復合材料講義-中科大

復合材料導論IntroductiontoCompositeMaterials〔講稿〕石南林中國科學院金屬研究所2004年2月目錄前言材料的開展與人類社會的進步復合材料的提出復合材料的開展歷史和意義四、課程的重點和要求第二章復合材料概述一、復合材料的定義和特點復合材料的定義復合材料的特點3、復合材料的根本結構模式二、復合材料的分類三、復合材料的開展歷史四、復合材料的根本性能復合材料界面復合材料的界面復合材料的相容性復合材料的界面理論界面結合強度的測定1、界面結合強度的測定2、界面結合強度的表征五、界面剩余應力復合材料的復合理論一、復合材料的增強機制1、顆粒增強復合材料的增強機制2、纖維〔包括晶須、短纖維〕增強復合材料的增強機制二、復合材料的復合法那么—混合定律混合定律連續(xù)纖維單向增強復合材料〔單向板〕短纖維增強復合材料復合材料力學和結構設計根底一、復合材料力學單層復合材料層合復合材料二、復合材料設計單向層彈性常數(shù)預測公式正交層的工程彈性常數(shù)預測公式單向板強度預測公式復合材料的強度準那么平面正交織物復合材料的強度應力的轉換復合材料的其它性能復合材料基體聚合物熱固性樹脂熱塑性樹脂金屬用于450C以下的輕金屬基體〔鋁、鎂及其合金〕用于450~750C復合材料的金屬基體〔鈦及其合金〕用于750C以上高溫復合材料的金屬基體陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷四、碳〔石墨〕復合材料增強劑一、復合材料增強劑的特點二、纖維無機纖維陶瓷纖維有機纖維各種纖維性能的比較三、晶須四、顆粒聚合物基復合材料〔PMC〕一、聚合物基復合材料的分類二、聚合物基復合材料的性能三、聚合物基復合材料的制備工藝四、復合材料成型固化工藝工藝性復合材料的固化工藝過程五、PMC的界面1、PMC的界面特點2、PMC的界面表征3、PMC的界面作用機理4、PMC的界面設計六、纖維增強聚合物復合材料的力學性能靜態(tài)力學性能疲勞性能沖擊和韌性七、鋪層設計1、層合板設計的一般原那么2、等代設計法3、層合板排序設計法4、層合板的層間問題八、結構設計明確設計條件材料設計結構設計金屬基復合材料〔MMC〕一、金屬基復合材料概述金屬基復合材料的分類金屬基復合材料的研究特點二、金屬基復合材料的制備工藝金屬基復合材料的制備工藝概述先驅〔預制〕絲〔帶、板〕的制備固態(tài)法〔連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝〕液態(tài)法〔非連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝〕粉末冶金法〔非連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝〕原位〔insitu〕生長〔復合法〕三、金屬基復合材料的界面和界面設計金屬基復合材料的界面金屬基復合材料的界面結合金屬基復合材料的界面剩余應力四、金屬基復合材料的的性能金屬基復合材料的的一般性能特點纖維增強金屬基復合材料的的性能顆粒、晶須增強金屬基復合材料的的性能陶瓷基復合材料〔CMC〕一、陶瓷基復合材料概述二、陶瓷基復合材料的制備工藝粉末冶金法漿體法反響燒結法液態(tài)浸漬法直接氧化法膠-凝膠〔Sol-Gel〕法化學氣相浸漬其它方法三、陶瓷基復合材料的界面和界面設計界面的粘結形式界面的作用界面的改善四、陶瓷基復合材料的的性能室溫力學性能高溫力學性能五、陶瓷基復合材料的的增韌機制顆粒增韌纖維、晶須增韌碳碳復合材料〔C/C〕一、碳碳復合材料概述二、碳碳復合材料的制備工藝碳碳復合材料的預成型和基體碳碳碳復合材料的制備工藝三、碳碳復合材料的界面碳碳復合材料的界面和結構碳碳復合材料的顯微組織四、碳碳復合材料的抗氧化碳碳復合材料的氧化碳碳復合材料的氧化保護原理碳碳復合材料的抗氧化保護水泥復合材料一、水泥水泥的定義和分類水泥的制造方法和主要成分水泥的強度和硬化二、水泥復合材料混凝土纖維增強水泥復合材料聚合物改性混凝土三、水泥復合材料的成型工藝混凝土的配合比設計及成型工藝控制鋼筋混凝土的成型工藝纖維增強水泥復合材料的成型工藝聚合物改性混凝土的成型工藝四、〔鋼筋混凝土〕纖維/基體的界面混雜復合材料混雜復合材料概述混雜復合材料混雜方式1、單向混雜纖維復合材料2、單向預浸料角度鋪層混雜3、混雜織物混雜4、超級混雜復合材料三向編織物混濁復合夾層結構混雜復合材料的幾個概念1、混雜效應2、混雜復合材料的界面和界面數(shù)3、混雜比4、分數(shù)度5、鋪層形式6、臨界含量混雜復合材料的力學性能1、彈性模量2、橫向彈性模量3、單向混雜復合材料沿纖維主向的強度4、纖維的臨界含量納米及分子復合材料一、納米粉體的合成納米粉體的物理制備方法納米粉體的的化學制備方法二、先進納米增強劑的制備碳化硅納米晶須碳納米管納米碳纖維三、陶瓷基納米復合材料的制備納米-納米復合材料納米-微米復合材料四、聚合物有機-無機納米復合材料的制備方法1、溶膠-凝膠〔Sol-Gel〕法2、層間插入法3、共混法4、原位聚合法5、分子的自組裝和組裝6、輻射合成法五、聚合物有機-無機納米復合材料的應用現(xiàn)狀六、應用前景展望復合材料的應用和開展一、復合材料的應用1、聚合物基復合材料的應用2、金屬基復合材料的應用陶瓷基復合材料的應用碳碳復合材料二、復合材料的開展1、復合材料的性能比照2、復合材料的開展趨勢第一章前言一、材料的開展與人類社會的進步材料是人類社會進步的物質根底和先導，是人類進步的里程碑。綜觀人類開展和材料開展的歷史，可以清楚地看到，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平，給社會生產力和人類生活帶來巨大的變化。材料的開展與人類進步和開展息息相關。一萬年前，人類使用石頭作為日常生活工具，人類進入了舊石器時代，人類戰(zhàn)爭也進入了冷兵器時代。7000年前人類在燒制陶器的同時創(chuàng)造了煉銅技術，青銅制品廣泛地得到應用，同時又促進了人類社會開展，人類進入了青銅器時代。同時火藥的創(chuàng)造又使人類戰(zhàn)爭進入了殺傷力更強的熱兵器時代。5000年前人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術的開展，人類又創(chuàng)造了煉鋼技術。十九世紀中期轉爐、平爐煉鋼的開展使得世界鋼產量迅猛增加，大大促進了機械、鐵路交通的開展。隨著二十世紀中期合金鋼的大量使用，人類又進入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動中起著舉足輕重的作用。核材料的發(fā)現(xiàn)，又將人類引入了可以消滅自己的核軍備競賽，同時核材料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合材料的開展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，樓房可以越蓋越高、飛機越飛越快，同時人類進入太空的夢想成為了現(xiàn)實。當前材料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會將人類物質文明推向新的階段。二十一世紀將是一個新材料時代。二、復合材料的提出現(xiàn)代高科技的開展更緊密地依賴于新材料的開展；同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求。在現(xiàn)代高技術迅猛開展的今天，特別是航空、航天和海洋開發(fā)領域的開展，使材料的使用環(huán)境更加惡劣，因而對材料提出了越來越苛刻的要求。例如，航天飛機等空間飛行器在飛行過程中要受到大氣阻力、地球引力、太陽輻射力、空間熱環(huán)境、太陽風、宇宙射線、宇宙塵埃、流星、磁矩等的作用。飛行器發(fā)動機還要受到其熱環(huán)境、內流形成的氣動力、結構振動、機件高速轉動、液體晃動、振蕩燃燒和POGO振動等非正常破壞力的作用。同時由于飛行范圍〔M數(shù)、飛行高度〕的擴大、發(fā)動機的推力、比推力及推/重比大大提高，導致了發(fā)動機壓力比、涵道比、進口溫度、燃燒室溫度、TIT、轉子轉速等也日益提高。由此構成的力、熱、化學和物理等效應的作用，最終都要集中到構成飛行器和發(fā)動機結構的材料上去，因此對材料的質輕、高強、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化及抗腐蝕等特性也日益提出了更加苛刻的要求。又如現(xiàn)代武器系統(tǒng)的開展對新材料提出了如下要求：1、高比強、高比模；2、耐高溫、抗氧化；3、防熱、隔熱；4、吸波、隱身；5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；7、減振、降噪，穩(wěn)定、隱蔽、高精度和命中率；8、抗激光、抗定向武器；9、多功能；10、高可靠性和低本錢。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，當前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地開展，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)代科學技術開展的需要。例如，金屬材料的強度、模量和高溫性能等已幾乎開發(fā)到了極限；陶瓷的脆性、有機高分子材料的低模量、低熔點等固有的缺點極大地限制了其應用。這些都促使人們研究開發(fā)并按預定性能設計新型材料。復合材料，特別是先進復合材料就是為了滿足以上高技術開展的需求而開發(fā)的高性能的先進材料。它由兩種或兩種以上性質不同的材料組合而成，各組分之間性能“取長補短〞，起到“協(xié)同作用〞，可以得到單一材料無法比較的優(yōu)秀的綜合性能，極大地滿足了人類開展對新材料的需求。因此，復合材料是應現(xiàn)代科學技術而開展出來的具有極大生命力的材料?，F(xiàn)代科學技術不斷進步的結果，是材料設計的一個突破。三、復合材料的開展歷史和意義：實際上，在自然界就存在著許多天然的復合物。例如天然的許多植物竹子、樹木等就是自生長長纖維增強復合材料；人類肌肉/骨骼結構也是復合材料結構原理。我們的祖先也早就創(chuàng)造和使用了復合材料。6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑材料砌建房屋墻壁，迄今在某些貧窮農村仍然沿用著這種原始的非連續(xù)纖維增強復合材料。在現(xiàn)代，復合材料的應用更比目皆是，與日常生活和國民經(jīng)濟密不可分。如由沙石、鋼筋和水泥構成的水泥復合材料已廣泛地應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；玻璃纖維增強塑料〔玻璃鋼〕更是一種廣泛應用的較現(xiàn)代化復合材料?，F(xiàn)代高科技的開展更是離不開復合材料。例如就航天、航空飛行器減輕結構重量這點而言，噴氣發(fā)動機結構重量減1Kg，飛機結構可減重4Kg，升限可提高10米；一枚小性洲際導彈第三級結構重量減輕1Kg，整個運載火箭的起飛重量就可減輕50Kg，地面設備的結構重量就可減輕100Kg，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15~20Km；而航天飛機的重量每減輕1Kg，其發(fā)射本錢費用就可以減少15000美元(圖1、圖2)。因此，現(xiàn)代航空、航天領域對飛行器結構的減重要求已經(jīng)不是“斤斤計較〞，而是“克克計較〞。圖1火箭殼體材料對射程的影響先進復合材料具有高比強度、高比模量的優(yōu)點，可以顯著減輕結構重量，是理想的現(xiàn)代飛行器結構材料。先進復合材料的使用，不僅極大地提高了現(xiàn)代飛行器的性能，使得人類飛天、登月的夢想變成現(xiàn)實，同時也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。先進復合材料結構在新型衛(wèi)星結構中已占了85%以上，在現(xiàn)代高科技領域具有廣泛的應用前景〔圖3〕。綜上所述，復合材料對現(xiàn)代科學技術的開展有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產開展的速度和規(guī)模已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。復合材料是現(xiàn)代科學技術不斷進步的結果，是材料設計的一個突破；復合材料的開展同時又進一步推動了現(xiàn)代科學技術的不斷步?？梢灶A料，隨著高性能樹脂先進復合材料的不斷成熟和開展、金屬基、特別是金屬間化合物基復合材料和陶瓷基復合材料的實用化、以及微觀尺度的納米復合材料和分子復合材料的開展，復合材料在人類生活中的重要性將越來越顯著。同時，隨著科學技術的開展，現(xiàn)代復合材料也將賦予新的內容和使命。21世紀將是復合材料的新時代。圖4四、課程的重點和要求本課程為先進復合材料專業(yè)研究生的專業(yè)根底課。該課程的學習重點是使學生能夠較全面和系統(tǒng)地理解復合材料及其力學的重要根本概念和理論，各類復合材料的性能、成型工藝、界面特征和結構設計以及復合材料，特別是先進復合材料的開展趨勢，同時具有初步的復合材料設計能力。為學生今后在復合材料領域的深造和專門研究奠定較堅實的根底。第二章復合材料概述一、復合材料的定義和特點：1、復合材料的定義：國際標準化組織〔ISO〕將復合材料定義為是：兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。F.L.Matthews和R.D.Rawlings認為復合材料是兩個或兩個以上組元或相組成的混合物，并應滿足下面三個條件：〔1〕組元含量大于5%；〔2〕復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。在“材料科學技術百科全書〞和“材料大辭典〞中將復合材料定義如下：復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它與一般材料的簡單混合有本質區(qū)別，既保存原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設計使原組分的性能相互補充并彼此關聯(lián)，從而獲得更優(yōu)越的性能。復合材料將由宏觀復合形式向微觀〔細觀〕復合形式開展，包括原位生長復合材料、納米復合材料和分子復合材料等。綜上所述，復合材料定義所闡述的主要有兩點，即組成規(guī)律和性能特征。2、復合材料的特點：由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3〕復合材料具有可設計性。3、復合材料的根本結構模式復合材料由基體和增強劑兩個組分構成：復合材料結構通常一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是一以獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和和增強，稱為增強劑〔增強相、增強體〕。增強劑〔相〕一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性。增強劑〔相〕可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑〔相〕與基體之間存在著明顯界面。二、復合材料的分類——普通復合材料—按性能分類：——先進復合材料—熱固性—聚合物復合材料——熱塑性—金屬基復合材料—按基體分類———陶瓷基復合材料—碳碳復合材料—水泥基復合材料—結構復合材料—按用途分類———功能復合材料—智能復合材料—按增強劑分類———顆粒增強復合材料—晶須增強復合材料—短纖維增強復合材料—連續(xù)纖維增強復合材料—混雜纖維增強復合材料—三向編織復合材料普通復合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強普通聚合物復合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。先進復合材料〔AdvancedComposite，HighPerformanceComposite〕：高性能增強劑〔碳、硼、Kevlar、氧化鋁、SiC纖維及晶須等〕增強高溫聚合物、金屬、陶瓷和碳〔石墨〕等復合材料。一般來講，先進復合材料的比強度和比剛度應分別到達400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。結構復合材料：用作承力和次承力結構。要求具有質量輕、高強度、高剛度、耐高溫以及其它性能。功能復合材料：電、熱、聲、摩擦、阻尼等。包括機敏和智能復合材料?；祀s復合材料：兩種或兩種以上增強體構成的復合材料。通過產生混雜效應改善性能和降低本錢。結構/功能一體化復合材料：在保持材料根本力學性能的前提下，具有特定功能特性，如光、電、磁、摩擦、阻尼等。復合材料的根本性能〔優(yōu)點〕：

1、高比強度、高比模量〔剛度〕：圖2-1典型金屬基體復合材料與基體材料合金性能的比較與傳統(tǒng)的單一材料相比，復合材料具有很高的比強度和比模量〔剛度〕：比強度、比模量：材料的強度或模量與其密度之比。比強度=強度/密度MPa/〔g/cm3〕,比模量=模量/密度GPa/〔g/cm3〕。材料的比強度愈高，制作同一零件那么自重愈??；材料的比模量愈高，零件的剛度愈大。2、良好的高溫性能：圖2–2不同SiC纖維復合材料的使用溫度范圍復合材料可以在廣泛的溫度范圍內使用，同時其使用溫度均高于復合材料基體。目前聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350C；金屬基復合材料按不同的基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內變動；陶瓷基復合材料的使用溫度可達1400C；而碳碳復合材料的使用溫度最高，可高達2800C。3、良好的尺寸穩(wěn)定性：參加增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調整復合材料的熱膨脹系數(shù)。例如在石墨纖維增強鎂基復合材料中，當石墨纖維的含量到達48%時，復合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制品不發(fā)生熱變形。這對人造衛(wèi)星構件非常重要。圖2-3不同材料的尺寸穩(wěn)定性和比模量4、良好的化學穩(wěn)定性：聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料具有良好的抗腐蝕性。5、良好的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性：由于增強體的參加，復合材料的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性等性能得到提高，特別是陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善6、良好的功能性能：包括光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。復合材料界面一、復合材料界面〔InterfaceorInterphase〕復合材料的界面是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復合材料的界面是一個多層結構的過渡區(qū)域，約幾個納米到幾個微米〔圖3-1、圖3-2〕。此區(qū)域的結構與性質都不同于兩相中的任何一相。這一界面區(qū)由五個亞層組成，每一亞層的性能都與基體和增強相的性質、復合材料成型方法有關。1、外力場2、基體3、基體外表區(qū)4、相互滲透區(qū)5、增強劑外表區(qū)6、增強劑圖3–1復合材料的界面示意圖圖3–2SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復合材料界面透射電鏡照片及示意圖界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應：〔1〕傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用?！?〕阻斷效應：基體和增強相之間結合力適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、減緩應力集中的作用?！?〕不連續(xù)效應：在界面上產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、電感應性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等?！?〕散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等?！?〕誘導效應：一種物質〔通常是增強劑〕的外表結構使另一種〔通常是聚合物基體〕與之接觸的物質的結構由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產生一些現(xiàn)象，如強彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。界面效應是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復合材料具有重要的作用。界面效應既與界面結合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學性質有關，也與復合材料各組分的浸潤性、相容性、擴散性等密切相關。界面的結合狀態(tài)和強度對復合材料的性能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有適宜的界面結合強度。許多因素影響著界面結合強度，如外表幾何形狀、分布狀況、紋理結構、外表雜質、吸附氣體程度、吸水情況、外表形態(tài)、在界面的溶解、擴散和化學反響、外表層的力學特性、潤濕速度等。界面結合較差的復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、纖維應力松弛等現(xiàn)象。界面結合過強的復合材料那么呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。界面最正確態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。因此，在研究和設計界面時，不應只追求界面結合而應考慮到最優(yōu)化和最正確綜合性能。二、復合材料組分的相容性物理相容性：是指基體應具有足夠的韌性和強度，能夠將外部載荷均勻地傳遞到增強劑上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。另外，由于裂紋或位錯移動，在基體上產生的局部應力不應在增強劑上形成高的局部應力。另一個重要的物理關系是熱膨脹系數(shù)?；w與增強相熱膨脹系數(shù)的差異對復合材料的界面結合產生重要的影響，從而影響材料的各類性能。例如對于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因為熱膨脹系數(shù)較高的相從較高的加工溫度冷卻是將受到張應力；對于脆性材料的增強相，一般都是抗壓強度大于抗拉強度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。而對于像鈦這類高屈服強度的基體，一般卻要求防止高的剩余熱應力，因此熱膨脹系數(shù)不應相差太大?；瘜W相容性：化學相容性是一個復雜的問題。對原生復合材料，在制造過程是熱力學平衡的，其兩相化學勢相等，比外表能效應也最小。對非平衡態(tài)復合材料，化學相容性要嚴重得多。纖維和基體間的直接反響那么是更重要的相容性問題。但對高溫復合材料來說，以下因素與復合材料化學相容性有關的問題那么十分重要：相反響的自由能F：代表該反響的驅動力。設計復合材料時，應確定所選體系可能發(fā)生反響的自由能的變化。2〕化學勢U：各組分的化學勢不等，常會導致界面的不穩(wěn)定。3〕外表能T：各組分的外表能可能很高，導致界面的不穩(wěn)定。4〕晶界擴散系數(shù)D：由晶界或外表擴散系數(shù)控制的二次擴散效應常使復合體系中組分相的關系發(fā)生很大變化。三、復合材料的界面理論界面潤濕理論界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維外表的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。液態(tài)樹脂對纖維外表的良好浸潤是十分重要的。浸潤不良會在界面上產生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤將使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內聚強度。從熱力學觀點來考慮兩個結合面與其外表能的關系，一般用外表張力來表征。外表張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨外表積增加的增量。=〔F/A〕TV此處為外表張力；F為自由能；A為面積；T和V分別為溫度和體積。當兩個結合面結合了，那么體系中由于減少了兩個外表和增加了一個界面使自由能降低了。體系由于兩個外表結合而導致自由能的下降定義為粘合功。WA=S+L-SL式中S、L和SL下標分別代表固體、液體和固液體。如圖2-3所示，角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。圖3–3液滴在固體外表的不同潤濕情況當>90°，液體不潤濕固體；=180°,固體外表完全不能被液體潤濕；當<90°，液體潤濕固體；=0°，液體完全平鋪在固體外表。接觸角隨溫度、保持時間、吸附氣體等而變化。根據(jù)力的合成Lcos=S-SL，粘合功可表示為：WA=S+L-SL=L〔1+cos〕。粘合功WA最大時，cos=1，即=0，液體完全平鋪在固體外表。同時=SL,S=L。熱力學說明兩個外表結合的內在因素，表示結合的可能性；動力學反映實際產生界面結合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結合過程的速度問題。產生良好結合的條件如下：液體粘度盡量低；2〕S略大于L，即`tL=`2`，0.81,：效率因子，液體在固體上擴展的條件，它與溫度等活化過程有關。浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而并不能表示界面的粘結性能。一種體系的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結的必要條件，并非充分條件。2、機械作用理論：當兩個外表相互接觸后，由于外表粗糙不平將發(fā)生機械互鎖〔圖3–4〕。圖3–4外表機械互鎖結合示意圖另一方面，盡管外表積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。如經(jīng)驗公式：Z2=Kcostδ/η，說明流入量Z是與液體外表張力、接觸角、時間和孔徑成正比，與粘度成反比。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點。3、靜電理論：當復合材料不同組分外表帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內靜電作用力才有效〔圖3–5〕。圖3–5外表靜電吸引結合示意圖4、化學鍵理論：在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結合〔圖3–6〕。在理論上可獲得最強的界面粘結能〔210-220J/mol〕。圖3–6外表結合化學鍵示意圖5、界面反響或界面擴散理論在復合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴散或反響，從而形成反響結合或擴散結合〔圖3–7〕。D=D0exp〔-Q/RT〕D：擴散系數(shù)；Q：擴散激活能。X=kt1/2圖3–7界面反響結合或擴散結合示意圖X：反響層厚度；k：反響速度常數(shù)。四、界面的表征界面性能較差---呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應力松弛等現(xiàn)象。界面結合過強---材料呈脆性斷裂。界面結合最正確狀態(tài)---當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉化為區(qū)域而不產生進一步界面脫粘，即這時的復合材料具有最大的斷裂能和一定的韌性。1、界面結合強度的測定1宏觀測試法：1〕三點彎曲法：圖3–8三點彎曲試驗示意圖3–9測定界面拉伸強度時纖維的排布=3〔PS〕/2〔BD2〕=(3/4)(P/BD)圖3–10測定界面剪切強度時纖維的排布/=D/2S,I/cu<D/2S2)Iosipescu剪切試驗試驗圖3–11Iosipescu剪切試驗示意圖1-2單纖維試驗法圖3–12纖維拔出試驗示意圖圖3–13纖維拔出試驗應力應變曲線示意圖圖3-14壓縮試驗測試界面剪切強度〔b〕和壓縮試驗測試界面拉伸強度(c)由此試驗的應力-應變關系圖可以求出界面剪切強度以及纖維拔出〔pull–out〕和脫粘debonding〕的能量。采用纖維拔出試驗，可通過圖3-13所示的應力-應變關系圖可以求出界面剪切強度以及纖維拔出〔pull-out〕和脫粘〔debonding〕的能量。壓縮試驗測試界面剪切強度〔圖3-14b〕I~2.5c，壓縮試驗測試界面拉伸強度〔圖3-14c〕Iu=cc1-3微壓入試驗法〔圖3-15〕界面剪切強度：I=P24uR3Ef假設采用標準金剛石壓頭：u=〔b-a〕cot74圖3–15纖維微壓入試驗示意圖4〕聲發(fā)射〔AcousticEmissin，AE〕法：聲發(fā)射是當固體材料在外部條件〔如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質等〕發(fā)生變化時，由于其內部原因而產生的瞬時彈性應力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料內部缺陷或微觀結構變化動態(tài)信息，借助靈敏的電子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)射源的技術稱為聲發(fā)射技術。復合材料的損傷斷裂過程十分復雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時各組元的范性形變量有關。由于各組元斷裂時釋放的聲能不同，即聲發(fā)射信號的強弱不同，那么利用聲發(fā)射技術就可以區(qū)分和識別復合材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結合狀況，同時計算出界面強度。圖3–16富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖3–17富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖3-16和圖3-17分別表示了不同纖維外表處理的SiCF/Al復合材料拉伸過程中的AE行為。圖中樣品AE過程出現(xiàn)的信號大小幾及次數(shù)的不同、對應于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強度，同時E-A相關圖包絡的斜率不同的切線數(shù)目的不同也對應于不同的斷裂機制?？梢钥闯?，富碳和富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中具有不同的AE行為，定性地反映了兩種纖維復合材料具有不同的界面以及不同的斷裂行為和機制。同時根據(jù)相關公式可以定量地求出復合材料的界面強度。2、界面結構的表征界面的微觀結構、形貌和厚度可通過先進儀器觀察分析。包括俄歇電子譜儀〔AES〕、電子探針〔EP〕、X光電子能譜儀〔XPS〕、掃描二次離子質譜儀〔SSIMS〕、電子能量損失儀〔EELS〕、X射線反射譜儀〔GAXP〕、透射電子顯微鏡〔TEM〕、掃描電鏡〔SEM〕和拉曼光譜〔Raman〕等。圖3-18TiB2纖維外表涂層SiCF/Ti復合圖3-19SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo復合材料材料界面SEM分析照片界面透射電鏡照片五、界面剩余應力復合材料成型后，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〕，而增強體那么體積相對穩(wěn)定使界面產生內應力，同時又因增強體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產生熱應力。這兩種應力的加和總稱為界面剩余應力。前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮，那么復合材料基體受拉應力，增強體受壓應力，界面受剪切應力。后一種情況下，通常是基體膨脹系數(shù)大于增強體，在成型溫度較高的情況下，復合材料基體受拉應力，增強體受壓應力，界面受剪切應力。但隨著使用溫度的增高，熱應力向反方向變化。界面內應力的大小可用下式表示：σIi=EmεmVm/3〔1-γm〕式中Em為基體彈性模量，γm為基體泊松比，εm為基體發(fā)生的應變，Vm為基體的體積比。界面內應力的大小與界面的結合情況有關。如界面結合發(fā)生松弛滑移現(xiàn)象，那么內應力相應減少。界面熱應力的大小可用下式表示：σIi=Em〔Tc–t〕△α式中Em為基體彈性模量，Tc為成型溫度，t為使用溫度，△α為基體與增強體的熱膨脹系數(shù)差。界面剩余應力可以通過對復合材料進行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結合強度的控制，在界面結合很強的情況下效果不明顯。界面剩余應力的存在對復合材料的力學性能有影響，其利弊與加載方向和復合材料剩余應力的狀態(tài)有關。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在剩余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。測量界面剩余應力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能力較X射線強，可用來測量界面內應力；其結果是很大區(qū)域的應力平均值。X射線衍射法只能測定樣品外表的剩余應力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和會聚束電子衍射法也可用來測定復合材料界面附近的應力和應變變化。特別是同步輻射連續(xù)X射線能量色散法兼有較好的穿透能力和對剩余應變梯度的高空間分辨率，可測量界面附近急劇變化的剩余應力。此外，激光Raman光譜法可測量界面層相鄰纖維的振動頻率，根據(jù)纖維標定確定界面層的剩余應力。目前，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。第四章復合材料的復合理論一、復合材料增強機制1、顆粒增強復合材料增強機制1〕顆粒阻礙基體位錯運動強化：基體是承受外來載荷相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的流動性〔圖4-1、圖4-2〕。圖4–1顆粒起著阻礙基體位錯運動作用示意圖顆粒增強復合材料的強度直接與顆粒的硬度成正比，因為顆粒必須抵抗位錯堆集而產生的應力，另外，顆粒相與基體的結合力同樣影響著材料的強度。圖4-2位錯在晶面上滑移〔a〕和在TiC顆粒前位錯的塞積〔b〕顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，因為這對顆粒阻礙基體位錯運動是必須的。高的界面能相當一個空洞環(huán)繞著顆粒，這樣不僅降低了顆粒阻礙基體位錯運動的能力，而且在材料結構中起到了一個微裂紋的作用。2〕不均勻變形引起位錯增殖強化顆粒復合材料的變形屬于兩相不均勻變形。較硬的顆粒不變形或變形較小，因此在界面上形成較高的形變不匹配，產生較高的變形應力。當該應力集中在顆粒的某個部位時，在界面的某個柱面的分切應力作用下，在交界的柱面上萌生位錯環(huán)并沿柱面移動。該應力的釋放靠放出位錯環(huán)實現(xiàn)，從而增加了基圖4-3兩相不均勻變形在界面形成的位錯環(huán)體位錯的密度〔圖4-3〕。大量的位錯之間產生摩擦、纏繞，在應力的作用下形成細小的胞狀組織，即亞晶。根據(jù)Kuhlman-Wilsdorf關系，位錯胞越小，強化效果越大。3〕彌散和Orowan強化小的剛性顆粒對復合材料的強化機制有三種；〔1〕小粒子由于其對晶界的拖曳作用，細化了復合材料基體的晶粒。由于這一拖曳作用，不僅可使基體中的細晶和亞晶穩(wěn)定化，也能使加工拉長的晶粒形狀特征穩(wěn)定化，這對復合材料高溫蠕變性能十分有利。晶粒細化增強的幅度可以利用以下公式計算：=f+kd-1/2式中d為晶粒尺寸。〔2〕位錯與細小粒子相互作用而產生的強度增量。它由Orowan關系表示：0=[0.83bLn(2r/r0)]/[2(1-)1/2(S-2rS)]式中：Taylor因子，：切變模量，b：柏矢模量，：泊松比，r：粒子半徑，r0：位錯芯半徑，(S-2rS)：粒子間距。顯然當增強體粒子體積分數(shù)一定時，粒子尺寸越大，粒子間距就越大，Orowan強化項就愈弱。由于小粒子是不可穿透的硬粒子，在變形過程中位錯只能被迫繞過粒子并留下一位錯環(huán)圍繞粒子，說明小粒子通過影響維持位錯源以及作為位錯運動的釘扎中心改變基體的滑移行為。當粒度在1m以下時，Orowan強化機制起較大作用?！?〕小的剛性粒子對顆粒強化金屬基復合材料強度的另一種作用是使基體加工硬化率提高。受位錯周圍的應力場的限制，位錯穿過晶格的運動受到其它位錯的影響，這會導致金屬基體的硬化?；谖诲e的硬化理論可以用以下公式表達：f+kGb1/2：每單位體積位錯密度。當復合材料從制備溫度冷卻到室溫時，由于基體和增強體的熱不匹配性，在復合材料中產生了大量位錯。這也是顆粒/金屬基復合材料的一個重要增強機制。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。2、纖維〔包括晶須、短纖維〕復合材料增強機制基體：通過界面將載荷有效地傳遞到增強相〔晶須、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。假定纖維、基體理想結合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產生了不同形變〔位移〕，在基體上產生了剪切應變，通過界面將外力傳遞到纖維上〔圖4-2、4-3〕。圖4–4短纖維周圍的應變圖4–5纖維上和界面上的應力分布在纖維上的拉力為:fu(d2/4),在界面上的剪切力為:dlc/2。當fu(d2/4)=dlc/2時，〔l/d〕c=fu//2y，〔l/d〕c為纖維臨界長徑比,lc為纖維臨界長度。當〔l/d〕c10時，復合材料可獲得理想的增強效果。二、復合材料的復合法那么—混合定律1、混合定律〔RuleofMixtures〕：當復合材料滿足以下條件：〔1〕復合材料宏觀上是均質的，不存在內應力；〔2〕各組分材料是均質的各向同性(或正交異性)及線彈性材料；〔3〕各組分之間粘結牢靠，無空隙，不產生相對滑移。復合材料力學性能同組分之間的關系可用以下通式表示：Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm〔1-Vf〕式中：X：材料的性能，如強度、彈性模量、密度等；V：材料的體積百分比；下腳標c、m、f分別代表復合材料、基體和纖維。2、連續(xù)纖維單向增強復合材料〔單向層板〕2-1應力-應變關系和彈性模量在復合材料承受靜張應力過程中，應力—應變經(jīng)歷以下階段〔圖4-6〕：基體、纖維共同彈性變形；2〕基體塑性屈服、纖維彈性變形；3〕基體塑性變形、纖維彈性變形或基體、纖維共同塑性變形；4〕復合材料斷裂。對于復合材料的彈性模量：階段1：E=EfVf+Em〔1-Vf〕階段2：E=EfVf+(dm/dm)(1-Vf)dm/dm為復合體的應變?yōu)闀r基體應力–應變曲線的斜率。圖4–6纖維復合材料應力應變過程示意圖2-2、復合材料的抗張強度當復合材料中纖維與基體在受力過程中處于線彈性變形且基體的斷裂延伸大于纖維的斷裂延伸時，單向纖維復合材料的抗張強度〔圖4-5〕用下式表示：cu=fVf+mVm或cu=fVf+m〔1-Vf〕f：纖維的抗張強度；m：對應纖維斷裂應變f時基體的抗張強度?？紤]到基體與纖維的結合情況：圖4–5纖維復合材料中纖維體積比cu=KfVf+mVmK<1。與強度關系示意圖在纖維量非常小的情況：cu=mu〔1-Vf〕纖維的最小體積比：Vfmin=(mu-(m))/(fu+mu-(m))纖維的臨界體積比:Vfcrit=(mu-(m))/(fu-(m))2-3、泊松比當材料拉伸或壓縮時，在彈性范圍內，縱、橫向應變之比為泊松比。假定復合材料縱向拉伸或壓縮時，纖維與基體的縱向應變相等，且等于復合材料的縱向應變，即f=m=c，那么縱向泊松比為：LT=fVf+mVm或LT=fVf+m〔1-Vf〕假設考慮纖維與界面的結合情況LT=fVf〔1-K〕+KVf+m(K-Vf)(1-K)其中K為纖維與基體未結合的百分比；是與受力狀態(tài)、脫粘區(qū)狀態(tài)等有關的常數(shù)。泊松比與彈性模量之間的關系：TL=LT〔EcT/EcL〕2-4、剪切強度：LT=fVf+m〔1-Vf〕復合材料的層間剪切強度：在沿纖維方向受剪切時，剪切力發(fā)生在沿纖維方向的纖維層內，它決定于基體或界面的剪切強度。復合材料的面內剪切強度：在垂直纖維方向承受剪切時，剪切力發(fā)生在垂直纖維的截面內，剪切力由基體和纖維共同承當。3、短纖維增強復合材料3-1、短纖維增強復合材料的彈性模量：E=0LEfVf+Em〔1-Vf〕式中：L為長度有效系數(shù)：L=1-[tanh(1/2)l]/(1/2)l]，=[8Gm/Efd2loge(2/d)]1/2Ef：纖維彈性模量；2：纖維間距；Gm：基體剪切模量。0為取向有效因子：3-2、短纖維增強復合材料的抗張強度假設l<lc，cu=〔l/d〕Vf+m〔1-Vf〕當l>lc時：cu=fu[1-〔lc/2l〕]Vf+m〔1-Vf〕或cu=2lc/d[1-(lc/2l)]Vf+m(1-Vf)l>10lc時，短纖維增強復合材料性能趨近于連續(xù)纖維性能；l<5lc時，短纖維增強復合材料性能遠不如連續(xù)纖維性能。圖4–6短纖維復合材料的強度與纖維長度的關系示意圖第五章復合材料力學和結構設計根底一、復合材料力學：研究對象：單層板和層合板兩個結構層次。研究內容：微觀力學：纖維、基體組分性能與單層板性能的關系。宏觀力學：層合板的剛度與強度分析、溫濕環(huán)境的影響等。1、單層復合材料1-1“微觀力學〞方法：成認材料的多相性，研究各相材料的相互作用。運用非均質力學的手段描述各相中的真實應力場和應變場，在某些假定的根底上建立起分析模式，以模擬、分析和預測復合材料的宏觀力學性能。其結果必須用宏觀試驗來驗證。在解釋機理、發(fā)現(xiàn)材料本質，提出改良和正確使用復合材料的方案時是十分重要的。1-2“宏觀力學〞方法：假定材料是均勻的，將各相材料的影響作為復合材料的平均表現(xiàn)性能來考慮。材料的各類參數(shù)〔如應力、應變等〕定義在宏觀尺度上，是在宏觀尺度上的某種平均值，稱之為“表觀參數(shù)〞。在宏觀力學中，材料的各類參數(shù)只能靠宏觀試驗來獲得。宏觀力學始終以試驗結果作為根據(jù)，具有很強的實用性和可靠性。2、層合復合材料：成認材料在板厚方向的非均質性，即層合板是由假設干單層板所構成，由此開展起來的理論稱為“層合理論〞。該理論以單層復合材料的宏觀性能為依據(jù)，以非均質力學的手段來研究層合復合材料的性能，屬于宏觀力學的范圍。二、復合材料的單層設計復合材料的設計包括“單層設計〞、“鋪層設計〞和“結構設計〞三個層次。單層設計：包括增強材料、基體材料及配比的選擇。獨立的彈性參數(shù)：縱向彈性模量EL、橫向彈性模量ET、縱橫向泊松比、縱橫向剪切模量GLT。交叉效應：在材料的非主方向坐標系中，正應力會引起剪應變，剪應力會引起線應變。這是各向同性材料所沒有的現(xiàn)象。根本強度：縱向拉伸強度〔FLt〕、縱向壓縮強度〔FLc〕、橫向拉伸強度〔FTt〕、橫向壓縮強度〔FTc〕、縱橫向剪切強度〔FLT〕。單層板的各類參數(shù)都是方向的參數(shù)。1、單向層彈性常數(shù)預測公式縱向彈性模量：EL=EfVf+Em〔1-Vf〕縱向泊松比：L=fVf+m〔1-Vf〕橫向彈性模量：ET=EfEm/[EmVf+Ef〔1-Vf〕]修正公式：1/ET=Vf/Ef+Vm/EmVf=Vf/〔Vf+fVm〕,Vm=TVm/〔Vf+TVm〕橫向泊松比：T=LET/EL面內剪切彈性模量：GLT=GmGf/[GmVf+Gf〔1-Vf〕]修正公式：1/GTL=Vf/Gf+Vm/GmVf=Vf/〔Vf+LTVm〕,Vm=LTVm/〔Vf+LTVm〕值由試驗確定，對玻璃/環(huán)氧可取0.5。Halphin-Tsai半經(jīng)驗公式：M=Mm(1+Vf)/(1-Vf)M和Mm為復合材料和基體的有關性能；=(Mm/Mf-1)/(1+Mm/Mf):增強作用的量度取2時，估算ET；取1時，估算GLT；取時，估算Em。2、正交層的工程彈性常數(shù)預測公式縱向彈性模量：EL=k[EL1nL/(nL+nT)+ET2nT/(nL+nT)]橫向彈性模量：ET=k[EL2nL/(nL+nT)+ET1nT/(nL+nT)]縱向泊松比：L=L1ET1(nL+nT)/(nLET1+nTEL2)橫向泊松比：T=LET/EL；面內剪切彈性模量：GLT=kGL1T1nL、nT：單位寬度的正交層中經(jīng)向、緯向的纖維量。EL1、EL2：經(jīng)線和緯線作為單向層時纖維方向的彈性模量。ET1、ET2：經(jīng)線和緯線作為單向層時垂直纖維方向的彈性模量。L1：由經(jīng)線和緯線作為單向層時的縱向泊松比。GL1T1：由經(jīng)線和緯線作為單向層時的面內剪切彈性模量。K：波紋影響系數(shù)，取0.90-0.95。3、單層板強度預測公式1)縱向拉伸強度預測公式：T=fVf+m〔1-Vf〕；VfVfminT=mu〔1-Vf〕；VfVfminf：纖維的抗張強度；m：對應纖維斷裂應變f時基體的抗張強度。Rosen纖維統(tǒng)計強度模型：纖維復合材料常用的纖維一般多是高強脆性纖維，纖維強度有較大的離散性，因此Rosen考慮統(tǒng)計強度分布模型，得到縱向拉伸強度：Tmax=refVf[〔1-Vf1/2〕/Vf1/2]1/2ref為參考應力，是纖維和基體性能的函數(shù)；是纖維強度韋泊分布的統(tǒng)計參數(shù)。單向纖維復合材料縱向拉伸破壞機理破壞過程的3個階段：第一階段是低應力下少數(shù)纖維的早期斷裂階段；第二階段是損傷的擴展階段；第三階段是最終破壞階段。3個階段的開展都與纖維、基體及界面的性能密切相關。復合材料采用的高強纖維的脆性、其強度的離散性決定了在較低應力下就有少量纖維首先斷裂。纖維一旦斷裂，在斷口附近界面上有較大的剪應力〔τm〕集中和在斷口裂紋尖端的基體中有較大的正應力〔σm〕集中〔圖5–1〕；并將斷裂纖維卸下的應力傳遞到相鄰纖維，使斷口附近的纖維有“過應力〞—比遠處平均應力更高的應力〔圖5–2〕。圖5–1纖維斷口處界面和基體應力圖5–2纖維斷口處斷裂纖維和相鄰纖維的應力可以設想復合材料有4種損傷擴展形式：1〕纖維和基體在界面上脫粘〔圖5–3a〕；2〕基體屈服〔圖5–3b〕；3〕纖維斷口裂紋直接向基體內擴展〔圖5–3c〕；4〕相鄰纖維相繼發(fā)生斷裂。根據(jù)不同的損傷擴展形式，最終導致3種典型的破壞形式：1〕纖維束型的破壞。沒有發(fā)揮纖維的最高強度〔圖5–4a〕。2〕斷裂型破壞。纖維強度發(fā)揮最低〔圖5–4b〕。3〕積累損傷型破壞?？砂l(fā)揮纖維的最高強度〔圖5–4c〕。圖5–3纖維斷口處的損傷擴展圖5–4纖維復合材料的三種典型破壞形式2〕縱向壓縮強度預測公式：單向復合材料的縱向壓縮，由于纖維剛度遠大于基體剛度，而纖維能承受壓縮應力是由于得到了基體的橫向支撐。因此單向復合材料的縱向壓縮強度問題實質上就是基體彈性支撐下纖維的臨界失穩(wěn)應力問題。圖5–5纖維復合材料的拉壓和剪切模型Dowr和Rosen將纖維簡化為片狀，根據(jù)纖維屈曲失穩(wěn)時可能為同向屈曲或反向屈曲，建立了橫向拉壓模型〔纖維反向屈曲〕和剪切模型〔纖維同向屈曲〕〔如圖5–5所示〕，推導出單向復合材料的縱向壓縮強度理論預測公式：拉壓模型：c=2Vf[VfEfEm/3(1-Vf)]1/2剪切模型：c=Gm/(1-Vf)Ef：纖維彈性模量；Em：基體彈性模量；Gm：基體剪切彈性模量；Vf：纖維體積含量。縱向壓縮強度取以上兩式計算值的小值。3〕單向復合材料的橫向拉伸和壓縮強度〔1〕等應變假設〔圖5–6a〕：圖5–6正方形纖維截面模型區(qū)域III基體承受最大應力。T=m或T=STT、m和ST分別為復合材料的橫向拉伸強度、基體和界面拉伸強度。橫向拉伸強度取m和ST中較小者。橫向壓縮強度：T=mT、m分別為復合材料和基體的橫向壓縮強度?！?〕等應力假設〔圖5-6b〕區(qū)域II基體承受應變最大，可以用區(qū)域II基體的破壞來判定橫向強度。橫向拉伸強度：T=[1-(1-Em/Ef)Vf1/2]ETm/Em或T=ST復合材料橫向拉伸強度取以上兩式中最小值。橫向壓縮強度：T=[1-(1-Em/Ef)Vf1/2]ETm/Em當復合材料界面結合較強時，單向復合材料的橫向強度主要由基體強度確定，等于基體強度乘以一個小于1的因子。4〕單向纖維復合材料的縱橫剪切強度圖5–7正方形纖維截面模型〔1〕等應變假設〔圖5-7a〕LT=m或LT=SsLT、m和Ss分別為復合材料的縱橫剪切強度、基體以及界面剪切強度。復合材料的縱橫剪切強度取以上兩式中最小值?！?〕等應力假設〔圖5-7b〕LT=[1-(1-Gm/Gf)Vf1/2]GLT/Gm或LT=Ss復合材料的縱橫剪切強度取以上兩式中最小值。當復合材料界面結合較強時，單向復合材料的縱橫剪切強度主要基體強度確定，等于基體強度乘以一個小于1的因子。4、復合材料的強度準那么強度準那么：材料在多向應力狀態(tài)作用下，其失效應力的判斷依據(jù)。為推導出強度準那么，人們對材料破壞提出的解釋稱為強度理論。一般所說的復合材料的強度準那么是指復合材料單層板的強度準那么。復合材料層合板的強度準那么可根據(jù)單層板的強度準那么和層合板的具體鋪設方式進行計算預測。宏觀強度準那么：直接由常規(guī)均質各向同性材料強度準那么推廣得到，尋求一個以單向應力強度為參數(shù)的準那么方程，以擬合材料在任意應力狀態(tài)下的強度。它不涉及材料的具體破壞形式和機理，故又稱為唯象強度準那么。細觀強度準那么：試圖以材料細觀層次〔即基體、纖維和界面〕的破壞形式和機理為基礎，建立一個以細觀組分性能為參數(shù)的強度準那么方程。1〕復合材料的宏觀強度準那么在平面應力狀態(tài)下，有如下表達形式：〔1〕最大應力準那么Xt、Xc分別為縱向拉伸和壓縮強度；Yt、Yc分別為橫向拉伸和壓縮強度；S為縱橫剪切強度。以上只要1個方程成立，單層板就發(fā)生破壞，對應的應力為單層板性能?！?〕最大應變準那么Lt、Lc分別為縱向拉伸和壓縮破壞應變；Tt、Tc分別為橫向拉伸和壓縮破壞應變S為縱向剪切破壞應變。以上只要1個方程成立，單層板就生破壞，對應的應力為單層板性能?！?〕應力二次方程型強度準那么〔3〕-1僅含有應力的二次項形式a1112+a2222+2a1212+a66212=1Tsai-Hill準那么：12/X2+22/Y2+12/XY+212/S2=1〔3〕-2含有應力一、二次項形式a11+a22+a1112+a2222+2a1212+a66212=1Tsai-Wu準那么a12的取值：對于Tsai-Wu準那么，一般-1<a*12<1，a*12=a12a11a22，(設a*12=-0.5)〔3〕-3含有應力一次項和二次項平方根的形式a11+a22+(a1112+a2222+2a1212+a66212)1/2=1〔4〕強度比方程〔4〕-1強度比的定義在作用應力下，極限應力的某一分量與其對應的作用應力分量之比稱為強度比R，即R=〔a〕/式中：為作用的應力分量；〔a〕為對應于的極限應力分量。對于一般的平面應力狀態(tài)，R=1〔a〕/1=2〔a〕/2=6〔a〕/6圖5–8三維應力空間中的應力矢量又由于是線彈性材料，應變和應力成一一對應的線性關系，故R=〔a〕/=〔a〕/式中：為作用的應變分量；〔a〕為對應于的極限應變分量。強度比R取值的含義是：Ⅰ、當作用的應力或應變?yōu)榱銜r，即=(i=1,2,6),R=∞。Ⅱ、當作用的應力或應變?yōu)槠桨仓禃r，即R>1。R的具體數(shù)值說明，作用應力或應變到達失效時尚可增加的應力或應變的倍數(shù)為R–1。假設R=2，那么尚可增加一倍的載荷；R越大，可增加載荷的倍數(shù)也越多，故R是平安程度的一種量度。Ⅲ、當作用的應力或應變到達極限值時，R=1。Ⅳ、R不能小于1，小于1沒有實際意義?！?〕-2各種失效判據(jù)的強度比方程Tsai-Wu準那么：〔Rjj〕R2+〔F〕R=1Tsai-Hill準那么：〔12/X2+22/Y2+12/XY+212/S2〕R2=12〕復合材料的細觀強度準那么纖維復合材料由纖維和基體兩種材料組成，本質上是結構物它的破壞形式是以細觀不均勻結構特征，在纖維、基體和界面三者中最薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生破壞的形式。因此，細觀力學的方法首先是從復合材料承受的表觀應力條件、組分材料性能和含量出發(fā)，根據(jù)一定的力學模型，求出材料所承受的應力。再用組分材料所服從的破壞準那么，判斷組分材料是否已到達破壞狀態(tài)，并以組分材料的破壞作為復合材料的破壞判據(jù)。Skuda細觀強度準那么：〔1〕基體拉伸破壞：(1-Vm)(r2/m)2+(212/um)2=1〔2〕界面破壞：拉-剪應力下：r(ub)22+2rzbu122=(ub)2bu壓-剪應力下：-r(ub)22+2rzbu122=(ub)2bu〔3〕剪切控制基體破壞：22+2(1+Vm)212+2(22+4212)1/2=2(m)2〔4〕壓縮剪切控制基體破壞：22+2(1+Vm)212+2(22+4212)1/2=2(T)2式中：m、um、ub、bu和T分別為基體拉伸、剪切、界面拉伸強度和單向復合材料的橫向壓縮強度。r和rz是反映基體應力不均勻的無量綱增大系數(shù)。5、平面正交織物復合材料的強度1〕平面正交織物復合材料的拉伸強度：徑向拉伸強度：L=fVfhL+m〔1-VfhL〕緯向拉伸強度：T=fVfhT+m〔1-VfhT〕式中hL、hT分別為徑向和緯向所占纖維量百分比。2〕平面正交織物復合材料的壓縮強度：徑向壓縮強度：L=CTEfVfhL+mCT〔1-VfhL〕緯向壓縮強度：T=CTEfVfhT+mCT〔1-VfhT〕式中CT、mCT分別為纖維壓縮失穩(wěn)破壞時的臨界應變和對應的基體應變。3〕平面正交織物復合材料的剪切強度：〔1〕等應變假設LT=m或LT=SsLT、m和Ss分別為復合材料的縱橫剪切強度、基體以及界面剪切強度。復合材料的縱橫剪切強度取以上兩中最小值。〔2〕等應力假設LT=[1-(1-Gm/Gf)Vf1/2]GLT/Gm或LT=Ss復合材料的縱橫剪切強度取以上兩式中最小值。6、應力的轉換1〕轉換的術語單向層合板，特別是多向層合板的各鋪層，其面內力學性能隨鋪層方向的變化是不同的。這是復合材料獨有的特點，也是復合材料力學的復雜性與特異性的根本原因之一。圖5-8單向層合板的單元體及其別離體〔1〕1-2坐標系：它是由材料的兩個主方向組成的坐標系，1是縱向，2是橫向。這樣的坐標系稱之謂正軸坐標系。在正軸坐標系下，材料呈正交各向異性的性能?！?〕x-y坐標系：除正軸向以外的其余坐標方向稱為偏軸向，通常用坐標系x-y表示。在在偏軸坐標系下，材料呈各向異性的性能?！?〕鋪層方向角：材料的主方向1軸與x軸成一角度〔見圖5-8〕，稱為鋪層方向角。規(guī)定參考軸坐標軸坐標〔即偏軸〕x至1軸的夾角，以逆時針轉向為正，以順時針轉向為負。鋪層方向角是復合材料所特有的?！?〕坐標轉換角：它說明坐標轉換前后的夾角。一般規(guī)定，從轉換前的軸〔舊軸〕轉換后的新軸，以逆時針為正，以順時針為負。偏軸至正軸的轉換，坐標轉換角等于鋪層方向角，即=+，稱為正轉換。正軸至偏軸的轉換，坐標轉換角等于負的鋪層方向角，即=-，稱為負轉換。2〕應力轉換公式倍角函數(shù)形式的應力轉換公式：1=(x+y)/2+(x-y)/2cos2+xysin22=(x+y)/2-(x-y)/2cos2-xysin212=xycos2-(x-y)/2sin2假設設：Pxy=(x+y)/2qxy=(x-y)/2xy=xy那么1=Pxy+qxycos2+xysin22=Pxy-qxycos2-xysin212=xycos2-qxysin2寫成矩陣形式為：1=1cos2sin2Pxy2=1-cos2-sin2qxy12=0-sin2cos2xy或：1=Pxyqxyxy12=Pxy-qxy-xycos212=0xy-qxysin23〕應力不變量隨著的變化，1、2以及12是變化的。但是，存在兩個不變量，即P12和〔q212+212〕是兩個不隨著變化的量，分別稱為一階不變量和二階不變量，記為I和R2：I≡P12=Pxy，R2≡q212+212=q2xy+2xy4〕應力圓、主平面、主應力和相位角取為橫坐標軸，為縱坐標軸，以I=Pxy為圓心，R2=√q2xy+2xy為半徑作圓，那么此圓即為相對應于該應力狀態(tài)的應力圓〔圖5-9〕，而應力不變量I和R2分別為應力圓的圓心位置和半徑的平方。圖5-9應力圓由應力圓可見，當=0時，，對應的點為A1點，此時12=0，即剪切力等于零，其在單元體上對應的平面稱為主平面，而主平面上對應的正應力稱為主應力。這時在正交各向異性材料的主方向上只有正應力，沒有剪切力。為要使正交各向異性材料的主方向為正應力狀態(tài)，就需確定主平面的方位，即確定0。角度0稱為相位角。20=tg-1〔2xy/〔x-y〕〕為要確切地確定最大主應力〔記為I〕的主平面方位，即對應于A1點的主平面，20的取值規(guī)那么為：當2xy/〔x-y〕為+/+時，20取第一象限的值，為-/-時，取第二象限的值，為+/-時，取第三象限的值，為-/+時，取第四象限的值。應力圓中對應于A2點的主平面方位，正好與上述最大正應力的主平面方位差90o，該主平面上的正應力為最小值，記為II。在q-坐標系下，確定最大正應力的主平面方位角〔即相位角〕按如下公式：20=tg-1xy/qxy如果在給定鋪層方向角的情況下，將原先的換成，那么同樣可得在任意轉換角的截面方位上的應力分量。5〕不變量函數(shù)形式的轉換公式1=I+Rcos2〔0-〕2=I-Rcos2〔0-〕12=Rsin2〔0-〕11cos2〔0-〕I2=1-cos2〔0-〕120sin2〔0-〕R7、復合材料的其它性能〔1〕復合材料的疲勞性能復合材料具有比金屬好得多的疲勞性能。金屬中疲勞損傷的擴展往往比較迅速，破壞非常突然；而復合材料從產生疲勞損傷到發(fā)生疲勞破壞往往要經(jīng)歷一段相對較長的損傷積累過程；金屬對缺口、開孔等應力集中比較敏感，而復合材料那么要遲鈍得多〔圖5–10〕；復合材料內阻尼較大，有利于消振；但阻尼高發(fā)熱量也大，溫度升高對復合材料性能有不利的影響。圖5-10復合材料和金屬的疲勞破壞性能從復合材料的S-N曲線可以看出，疲勞應力S與應力循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)根本上是線性關系，可以表達為：S=S0-lnN，式中S0為N=1時的應力，即靜應力；為材料常數(shù)。疲勞極限與疲勞特征〔即應力循環(huán)中，最小應力與最大應力之比〕直接相關。為了得到不同疲勞特征下的疲勞極限，需要繪制疲勞極限的平均應力–應力振幅A圖?！?〕復合材料的蠕變性能纖維增強復合材料的蠕變性能由組分材料性能及細觀結構形式所決定。樹脂基體在長期靜載作用下會產生較大的蠕變；而增強纖維，除有機纖維如芳綸纖維外，蠕變量很小。因此纖維復合材料的蠕變主要由基體引發(fā)。圖5–11307聚酯玻璃鋼形變的應變-時間曲線實驗說明具有以下特點〔圖5–11〕：1〕當應力主要作用在纖維方向，如縱向拉伸或彎曲蠕變，其蠕變量都很??；2〕當應力方向與纖維方向呈45時，蠕變量最大；3〕當應力大于靜強50%時，在一定時間內試件相繼破壞。其規(guī)律為：對同一種材料，破壞時總應變值根本相同；施加應力越大，蠕變速率越大，蠕變破壞時間越短。因此，材料的持久強度隨承載時間延長而降低；4〕由基體性能控制的復合材料性能〔如剪切性能〕的蠕變將隨溫度的升高而增大。〔3〕復合材料的沖擊性能材料的抗沖擊性能用沖擊韌性來表征，即沖擊試件破壞所消耗的功與試件的最小截面積〔即斷裂處面積〕的比值：K=T/F〔J/m2〕，其中T為沖擊試件所消耗的功；F為試件的最小截面積。試驗說明，沖擊能量的消耗除了用于纖維的斷裂功外，層板的分層、纖維與基體界面脫粘以及纖維拔出等都消耗較多的能量。沖擊韌性高的試件，斷口一般都呈現(xiàn)出很不整齊的犬牙粗糙面，損傷區(qū)域比較大；低沖擊韌性的試件斷口都比較齊平，損傷區(qū)域也比較小。因此，粘接強度高的復合材料往往沖擊韌性比較低，而不太密實的復合材料往往具有較高的沖擊韌性。提高基體的韌性和斷裂延伸率，將有利于提高復合材料的沖擊韌性。復合材料具有對切口不敏感的優(yōu)良性能，但與金屬相比，復合材料的沖擊韌性要低得多?！?〕環(huán)境對復合材料力學性能的影響1〕大氣對復合材料力學性能的影響：一般認為纖維復合材料有較好的抗老化性能。常年經(jīng)受日曬雨淋，材料外表會發(fā)生浸蝕，并非材料的老化，只要再對外表進行適當?shù)奶幚恚獗砑纯苫謴?。外觀的變化還與外表樹脂含量有關，采用膠衣、涂漆等措施都可到達較好的外表保護作用。2〕濕度對復合材料力學性能的影響：復合材料在濕態(tài)環(huán)境下，水分會擴散到材料內部，從而影響材料的力學性能。一是材料含水比例越大，性能越低；到達飽和含水量后，性能到達最低的濕態(tài)性能?！?〕復合材料的熱膨脹系數(shù)在復合材料的組分材料中，樹脂和玻璃纖維具有正線膨脹系數(shù)；而碳纖維、芳綸纖維那么具有負線膨脹系數(shù)；樹脂的線膨脹系數(shù)要比纖維的線膨脹系數(shù)或其絕對值都大得多。單向復合材料的縱向線膨脹系數(shù)可用下式表達：L=〔fEfVf+mEmVm〕/〔EfVf+EmVm〕，式中L為單向復合材料的縱向線膨脹系數(shù)，f和m分別為纖維和基體的縱向線膨脹系數(shù)。單向復合材料的橫向線膨脹系數(shù)可用下式表達：T=Vf〔1+f〕f+Vm〔1+m〕m-〔fVf+mVm〕L纖維體積比對復合材料的線膨脹系數(shù)有很大的影響。當纖維含量比較大時，縱向線膨脹系數(shù)接近纖維膨脹系數(shù)，這是由于纖維彈性模量遠大于基體彈性模量，而橫向線膨脹系數(shù)接近于簡單混合定律的預測值?！?〕復合材料的導熱性能復合材料的導熱系數(shù)主要是由其組分材料導熱系數(shù)和纖維鋪設方式?jīng)Q定。玻璃纖維增強樹脂復合材料根本上屬于絕熱材料?！?〕復合材料的電性能復合材料絕緣性能由其組分材料絕緣性能、纖維含量和鋪設方式有關。同時也與界面性能和含雜質情況有關。雜質的存在或材料吸水會顯著降低玻璃纖維增強樹脂復合材料的體積和外表電阻率。復合材料的介電性能主要取決于纖維和樹脂的介電性能以及界面的粘接狀態(tài)。纖維和樹脂之間的界面粘接性能差，容易吸收水分和雜質，增大介電損耗