1、第三章 復(fù)合原理作用n復(fù)合材料葉片原材料及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀n高性能纖維及其應(yīng)用n碳納米管研究現(xiàn)狀n復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用n汽車輕量化材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及問題n自動化在航空復(fù)合材料生產(chǎn)中的應(yīng)用參數(shù)連續(xù)變化界面參數(shù)不連續(xù)變化界面參數(shù)內(nèi)容：晶體結(jié)構(gòu)，元素濃度梯度，熱膨脹系數(shù)，密度等 一般把基體和增強(qiáng)物之間一般把基體和增強(qiáng)物之間化學(xué)成分化學(xué)成分有顯著有顯著變化變化的構(gòu)成彼此結(jié)合的、能傳送載荷作用的區(qū)域稱之為的構(gòu)成彼此結(jié)合的、能傳送載荷作用的區(qū)域稱之為界面。界面。 界面不是簡單的幾何面。而是一個過渡區(qū)域。界面不是簡單的幾何面。而是一個過渡區(qū)域。一般說該區(qū)域是從增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的那一點開一般說該區(qū)域是從增強(qiáng)

2、體內(nèi)部性質(zhì)不同的那一點開始到基體內(nèi)部與基體性質(zhì)相一致的某點為止。始到基體內(nèi)部與基體性質(zhì)相一致的某點為止。該區(qū)該區(qū)域的材料結(jié)構(gòu)與性能應(yīng)該不同于組分材料的任意一域的材料結(jié)構(gòu)與性能應(yīng)該不同于組分材料的任意一個。可簡稱該區(qū)域為界面相個?？珊喎Q該區(qū)域為界面相(Interphase)或界面層或界面層(Interlayer)。 界面厚度很小，可以是幾個界面厚度很小，可以是幾個nm到幾百個到幾百個nm。 主要由熱膨脹系數(shù)不同引發(fā)的應(yīng)力變化界面擴(kuò)散，溶解，析出，反應(yīng)研究最為復(fù)雜，關(guān)系最為重大研究最為復(fù)雜，關(guān)系最為重大n界面效應(yīng)與界面界面效應(yīng)與界面結(jié)合狀態(tài)結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)形態(tài)和和物理物理-化化學(xué)性質(zhì)學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與

3、界面兩側(cè)的組分的浸潤有關(guān)，也與界面兩側(cè)的組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián).傳遞效應(yīng)傳遞效應(yīng)阻斷效應(yīng)阻斷效應(yīng) 不連續(xù)效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng) 散射和吸收效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)誘導(dǎo)誘導(dǎo)( (感應(yīng)感應(yīng)) )效應(yīng)效應(yīng) 界面結(jié)晶效應(yīng)界面結(jié)晶效應(yīng) 界面化學(xué)效應(yīng)界面化學(xué)效應(yīng)(1)(1)傳遞效應(yīng)傳遞效應(yīng) 界面能傳遞力界面能傳遞力, ,即將外力傳遞給增強(qiáng)物即將外力傳遞給增強(qiáng)物, , 橋梁作用。橋梁作用。(2)(2)阻斷效應(yīng)阻斷效應(yīng) 阻止裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中等。阻止裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中等。(3)(3)不連續(xù)效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng) 在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面

4、摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。(4)(4)散射和吸收效應(yīng)：散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等。隔音性、耐沖擊性等。一種物質(zhì)一種物質(zhì)( (通常是增強(qiáng)通常是增強(qiáng)物物) )的表面結(jié)構(gòu)使另一種的表面結(jié)構(gòu)使另一種( (通常是聚合物基體通常是聚合物基體) )與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變改變, ,由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象由

5、此產(chǎn)生一些現(xiàn)象, ,如強(qiáng)的彈性、低的如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。基體結(jié)晶時易在界面上形基體結(jié)晶時易在界面上形核，界面形核誘發(fā)了基體結(jié)晶核，界面形核誘發(fā)了基體結(jié)晶基體與增強(qiáng)體間的化學(xué)反基體與增強(qiáng)體間的化學(xué)反應(yīng)，官能團(tuán)、原于分子之間的作用應(yīng)，官能團(tuán)、原于分子之間的作用電阻R1電阻R1電阻R2ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi無機(jī)表面聚合物表面界面浸潤理論界面浸潤理論化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論物理吸附理論物理吸附理論變形層理論變形層理論拘束層理論拘束層理論擴(kuò)散層理論擴(kuò)散層理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論196

6、3年年Zisman 主要論點：填充劑被液體樹脂良好浸潤是極其主要論點：填充劑被液體樹脂良好浸潤是極其重要，重要，浸潤浸潤不良易在界面形成空隙，使應(yīng)力集不良易在界面形成空隙，使應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則基體與填充劑間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚基體與填充劑間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度。強(qiáng)度。 兩個表面結(jié)合與其表面能的關(guān)系。用表面張力兩個表面結(jié)合與其表面能的關(guān)系。用表面張力表征表面能：表征表面能：(/)FA T V 如果兩個表面結(jié)合，體系由于減少了兩個表面而如果兩個表面結(jié)合，體系由于減少了兩個表面而增加了一個界面，增加了一個界面，自由能

7、降低自由能降低，定義為粘合功，定義為粘合功WA 任何物體都有減少其自身表面能的趨勢，液任何物體都有減少其自身表面能的趨勢，液體收縮成圓球狀，固體則把其接觸的液體鋪體收縮成圓球狀，固體則把其接觸的液體鋪展開覆蓋其表面。展開覆蓋其表面。ASGLGSLWcos(1cos)LGSGSLALGW當(dāng)/2時，不浸潤；當(dāng)3.5%時，性能下降，原因是反應(yīng)過分。 此時認(rèn)為反應(yīng)促進(jìn)了浸潤。（2）加入Mg。 當(dāng)Mg4%時，浸潤。 發(fā)現(xiàn)：Mg富集優(yōu)先氧化與Al2O3形成MgOAl2O3尖晶石。 此時認(rèn)為Al的不浸潤能是由Al2O3所致。（3）加入冰晶石。 由于冰晶石能溶Al2O3，所以潤濕問題得以解決。2.表面處理：對

8、纖維涂層（1）鍍金屬： 例如：碳纖維電鍍一層Cr、Cu（2）化學(xué)沉積： 例如：SiC、B4C、TiC、TiB2等涂層方法效果Ni電鍍強(qiáng)度低Ag電鍍不良Cu電鍍強(qiáng)度低，短時間浸可達(dá)ROM的75Ti電鍍ROM 95B4CCVD強(qiáng)度低BCVD浸潤不良SiCVD浸潤不良TiCCVD浸潤不良Ti + BCVD浸潤良好 ROM95100Na,Zn,Mg 熔融金屬液（Na法）浸潤良好 ROM95100TiCl4和BCl3進(jìn)入反應(yīng)室； 載氣氬氣把Zn蒸汽也帶入反應(yīng)室，使Ti，B或鈦硼化合物沉積在碳纖維上：TiCl4 Zn ZnCl2 Ti BCl3 Ti TiCl2 B鈉 法1. 表面涂覆Na 2. 被Zn置

9、換獲Zn涂覆層3. 被Al置換獲Al層處理增強(qiáng)劑表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能處理增強(qiáng)劑表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能與增強(qiáng)劑起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂與增強(qiáng)劑起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)?；w起化學(xué)作用的官能團(tuán)。由此在界面上形成共由此在界面上形成共價鍵結(jié)合，可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能。價鍵結(jié)合，可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能。若無偶聯(lián)劑，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學(xué)若無偶聯(lián)劑，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，亦可形成牢固的界面。反應(yīng)，亦可形成牢固的界面。該理論的實質(zhì)即強(qiáng)調(diào)增加界面的化學(xué)作用。該理論的實質(zhì)即強(qiáng)調(diào)增加界面的化學(xué)作用。增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬于增強(qiáng)纖維與樹脂基

10、體之間的結(jié)合是屬于機(jī)機(jī)械鉸合械鉸合和基于次價鍵作用的和基于次價鍵作用的物理吸附物理吸附。偶。偶聯(lián)劑的作用主要是促進(jìn)基體與增強(qiáng)纖維表聯(lián)劑的作用主要是促進(jìn)基體與增強(qiáng)纖維表面浸潤。面浸潤。粗糙表面能實現(xiàn)力的傳遞。2.2.化學(xué)反應(yīng)結(jié)合：化學(xué)反應(yīng)結(jié)合： 以B/Ti為例： M(Ti) f(B)BTi 界面層固溶體化合物 TiB21.反應(yīng)層由固溶體和化合物組 成2. 過渡層厚度：溫度，時間，合金化。 目前將潤濕及反應(yīng)一起考慮，即希望又能增加浸潤性，而又減小反應(yīng)的表面處理方法。1.界面反應(yīng)層對抗拉強(qiáng)度的影響：反應(yīng)層厚度x500埃例一：例一：B/TiB/Ti制造溫度：制造溫度：980980 接觸時間：接觸時間：

11、1 1秒秒 反應(yīng)厚度反應(yīng)厚度500500埃埃在區(qū)，由于反應(yīng)物薄，對纖維破壞不大區(qū)，由于反應(yīng)物薄，對纖維破壞不大在在區(qū)，超過臨界厚度時，區(qū)，超過臨界厚度時，TiBTiB2 2本身是脆性，首先被破壞本身是脆性，首先被破壞在在區(qū)，纖維已不起作用區(qū)，纖維已不起作用 通常用界面剪切強(qiáng)度來表征上海交通大學(xué)提出直觀法評定結(jié)合強(qiáng)度.以C/Al復(fù)合材料為例： 不良結(jié)合纖維大量拔出，長度很長，呈刷子狀 結(jié)合適中纖維拔出，有一定長度 結(jié)合稍強(qiáng)出現(xiàn)不規(guī)律斷面，拔出纖維很短 結(jié)合太強(qiáng)平斷口 弱界面弱界面和強(qiáng)界面強(qiáng)界面 界面結(jié)合的強(qiáng)弱界面結(jié)合的強(qiáng)弱與性能要求有關(guān)。如疲勞強(qiáng)度來說，希望強(qiáng)一點，因為在交變應(yīng)力作用下，容易發(fā)生

12、界面松脫現(xiàn)象。 在韌性要求時，應(yīng)采用弱界面結(jié)合，允許有一定的蠕變。2.界面結(jié)合強(qiáng)度的概念：(a)(a)是玻纖增強(qiáng)是玻纖增強(qiáng)PPPP（聚丙烯聚丙烯樹脂樹脂 ）的沖擊試樣的）的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片斷口掃描電鏡照片（a a）是加入）是加入MPPMPP相相容劑的玻纖增強(qiáng)體容劑的玻纖增強(qiáng)體系，系，( a( a）中玻璃）中玻璃纖維與基體的結(jié)合纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較較好，纖維拔出較少少. .（b b）是未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系）是未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系從中可以看出，而從中可以看出，而（b b）中有大量的玻）中有大量的玻纖從基體中拔出，證纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較明與基體的粘接性較

13、差，因而體系的力學(xué)差，因而體系的力學(xué)性能不高。性能不高。 線性效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)各向異性效應(yīng)各向異性效應(yīng) 復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)可細(xì)分為線性效應(yīng)可細(xì)分為平均效應(yīng)平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)。相抵效應(yīng)。非線性效應(yīng)可細(xì)分為非線性效應(yīng)可細(xì)分為乘積效應(yīng)乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)。應(yīng)、共振效應(yīng)。相補(bǔ)效應(yīng)和相抵相應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)和相抵相應(yīng)AB 例如對材料例如對材料X輸入時輸出為輸入時輸出為Y，即一種轉(zhuǎn)換功能，即一種轉(zhuǎn)換功能材料材料Y/X(如磁場壓力的換能材料如磁場壓力的換能材料)；而；而Y又作為另又作為另

14、一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出Z，即為另一種，即為另一種換能材料換能材料ZY(如電阻磁場轉(zhuǎn)換材料如電阻磁場轉(zhuǎn)換材料)。兩種材料。兩種材料復(fù)合得出一新的機(jī)能材料，即復(fù)合得出一新的機(jī)能材料，即Y/XZ/YZ/X(即電即電阻壓力轉(zhuǎn)換材料阻壓力轉(zhuǎn)換材料)。 乘積效應(yīng)對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因乘積效應(yīng)對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因為這種效應(yīng)不僅僅比單一材料獲得很強(qiáng)的性能，甚為這種效應(yīng)不僅僅比單一材料獲得很強(qiáng)的性能，甚至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應(yīng)。功能效應(yīng)。n指在復(fù)合材料中兩組元(兩相)的界面上，一相

15、對另一相在特定條件下產(chǎn)生誘導(dǎo)作用(如誘導(dǎo)結(jié)晶)，使之形成相應(yīng)的界面層。這種界面層結(jié)構(gòu)上的特殊性能使復(fù)合材料在傳遞載荷的能力上或功能上具有特殊性，從而使復(fù)合材料只有某種獨特的性能。n指將不具備某種性能的諸組分通過特定的復(fù)合狀態(tài)復(fù)合后，使復(fù)合材料具有單個組分不具有的新性能。n經(jīng)典例子：利用彩色膠卷能分別感應(yīng)藍(lán)、綠、紅的三種感光乳劑層，即可記錄宇宙間千變?nèi)f化異彩紛呈的各種絢麗色彩。n又稱強(qiáng)選擇效應(yīng)，它是指某一組分A具有一系列性能，與另一組分B復(fù)合后，能使A組分的大多數(shù)性能受到較大抑制，而使其中某一項性能在復(fù)合材料中突出地發(fā)揮。n例如，在要求導(dǎo)電而不導(dǎo)熱的場合，可以通過選擇組分和復(fù)合狀態(tài)，在保留導(dǎo)電組

16、分導(dǎo)電性的同時，抑制其導(dǎo)熱性而獲得特殊功能的復(fù)合材料。(1)(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)原理連續(xù)纖維增強(qiáng)原理 混合定則混合定則可很好的描可很好的描述和預(yù)測復(fù)合材料的某些性能。若纖維在基述和預(yù)測復(fù)合材料的某些性能。若纖維在基體中呈單向均勻的排列，則沿纖維方向復(fù)合體中呈單向均勻的排列，則沿纖維方向復(fù)合材料的性能可表示為材料的性能可表示為NiiiVPP1nnc復(fù)合材料的并列模型與串列模型n=1 n=-1基體強(qiáng)化相當(dāng)n=1時，復(fù)合材料由基體和一種強(qiáng)化相組成（N =2），稱為并列模型 ，也稱為經(jīng)典復(fù)合準(zhǔn)則 。rrmmcVPVPP rrmmc111VPVPPmrrmrmcVPVPPPP rrmmclnlnlnPVP

17、VPrmPPPvrvmc)()(NiiiVPP1nnc彈性模量：彈性模量： 纖維方向：纖維方向：Ec=k（Pf p+Pm m ） 垂直纖維方向：垂直纖維方向：纖維方向的強(qiáng)度：纖維方向的強(qiáng)度： cu=fuf+ m*m1 f mEc Ef Em= +連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)彌散增強(qiáng)型彌散增強(qiáng)型50m顆粒增強(qiáng)型顆粒增強(qiáng)型50m彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng)Dispersion-Strengthened Composites 彌散增強(qiáng)主要是針對金屬基體，外加入顆粒尺寸小，彌散增強(qiáng)主要是針對金屬基體，外加入顆粒尺寸小，而不是脫溶沉淀出的第二相。加入的都是硬質(zhì)顆粒如而不是脫溶沉淀出的第二相。加入的都是硬質(zhì)顆粒如AlAl

18、2 2O O3 3、TiCTiC、SiCSiC等。這些彌散于金屬或合金中的顆粒，等。這些彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯的運(yùn)動，起到顯著強(qiáng)化作用。因此，可以有效的阻止位錯的運(yùn)動，起到顯著強(qiáng)化作用。因此，其強(qiáng)化機(jī)理與脫溶沉淀類似，基體仍是承受載荷的主體。其強(qiáng)化機(jī)理與脫溶沉淀類似，基體仍是承受載荷的主體。正因為這些外加質(zhì)點不是相變脫溶產(chǎn)生的，隨溫度的升高正因為這些外加質(zhì)點不是相變脫溶產(chǎn)生的，隨溫度的升高仍可保持原有的尺寸，所以其增強(qiáng)效果在高溫仍能保持較仍可保持原有的尺寸，所以其增強(qiáng)效果在高溫仍能保持較長的時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能，持久性能明顯優(yōu)于長的時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能，持

19、久性能明顯優(yōu)于基體合金?；w合金。顆粒尺寸：顆粒尺寸：10250nm條件：條件： 質(zhì)點是彌散于基體中且均勻分布的球形質(zhì)點是彌散于基體中且均勻分布的球形 d為微粒直徑為微粒直徑 Vp為體積分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù) Gm為基體的切變模量為基體的切變模量 b為柏氏矢量為柏氏矢量 y為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度 彌散質(zhì)點的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。彌散質(zhì)點的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。一般一般Vp=0.01-0.15，dp=0.01m-0.3m基體發(fā)生位錯運(yùn)動時，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形，此時剪基體發(fā)生位錯運(yùn)動時，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形，此時剪切應(yīng)力切應(yīng)力y即為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度即為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度ymppG bdVV231212彌散增強(qiáng)彌散增強(qiáng) 在金屬基體中加入粒子進(jìn)行增強(qiáng)與彌散強(qiáng)化的在金屬基體中加入粒子進(jìn)行增強(qiáng)與彌散強(qiáng)化的最大不同點是粒子的尺寸，粒子的尺寸為最大不同點是粒子的尺寸，粒子的尺寸為150 m。其它參數(shù)粒子間距為其它參數(shù)粒子間距為125m，