短纖維或晶須增強(qiáng)材料單向纖維復(fù)合材料課件

第九章復(fù)合效應(yīng)與界面9.1材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)9.1.1復(fù)合材料概念、分類及特點(diǎn)：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料叫復(fù)合材料。通常由基體、增強(qiáng)體及兩者的界面組成。第九章復(fù)合效應(yīng)與界面1復(fù)合材料的三種分類方法：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按基體類型分為樹脂基或聚合物復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等等；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)材料、短纖維或晶須增強(qiáng)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)合材料和混合復(fù)合材料等。復(fù)合材料的三種分類方法：2復(fù)合材料的顯著特征是：材料性能的可設(shè)計性；各向異性及結(jié)構(gòu)一次成型性。與傳統(tǒng)材料相比的優(yōu)點(diǎn)是：比強(qiáng)度高和比模量高；抗疲勞性能好；減振性好；耐高溫性能好；抗破壞安全性好；成型工藝性好。復(fù)合材料的顯著特征是：3*比強(qiáng)度(模量)：強(qiáng)度(模量)/比重，材料承載能力指標(biāo)之一?？蛊谛阅埽翰牧显诮蛔冚d荷作用下，由于內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展而導(dǎo)致的低應(yīng)力破壞的抵抗性能。疲勞破壞由里向外發(fā)展，無預(yù)兆。減振性好：復(fù)合材料中的纖維與基體界面有較強(qiáng)的吸振能力，阻尼高。高溫性能好：常用無機(jī)纖維(Al2O3,C,W,SiC,B,SiO2)在數(shù)百攝氏度時強(qiáng)度和模量基本不變。破壞安全性好：纖維復(fù)合材料中有大量獨(dú)立纖維，當(dāng)構(gòu)件超載使少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未斷裂纖維上，構(gòu)件不至于在短期內(nèi)破壞。成型工藝好：可一次成型或整體成型。*比強(qiáng)度(模量)：強(qiáng)度(模量)/比重，材料承載能力指標(biāo)之一。49.1.2增強(qiáng)體的性能：常用的復(fù)合材料增強(qiáng)體為纖維材料，有無機(jī)的，也有有機(jī)的。主要特點(diǎn)是高強(qiáng)度和高模量(參見表9-1)。9.1.3復(fù)合效應(yīng)：復(fù)合效應(yīng)主要指復(fù)合材料除保持原有組分的性能外，還增添了原有組分所沒有的性能?？煞譃椋壕€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)5種。9.1.2增強(qiáng)體的性能：常用的復(fù)合材料增強(qiáng)體為纖維材料，有5線性效應(yīng)可細(xì)分為平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng)。平均效應(yīng)也稱加和效應(yīng)，由混合定則表述：

pc=Σ(pi)nφi(9-1)指復(fù)合材料的某一性能pc由單一組分的同一性能pi加和而得；φi為體積分?jǐn)?shù)；n是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)(-1≤n≤1)。線性效應(yīng)可細(xì)分為平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng)。6相補(bǔ)(協(xié)同)效應(yīng)和相抵(不協(xié)同)效應(yīng)往往共存，如圖9-1。AB兩種材料有4種組合結(jié)果，在研制復(fù)合材料時應(yīng)盡量取優(yōu)值互補(bǔ).比如PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷的彈性柔順系數(shù)(彈性常數(shù))SE33的優(yōu)值為2×10-12m2/N,把它與高分子聚合物復(fù)合后，SE33可高達(dá)2000×10-12m2/N相補(bǔ)(協(xié)同)效應(yīng)和相抵(不協(xié)同)效應(yīng)往往共存，如圖9-1。A7*性能良好的省電換能器(聲納)需要從壓電體與負(fù)載的最佳聲匹配，與超聲發(fā)射接收裝置的最佳電聲匹配，提高分辨力等幾個方面來考慮設(shè)計，使換能器達(dá)到寬帶窄脈沖，高靈敏度，高分辨力等性能指標(biāo)。

通過分析換能器的暫態(tài)特性，可以從理論上計算出，壓電晶片、背襯和前匹配層(增透膜)的性能參數(shù)。選擇適合的壓電材料，來保證換能器的高靈敏度和寬帶，選取適合的背襯以及聲阻抗相近的前匹配層來保證換能器的窄脈沖，以獲得高的分辨率。*性能良好的省電換能器(聲納)需要從壓電體與負(fù)載的最佳聲匹配8混雜復(fù)合材料是由兩種以上纖維增強(qiáng)同一基體或兩種相容基體的復(fù)合材料。多材料混雜會使某些性能加強(qiáng)產(chǎn)生相補(bǔ)效應(yīng)或叫正混雜效應(yīng)，也會使某些性能減弱產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)。只要需要的性能得以改善，而負(fù)混雜效應(yīng)可以容忍時，該種復(fù)合材料就算成功。混雜復(fù)合材料是由兩種以上纖維增強(qiáng)同一基體或兩種相容基體的復(fù)合9非線性效應(yīng)可細(xì)分為乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和共振效應(yīng)。乘積效應(yīng)也稱交叉耦合效應(yīng)或傳遞特性，比如把一種功能轉(zhuǎn)換(Y/X)材料與另一種功能轉(zhuǎn)換(Z/Y)材料復(fù)合可得到一種新功能轉(zhuǎn)換(Z/X)材料，其轉(zhuǎn)換效率比單一材料組合提高兩個數(shù)量級以上。復(fù)合材料的傳遞特性實(shí)例參見表9-2。非線性效應(yīng)可細(xì)分為乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和共振效應(yīng)。10系統(tǒng)效應(yīng)的機(jī)理還未確定，但效果很奇妙，如彩色膠片只有紅綠藍(lán)三種感光層，但照片色彩千變?nèi)f化；又如玻纖斷裂能約0.0075kg/cm，常用樹脂斷裂能約0.226kg/cm，而兩者復(fù)合成玻璃鋼后，斷裂能猛增到176kg/cm。誘導(dǎo)效應(yīng)指增強(qiáng)體晶形會誘導(dǎo)基體結(jié)構(gòu)改變形成界面層相，使增強(qiáng)體與基體結(jié)合更為牢固。系統(tǒng)效應(yīng)的機(jī)理還未確定，但效果很奇妙，如彩色膠片只有紅綠藍(lán)三11復(fù)合材料的界面效應(yīng)可歸納為6種：1阻斷效應(yīng)：阻止裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中，中斷材料破壞等。2不連續(xù)效應(yīng)：物理性能在界面處發(fā)生突變。3散射和吸收效應(yīng)：界面對各種波傳遞的散射和吸收。4感應(yīng)效應(yīng)：一種物質(zhì)的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)使與之接觸的另一種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。5界面結(jié)晶效應(yīng)：材料固化時，容易在界面形核結(jié)晶。6界面化學(xué)效應(yīng)：官能團(tuán)、原子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。復(fù)合材料的界面效應(yīng)可歸納為6種：12在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，增強(qiáng)顆粒尺寸為1~50μm的稱為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，顆粒尺寸在0.01~1μm稱為彌散強(qiáng)化復(fù)合材料，把亞微米至納米級顆粒增強(qiáng)的稱為精細(xì)復(fù)合材料。在聲、光、電、磁等領(lǐng)域，功能材料應(yīng)用十分普遍。制造復(fù)合功能材料時，第二相粒子尺寸必須小于其工作波長。在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，增強(qiáng)顆粒尺寸為1~50μm的稱為顆粒增13在纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料中，若纖維束長度為L，承受應(yīng)力為σ，則拉伸斷裂概率符合Weibull分布方程：F(σ)=1-exp(-αLσβ)(9-2)式中α為尺寸參數(shù)，β為形狀參數(shù)，都由實(shí)驗(yàn)測定。纖維平均強(qiáng)度：σ=(αL)-1/βΓ(1+1/β)(9-3)式中Γ為伽瑪函數(shù)。在纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料中，若纖維束長度為L，承受應(yīng)力為σ，則拉149.2復(fù)合材料增強(qiáng)原理9.2.1復(fù)合思想9.2.1.1仿生思想：效仿和借鑒動植物結(jié)構(gòu)形式。9.2.1.2綠色材料思想：環(huán)保和資源合理利用。9.2.1.3充分利用協(xié)同效應(yīng)思想：使材料復(fù)合作用大于單獨(dú)作用效果之和。9.2.1.4智能材料思想：使復(fù)合材料對環(huán)境自適應(yīng)。9.2復(fù)合材料增強(qiáng)原理159.2.2復(fù)合材料增強(qiáng)原理：在復(fù)合材料中，增強(qiáng)體主要用來承擔(dān)載荷，要求具有高強(qiáng)度和高模量。基體主要用于固定和黏附增強(qiáng)體，并通過界面將所受載荷傳遞給增強(qiáng)體，而自身只承受少量載荷；基體還隔離各單一增強(qiáng)體，當(dāng)有增強(qiáng)體損傷或斷裂時，裂紋不至于在增強(qiáng)體之間傳遞；同時能保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境的化學(xué)作用和物理損傷。9.2.2復(fù)合材料增強(qiáng)原理：在復(fù)合材料中，增強(qiáng)體主要用來承16增強(qiáng)體、基體和界面共同作用可改變復(fù)合材料的韌性、抗疲勞性、抗蠕變性、抗沖擊性和其他性能?；w和增強(qiáng)體通過界面結(jié)合，但結(jié)合力應(yīng)適當(dāng)，過小容易開裂，過大則使韌性下降。陶瓷基復(fù)合材料的基體已有足夠強(qiáng)度，但脆性大，陶瓷基復(fù)合的主要目的是增韌補(bǔ)強(qiáng)，而金屬基和樹脂基的復(fù)合作用是增強(qiáng)補(bǔ)韌。按增強(qiáng)體種類和形態(tài)可將復(fù)合材料分為彌散增強(qiáng)型、粒子增強(qiáng)型和纖維增強(qiáng)型三類。增強(qiáng)體、基體和界面共同作用可改變復(fù)合材料的韌性、抗疲勞性、抗17彌散增強(qiáng)型：彌散增強(qiáng)主要針對金屬基，彌散分布的硬質(zhì)顆粒如Al2O3,TiC,SiC等可有效阻止位錯運(yùn)動，顯著提高金屬及合金的強(qiáng)度。為了保證彌散增強(qiáng)效果，增強(qiáng)體應(yīng)該堅硬、穩(wěn)定且不與基體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時顆粒尺寸、形狀和體積分?jǐn)?shù)及結(jié)合情況都應(yīng)合理。彌散增強(qiáng)型：彌散增強(qiáng)主要針對金屬基，彌散分布的硬質(zhì)顆粒如Al18根據(jù)位錯繞過機(jī)制，若顆粒間距為DP，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形時，剪切力應(yīng)為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度，即：

τy=Gmb/Dp(9-4)式中Gm為基體剪切模量，b為位錯柏氏矢量的模?；w的理論斷裂強(qiáng)度約為Gm/30，理論屈服強(qiáng)度約為Gm/100，分別對應(yīng)位錯運(yùn)動所需剪切應(yīng)力的上下限。由此算出彌散增強(qiáng)體的顆粒間距應(yīng)在0.01μm~0.3μm之間。根據(jù)位錯繞過機(jī)制，若顆粒間距為DP，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形時，19如果顆粒直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為φp，顆粒呈彌散分布，根據(jù)體視金相學(xué)，有：Dp=(2dp2/3φp)1/2(1-φp)(9-5)代入式9-4可得彌散顆粒金屬基復(fù)合材料屈服強(qiáng)度：τy=Gmb/[(2dp/3φp)1/2(1-φp)](9-6)可見顆粒越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好。但φP受工藝條件和韌性要求限制不能過高，一般φp=0.01~0.15,dp=0.01~0.1μm。如果顆粒直徑為dp，體積分?jǐn)?shù)為φp，顆粒呈彌散分布，根據(jù)體視20*彌散銅(鋁銅CuAl2O3）制品：

1.CuAl2O3彌散鋁銅:彌散硬化Cu-Al2O3復(fù)合材料是用12~25納米極細(xì)小Al2O3微粒強(qiáng)化銅的基體，使該材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)電性及高軟化溫度。在美國、日本等國家已被廣泛應(yīng)用于大型微波管結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電材料、轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶銀觸頭和點(diǎn)焊接電極等方面新材料的生產(chǎn)，工藝為：Cu-Al合金內(nèi)氧化-等靜壓壓胚-燒結(jié)-熱擠壓-拉拔-加工成型。具有良好的熱穩(wěn)定性，具有較好的塑性和加工性能，可以通過鍛造、冷拉、軋制等工藝制備成管、棒、片、帶、板等不同的形狀和規(guī)格.

2.技術(shù)指標(biāo)：密度g/cm3：8.85，抗拉強(qiáng)度MPa：560，屈服強(qiáng)度MPa：470，

延伸率%：7，硬度HV>120，電導(dǎo)率IACS%：85，軟化溫度℃>900

*彌散銅(鋁銅CuAl2O3）制品：

1.CuAl2O3彌散21粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體和基體的比例有關(guān)，某些性能只取決于各組成物質(zhì)的相對數(shù)量和性能。復(fù)合材料的密度由混合定則表述：

ρc=ρpφp+ρmφm

式中：ρc,ρp,ρm分別表示復(fù)合材料，粒子和基體的密度；φp,φm分別表示復(fù)合材料中粒子和基體的體積分?jǐn)?shù)。粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體和基體的比例有關(guān)，某些性能只取22對于晶體結(jié)構(gòu)的基體材料，當(dāng)粒子大到位錯運(yùn)動不能繞過時，將發(fā)生位錯受阻塞積，限制基體變形，同時在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，領(lǐng)先位錯受力σi為:

σi=nσ(9-9)式中σ為平均應(yīng)力；n為塞積位錯數(shù)。根據(jù)位錯理論n=σ2Dp/Gmb(9-10)Dp為粒子剪切彈性模量。對于晶體結(jié)構(gòu)的基體材料，當(dāng)粒子大到位錯運(yùn)動不能繞過時，將發(fā)生23設(shè)粒子理論破壞應(yīng)力為Dp/30，當(dāng)粒子破壞時位錯得以運(yùn)動，此時應(yīng)力應(yīng)為材料屈服強(qiáng)度σy，則有：

σi=Gp/30=σy2Dp/Gmb(9-11)由此可得：

σy=GmGpb/30Dp(9-12)將式９-5代入得：

σy=3GmGpbVp1/2/302dp(1-φp)(9-13)由此可知，粒子直徑dp越小，體積分?jǐn)?shù)φp越高，對結(jié)晶型基體復(fù)合材料的增強(qiáng)效果越好。設(shè)粒子理論破壞應(yīng)力為Dp/30，當(dāng)粒子破壞時位錯得以運(yùn)動，此24非晶體基體復(fù)合材料的強(qiáng)度計算公式分兩種。界面未結(jié)合或結(jié)合差時，其強(qiáng)度σcu為：

σcu=0.83pαφp+Kσmu(1-φp)(9-14)式中P為粒子通過界面受基體的正壓力；α為基體與粒子間的磨擦因數(shù)；σmu為基體抗拉強(qiáng)度；K為由于界面無結(jié)合造成的基體強(qiáng)度降低因數(shù)，其值為0.7~1.0,K=a+bdp-1/2,a,b為常數(shù)。非晶體基體復(fù)合材料的強(qiáng)度計算公式分兩種。25嚴(yán)格說來，界面無結(jié)合的不能稱為復(fù)合材料。但由于基體變形時會與粒子間產(chǎn)生相互作用，粒子將限制基體變形而使材料得以強(qiáng)化。從前式可看出：φp一定時，界面無結(jié)合的非晶體基體復(fù)合材料的強(qiáng)度可通過提高摩擦因數(shù)

和減小粒子尺寸dp來提高。嚴(yán)格說來，界面無結(jié)合的不能稱為復(fù)合材料。但由于基體變形時會與26當(dāng)基體與粒子界面有黏結(jié)時，復(fù)合材料的強(qiáng)度σcu為:σcu=(σa+0.83τm)φp+σaS(1+φp)(9-15)式中σa為界面黏結(jié)強(qiáng)度在外力方向所允許的最大應(yīng)力；τm為界面剪切強(qiáng)度(近似等于基體剪切強(qiáng)度τmu)；S為材料破壞時基體內(nèi)平均應(yīng)力與σa的比值，稱為應(yīng)力集中因數(shù)。式中第一部分為粒子承載部分，第二部分為基體承載部分，即粒子也能分擔(dān)部分載荷；同時，界面黏結(jié)強(qiáng)度對復(fù)合材料性能有明顯影響。當(dāng)基體與粒子界面有黏結(jié)時，復(fù)合材料的強(qiáng)度σcu為:27用粒子增強(qiáng)碳素或陶瓷等需要燒結(jié)成型的材料時，不同相之間的幾何形態(tài)、尺寸效應(yīng)和增強(qiáng)粒子的最優(yōu)分布與匹配設(shè)計對復(fù)合材料性能影響很大。加入的粒子尺寸過小不易產(chǎn)生增強(qiáng)效果；過大會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，出現(xiàn)自發(fā)微裂紋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，燒結(jié)后的粒徑約為原始粒徑的2~6倍。對高性能陶瓷材料，一般增強(qiáng)顆粒粒徑選在0.1~100μm范圍。用粒子增強(qiáng)碳素或陶瓷等需要燒結(jié)成型的材料時，不同相之間的幾何28圖9-3為圓形粒子大小配合圖，下圖中綠色的為基體分料粒子，紅色為增強(qiáng)粒子。為了得到致密和性能優(yōu)良的最終產(chǎn)品，增強(qiáng)粒子粒徑應(yīng)與基體粒子粒徑適當(dāng)搭配并分布均勻。圖9-3為圓形粒子大小配合圖，下圖中綠色的為基體分料粒子，紅299.2.2.3纖維增強(qiáng)型(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)原理：若纖維在基體中呈單向均勻排列，則沿纖維方向，復(fù)合材料的各項性能可用混合定則表述：Pc=Pfφf+Pmφm(9-16)在制造復(fù)合材料時，難免出現(xiàn)一些不理想情況，為了更準(zhǔn)確計算纖維方向的彈性模量，混合定則可改寫為：Ec=k(Efφf+Emφm)(9-17)k取值0.9~1.0之間。9.2.2.3纖維增強(qiáng)型30當(dāng)外力達(dá)到使基體發(fā)生塑性變形，基體對復(fù)合材料的剛度影響可以忽略不計時：

Ec=kEfφf(9-18)如果外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維方向,而纖維與基體對復(fù)合材料線性伸長的作用不相關(guān)，則每一組元的應(yīng)變加權(quán)和等于復(fù)合材料的總應(yīng)變。由此可導(dǎo)出垂直于纖維方向彈性模量的計算式：1/Ec=φf/Ef+φm/Em(9-19)*ε=F/E當(dāng)外力達(dá)到使基體發(fā)生塑性變形，基體對復(fù)合材料的剛度影響可以忽31對于復(fù)混材料,若Ef1和Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性模量，Em表示基體的彈性模量，則單向排列纖維的混雜復(fù)合材料模量可表示為：Ec=Ef1φf1+Ef2φf2+Emφm(9-20)式中φ為體積分?jǐn)?shù)；φf1＋φf2＋φm=1。式9-17~9-20適用于拉伸和壓縮載荷的計算,但對拉伸計算更為精確。對于復(fù)混材料,若Ef1和Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性32單向連續(xù)纖維復(fù)合材料在纖維方向的強(qiáng)度為：σcu=σfuφf+σm*(1-φf)(9-21)式中σfu為纖維抗拉強(qiáng)度；σm*為纖維斷裂時的基體應(yīng)力；σcu為復(fù)合材料沿纖維方向的抗拉強(qiáng)度。由于纖維是復(fù)合材料的主要承載者，因此可以用基體屈服強(qiáng)度σmu為來近似代替σm*。此式只適合于拉伸載荷的計算。單向連續(xù)纖維復(fù)合材料在纖維方向的強(qiáng)度為：33由式9-21可以看出：復(fù)合材料的強(qiáng)度由基體強(qiáng)度σmu和增強(qiáng)纖維強(qiáng)度σfu兩部分線性組成，據(jù)此可作圖9-4。圖中φfmin表示纖維最小體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)φf<φfmin時，復(fù)合材料的強(qiáng)度由基體決定；當(dāng)φf>φfmin時，材料的強(qiáng)度由纖維控制。復(fù)合材料的目的是為了增強(qiáng)基體，要求σcu

σmu。由此可得臨界纖維體積分?jǐn)?shù)φfer=(σmu-σm*)/(σfu-σm*)(9-22)由式9-21可以看出：復(fù)合材34φfer的意義是基體真正得到增強(qiáng)時所應(yīng)該加入的纖維的最小體積分?jǐn)?shù)。單向復(fù)合材料在纖維方向的抗拉強(qiáng)度大大高于抗壓強(qiáng)度，但拉伸和壓縮模量相差不大；在垂直于纖維方向的拉伸強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度，但壓縮強(qiáng)度大于基體強(qiáng)度，拉伸和壓縮模量都高于基體模量。φfer的意義是基體真正得到增強(qiáng)時所應(yīng)該加入的纖維的最小體積35(2)短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料：與長纖維增強(qiáng)相比，短纖維和晶須增強(qiáng)的成本低，各向異性較小。圖9-5中，短纖維或晶須復(fù)合材料受水平拉力作用變形后，因基體變形量大于增強(qiáng)體變形量，而兩者結(jié)合緊密，于是在界面產(chǎn)生剪應(yīng)力。并通過剪應(yīng)力將承受載荷合理分?jǐn)傇诶w維和基體上，纖維所受拉應(yīng)力更大，這就是短纖維或晶須增強(qiáng)的原理。(2)短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料：與長纖維增強(qiáng)相比，短纖維和36短纖維或晶須復(fù)合材料強(qiáng)度可大致表示為：σcu=(1-Lc/2L)σfuφf+σm*(1-φf)(9-30)式中σm*為纖維斷裂時的基體應(yīng)力；Lc為纖維臨界長度(因拉長而斷裂時的增長度)；L為纖維長度。短纖維或晶須增強(qiáng)的臨界體積分?jǐn)?shù)φfer的導(dǎo)出過程與連續(xù)纖維復(fù)合材料相似，即：φfer=(σmu-σm*)/(σf-σm*)(9-31)與式9-22比較，由于σf<σfu，短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界體積分?jǐn)?shù)高于連續(xù)纖維復(fù)合材料，說明增強(qiáng)作用較小一些。短纖維或晶須復(fù)合材料強(qiáng)度可大致表示為：37在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維斷裂應(yīng)變小于基體斷裂應(yīng)變時，纖維將先于基體斷裂為Lc或2Lc長的短纖維。此時材料仍能承載，只是承載能力變?yōu)槎汤w維承載時的狀態(tài)。在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維斷裂應(yīng)變小于基體斷裂應(yīng)變時，纖389.3復(fù)合材料界面界面是基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化但彼此結(jié)合的、能傳遞載荷作用的過渡區(qū)域(1~102nm)。該區(qū)域中的材料結(jié)構(gòu)和性能不同與組分材料中的任意一個。簡稱為界面相或界面層。由于增強(qiáng)體細(xì)小，界面層面積比例很大，其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和完整性對復(fù)合材料的性能影響極大。9.3復(fù)合材料界面399.3.1復(fù)合材料界面結(jié)合類型建立界面需要一定的結(jié)合力。界面結(jié)合力大致分為物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。物理結(jié)合力一般為范得華力，包括偶極定向力、誘導(dǎo)偶極定向力和色散力以及氫鍵作用力；化學(xué)結(jié)合力指界面產(chǎn)生共價鍵和金屬鍵。實(shí)際上又根據(jù)界面形成中物理和化學(xué)形式進(jìn)行分類。9.3.1復(fù)合材料界面結(jié)合類型409.3.1.1金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類型：(1)機(jī)械結(jié)合：指僅由粗糙表面和因基體收縮包緊增強(qiáng)體產(chǎn)生的磨擦結(jié)合。復(fù)合不充分時發(fā)生此類結(jié)合。承載力很小。(2)熔解和浸潤結(jié)合：基體能潤濕增強(qiáng)體，相互間發(fā)生擴(kuò)散和熔解，相互作用為短程力(幾個原子間距)。當(dāng)增強(qiáng)體表面能很小不能被潤濕時，可借助涂層予以改善。9.3.1.1金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類型：41(3)反應(yīng)結(jié)合：特征是通過基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物。如硼纖維增強(qiáng)鈦合金在界面處生成TiB2。實(shí)際上界面反應(yīng)是復(fù)雜的，可能發(fā)生多個反應(yīng)，并通過擴(kuò)散發(fā)生元素交換。一般情況下結(jié)合強(qiáng)度隨反應(yīng)程度增加而增加，達(dá)到一定程度后有所減弱。(3)反應(yīng)結(jié)合：特征是通過基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物。如42(4)氧化結(jié)合：為增強(qiáng)體表面吸附空氣帶來的氧化作用或是氧化物與基體的結(jié)合。如硼纖維增強(qiáng)鋁合金時，硼纖維吸附的氧與之反應(yīng)生成BO2，BO2又與鋁接觸反應(yīng)生成B和AL2O3，形成氧化結(jié)合。(5)混合結(jié)合：上述幾種方式的組合。其存在較為普通，是最重要的一種結(jié)合方式。(4)氧化結(jié)合：為增強(qiáng)體表面吸附空氣帶來的氧化作用或是氧化439.3.1.2樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合類型(1)化學(xué)鍵合：基體表面的官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成共價鍵結(jié)合的界面區(qū)。這種方式在增強(qiáng)體表面處理后和使用偶聯(lián)劑后存在較普遍。如用有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑強(qiáng)化增強(qiáng)體與樹脂基界面結(jié)合(圖9-8)。9.3.1.2樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合類型44(2)浸潤-浸吸附結(jié)合：增強(qiáng)體被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。這種結(jié)合有時會超過基體的內(nèi)聚力。(3)擴(kuò)散結(jié)合：界面擴(kuò)散作用形成界面模糊區(qū)。如玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基，用偶聯(lián)劑一端與玻璃纖維基質(zhì)表面以化學(xué)鍵結(jié)合，另一端可熔解擴(kuò)散于界面區(qū)域的樹脂中，形成互穿高聚物網(wǎng)絡(luò)(圖9-9)。(2)浸潤-浸吸附結(jié)合：增強(qiáng)體被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生45(4)機(jī)械結(jié)合：類似前述金屬基復(fù)合材料。(5)靜電結(jié)合:兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時(如金屬