山東大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》講義第11章 復(fù)合效應(yīng)與界面

1、第11章 復(fù)合效應(yīng)與界面1 材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)一、復(fù)合材料的概念、分類(lèi)及特點(diǎn)復(fù)合材料：由兩種或兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料。復(fù)合材料通常由基體、增強(qiáng)體及基體與增強(qiáng)體之間形成的界面組成。其分類(lèi)方法主要有：1按復(fù)合效果分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料；2按基體類(lèi)型分為樹(shù)脂基或聚合物基復(fù)合材料（RMC）、金屬基復(fù)合材料（MMC）、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）等；3按增強(qiáng)體的形態(tài)與排布方式分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、單向纖維復(fù)合材料、二向織物層復(fù)合材料、三向及多向編織復(fù)合材料、混雜增強(qiáng)復(fù)合材料等。復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)是：材料

2、性能的可設(shè)計(jì)性，各向異性及材料和結(jié)構(gòu)的一次成型性。二、復(fù)合效應(yīng) 包括：線性效應(yīng)、非線性效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和各向異性效應(yīng)。2 復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)理一、復(fù)合材料中各結(jié)構(gòu)單元的作用1基體： 主要用于固定和粘附增強(qiáng)體，井將所受的載荷通過(guò)界面?zhèn)鬟f到增強(qiáng)體上；將增強(qiáng)體分隔開(kāi)來(lái)；還能保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的化學(xué)作用和物理?yè)p傷等。2增強(qiáng)體：通常要求增強(qiáng)體具有高強(qiáng)度和高模量。增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)，與基體的結(jié)合性能對(duì)復(fù)合材料的性能起著很大的影響。3界面：協(xié)調(diào)基體和增強(qiáng)體的變形，通過(guò)界面可將基體的應(yīng)力傳遞到增強(qiáng)體上。基體和增強(qiáng)體通過(guò)界面發(fā)生結(jié)合，但結(jié)合力的大小應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)大，也不能過(guò)小。結(jié)合力過(guò)大會(huì)使復(fù)合材料韌性下降

3、，結(jié)合力過(guò)小起不到傳遞應(yīng)力的作用，容易在界面處開(kāi)裂。增強(qiáng)體、基體和界面共同作用下可以改變復(fù)合材料的韌性、抗疲勞性能、抗蠕變性能、抗沖擊性能及其它性能。二、復(fù)合材料的增強(qiáng)原理按增強(qiáng)體的種類(lèi)和形態(tài)，可以把復(fù)合材料分為三類(lèi)：彌散增強(qiáng)型、粒子增強(qiáng)型和纖維增強(qiáng)型。（一）彌散增強(qiáng)型增強(qiáng)顆粒為外加的硬質(zhì)顆粒，尺寸較小。這些顆?？梢杂行У刈柚刮诲e(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而起到顯著的強(qiáng)化作用。對(duì)顆粒的要求：質(zhì)地堅(jiān)硬、穩(wěn)定并與基體不發(fā)生界面反應(yīng)，同時(shí)還要考慮其尺寸、分布、數(shù)量、與基體的結(jié)合等。據(jù)位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，其剪應(yīng)力(等于其屈服強(qiáng)度)為： ()由基體的理論斷裂強(qiáng)度（約Gm/30）和基體的理論屈服強(qiáng)度（約

4、Gm/100）可得質(zhì)點(diǎn)的間距為：0.3m0.01m。如果均勻彌散分布的質(zhì)點(diǎn)直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為p，則有：及 可見(jiàn)：質(zhì)點(diǎn)尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。一般p=0.010.15，dp=0.1m 0.01m。（二）粒子增強(qiáng)型粒子尺寸為150m，比彌散增強(qiáng)的粒子大很多。另外，粒子間距為125m，體積分?jǐn)?shù)為0.050.5。粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體和基體的比例有關(guān)。粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度有兩種情況：適于基體為晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；適于任意基體材料。1適于基體為晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料位錯(cuò)在大粒子前塞積，約束基體變形，并在粒子與基體界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，領(lǐng)先位錯(cuò)受力為： （式中：-名義應(yīng)力或平均應(yīng)力；n-塞積的位錯(cuò)數(shù)。）根據(jù)位錯(cuò)理論：，并假設(shè)粒子理論破壞的應(yīng)力為Gp/30（Gp為粒子剪切彈性模量）。當(dāng)粒子破壞時(shí)，位錯(cuò)可以運(yùn)動(dòng)，引起變形，此時(shí)的應(yīng)力記為屈服強(qiáng)度y，則有：，再結(jié)合前面的Dp公式，有：由該式可以看出，粒子直徑dp越小，體積分?jǐn)?shù)p越高，粒子對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果越好。2基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料（其強(qiáng)度計(jì)算比較復(fù)雜。可以參看P314。）（三）纖維增強(qiáng)型1連續(xù)纖維增強(qiáng)原理（某一方面的性能可以用混合定則來(lái)描述和預(yù)測(cè)。）2短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料3 復(fù)合材料的界面一、復(fù)合材料界面結(jié)合類(lèi)型 （一）金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類(lèi)型 1機(jī)械結(jié)合：2溶解和浸潤(rùn)結(jié)合3反應(yīng)結(jié)合：