復(fù)合材料界面第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、顆粒增強(qiáng)原理

彌散增強(qiáng)原理和顆粒增強(qiáng)原理(1)彌散增強(qiáng)原理

可用位錯(cuò)繞過(guò)理論來(lái)解釋。載荷主要由基體承擔(dān)，彌散顆粒阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，微粒阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力越大，增強(qiáng)效果越好。

在剪切應(yīng)力τi的作用下，位錯(cuò)的曲率半徑為：

Gm：基體的剪切模量；b：柏氏矢量2第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)R=Df/2時(shí)，屈服強(qiáng)度為：

若微粒直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為Vp

時(shí)有：

微粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。3第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)顆粒增強(qiáng)原理

增強(qiáng)體是尺寸較大(粒徑大于1μm)的堅(jiān)硬顆粒。雖然載荷主要由基體承擔(dān)，但顆粒也承受載荷并約束基體的變形，微粒阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力越大，增強(qiáng)效果越好。

復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度：顆粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，增強(qiáng)效果越好。4第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)原理

對(duì)高性能纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多用層板理論，纖維復(fù)合材料被認(rèn)為是單向?qū)悠凑找欢ǖ捻樞蜻M(jìn)行疊放。

5第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)縱向強(qiáng)度和剛度

a.復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的初始階段

復(fù)合材料的彈性模量為：

纖維、基體對(duì)復(fù)合材料性能的貢獻(xiàn)正比于各自的體積分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為“混合法則”。

6第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在復(fù)合材料中，在已知各組分材料的力學(xué)性能、物理性能的情況下，復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能主要取決于組成復(fù)合材料的材料組分的體積百分比（vol.%）：Pc：復(fù)合材料的某性能，如強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率等；Pi：各組分材料的對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的某性能；V

：組成復(fù)合材料各組分的體積百分比；i：表示組成復(fù)合材料的組分?jǐn)?shù)。7第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SiC/硼硅玻璃復(fù)合材料的強(qiáng)度隨纖維體積含量線(xiàn)性增加8第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與顆粒體積分量的關(guān)系9第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維與基體彈性模量比值越大，纖維體積含量越高，則纖維承載越大。因此，對(duì)于給定的纖維/基體復(fù)合材料體系，應(yīng)盡可能提高纖維的體積分?jǐn)?shù)。但要考慮基體對(duì)纖維的潤(rùn)濕、浸漬程度問(wèn)題，界面強(qiáng)度降低以及氣孔率增加會(huì)破壞材料性能。11第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b.復(fù)合材料初始變形后的行為四個(gè)階段：

纖維和基體均為線(xiàn)彈性變形

纖維繼續(xù)線(xiàn)彈性變形，基體非線(xiàn)性變形

纖維和基體都非線(xiàn)性變形

隨纖維斷裂，復(fù)合材料斷裂

對(duì)于脆性纖維復(fù)合材料，可能看不到第三階段。12第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月c.斷裂強(qiáng)度纖維控制復(fù)合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)：當(dāng)基體斷裂應(yīng)變>纖維斷裂應(yīng)變時(shí)，

σfu：纖維強(qiáng)度；(σm)εf：對(duì)應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變值的基體應(yīng)力13第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)基體斷裂應(yīng)變<纖維斷裂應(yīng)變時(shí)，

σmu：基體強(qiáng)度；σf*：對(duì)應(yīng)基體斷裂應(yīng)變值時(shí)纖維承受的應(yīng)力(2)橫向強(qiáng)度和剛度

纖維對(duì)橫向強(qiáng)度不僅沒(méi)有增強(qiáng)作用，反而有相反作用。纖維在與相鄰的基體中所引起的應(yīng)力和應(yīng)變將對(duì)基體形成約束，使得復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比未增強(qiáng)基體低得多。14第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、短纖維增強(qiáng)原理

作用于復(fù)合材料的載荷并不直接作用于纖維，而是作用于基體材料并通過(guò)纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞給纖維。當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)應(yīng)力傳遞發(fā)生的長(zhǎng)度時(shí)，端頭效應(yīng)可以忽略，纖維可以被認(rèn)為是連續(xù)的，但對(duì)于短纖維復(fù)合材料，端頭效應(yīng)不可忽略，同時(shí)復(fù)合材料性能是纖維長(zhǎng)度的函數(shù)。

將能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力(σf)max的最短纖維長(zhǎng)度定義為載荷傳遞長(zhǎng)度lf：

載荷從基體向纖維的傳遞就發(fā)生在纖維的lf長(zhǎng)度上。載荷傳遞長(zhǎng)度的最大值lc稱(chēng)為“臨界纖維長(zhǎng)度”。15第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2復(fù)合材料的界面

定義：是一層具有一定厚度(納米以上)、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異的、與基體有明顯差別的新相——界面相(界面層)。一、聚合物基復(fù)合材料的界面界面的形成：第一階段：基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程；增強(qiáng)纖維吸附那些能降低其表面能的物質(zhì)。第二階段：聚合物的固化階段。聚合物通過(guò)物理的或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。16第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月界面的結(jié)合力界面的區(qū)域(厚度)界面的微觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)合力：材料的幾何因素

(機(jī)械鉸合力)微觀結(jié)合力：化學(xué)鍵和次價(jià)鍵界面層結(jié)構(gòu)17第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月界面作用機(jī)理：指界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理。(A)界面浸潤(rùn)理論

1963年Zisman提出，指出填充劑被液體樹(shù)脂良好浸潤(rùn)是重要的。表面張力：：表面張力；F：自由能；A：面積基體和增強(qiáng)體兩表面結(jié)合，自由能下降，可定義為粘合功WA：：固氣的界面張力；：液氣的界面張力；：固液的界面張力18第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果一滴液體滴在固體表面，θ為接觸角：θ>900：液體不能潤(rùn)濕固體(θ=1800時(shí)，完全不潤(rùn)濕固體)θ<900：液體能潤(rùn)濕固體(θ=00時(shí)，完全潤(rùn)濕固體)根據(jù)力的合成：θ19第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由(4-2)、(4-3)得到可見(jiàn)，當(dāng)θ=00時(shí)，WA最大，表明液體全部鋪平在固體上，同時(shí)和熱力學(xué)說(shuō)明了結(jié)合的可能性；動(dòng)力學(xué)表明了結(jié)合的速度問(wèn)題。1964年，Zisman提出了能產(chǎn)生良好結(jié)合的兩個(gè)條件：

(1)液體粘度要盡量低

(2)略大于問(wèn)題：復(fù)合材料中增強(qiáng)體表面越粗造，界面結(jié)合就越好？20第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚合物基復(fù)合材料界面及改性方法(1)改善樹(shù)脂基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)程度熱塑性聚合物基復(fù)合材料：a.基體熔體與基體與增強(qiáng)材料間的接觸和潤(rùn)濕；b.復(fù)合體系冷卻凝固定型。措施：延長(zhǎng)浸潤(rùn)時(shí)間，增大體系壓力，降低熔體粘度，改善織物結(jié)構(gòu)。熱固性聚合物基復(fù)合材料：措施：常采用預(yù)先形成預(yù)浸料(干法、濕法)的辦法，以提高聚合物基體對(duì)增強(qiáng)體的浸潤(rùn)程度。

先決條件：充分浸潤(rùn)，使界面不出現(xiàn)空隙和缺陷。21第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)適度的界面結(jié)合強(qiáng)度結(jié)合方法：a.物理機(jī)械結(jié)合b.化學(xué)結(jié)合結(jié)合強(qiáng)度要適中，為什么？

界面黏結(jié)太弱，界面容易發(fā)生脫粘，纖維不能充分發(fā)揮作用；

界面黏結(jié)太強(qiáng)，容易導(dǎo)致增強(qiáng)材料的脆性破壞。22第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月23韌性斷裂脆性斷裂第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月24(3)減少?gòu)?fù)合材料成型中形成的殘余應(yīng)力

增強(qiáng)材料與基體之間熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等均不同，成型中界面處形成熱應(yīng)力，如果不能有效松弛，將成殘余應(yīng)力。降低應(yīng)力傳遞能力，使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

解決方法：在增強(qiáng)材料與基體間引入一層可形變的界面層。第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力和減緩應(yīng)力集中內(nèi)應(yīng)力的形成：a.界面黏結(jié)強(qiáng)度不均勻b.界面結(jié)晶成核作用c.界面附近的聚合物分子鏈發(fā)生取向解決方法：控制復(fù)合材料成型中的冷卻歷程；對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)熱處理；25第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、金屬基復(fù)合材料界面及改性方法界面結(jié)合方式：a.化學(xué)結(jié)合(主要的)b.物理結(jié)合c.擴(kuò)散結(jié)合d.機(jī)械結(jié)合(1)金屬基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)及界面反應(yīng)界面區(qū)：基體與增強(qiáng)體的接觸連接面；

反應(yīng)產(chǎn)物和析出相；

增強(qiáng)體的表面涂層作用區(qū)；

元素的擴(kuò)散和偏聚層；

近界面的高密度位錯(cuò)區(qū)。26第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬基復(fù)合材料界面的典型結(jié)構(gòu)：a.有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面微結(jié)構(gòu)輕微的界面反應(yīng)有利：局部區(qū)域中形成粒狀、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物嚴(yán)重的界面反應(yīng)有害：形成界面反應(yīng)層27第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b.有元素偏聚和析出相的界面微結(jié)構(gòu)

由于增強(qiáng)體表面吸附作用，金屬基體中的合金元素在增強(qiáng)體表面富集，形成界面析出相。28第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月c.增強(qiáng)體與基體直接進(jìn)行原子結(jié)合的界面反應(yīng)

增強(qiáng)體和基體直接原子結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)，界面平直，無(wú)中間相存在。29第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月d.其他類(lèi)型的界面結(jié)構(gòu)

不同金屬元素在高溫下發(fā)生擴(kuò)散、吸附和偏聚，在界面形成濃度梯度層。e.金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)

增強(qiáng)了金屬基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生脆性的界面反應(yīng)產(chǎn)物

造成增強(qiáng)體損傷和改變基體成分

30第30頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月d.其他類(lèi)型的界面結(jié)構(gòu)

不同金屬元素在高溫下發(fā)生擴(kuò)散、吸附和偏聚，在界面形成濃度梯度層。e.金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)

增強(qiáng)了金屬基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生脆性的界面反應(yīng)產(chǎn)物

造成增強(qiáng)體損傷和改變基體成分界面反應(yīng)分三類(lèi)：弱界面反應(yīng)

中等強(qiáng)度界面反應(yīng)強(qiáng)界面反應(yīng)