强复合材料和真正颗粒(或纯颗粒)增强复合材料两类。弥散增强复合材料通常是指尺寸为100~2500Å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。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。弥散强化复合材料中的增强材料主要是金属氧化物、碳化物和硼化物。这些弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用。弥散强化复合材料的复合强化机理与合金的析出强化机理相似，基体仍是承受载荷的主体。不同的是这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒，它们在温度升高时仍可保持其原有尺寸，因而增强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于基体金属或合金。为使弥散增强的复合材料性能达到最佳效果，除要求颗粒坚硬、稳定，与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及与基体的结合能力均是必须加以考虑的因素。纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响，颗粒太大而不规则，往往引起应力集中现象而成为裂纹源，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使之均匀分布在基体之中。在纯颗粒增强复合材料中，颗粒不是通过阻碍位错运动而使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。因此，一般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。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能与增强颗粒和基体的比例密切相关。三、增韧1.纤维