复合效应与界面

1第九章复合效应与界面美国科罗拉多州Fiberforge公司研制的下一代汽车车身效果。采用了碳/碳复合材料取代钢铁，重量轻、安全性能好华硕笔记本机身的铝合金金外壳变成更具美感的碳纤维外壳。采用碳纤维材质的面板的耐磨性会大大提高Compositematerialcrutches2C/C复合材料刹车副3第一节材料复合、增强体及复合效应一、复合材料(compositematerials)概念、分类及特点1复合材料的概念和历史定义1：为由有两种或两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。（广义定义）定义2：经过选择的、含有一定数量比的两种或者两种以上的组分，通过人工复合制备的由多相组成、形成良好结合且各相之间有明显界面的具有特殊性能的材料。4含义：（1）复合材料的组分和相对含量由人工选择或者设计（2）复合材料是人工制造而非天然形成（区别于具有复合材料特征的天然物质）（3）组成复合材料的组分在复合后仍然保持其固有的物理化学性质。（区别于化合物和合金）（4）复合材料的性能取决于其各个组成相的协同。（5）复合材料的各组分之间有明显的界面。5早期复合材料稻草强化土坯，混凝土，竹制品等数千年前20世纪40年代第一代现代复合材料玻璃纤维增强材料（玻璃钢）GERP第二代现代复合材料第三代现代复合材料20世纪50/60年代起碳纤维、硼纤维、碳纤维增强树脂等金属基、陶瓷基、混杂复合材料、功能复合材料，梯度、机敏等20世纪70年代天然纤维复合材料利用天然材料为原料人工设计加工而成的复合材料。不包括自然界中的天然材料如竹子、贝壳等基体：天然材料现代复合材料基体：合成材料当前先进复合材料大量使用：如梯度、机敏、智能复合复合材料。考虑环境协调性要求。6亚麻衬垫轿车车门护板发动机隔音罩汽车装饰板天然纤维复合材料制品72复合材料的基本构成复合材料增强体基体基体/增强体界面基体的类型：聚合物、陶瓷、金属玻璃等。基体的作用：1）将纤维连接成整体并按主要应力方向排列。2）避免纤维的相互接触。3）保护增强体免受机械损伤和环境侵蚀。增强体的形态：纤维，颗粒，板片等形态。增强体的作用使得复合材料具有高强度、高刚度、低密度的特征。（为陶瓷基体复合材料提供韧性）典型的增强体：玻璃纤维，碳纤维，SiC纤维，氧化铝纤维等复合材料中相与相之间的界面对于复合材料的性能具有关键的作用。界面决定基体和增强体之间的应力传递方式；决定复合材料具有的物理化学性能。对裂纹的扩展有重要影响。83复合材料的分类1）按照复合材料的复合效果分为结构复合材料功能复合材料2）按基体类型分为树脂基或聚合基复合材料RMC(ResinMatrixComposite)/PMC（聚合物基复合材料已经得到广泛发展及应用，如玻璃纤维增强塑料（GERP,俗称玻璃钢）。常见的聚合物基主要分为热固性树脂（环氧树脂、酚醛树脂、聚酯等）和热塑性树脂（聚酰胺，聚碳酸脂，聚砜等）金属基复合材料MMC(MetalMatrixComposite)9陶瓷基复合材料等CMC(CeramicMatrixComposite)。（陶瓷基复合材料的增强体一般用于改善其韧性，降低其缺口敏感性）3）按增强体的形态与排布方式分为颗粒增强复合材料、连续纤维增强材料、短纤维或晶须增强复合材料、单向纤维复合材料、二向织物层复合材料、三向及多向编织复合材料等。10金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料增强体陶瓷基体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维氮化硅纤维碳、碳化硅氧化铝、氧化锆玻璃水泥碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维陶瓷颗粒增强体金属基体增强体聚合物基体铝、镁银、锌等钛铜碳纤维硼纤维开芙拉纤维玻璃纤维热固性树脂（环氧、酚醛、聚酯）热塑性树脂（聚苯硫醚、聚醚醚酮）与未增强金属基体相比与未增强陶瓷基体相比与未增强树脂基体相比高强度、高模量、高耐热、高抗疲劳、抗辐射、导电、导热高硬度、高耐磨、高耐热、高抗蠕变、高尺寸稳定性、低热膨胀高强度、高模量、高耐腐蚀性、加工成型性好、低成本宇航军事航空太空公共工程船舶舰艇电子电机产业环保建筑环保运动休闲114复合材料的特征具有材料性能的可设计性、各向异性及材料和结构一次成型性。二、复合材料的命名（1）以基体为主来命名：如“颗粒强化AL2O3基复合材料”，环氧树脂复合材料。（2）以增强材料为主命名：如“碳纤维复合材料”、“SiC增强复合材料”12（3）基体与增强材料并用(常见的命名方式)采用“增强材料简写/基体材料简写＋复合材料”的形式：C/AL复合材料。采用“增强材料＋基体材料＋复合材料”的形式：玻璃纤维环氧树脂复合材料。（4）商业名称或者代号命名如“玻璃纤维增强树脂基复合材料”写为“玻璃钢”玻璃纤维增强聚丙烯——代号：FR-PP13三、复合效应复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。复合效应：将A、B两种组分复合起来，得到既具有A组分的性能特征又具有B组分的性能特征的复合效果。复合效应线性效应非线性效应界面效应尺寸效应各向异性效应平均效应平行效应相补效应相抵效应乘积效应系统效应诱导效应共振效应141线形效应(复合材料的性能和其组元的对应性能有相应的（线性）关系)1）平均效应又可称为加和效应（混合效应）(MeanProperties)复合材料的某项性能等于复合材料的各组分的性能与其体积分数的乘积加和。该效应采用复合材料的混合定则(RuleofMixture)描述，P——某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导、电导等；φi——N种原始材料中第i种材料的体积分数;n——由试验确定的常数，取值－1～1Niinicpp1)(并联模型混合效应适用于复合材料的密度、单向纤维复合材料的纵向（平行于纤维方向）的杨氏模量等串联模型混合效应适用于单向纤维复合材料的横向（垂直于纤维方向）的杨氏模量、纵向剪切模量等152)相补效应（协同效应）复合材料的各个组分混合之后，可以互相弥补自己的弱点，获得优异性能的复合效应。AB优点缺点优点缺点ІШIVII设复合材料的某项性能为C，则C取决于其组元A、B中该项性能。C=A×BA、B组元的该项性能均具优势时，出现相补效应。设计复合材料时希望尽可能得到相补的情况I3)相抵效应（不协同效应）复合材料各组分性能相互制约，使得复合材料的性能低于混合定则预测值的负的复合效应。NiiicKK1复合状态不佳时，陶瓷基复合材料经常出现相抵效应相补效应164）混杂效应混杂复合材料：混杂复合材料是由两种（或者两种以上）纤维增强同一基体（或两种相容的基体混杂)复合而成的材料。混杂类型：两种纤维增强体同一基体颗粒和纤维增强同一基体长纤维和短纤维增强基体混杂效应：混杂复合材料的某些性能偏离按混合定则计算结果的现象。17实际混杂效应的特点：不可能全部是正混杂效应/负混杂效应.通常是某些性能出现正混杂效应，另一些性能出现负混杂效应。混杂效应在复合材料设计中的原则：得到正混杂效应同时负混杂效应在允许范围，则设计成功。混杂效应正混杂效应负混杂效应向增加方向（性能改善）偏离的效应向减少方向（性能恶化）偏离的效应相补效应相抵效应不协同效应协同效应182非线性效应复合材料的性能和其组元的对应性能没有相应的（线性）关系的效应1）乘积效应(ProductProperties)传递特性、交叉耦合效应。定义：将两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来，使其相同的功能得到复合，不同的功能得到新的转换的效应。常用于功能复合材料。乘积效应的数学表示：（Y/X）(Z/Y)=(Z/X)Y/XZ/YX输入Y输出Y输入Z输出复合Z/XX输入Z输出磁场/压力换能电阻/磁场换能电阻/压力换能19表9－2复合材料传递特性实例Y/X（状态1）Z/Y(状态2)传递特性（Z/X）磁场/压力电阻变化/磁场压力电阻效应电场/压力发光/电场（电光亮度）压力光亮度应变/磁场电场/应变磁电效应应变/磁场电阻变化/应变磁电阻效应应变/磁场复折射/应变磁感应折射应变/电场磁场/应变电磁效应磁场/光应变/磁场应变/光电场/光应变/电场应变/光电场/光光/电场波长变换同位素导电性/光放射线诱起电导202）系统效应不具备某种效应的各种组分通过特定的复合状态复合后形成的复合材料具有了单个组分都不具有的新性能的效应。举例：由红、黄、蓝三种感光层复合的感光胶片。3）诱导效应复合材料中的两个组元界面上，一相对另一相在一定条件下产生诱导作用使之形成新的界面层的过程。4）共振效应（强选择效应）具有多种性能的某一组分A在与B复合后其大部分性能受到了很大的抑止而使得其某种性能在复合材料中充分发挥的效应。213界面效应界面效应阻断效应不连续效应散射和吸收效应感应效应界面结晶效应界面化学效应阻止例裂纹扩展，中止材料破坏界面物理化学性能不连续等基体与增强体在界面上的化学反应光波、声波、冲击波在界面产生散射和吸收基体易于在界面被诱导结晶增强体的表现使得与之接触的另一种物质结构由于诱导而改变224尺寸效应及各向异性效应1）尺寸效应依据复合材料增强体尺寸对复合材料进行分类。增强颗粒尺度为1～50的称为颗粒增强复合材料0.01～1um尺度增强复合材料的称为分散强化复合材料亚微米至原子级的增强体称为精细复合材料尺寸效应：不同尺寸的增强体其强化原理各不相同。2）各向异性效应23例题：一根钢丝（直径D1）包裹一层铜(总直径D2)的复合材料，已知钢的弹性模量Est,铜的弹性模量Ecu,钢的热膨胀系数a1,铜的热膨胀系数a2，求复合材料的热膨胀系数。24第二节复合材料增强原理复合材料的性能预测、设计、使用都需要了解复合材料的增强原理。一、复合思想1仿生思想传统复合材料中的难题：连续纤维的脆性和其界面设计困难；纤维容易由基体拔出导致时效；陶瓷基复合材料的增韧；复合材料损伤性能的恢复和内部裂纹的愈合；25生物材料的特点：具有复合特性、功能适应性、自愈合性。材料仿生：biomimetics－模仿生物，通常认为：材料仿生应当模仿生物材料的结构和性质。2绿色材料思想263充分利用协同效应思想复合材料设计中应当遵循协同效应（SynergeticEffect）或正混杂效应（PositiveHybridEffect）的思想。4智能材料思想（IntelligentMaterials）27二、复合材料增强原理复合材料增强体的形态以增强体的几何形态分类纤维增强复合材料颗粒增强复合材料薄片增强复合材料叠层增强复合材料连续纤维增强复合材料非连续纤维增强复合材料弥散增强复合材料粒子增强复合材料颗粒直径:0.01~0.1um颗粒间距:0.01~0.3um颗粒直径:1~50um颗粒间距:1~25um晶须和短切纤维单向纤维（一维）、二维织物层合、多向编织复合281弥散增强型弥散增强主要是针对金属基体。外部加入颗粒尺寸小，而不是脱熔沉淀出的第二相。颗粒增强体的增韧机制相变增韧改变裂纹的扩展路径，实现增韧混合增韧29增强作用：弥散于金属或合金中的颗粒，可以有效的阻止位错的运动，起到显著强化作用。强化机理：类似于脱溶或沉淀析出造成强化。特点：增强效果在高温仍能保持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能，持久性能明显优于基体合金。1）增强体的间距的影响。类似于位错绕过机制。间距上下限分别为0.3um～0.01um。（简要推导过程：质点间距为D，复合材料产生塑性变形时，承受剪切应力为复合材料的屈服强度：30pmyDbGGm——基体剪切模量b——柏氏矢量的模质点直径为dp,体积分数为φp，质点均匀分布，则有：)1()32(2ppppdD2）弥散增强复合材料的屈服强度为：)1)(32(2pppmpmydbGDbG3）典型的弥散增强复合材料312粒子增强型在金属基体中加入粒子进行增强特点：与弥散强化的最大不同点是粒子的尺寸。强化机理：基本承担主要载荷，粒子约束基体变形达到强化的目的。密度:混合混合定则描述mmPPcρc,ρp,ρm——分别表示复合材料、粒子和基体的密度；——分别表示复合材料中粒子和基体的体积分数mP,32弹性模量上限值下限值PPmmcE