第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜

4-7复合材料的性能propertiesofcompositesprincipleofcombinedactionofcomposites,ruleofmixtureofparticlecompositesWhatisdifferenceofparticlesize,fiberlengthandorentationforstrengtheningcompositesCalculatelongitudinalandtransversemodulus,andlongitudinalstrengthforanalignedandcontinuousfiber-reinforcedcomposite.Computelongitudinalstrengthsfordiscontinuousandalignedfibrouscompositematerials.4-7复合材料的性能(propertiesofcomposites)4-7-1复合材料的复合效应(principleofcombinedaction）1.复合材料各组元（相）相互作用基体：①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。②增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。③保护增强体免受各种损伤。④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。⑤决定部分性能。增强体：主要承受绝大部分载荷、增强、增韧功能体：赋予一定功能界面相层：复合材料产生组合力学及其它性能，复合效应产生的根源PMC界面区域示意图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-增强剂2、复合效应复合效应表现形式多种多样大致可分为：混合效应：线性加合固有性质，如密度、模量、比热非固有性质，如强度、泊松比等协同效应：非线性综合、转递性质混合效应：平均效应或组份效应，是组份材料性能取长补短共同作用的结果，是组份材料性能比较稳定的总体反应，局部的挠动、薄弱环节、界面、工艺因素等通常对混合效应没有明显的作用，表现为各种形式的混合律。协同效应：①复合材料的本质特征，使复合材料的性能与组份材料相比，发生飞跃式提高，甚至具有组份材料没有的性能，这些潜在性能是研制开发新材料的源泉。复合材料追求的就是这种协同效应。②对微观非均匀性、薄弱环节、界面、制备工艺，甚至某些偶然因素都十分敏感。3.协同效应：界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。(1)混合律Xc=XmVm+Xf1V1+Xf2V2+……复合材料性能与各组元性能及分量的关系（线性关系）。组份效应：各组元性能确定，相对组成作为变量，不考虑组份的几何形状、分布状态和尺度等影响。相对组成通常用体积分数和质量分数来表达。复合材料的固有性质是指各相之间不相互作用所表现出来的材料性质，如密度C和比热容Cc等，属于固有性质的物理量，都应服从混合律，如：C=m(1Vf)+fVfCC=Cm(1Vf)+CfVf(2)几何尺寸效应复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形状、尺寸、排布与分布状态。复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，见图4-106、4-107，表4-40。临界长度lc和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-41不同材料的lc纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性。具有显著的量子尺寸效应。纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能。纳米复合材料是获得高性能复合材料的重要途径之一。(3)界面效应(interfaceeffect)复合材料的绝大部分性能很大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面破坏与失效开始的。复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质。几乎所有协同效应（复合效应的本质特征）都是由界面层的存在带来的，这就是所谓界面效应的内涵。而界面效应的表现方式却多种多样。从数学上可以由混合律和二次混合律加以简述（见图4-108，4-109）1).界面上力的传递与残余应力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：①增强相与基体相CTE不匹配②相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均③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收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等④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）⑤流变过程中，组元间的塑性变形差异→流变残余应力2).复合材料界面破坏机制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)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。4）乘积效应(X/Y）（Y/Z）=X/Z（见表4-42）主要表现在功能复合材料中，详见P4215）其它复合效应“界面诱导效应、混杂效应、共振效应，一般了解见P4224-7-2复合材料的力学性能（mechanicalpropertiesofcomposites)1.单向板的强度与模量（strengthandmodulusofanalignedfiber-reinforcedcomposites)Section15.5(1)纵向载荷弹性行为（ElasticBehavior–longitudinalloading)条件；FC=Fm+Ffεc=εm=εfVm+Vf=1推导结果：模量强度Ef、Em是纤维和基体的模量，Vf、Vm是纤维和基体的体积分数（2）横向载荷弹性行为（ElasticBehavior-transverseloading)条件：σc=σm=σf=σεc=εmVm+VfεfVm+Vf=1推导结果：模量或1/Ect=Vm/Em+Vf/Ef（3）不连续短纤增强单向板纵向拉伸强度（Longitudinaltensilestrengthofdiscontinuousandalignedfiber(composites)1)llc:2)llc:(4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式：①基体断裂；②界面脱粘；③纤维断裂，（5）单向板横向拉伸强度单向板横向拉伸的三种破坏模式：①基体破坏；②界面脱粘；③纤维破坏Yc＝Vffy＋VmmyYc＝［１＋Vf（1/y－1）］my应力分配系数单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系，图4-116（6）单向板纵向压缩强度)1(32fffmfCVVEEVX失效模式fmCVGX1表4-43单向纤维增强环氧树脂材料的典型性能表4-44几种典型金属基复合材料的性能表4-45浸渍法制造的单向碳/碳复合材料的力学性能2.复合材料的冲击韧性冲击韧性是复合材料的重要性能，可由①冲击强度；②断裂韧性Gc；③冲击后的压缩强度（CAI）来表征。冲击实验中的典型加载历程见图4-118韧性指数裂纹扩展能Qp与裂纹引发能Qi之比ipQQDI冲击过程中裂纹扩展模式见图4-119，受界面显著影响冲击过程的能量吸收包括：①基体变形和开裂；②纤维破坏；③纤维拔出（摩擦功）；④分层裂纹等多个方面。基体变形吸收较多的能量。热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差。热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。CMC、纤维与基体------脆性特征，陶瓷基体中加入连续纤维、短纤维和晶须时，能得到韧性大幅度提高的复合材料。图4-120CMC增韧理论，详见P4313.复合材料的疲劳性能疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（或次数）都会破坏失效。疲劳过程—→内部损伤（或疲劳裂纹）—→内部损伤累积至一定程度—→材料突然破坏失效四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂疲劳S-N曲线见图4-121，4-122，4-123，复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性能。4-8纳米材料及纳米效应1.概述纳米材料必须同时满足以下两个条件：(1)几何尺寸至少一维在纳米尺度（10–9~10–7或0.1~100nm）(2)必须具有纳米效应，即①小尺寸效应，②表面效应，③量子尺寸效应，④宏观量子隧道效应等纳米材料包含三个层次：零维：纳米微粒、原子团簇、人造原子——量子点①纳米结构单元一维：纳米管、纳米棒、纳米丝——量子线二维：超薄膜、多层膜、超晶格——量子阱纳米相材料：单相纳米微粒构成②纳米固体纳米复合材料：多种或多相纳米微粒至少在一个方面以纳米尺寸复合而成自组装：通过共价键或弱作用力实现自组装（氢键、范氏力、离子键等）③纳米组装体系人工组装：按人的意志，利用物理和化学方法构筑成一个纳米1.2.纳米结构单元①团簇（cluster）粒径小于或等于1nm的原子聚集体，如Fen、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特点在于：以化学键紧密结合，但尚未形成轨整的晶体，不同于分子团簇和周期性极强的晶体，有许多奇异的特性。②纳米微粒尺寸在1~100nm之间的超细微粒，尺寸大于原子团簇③人造原子（artificialatoms），又称量子点①纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆1.3.纳米复合材料指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料，是获得高性能复合材料重要途径之一举例：分子复合材料：……P405图4-8-34-8-2纳米材料的基本物理效应1.1.小尺寸效应①当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，导致声、光、电、磁、热、力学等物性与宏观尺寸物体相比发生很大变化，甚至完全相反。②表面效应随粒径的减少，微粒的比表面积，表面原子比例、表面能会成倍或成数量级增加。表面原子配位严重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，易与其它原子结合。掌握比表面积计算式SW=K/e·D③量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据轨道和最低被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。根据久保公式：对于宏观物体N→∞，δ→O对于纳米微粒N很小，δ有一定值，即能级发生分裂当δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，会导致纳米粒子电、光、声、磁及超导性与宏观特性显著不同。④宏观量子隧道效应1.2.纳米材料奇特的物理、化学性能