風(fēng)電葉片基礎(chǔ)知識(shí)之復(fù)合材料篇

1、.,風(fēng)電葉片基礎(chǔ)知識(shí)之復(fù)合材料篇一,.,6-1 復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu),STRUCTURE OF COMPOSITE MATERIALS,Composition and Structures of Composites Materials Concept, Types and Properties Structures Interfacial Phase Modification of interface,.,6-1復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)(composition and structure of composites) 6-1-1復(fù)合材料定義及分類(definition and classific

2、ation of composites) 1. 定義 (1)種類不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面相（層） 所組成（組成上） (2)多相固體材料（結(jié)構(gòu)） (3)經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)合而成（制備上） (4)通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能，或產(chǎn)生 性能協(xié)同作用，與簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上） 簡言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相(matrix phase)和分散增強(qiáng)相(disperse phase)及界面相(interface phase)所構(gòu) 成,.,復(fù)合材料系統(tǒng)組合,.,2. 分類： (1)按來源：天然、 人工復(fù)合材料等 (2)按基體：樹脂基、 金屬基、 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料等 (3)按增強(qiáng)體形態(tài)：

3、顆粒增強(qiáng)(particle-reinforced) 短纖或晶須增強(qiáng)(chopped fiber or whiskers reinforced) 連續(xù)長纖增強(qiáng)(continuous fiber-reinforced) 多維編織布增強(qiáng)(braided fabric or filament winding-reinforced) 三維編織體增強(qiáng)等 (4)按應(yīng)用：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料等 (5)按增強(qiáng)材料品種：玻纖、碳纖、有機(jī)纖維復(fù)合材料等 (6)按特定含義：通用、先進(jìn)、現(xiàn)代、 近代、混雜、納米、 原位、分子、宏觀復(fù)合材料等,.,6-1-2 復(fù)合材料的組成與特性 1.概述 聚合物基復(fù)合材料(poly

4、me-matrix composites,PMC) 金屬基復(fù)合材料(metal-matrix composites,MMC) 陶瓷基復(fù)合材料( 碳/碳復(fù)合材料(carbon-carbon composites,CMC) 無機(jī)膠凝基復(fù)合材料(fiber reinforced concrete,FRC),共同構(gòu)成,現(xiàn)代復(fù)合材料（體系）,.,（1）組成(composition) 基體(matrix) 增強(qiáng)材料(reinforcement)（都是一個(gè)龐大的材料體系、品種繁多，結(jié)構(gòu)與性能呈多樣化，復(fù)合體系的系統(tǒng)組合、排列給復(fù)合材料的巨大的發(fā)展空間，原則上，基體與增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)與性能差異越大，愈具復(fù)合價(jià)值，但

5、更為重要的是基體與增強(qiáng)體之間的匹配。） A. 顆粒增強(qiáng)體：高強(qiáng)、高模、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬材料 的微細(xì)粉末，主要起增強(qiáng)、增韌作用，而不是普通填料的填充體積或降低成本的作用，增強(qiáng)體價(jià)格往往比基體還貴。 B.短纖維（晶須）(chopped fiber or whisker)：長徑比51000之間，橫截面積小于52105cm2（當(dāng)量直徑約110m）的含缺陷很少的單晶纖維，其模量和強(qiáng)度接近其純晶體的理論值。主要有金屬晶須、氧化物晶須、氮化物晶須、硼化物晶須和無機(jī)鹽類晶須。 C. 纖維及其織物(braided fabric or filament winding)：植物纖維、動(dòng)物纖維、碳物纖維、合

6、成纖維等,.,（2）復(fù)合材料的特性(character) 一般特性： a. 可設(shè)計(jì)性 b. 構(gòu)件復(fù)合與成型一次性完成，整體性好 c. 性能分散性大，性能對工藝工程及工藝參數(shù)甚至一些 偶然性因素都十分敏感，難以精確控制結(jié)構(gòu)和性能 d. 復(fù)合效應(yīng)（多種復(fù)合效應(yīng)）(principle of combined action) 一般性能特點(diǎn)： a. 比強(qiáng)度、比模量大 b. 破壞安全性高 c. 耐疲勞性好 d. 阻尼減震性好 e. 耐燒蝕性能好,.,2. PMC的組成 (1) 基體 熱固性基體(thermosetting matrix)： i) 熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好 ii) 交聯(lián)

7、固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性、耐熱性好，但性脆 iii) 制備過程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng) 熱塑性基體(thermoplastic matrix)： i) 溶體或溶液粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和壓力 下成型，工藝性差 ii) 線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好 iii) 制備過程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理現(xiàn)象) (2) 增強(qiáng)體主要有碳纖、玻纖維、芳綸纖維、硼纖維等 樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤性較差，多經(jīng)過表面處理與表面改性，浸潤劑、偶聯(lián)劑、涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。,.,.,.,3. MMC (1) 基體：Al、Mg、Ti、Ni等輕金屬及其它們的合金（比強(qiáng)度、 比模量

8、高） (2) 增強(qiáng)體：強(qiáng)度、模量和熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬基體的金屬或非金 屬材料。 主要有：硼纖維、碳纖維、 SiC纖維、 Al2O3纖維 鎢絲、鋼絲、不銹鋼絲 陶瓷顆粒、晶須等 特點(diǎn)：保持金屬材料特性外，與金屬基體相比具有高強(qiáng)、 高模、高韌性、高抗沖、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞性 能好等特點(diǎn)，可沿用大部分金屬成型加工方法，適合于 用作中、高溫結(jié)構(gòu)材料。,.,4. CMC (1) 基體：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等特種陶瓷 陶瓷本身：高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗氧化等 陶瓷致命缺點(diǎn)：性脆、抗熱震性（抗熱沖擊性）差，抗震性差 且對裂紋、氣孔和混雜物等細(xì)微缺陷敏感，易突然失效 (2) 增強(qiáng)材料：碳纖維

9、、硼纖維、-Al2O3纖維、氧化鋁-硼酸鹽 纖維鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、SiC晶須、SiN4晶須、 ZrO 顆粒等， 復(fù)合的目的不是提高模量與強(qiáng)度，而是對陶瓷基體增韌 CMC仍以燒結(jié)成型為主，由于基體與增強(qiáng)體都具有高模量、高耐溫特點(diǎn)，殘余應(yīng)力很大，導(dǎo)致微裂紋，因此，兩相的CTE必須匹配, CMC適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱為“材料的夢想”。,.,.,5. C/C復(fù)合材料 化學(xué)組成單一，C元素，但C的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 (1) 基體碳：i) CVD碳；ii) 樹脂碳；iii) 瀝青碳 (2) 增強(qiáng)體：高性能碳纖維及其織物 (3) 性能特點(diǎn)：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、 低蠕變、高導(dǎo)熱、低C

10、TE、高抗熱震性、高耐溫、 耐燒蝕等的 同時(shí)，還具有高強(qiáng)、高模、抗疲勞、力學(xué)性能隨溫度 升高而升高的特點(diǎn) 缺點(diǎn)：高溫下易氧化，材料多孔而疏松 高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，近年發(fā)展很快。,.,6. 無機(jī)膠凝復(fù)合材料,基體,氣硬性膠凝材料：只能在空氣中不能在水中硬化。 如石灰、 石膏、鎂質(zhì)膠凝材料等 水硬性膠凝材料：既能在空氣中，又能在水中硬化 （常稱為水泥）。如：硅酸鹽水泥、 鋰酸鹽水泥、硫酸鋁水泥、磷酸鹽 水泥等。,水泥的凝結(jié)硬化過程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，硬化后的 水泥是由晶體、凝膠體、未水化顆粒、游離水、氣孔等組成的多相 不均質(zhì)結(jié)構(gòu)體，這一結(jié)構(gòu)特征材料抗拉強(qiáng)度低，沖擊韌性差 （性脆），易

11、突然失效，不能作結(jié)構(gòu)材料。 增強(qiáng)纖維：金屬纖維、無機(jī)纖維、合成纖維、植物纖維等 復(fù)合的目的，是增強(qiáng)、增韌，用作結(jié)構(gòu)材料。,.,6-1-2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)(structure of composites),.,引入相的“連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分為 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結(jié)構(gòu),.,三維編織纖維結(jié)構(gòu) 三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu) (a)非線性法平面增強(qiáng) (b) 一種開式格狀結(jié)構(gòu) (c）一種柔性結(jié)構(gòu),管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型,.,各種玻璃夾層結(jié)構(gòu),.,單向及準(zhǔn)各向同性板的鋪層結(jié)構(gòu),.,混雜復(fù)合材料的混雜類型,.,6-1-3 復(fù)合材料的界面(interf

12、ace of composites) 基本概念和界面現(xiàn)象 基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能 接觸角、粘附功 界面現(xiàn)象： 表面吸附作用與浸潤 擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)） 界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力）,.,2. 復(fù)合材料的界面形成過程(formation of the interface of composites)： PMC、MMC、CMC、C/C等復(fù)合材料體系對界面要求各不相同， 它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材料界面 形成過程十分復(fù)雜，理論上可分為三個(gè)階段。 （1）第一階段：增強(qiáng)體表面預(yù)處理或改性階段。 i) 界面設(shè)計(jì)與控制的

13、重要手段 ii) 改性層成為最終界面層的重要組成部分 iii) 為第二階段作準(zhǔn)備 （2）第二階段：增強(qiáng)體與基體在一組份為液態(tài)（或粘流態(tài)）時(shí)的 接觸與浸潤過程 i)接觸吸附與浸潤交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或物理 結(jié)合?；瘜W(xué)結(jié)合可 看作是一種特殊的浸潤過程 ii) 界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段,.,（3）第三階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過程，即凝固或化 學(xué)反應(yīng) i) 界面的固定（亞穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)） ii) 界面的穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)、平衡態(tài)） 在復(fù)合材料界面形成過程中涉及： i) 界面間的相互置換：如，潤濕過程是一個(gè)固-液界 面置換固-氣表面的過程 i i)界面間的相互轉(zhuǎn)化：如，固化過程是固-液界面 向固-固界面轉(zhuǎn)化

14、的過程 后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程,.,3. 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)(structure and property characters of the interlayer)： i) 非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜、 形式多樣界面區(qū)至少包括： 基體表面層、增強(qiáng)體表面層、基體/增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分 ii )具有一定厚度的界面相（層），其組成、結(jié)構(gòu)、 性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度”材料 性能特征 iii)界面的比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大（尤其是 納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng) 產(chǎn)生的根源 iv)界面缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）(residu

15、al stress)，對復(fù)合材料 性能影響十分敏感,.,PMC界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖 1-外力場； 2-樹脂基體； 3-基體表面區(qū)； 4-相互滲透區(qū)； 5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑,.,4. 界面上力的傳遞與殘余應(yīng)力(force transference of interface and residual stress),在復(fù)合材料未受外力時(shí)，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布，這就是“殘余應(yīng)力”。 殘余應(yīng)力來源： 增強(qiáng)相與基體相CTE不匹配 相與相之間的彈性系數(shù)不匹配，相內(nèi)的應(yīng)力分布不均 成型過程中，由高溫-室溫由化學(xué)和物理變化引起的各組元體積 收縮的不同，如：

16、基體固化、聚集態(tài)轉(zhuǎn)變、晶相轉(zhuǎn)變等 層合板中，鋪層方向不同帶來的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲） 流變過程中，組元間的塑性變形差異流變殘余應(yīng)力,.,5. 復(fù)合材料界面破壞機(jī)制(interface failure of composites) （1）破壞的來源,（2）破壞形式,復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結(jié)果。,.,6. 復(fù)合材料的界面理論(The Interface Theories) （1）界面設(shè)計(jì)與控制的概念(design and control of interlayer) 界面具有雙重功能 傳遞應(yīng)力，需要一定界面結(jié)合強(qiáng)度，但不是愈高愈好 界面破壞，界面結(jié)合弱，

17、界面破壞形式愈豐富，能量耗散愈多,高的界面粘接強(qiáng)度，不一定帶來材料整體的高強(qiáng)度和高韌性。在脆性纖維-脆性基體復(fù)合體系中，強(qiáng)的界面結(jié)合往往導(dǎo)致各組元相中及相間的應(yīng)力集中和脆性斷裂、破壞形式單一，不涉及界面破壞，其能量耗散僅限于產(chǎn)生新的斷裂表面。材料易突然失效或發(fā)生災(zāi)難性破壞弱的界面結(jié)合強(qiáng)度有時(shí)能帶來材料整體高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。界面的比表面積個(gè)體積分?jǐn)?shù)很大，弱的界面結(jié)合可以發(fā)生多種界面破壞形式（如纖維拔出、脫粘、應(yīng)力再分配等），從而消耗大量的外界功，提高材料的強(qiáng)度和韌性，避免脆性斷裂或?yàn)?zāi)難性破壞。 因此，要求界面： . 適宜的粘接強(qiáng)度 最佳的界面結(jié)構(gòu)和狀態(tài) 與界面相聯(lián)系的理想的微觀破壞機(jī)制 這就是

18、所謂界面設(shè)計(jì)與界面控制的基本概念,.,（2）界面理論,界面分子充分接觸 粘接，作用力,.,7. 復(fù)合材料的界面處理(interface finishing) （1）玻纖的表面處理 有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑 有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑 偶聯(lián)劑的作用(functions of coupling agent)： 在兩相界面形成化學(xué)鍵，大幅度提高界面粘接強(qiáng)度 改善了界面對應(yīng)力的傳遞效果 提供了一個(gè)可塑界面層，可部分消除界面殘余應(yīng)力 提供了一個(gè)防水層，保護(hù)了界面，阻止了脫粘和腐蝕的發(fā)生 偶聯(lián)劑對不同復(fù)合體系具有較強(qiáng)的選擇性,.,偶聯(lián)劑的功能：（a）有機(jī)硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羥基與玻璃表面之間的氫鍵合；（c）結(jié)在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）與聚合物 反應(yīng)的官能R基團(tuán),.,（2）碳纖維的表面處理,碳纖維氧化處理后： 能改善碳纖維表面與基體的浸潤性、相容性 能在表面形成許多活性官