复合效应与界面ppt课件.ppt

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,Composite material crutches,2,C/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(composite materials)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,7,2 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。,8,3 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(Resin Matrix Composite)/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(Metal Matrix Composite),9,陶瓷基复合材料等CMC(Ceramic Matrix Composite)。（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,11,4 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-PP,13,三、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,14,1 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）(Mean Properties)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(Rule of Mixture)描述，P某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导、电导等；iN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11,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,15,2)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。,A,B,优点,缺点,优点,缺点,IV,II,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=ABA、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I,3)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。,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,16,4）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,18,2 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(Product Properties) 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/X,Z/Y,X输入,Y输出,Y输入,Z输出,复合,Z/X,X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92 复合材料传递特性实例,20,2）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。,21,3 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,22,4 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150的称为颗粒增强复合材料0.011um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,26,3 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（Synergetic Effect）或正混杂效应（Positive Hybrid Effect）的思想。4 智能材料思想（Intelligent Materials）,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:0.010.1um颗粒间距:0.010.3um,颗粒直径:150um颗粒间距:125um,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,28,1 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0.3um0.01um。（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：,30,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p，质点均匀分布，则有：,2）弥散增强复合材料的屈服强度为：,3）典型的弥散增强复合材料,31,2 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,c, p,m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,32,弹性模量,上限值,下限值,粒子增强复合材料的E受增强体的体积分数影响特点：二者为非线性关系,强度,基体为晶体的复合材料的强度,设粒子理论破坏的应力为Gp/30,Gp为剪切弹性模量，则有,33,基体是非晶体或晶体的复合材料的强度,界面无结合或结合较差,基体与粒子界面结合较好,粒子的尺寸、分布和数量对复合材料性能的影响：粒子尺寸必须适度，不能过大、过小，与基体粉料直径匹配。粒子的分布要均匀粒子的体积分数达到最优配合比。,34,3 纤维增强型 复合材料中的主要增强体是纤维状的，其特点如下：（1）与同样质地的块状增强材料相比，强度高。通常纤维状比块状提高1060倍。（2）纤维材料具有良好的柔曲性。（3）纤维状材料的长径比大（L/D），更容易发挥固有的强度。纤维增强体的作用：（1）结构复合材料中，纤维主要用于承载。（2）功能复合材料中，纤维用于吸波、隐身、防热、耐磨、耐蚀、抗热震，同时为基体提供基本的结构性能。,35,1） 连续纤维增强原理 纤维在材料中呈现单向均匀排列时，纤维方向的复合材料的性能用混合定则表示：,P某一性质，例如强度、弹性模量、泊松比、密度、导热性、应力、导磁率、比热等。,36,纤维增强复合材料的弹性模量纤维平行于外加载荷方向：,复合材料中存在纤维的部分损伤、排列方向性不理想等情况，复合材料纤维方向的弹性模量修正为：,K为常数，取值0.91.0，材料理想，取值为1。,基体发生塑性变形以后 ，基体对复合材料的影响忽略不计。,37,外载荷垂直于单向连续纤维复合材料的纤维方向，其弹性模量E符合倒数混合定律：,混杂复合材料的弹性模量：,单向纤维增强复合材料的强度：,38,少量纤维的模量和强度远远高于基体,纤维和基体的变形彼此相互限制,复合材料强化,临界纤维体积分数：基体真正得到增强时的加入纤维的最小体积分数。,纤维最小体积分数是不是对应于纤维含量最小？,39,2） 短纤维和晶须增强复合材料 与连续纤维复合材料相比较，短纤维和晶须增强复合材料的强度都不如前者。但生产成本低，材料具有各向异性。,40,埋入基体中的短纤维模型通常，EfEm,基体变形纤维基体对纤维变形形成限制，界面上产生剪切应力分配于基体和纤维上，纤维受到的更大的拉应力，造成材料强化。,41,以纤维上的dz微元体进行分析：因为该状态是平衡状态：,f纤维轴向应力基体纤维界面上的剪切应力rf纤维半径,42,工程实践中，纤维的选择标准：Lc/df=fu/2y,实际情况下的纤维应力分布不均匀，纤维应力取平均值，则有,当LLc，纤维中部区域达到纤维强度fu，则纤维平均应力表示为：,复合材料的强度：,m*纤维断裂时的基体应力Lc纤维临界长度，L纤维长度,43,设：剪切应力沿界面均匀分布，其大小等于剪切屈服强度，y,纤维末端不传递应力，根据对称条件，在L/2处，纤维剪应力为0。此处纤维受到的正应力最大。,Z=L/2,(f)max=fu时,纤维断裂，此时纤维长度为临界长度。,纤维长度的选择：LLc,纤维先断裂，纤维充分发挥增强作用。,44,短纤维的临界体积分数：,因为 短纤维的临界体积分数连续纤维复合材料连续纤维的增强能力短纤维的增强能力,45,第三节 复合材料的界面界面：一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域。 界面包括 ： 基体和增强体的原始接触表面 基体和增强体相互作用形成的产物或固溶产物 产物与基体的接触面 增强体上的表面涂层 基体和增强体表明的氧化物及反应产物界面的机能：传递效应、阻断效应、不连续效应、散热和吸收效应、诱导效应。,46,复合材料的界面不是一个单纯的几何面，而是一个多层的过渡区域，增强体内性质不同的点基体内性质一致的点 因为界面内的结构和性能不同于任一组分材料，故该区域为界面相（Interphase）或者界面层（Interlayer）厚度：几个nm几百nm,47,界面特性：界面区域由于增强体细小所占面积比例很大，因此界面的性质、结构、完整性对复合材料性能影响很大,48,一、复合材料的界面结合类型 1 金属基和陶瓷基复合材料界面结合类型,49,2)溶解和浸润结合 基体能润湿增强体，相互之间发生扩散和熔解形成结合特点：作用力是短程的，只有几个原子间距,1)机械结合 依靠粗糙表面机械结合和依靠基体复合中的收缩应力包紧增强体的摩擦结合。,50,3)反应结合 基体与增强体的反应生成化合物而形成的结合。复杂的有时会产生交换反应结合，即发生两个或多个反应 情况下随反应程度增加其结合强度亦随之增加， (4)氧化结合 增强体表面吸附空气带来的氧化作用形成氧化物而形成的结合,51,(5)混合结合上述几种结合方式的组合而形成的较普通、最重要的一种结合方式。,2 树脂基复合材料的界面结合类型1）化学键合 基体表面上的官能团与增强物表面上的官能团发生化学反应，形成共价键结合的界面区而形成的结合。,无机基质Si-R-有机高聚物基体,52,2）浸润-浸吸附结合 增强材料被基体浸润，即物理吸附所产生的界面结合。,3）扩散结合 界面扩散作用使原有平衡的状态破坏，形成界面模糊区而形成的结合。,53,4）机械结合 类似于前述金属基复合材料5）静电结合 两相物质对电子的亲和力相差较大时（如金属与聚合物），在界面区容易产生接触电势并形成双电层，静电吸引力是产生界面结合力的直接原因之一。氢键可看做是一种静电作用。6）实际界面结合特点：结合方式不是单一的，往往是以上几种结合的组合，因此还是混合结合。,54,二、界面改善极其对性能的影响 1 复合材料对界面的要求,纤维与基体结合既不太弱，又不太强,太弱,界面强度不够，承载能力不高；界面的G太低，使得韧性下降,太强,纤维不易脱黏和拔出，造成界面脆性增加，材料的韧性下降。,采用适当的处理方法，改善界面特性，提高复合材料的性能,55,2 金属基和陶瓷基材料界面注意的问题1）物理不稳定性物理不稳定性表现在高温下增强体与基体存在化学位梯度，纤维有可能向基体不断熔解和扩散，造成界面不稳定、纤维损伤，复合材料强度降低 2）化学不稳定性化学不稳定性主要指复合材料制造和使用中界面通过扩散产生基体与增强体的化学反应，生成不希望得到的脆性化合物 。反应层厚度的估算：,56,3 改善复合材料界面的措施1） 降低界面残余应力残余应力的形成：复合材料制作工艺都要加热和冷却；增强体诱导基体结晶；基体相变；偏析。 残余应力的危害：容易引发裂纹，导致强度下降。容易引起界面受环境作用，产生应力腐蚀疲劳破坏。残余应力的特点：不能消除，只能减少。,57,降低残余应力的措施：选择纤维的热膨胀系数稍大于基体，使得基体受压，减少基体产生裂纹；选择混杂纤维。裂纹扩展时穿过不同的材料，而不同材料的断裂韧性不同可以有效抑制裂纹的扩展。改善材料抵抗裂纹扩展的能力。添加吸收能量的物质，改善性能。,58,2）基体改性3）纤维表面改性纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能，增加基体的浸润性，防止界面不良的反应，改善界面结合。 4）选择合理的工艺和条件,