材料科学与工程讲义3.docx

Chapter 15第十五讲（第一部分）4-7复合材料的性能4-7-1复合材料的复合效应1、复合材料各组元（相）相互作用基体：① 将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定② 在增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷③ 保护增强体免受各种损伤④ 很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择⑤ 决定部分性能增强体：主要承受绝大部分载荷、增强、增韧功能体：赋予一定功能要点界面相层：复合材料产生组合力学及其它性能，复合效应产生的根源2、复合效应复合效应 表现形式 多种多样 大致可分为：混合效应：线性加固有性质，如密度、比热非固有性质，如模量、强度、泊松比等协同效应：非线性综合、转递性质混合效应：平均效应或组份效应，是组份材料性能取长补短共同作用的结 果，是组份材料性能比较稳定的总体反应，局部的挠动、薄弱 环节、界面、工艺因素等通常对混合效应没有明显的作用，表 现为各种形式的混合律协同效应：①复合材料的本质特征，使复合材料的性能与组份材料相比， 发生飞跃式提高，甚至具有组份材料没有的性能，这些潜在性 能是研制开发新材料的源泉复合材料追求的就是这种协同效 应②对微观非均匀性、薄弱环节、界面、制备工艺，甚至某些偶 然因素都十分敏感。

3、协同效应：界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混 杂效应、诱导效应等要点难点1）混合律Xc = XmVm + Xf1V1 + Xf$2 + ……混合律简单明了地表达了复合材料性能与各组元性能及分量的关系（线 性关系），反映的是组份效应组份效应：在各组元性能确定的情况下，仅仅把相对组成作为变量，不 考虑组份的几何形状、分布状态和尺度等复杂变量影响时产 生的效果相对组成通常用体积分数和质量分数来表达 复合材料的固有性质是指各相之间不相互作用所表现出来的 材料性质，如密度PC和比热容Cc等，属于固有性质的物理 量，都应服从混合律，如：Pc = Pmd-Vf） + PR CC = Cm（l-Vf） + CfVf对于某些性能，尽管也近似服从混合律，但并不从本质上服从混合律， 故不属于固有性质这种情况主要发生在复合材料某些对界面层不敏感或 界面效应可以基本忽略的情况，或者碰巧各种因素综合使某一性能与各相 分量呈线性关系，这些性能往往可以在混合律基础上引入修正系数加以估 算，如P379单向复合材料力学性能的估算式2） 几何尺寸效应复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形 状、尺寸、排布与分布状态。

复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而 变化，深入理解临界长度Ic和临界长径比Ic/d的概念见书P419-420，IC：临界纤维长度，是使应力达到纤维断裂时最短纤维长度，°fu（闵2/4）：作用在纤维上的拉应力TKdIC/2:作用在界面上的剪切应力，由力平衡，即Qf （冗d2/4）=冗idIC/2，fu C临界长度：IC = Qfud/2T，则IC/d称为临界长径比，d为纤维的直径当L〉10 IC时，短纤复合材料的强度趋近于具有相同体积分数的连 续纤维复合材料的强度若L<5 IC，则短纤维的强化效果远不如连续纤维，3） 纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般为0.1pm 或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质 的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性具有显著的量子尺寸效 应要求掌握计算图 4-106、4-107， 表 4-40表 4-41略，放到下一节讲纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料由于其纳米量子尺寸效应，大的比表面积及强的界面相互作用，使纳米复 合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能。

纳米复合材 料是获得高性能复合材料的重要途径之一4）界面效应复合材料的性能除与各组元相对含量、几何形状、尺寸、排布与分布状态 等密切相关外，还与各组元之间界面层的状态和性质密切相关复合材料部 分性能与界面层关系不大，甚至可以忽略界面层的影响，但绝大部分性能很 大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面 破坏与失效开始的尤其，复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质， 界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质可以说， 几乎所有协同效应（复合效应的本质特征）都是由界面层的存在带来的，这 就是所谓界面效应的内涵而界面效应的表现方式却多种多样1）界面上力的传递与残余应力有一定结合强 a.力的转递度的界面（层）， b.力的分配可在基体与增 c.基体或增强体胞冷、I、卄一 计叶― 一组合力学性能强体之间进行 破坏过程中的应力再分配在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应 力”残余应力来源：① 增强相与基体相热膨胀（或热收缩）行为的差异，即CTE不匹配② 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均成型过程中，由高温-室温由化学和物理变化引起的各组元体积收缩 的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等③ 层合板中，铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲）④ 流变过程中，组元间的塑性变形差异一流变残余应力残余应力的存在，严重影响复合材料的宏观力学性能，若忽略残余 应力会导致力学行为不正确的解释。

残余应力也严重影响复合材料本身 及界面的破坏机制2）复合材料界面破坏机制要点， 难点，概念①破坏的来源基体内、增强 体内和层面 层上均存在 微裂纹、气 孔、内应力②破坏形式在力场或外界环 境（如介质、水）微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量5种基本破坏 形式i） 基体断裂ii） 纤维断裂iii ）纤维脱粘iv） 纤维拔出（摩擦 功）v） 裂纹扩展与 偏转5种形式复合材料的破坏与失效综合体现复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结 果3）界面设计与控制的概念界面具有双重功能① 传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好② 界面破坏，界面结合弱，界面破坏形式愈丰富，能量耗散愈多 高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度和高韧性在脆性纤维-脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导致各组元相中及相间的 应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产 生新的断裂表面材料易突然失效或发生灾难性破坏弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性界 面的比表面积个体积分数很大，弱的界面结合可以发生多种界面破坏 形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗大量的外界功， 提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。

因此，要求界面：① .适宜的粘接强度② 最佳的界面结构和状态③ 与界面相联系的理想的微观破坏机制这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念数学上可以由混合律和二次混合律加以简述图 4-108, 4-1095）乘积效应(X/Y) (Y/Z) = X/Z主要表现在功能复合材料中，详见P4216）其它复合效应“界面诱导效应、混杂效应、共振效应，一般了解见P4224-7-2 复合材料的力学性能(mechanical properties of composites)1.单向板的强度与模量(strength and modulus of an aligned fiber-reinforcedcomposites)总体而言，材料的刚度是相材料稳定的宏观反映，界面对其影响相对较 小，基本属于组份效应或混合效应的范畴复合材料强度静态性能（拉、压、弯、剪、扭）力学强度动态性能（冲击、振动、疲劳、断裂韧性、蠕变）强度首先和破坏联系在一起材料破坏是一个动态过程，且破坏模式和 机制十分复杂破坏往往从界面开始，界面效应明显，属于协同效应的范畴 强度数据分散性大，对结构缺陷敏感性大一般来讲，复合材料的模量和强度随增强体的体积分数增强而增加，从 增强效率来看，连续纤维最高，短纤和晶须次之，随后是颗粒增强，复合材料的高温力学性能主要受基体控制，基体的热变形温度高，模量 的高温保持率高，则其高温性能就好，由图4-117可以看出，除C/C复合材 料，其它复合材料的力学性能随温度升高而下降。

1)纵向载荷弹性行为(Elastic Behavior -longitudinal loading) 条件；FC=Fm + Ff £c= £m= £f Vm +Vf =1推导结果：模量Ecl = Em(\- Vf)+EfVfFf EfVf表 4-42Section 15.5要点难点Fig.15.9表 4-43, 44，45图 4-117要求掌握计算F]u Em 匕hEf、Em是纤维和基体的模量,Vf、Vm是纤维和基体的体积分数EXAMPLE PROBLEM: 15.1(2)横向载荷弹性行为(Elastic Behavior-transverse loading)条件： g c= g m= g f = g £c= £m Vm +Vf £f Vm +Vf =1推导结果：模量要求掌握计算Ect Em EfEmEfEmEfEct = VmEf+ VfEm = (1 - Vf)Ef^ VfEm⑶单向板纵向拉伸强度o~ci =九(1 — Vf) + af Vf图 4-111要求掌握计算当纤维控制失效时：（VfMVfmin）X (V + V —m )f f m —当基体控制失效时：（VfWVfmin）-X =c (V + V 匚)m m f —xf、Xm—分别纤维与基体的拉伸强度珂、Em—分别为纤维纵向和基体的弹性模量Vf、Vm—分别纤维与基体的体积分数Vfmin—纤维控制的最小体积含量Vfcr…临界纤维体积含量EVf minX - X -mm f —Vfcr(4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式:①基体断裂;②界面脱粘;图 4-113与界面效应结合讨 论③纤维断裂,(5)单向板横向拉伸强度Yc=Vfsfy +VmSmyYc =:1+Vf (1/ hy —1)] Smy⑹ 单向板横向拉伸的三种破坏模式：①基体破坏;②界面脱粘;③纤维破坏单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系,(8)单向板纵向压缩强度失效模式:Xc - 2Vf y1 3(1 - V )十九(1 — Vf)图 4-115与界面效应结合讨 论图 4-116图 4-114表 4-43, 4-44, 4-45Fig.15.8(9)不连续短纤增强单向板纵向拉伸强度(Longitudinal tensile strength ofdiscontinuous and aligned fiber (composites】)l>lc:2) lvlc9 / 丁厂beef = -J %+ cr'm (1 - %)要求掌握计算2、复合材料的冲击韧性冲击韧性是复合材料的重要性能,可由①冲击强度;②断裂韧性Gc；③冲击后的压缩强度(CAI)来表征。

冲击实验中的典型加载历程见图4-118韧性指。