復(fù)合材料制備技術(shù)1

1、復(fù)合材料制備技術(shù)復(fù)合材料制備技術(shù)第一章第一章 前言前言一、材料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步材料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步 材料是人類社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是材料是人類社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。人類進(jìn)步的里程碑。 當(dāng)前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科當(dāng)前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會(huì)將人類物質(zhì)文明推技的三大支柱，它會(huì)將人類物質(zhì)文明推向新的階向新的階段。段。 二十一世紀(jì)將是一個(gè)新材料時(shí)代。二十一世紀(jì)將是一個(gè)新材料時(shí)代。 二、二、 復(fù)合材料的提出復(fù)合材料的提出 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展；現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展； 同時(shí)也對材料

2、提出同時(shí)也對材料提出了更高、更苛刻的要求。了更高、更苛刻的要求。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，當(dāng)前作為單一的金當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。 復(fù)合材料復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。復(fù)合材技術(shù)發(fā)展的需求而開發(fā)的高性能的

3、先進(jìn)材料。復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來的具有極大生命力的材料。材料。三、復(fù)合材料的發(fā)展歷史和意義三、復(fù)合材料的發(fā)展歷史和意義 1、復(fù)合材料的發(fā)展歷史復(fù)合材料的發(fā)展歷史 60006000年前人類就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)年前人類就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。合材料。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用； 20世紀(jì)世紀(jì)40年代，美國用碎布酚醛樹脂制備槍托、年代，美國用碎布酚醛樹脂制備槍托、代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強(qiáng)塑料

4、（玻璃鋼）這代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）這種種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合材料。種種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合材料。 2、復(fù)合材料的意義、復(fù)合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開復(fù)合材料。 例如例如：火箭殼體材料對射程的影響，火箭殼體材料對射程的影響， 航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展預(yù)測如下航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展預(yù)測如下四、課程的重點(diǎn)和要求四、課程的重點(diǎn)和要求 學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)重點(diǎn)是重點(diǎn)是使學(xué)生能夠較全面和系統(tǒng)地理解使學(xué)生能夠較全面和系統(tǒng)地理解復(fù)合材料及其力學(xué)的重要基本概念和理論，各類復(fù)合材料及其力學(xué)的重要基本概念和理論，各類復(fù)合材料的性能、成型工藝、界面特征和結(jié)構(gòu)設(shè)復(fù)合材

5、料的性能、成型工藝、界面特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及復(fù)合材料，同時(shí)具有初步的復(fù)合材料設(shè)計(jì)計(jì)以及復(fù)合材料，同時(shí)具有初步的復(fù)合材料設(shè)計(jì)能力。為學(xué)生今后在材料領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究奠定能力。為學(xué)生今后在材料領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究奠定較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考書參考書 張玉龍主編，先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)手冊，機(jī)張玉龍主編，先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，械工業(yè)出版社，2003年年6月。月。 沃丁柱主編，復(fù)合材料大全，化學(xué)工業(yè)出版社，沃丁柱主編，復(fù)合材料大全，化學(xué)工業(yè)出版社，2001.1 吳人潔主編，復(fù)合材料，天津大學(xué)出版社，吳人潔主編，復(fù)合材料，天津大學(xué)出版社，2000.12 徐國財(cái)，張立德主編徐國財(cái)，張立德

6、主編 ，納米復(fù)合材料，化學(xué)工，納米復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社，業(yè)出版社，2002.3 賈成廠主編，陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論，冶金工業(yè)賈成廠主編，陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論，冶金工業(yè)出版社，出版社，2002.1 第二章第二章 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述 一、復(fù)合材料的定義和特點(diǎn)：一、復(fù)合材料的定義和特點(diǎn)： 1、復(fù)合材料的定義：、復(fù)合材料的定義： ISO定義為是：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)定義為是：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì) 不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。 復(fù)合材料應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：復(fù)合材料應(yīng)滿足下面三個(gè)條件： （1）組元含量大于）組元含量大于 5 %； （2）復(fù)

7、合材料的性能顯著不同于各組元的性能；）復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能； （3）通過各種方法混合而成。）通過各種方法混合而成。 2、復(fù)合材料的特點(diǎn)：、復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1）由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀觀 復(fù)合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯復(fù)合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。的界面。 2）各組分保持各自固有特性的同時(shí)可最大限度各組分保持各自固有特性的同時(shí)可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點(diǎn)，賦予單一材料所不具備的地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點(diǎn)，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。優(yōu)良特殊性能。 3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)

8、性。 3、復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式、復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式 復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)劑兩個(gè)組分構(gòu)成：復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)劑兩個(gè)組分構(gòu)成： 基體：構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相；基體：構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相； 增強(qiáng)劑（增強(qiáng)相、增強(qiáng)體）：復(fù)合材料中獨(dú)立的形態(tài)增強(qiáng)劑（增強(qiáng)相、增強(qiáng)體）：復(fù)合材料中獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，分布在整個(gè)基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)。會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)。 增強(qiáng)劑（相）一般較基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大，增強(qiáng)劑（相）一般較基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀?；蚓哂衅渌匦?。可以是

9、纖維狀、顆粒狀或彌散狀。 增強(qiáng)劑（相）與基體之間存在著明顯界面。增強(qiáng)劑（相）與基體之間存在著明顯界面。 二、復(fù)合材料的分類二、復(fù)合材料的分類 1、按性能分類按性能分類 ： 普通復(fù)合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強(qiáng)普通復(fù)合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強(qiáng) 普通聚合物復(fù)合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。普通聚合物復(fù)合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。 先進(jìn)復(fù)合材料：高性能增強(qiáng)劑（碳、硼、氧化鋁、先進(jìn)復(fù)合材料：高性能增強(qiáng)劑（碳、硼、氧化鋁、 SiCSiC纖維及晶須等）增強(qiáng)高溫聚合物、金屬、陶瓷纖維及晶須等）增強(qiáng)高溫聚合物、金屬、陶瓷 和碳（石墨）等復(fù)合材料。和碳（石墨）等復(fù)合材料。 先進(jìn)復(fù)合材料的比強(qiáng)

10、度和比剛度應(yīng)分別達(dá)到先進(jìn)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度應(yīng)分別達(dá)到 400MPa / (g / cm3) 和和40GPa / (g / cm3) 以上。以上。 2、按基體材料分類：、按基體材料分類： 聚合物復(fù)合材料聚合物復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 碳碳復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料 水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料3、按用途分類、按用途分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) / 功能一體化功能一體化復(fù)合材料復(fù)合材料4、按增強(qiáng)劑分類、按增強(qiáng)劑分類 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 晶須增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料短纖維增強(qiáng)復(fù)合材

11、料 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 三向編織復(fù)合材料三向編織復(fù)合材料 四、四、 復(fù)合材料的基本性能（優(yōu)點(diǎn)）：復(fù)合材料的基本性能（優(yōu)點(diǎn)）： 1、高比強(qiáng)度、高比模量（剛度）：、高比強(qiáng)度、高比模量（剛度）： 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 = 強(qiáng)度強(qiáng)度/密度密度 MPa /（g/cm3）, 比模量比模量 = 模量模量/密度密度 GPa /（g/cm3）。）。 2、良好的高溫性能：、良好的高溫性能： 目前：目前： 聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能， 其使用溫度在

12、其使用溫度在350 1100 C范圍內(nèi)變動(dòng)；范圍內(nèi)變動(dòng)； 陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)1400 C； 碳碳/碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)2800 C。 3、良好的尺寸穩(wěn)定性：、良好的尺寸穩(wěn)定性： 加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度 和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變 復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹膨脹 系數(shù)。系數(shù)。 4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性：、良好的化學(xué)穩(wěn)定性： 聚合

13、物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。 5、良好的抗疲勞、蠕變、良好的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性：沖擊和斷裂韌性： 陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善 6、良好的功能性能、良好的功能性能 第三章第三章 復(fù)合材料界面復(fù)合材料界面 一、復(fù)合材料界面一、復(fù)合材料界面 復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。遞作用的微小區(qū)域。 復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)

14、域，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。 1、外力場、外力場 2、基體、基體 3、基體表面區(qū)、基體表面區(qū) 4、相互滲透區(qū)、相互滲透區(qū) 5、增強(qiáng)劑表面區(qū)、增強(qiáng)劑表面區(qū) 6、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑 1、界面效應(yīng)、界面效應(yīng) 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納 為以下幾種效應(yīng)：為以下幾種效應(yīng)： （1）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受 的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間 的橋梁作用。的橋梁作用。 （2）阻斷效應(yīng)：）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缁w和增強(qiáng)相

15、之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕?面有阻止裂紋擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。面有阻止裂紋擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。 （3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù) 性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng) 性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。（4）散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、）散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、 沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光 性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（

16、通常是增強(qiáng)劑）的）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的 表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）表面結(jié)構(gòu)使另一種（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)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，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、 低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。 界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特 性，它對復(fù)合材料具有重要的作用。性，它對復(fù)合材料具有重要的作用。 2、界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度、界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度 界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對復(fù)合材料的性能有重要界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對復(fù)合材料的性

17、能有重要影響。對于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合影響。對于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。強(qiáng)度。界面結(jié)合較差界面結(jié)合較差的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強(qiáng)界面結(jié)合過強(qiáng)的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面最佳態(tài)界面最佳態(tài)的衡量是的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能

18、和一定界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。的韌性。 二、復(fù)合材料組分的相容性二、復(fù)合材料組分的相容性 1、物理相容性：、物理相容性： （1）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷 均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)會(huì)有明顯的不連續(xù) 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 （2）由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力）由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力 不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。高的局部應(yīng)力。 （3）對復(fù)合材料的界對復(fù)合材料的界 面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的

19、影響。 對于韌性對于韌性基體材料，最好具有較高的基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)。 這是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相，從較高的加工溫度這是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相，從較高的加工溫度 冷卻時(shí)將受到張應(yīng)力；冷卻時(shí)將受到張應(yīng)力； 對于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于對于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于 抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利?？估瓘?qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。 而對于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的而對于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻要求基體，一般卻要求 避免高的殘余熱應(yīng)力，因此避免高的殘余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差 太大。太大。2、化學(xué)相容性：、化學(xué)相容性： 對

20、原生復(fù)合材料，在制造過程是熱力學(xué)平衡的，對原生復(fù)合材料，在制造過程是熱力學(xué)平衡的， 其兩相化學(xué)勢相等，比表面能效應(yīng)也最小。其兩相化學(xué)勢相等，比表面能效應(yīng)也最小。 對非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。對非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。 1 1）相反應(yīng)的自由能相反應(yīng)的自由能 F F： 小小 2 2）化學(xué)勢）化學(xué)勢U U： 相近相近 3 3）表面能）表面能T T： 低低 4 4）晶界擴(kuò)散系數(shù)）晶界擴(kuò)散系數(shù)D D： 小小三、復(fù)合材料的界面理論三、復(fù)合材料的界面理論 1、界面潤濕理論界面潤濕理論 界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物

21、理和化學(xué)吸附作用。親和，即物理和化學(xué)吸附作用。 浸潤不良浸潤不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤良好的或完全浸潤可使可使界面強(qiáng)度大大提高界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。 根據(jù)力的合成根據(jù)力的合成 ： L cos = S - SL 粘合功可表示為：粘合功可表示為：WA = S + L - SL= L（1+ cos ） 粘合功粘合功WA最大時(shí)：最大時(shí)： cos =1，即，即 = 0， 液體完全平鋪在固體表面。液體完全平鋪在固體表面。 同時(shí)：同時(shí)： = S

22、 L , S = L 潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。 2、機(jī)械作用理論：、機(jī)械作用理論： 當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將 發(fā)生機(jī)械互鎖。發(fā)生機(jī)械互鎖。 盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中 有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無 法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且 也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。 3、靜電理論：、靜電理論： 當(dāng)復(fù)合材料不同組分表

23、面帶有異性電荷時(shí)，將當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將 發(fā)生靜電吸引。發(fā)生靜電吸引。 僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效 。 4、化學(xué)鍵理論：、化學(xué)鍵理論： 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。成共價(jià)鍵結(jié)合。 在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能 （210 - 220 J / mol）。）。 5、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或 分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng) 結(jié)合

24、或擴(kuò)散結(jié)合。結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。四、界面的表征四、界面的表征 1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測定、界面結(jié)合強(qiáng)度的測定 1）三點(diǎn)彎曲法：）三點(diǎn)彎曲法： 測定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布測定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布 測定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布測定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布 2）聲發(fā)射（）聲發(fā)射（Acoustic Emissin ，AE）法：）法： 聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、 磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而 產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材

25、料 內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子 儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。 用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技 術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。富碳處理的富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的拉伸過程中的AE行為行為 富富SiO2處理的處理的SiCF/Al拉伸過程中的拉伸過程中的AE行為行為 2、界面結(jié)構(gòu)的表征、界面結(jié)構(gòu)的表征 界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn)界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn) 儀器觀察分析。儀器觀察分析。 包括：俄歇電子譜儀（包括：俄歇電子譜儀

26、（AES）、電子探針（）、電子探針（EP） X光電子能譜儀（光電子能譜儀（XPS） 掃描二次離子質(zhì)譜儀（掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS） 電子能量損失儀（電子能量損失儀（EELS） X射線反射譜儀（射線反射譜儀（GAXP） 透射電子透射電子顯微鏡（顯微鏡（ TEM） 掃描電鏡（掃描電鏡（ SEM）、拉曼光譜（）、拉曼光譜（ Raman）等）等 TiB2纖維表面涂層纖維表面涂層SiCF / Ti復(fù)合復(fù)合材料界面材料界面SEM（黃線為連續(xù)線掃描）（黃線為連續(xù)線掃描） 3、界面殘余應(yīng)力及其表征、界面殘余應(yīng)力及其表征（1）界面殘余應(yīng)力）界面殘余應(yīng)力 復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生復(fù)合材料成型

27、后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)同時(shí)又因增強(qiáng)體與基又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱兩種應(yīng)力的加和總稱為界面殘為界面殘余應(yīng)力。余應(yīng)力。 （A）界面殘余應(yīng)力可以通過對復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，界面殘余應(yīng)力可以通過對復(fù)合材料進(jìn)行熱處理， 使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制， 在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效

28、果不明顯。在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效果不明顯。（B）界面殘余應(yīng)力的存在對復(fù)合材料的力學(xué)性能有界面殘余應(yīng)力的存在對復(fù)合材料的力學(xué)性能有 影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料殘余應(yīng)力的影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料殘余應(yīng)力的 狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在殘狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在殘 余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。（2 2）界面殘余應(yīng)力的測量）界面殘余應(yīng)力的測量 主要方法主要方法X射線衍射法和中子衍射法。射線衍射法和中子衍射法。 中子的穿透能力較中子的穿透能力較X射線強(qiáng)，可用來測量界面射線強(qiáng)，可用來測量界面 內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的

29、應(yīng)力平均值。內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應(yīng)力平均值。 X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應(yīng)力。射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應(yīng)力。 目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X X射線衍射法。射線衍射法。 第四章第四章 復(fù)合材料的復(fù)合理論復(fù)合材料的復(fù)合理論 一、復(fù)合材料一、復(fù)合材料 增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)機(jī)制 1 、 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制 基體和顆粒共同承受外來載荷基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒起著阻；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了位錯(cuò)的移動(dòng)礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了位錯(cuò)的移動(dòng) 性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受性。另外，復(fù)合材料中的

30、裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可有下式表示：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可有下式表示：CV1dVbGG3PPPmy）（221式中：式中： y 復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量； b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑；C 常數(shù)常數(shù) VP 顆粒體積分?jǐn)?shù)；顆粒體積分?jǐn)?shù)； Gp 顆粒的切變模量。顆粒的切變模量。 2、 彌散增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制彌散增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制 基體是承受外

31、來載荷的主要相基體是承受外來載荷的主要相；顆粒起著；顆粒起著 阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了錯(cuò)的流阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了錯(cuò)的流 動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒 前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可由下式表示：彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可由下式表示：)1 (21PP2myV3V2dbG 式中：式中： y 復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量；

32、 b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑； VP 顆粒體積分?jǐn)?shù)。顆粒體積分?jǐn)?shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制 基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相（晶基體通過界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相（晶須、纖維等），不是主承力相。須、纖維等），不是主承力相。 纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。受力分析如下：受力分析如下： 假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同； 在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過 界面將外力傳遞到纖維上。界面將外力傳遞到纖維上。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可由下式表示：短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可由下式表示： fmfcFfFVV2