第三章材料的組成和結(jié)構(gòu)第4講

1、3-5復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)COMPOSITIONANDSTRUCTUREOFCOMPOSITEMATERIALSComposition and Structures of CompositesMaterialsConcept, TypesandPropertiesStructuresInterfacialPhase Modification of interface phase3-5復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)(compositionandstructureofcomposites)3-5-1復(fù)合材料定義及分類(lèi)復(fù)合材料定義及分類(lèi)(definitionandcla

2、ssificationofcomposites)1. 定義(P225頁(yè)) (1)種類(lèi)不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面相幾種材料及其界面相（層） 所組成（組成上） (2)多相多相固體材料（結(jié)構(gòu)） (3)經(jīng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)復(fù)合而成（制備上） (4)通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能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(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上）簡(jiǎn)言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相連續(xù)基體相(matrix phase)和分散增強(qiáng)相分散增強(qiáng)相(disperse phase)及界面相界面相(interface phase)所構(gòu) 成復(fù)合材料系統(tǒng)組合復(fù)合材料系統(tǒng)組合分 散 相連 續(xù) 相金屬材料無(wú)機(jī)

3、非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬 材料金屬纖維(絲)纖維金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料 金屬片材 金屬/塑料板無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料 晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶基復(fù)合材料 顆粒彌散強(qiáng)化合金材料 粒子填充塑料玻璃纖維 纖維/村脂基復(fù)合材料粒子 碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶基復(fù)合材料纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料炭黑 顆粒/橡膠顆粒/樹(shù)脂基復(fù)合材料有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維 纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料 橡膠 2. 分類(lèi)分類(lèi)：(1)按來(lái)源來(lái)源：天然、 人工復(fù)合材料等(2)按基體基體：樹(shù)脂基、 金屬基

4、、 無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料等(3)按增強(qiáng)體形態(tài)：顆粒增強(qiáng)(particle-reinforced) 短纖或晶須增強(qiáng)(chopped fiber or whiskers reinforced) 連續(xù)長(zhǎng)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3-5-2復(fù)

5、合材料的組成與特性復(fù)合材料的組成與特性 1.概述聚合物基復(fù)合材料(polymer-matrix composites,PMC)金屬基復(fù)合材料(metal-matrix composites,MMC)陶瓷基復(fù)合材料(ceramics-matrix composites,CMC)碳/碳復(fù)合材料(carbon-carbon composites,C/C)無(wú)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）組成組成(composition) 基體基體(matrix) 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料(reinforcement)（是一個(gè)龐大的材料體系、品

6、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，但更為重要的是基體與增強(qiáng)體之間的匹配。） A. 顆粒顆粒增強(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.短纖維短纖維（晶須）(chopped fiber or whisker)：長(zhǎng)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

7、晶須和無(wú)機(jī)鹽類(lèi)晶須。 C. 纖維及其織物纖維及其織物(braided fabric or filament winding)：植物纖維、動(dòng)物纖維、碳物纖維、合成纖維等 （2）復(fù)合材料的特性特性(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(duì)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.

8、 PMC的組成組成 (1) 基體基體 熱固性基體熱固性基體(thermosetting matrix)： i) 熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤(rùn)，成型工藝性好 ii) 交聯(lián)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(guò)程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng) 熱塑性基體熱塑性基體(thermoplastic matrix)： i)熔體或溶液粘度大，浸漬與浸潤(rùn)困難，需在較高溫度和壓力 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(guò)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)體增強(qiáng)體主要有碳纖、玻纖維、芳綸纖維、硼纖維等 樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體相容性、

9、浸潤(rùn)性較差，多經(jīng)過(guò)表面處理與表面改性，浸潤(rùn)劑、偶聯(lián)劑、涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。3. MMC (1) 基體基體：Al、Mg、Ti、Ni等輕金屬及其它們的合金（比強(qiáng)度、 比模量高） (2) 增強(qiáng)體增強(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金屬或非金屬材料屬材料。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) 基體基體：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等

10、特種陶瓷特種陶瓷 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(duì)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)材料增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、碳纖維、硼纖維、-Al2O3纖維、氧化鋁纖維、氧化鋁-硼酸鹽硼酸鹽纖維纖維鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、SiC晶須、晶須、SiN4晶須、晶須、ZrO顆粒等，顆粒等， 復(fù)合的目的不是提高模量與強(qiáng)度，而是對(duì)陶瓷基體增韌復(fù)合的目的不是提高模量與強(qiáng)度，而是對(duì)陶瓷基體增韌 CMC仍以燒結(jié)成型為主燒結(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

11、，因此，兩相的CTE必須必須匹配匹配, CMC適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱(chēng)為“材料的夢(mèng)想”。 5. C/C復(fù)合材料復(fù)合材料 化學(xué)組成單一，C元素元素，但C的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 (1) 基體基體碳：i) CVD碳；ii) 樹(shù)脂碳；iii) 瀝青碳 (2) 增強(qiáng)體增強(qiáng)體：高性能碳纖維及其織物 (3) 性能性能特點(diǎn)：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、 低蠕變、高導(dǎo)熱、低CTE、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)材料和耐燒蝕材料高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，近年發(fā)展很快。6. 無(wú)機(jī)膠凝復(fù)合材料無(wú)

12、機(jī)膠凝復(fù)合材料 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(chēng)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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)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)特征導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度低，沖擊韌性差（性脆），易突然失效，不能作結(jié)構(gòu)材料。 增強(qiáng)纖維增強(qiáng)纖維：金屬纖維、無(wú)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。3-5-1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)(structureofcomposites)

13、無(wú)規(guī)分散無(wú)規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu) （含顆粒、晶須、 短纖維）(randomly oriented) 連續(xù)長(zhǎng)纖連續(xù)長(zhǎng)纖單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）(aligned) 層合(板)結(jié)構(gòu)(二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層 不同)(laminate) 三維編織三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(braided fabric or filament winding) 夾層夾層結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等）(sandwich constructure) 混雜混雜結(jié)構(gòu)(hybrid constructure) 引入相的相的“連通性連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分為 0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等幾種典型結(jié)

14、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(kāi)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)各向同性板的鋪層鋪層結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料的混雜類(lèi)型 3-5-4復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面(interfaceofcomposites)1.基本概念和界面現(xiàn)象基本概念和界面現(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)象界面現(xiàn)象： 表面吸附作用與浸潤(rùn) 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(guò)程復(fù)合材料的界面形成過(guò)程(forma

15、tion of the interface of composites)： PMC、MMC、CMC、C/C等復(fù)合材料體系對(duì)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(guò)程十分復(fù)雜，理論上可分為三個(gè)階段三個(gè)階段。（1）第一階段第一階段：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）第二階段第二階段：增強(qiáng)體與基體在一組分為液態(tài)一組分為液態(tài)（或粘流態(tài)）時(shí)的 接觸與浸潤(rùn)過(guò)程 i) 接觸接觸吸附與浸潤(rùn)吸附與浸潤(rùn)交互擴(kuò)散交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或物理化學(xué)結(jié)合或物理結(jié)合結(jié)合。化學(xué)結(jié)合可 看

16、作是一種特殊的浸潤(rùn)過(guò)程 ii) 界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段（3）第三階段第三階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化固化過(guò)程，即凝固 或發(fā)生化學(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(guò)程中涉及： i) 界面間的相互置換相互置換：如，潤(rùn)濕過(guò)程是一個(gè)固-液界 面置換固-氣表面的過(guò)程 ii) 界面間的相互轉(zhuǎn)化相互轉(zhuǎn)化：如，固化過(guò)程是固-液界面 向固-固界面轉(zhuǎn)化的過(guò)程 后處理過(guò)程：固-固界面自身完善與平衡的過(guò)程 3. 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)(structure and property characters of the

17、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) 界面缺陷形式多樣缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）(residual stress)，對(duì) 復(fù)合材料性能影響影響十分敏感 PMC界面區(qū)域界面區(qū)域(interfacezoneofPMC

18、)示意圖示意圖1-外力場(chǎng)；2-樹(shù)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) 有一定結(jié)合強(qiáng)度 的 界 面（層），可在基體與增強(qiáng)體之間進(jìn)行a. 力的轉(zhuǎn)遞b. 力的分配c. 基體或增強(qiáng)體破壞過(guò)程中的應(yīng)力再分配組合力學(xué)性能 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(lái)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(guò)程中，由高溫-室溫由化學(xué)和物理變化引起的各組元體積

19、收縮的不同，如：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(lái)的層間殘余應(yīng)力（層合板的翹曲） 流變過(guò)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(lái)源 基體內(nèi)、增強(qiáng)體內(nèi)和層面層上均存在微裂紋、氣孔、內(nèi)應(yīng)力在力場(chǎng)或外界環(huán)境（如介質(zhì)、水）微裂紋和缺陷按本身的規(guī)律發(fā)展，并消散能量 （2）破壞形式 5種基本破壞形式i) 基體斷裂ii) 纖維斷裂iii) 纖維脫粘iv)纖維拔出(摩擦功)v) 裂紋擴(kuò)展與偏轉(zhuǎn)5種形式綜合體現(xiàn)復(fù)合材料的破壞與失效 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

20、綜合體現(xiàn)的結(jié)果。6. 復(fù)合材料的界面理論界面理論(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，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(lái)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(lái)材 料整體高

21、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）界面理論界面理論 浸潤(rùn)浸潤(rùn)理論 化學(xué)化學(xué)鍵理論 優(yōu)先吸附理論 可變形層理論 束縛層理論每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)果。都有一定局限性。實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一個(gè)統(tǒng)一的界面響應(yīng)理論模型。 界面分子充分接觸界面分子充分接觸粘接，作用力粘接，作用力7. 復(fù)合材料的界面處理復(fù)合材料的界面處理(interface finishing)（1）玻纖的表面處理玻纖的表面處理有機(jī)硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑有機(jī)硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑 偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑的作用(functions of c