《材料科学基础教学资料》第八章复合材料的结构特征_材料科学基础.docVIP

第八章 复合材料的结构特征 8.1复合材料的定义及形态分类 复合材料是由两种或两种以上物理和 化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体材料。 复合材料中一相为连续相，称为基体Matrix，占主要组 分；另一相为分散相，称为增强材料Reinforcement。 分散相是以独立的形态分布在整个连 续相中的，两相之间存在着相界面；分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 复合材料的基本特点: ? 复合材料的性能具有可设计性 ? 材料与构件制造的一致性 ? 叠加效应 ? 材料性能对复合工艺的依赖性 复合材料的分类 与基体材料相比，复合材料的 优异性能： ? 比强度和比模量高； ? 抗疲劳性能好； ? 高韧性和抗热冲击性； ? 耐热性高； ? 减振性能好； ? 耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； ? 特殊的光、电、磁性能等； 8.2 复合材料复合原理 由于复合材料是由两种或两种以上不 同的材料组分复合而成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复合材料的性能。 此外增强材料的形状、含量、分布以 及与基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。 复合材料的复合原理，是反映上述因 素对复合材料性能的影响规律。 据此，可以对所需要研究和开发的复 合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。 ? 单向复合材料工程弹性常数的预测 ? 单向复合材料强度的预测 复合材料的复合原理应用 在复合材料中，在已知各组分材料的 力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）： . Pc 表示复合材料的某性 能，如强度、弹性模量、热导率等； Pi 表示各组分材料的对 应复合材料的某性能； V 表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）； 下标 i表示组成复合材料的组 分数。 8.3复合材料的界面 一、复合材料界面的基本概念 复合材料是由性质和形状各不相同的 两种或两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面。复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有 的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。 复合材料的界面不是一个单纯的几何 面，而是一个多层结构的过渡区域. 复合材料的界面特征 ? 传递效应：界面传递力的作用，将外力传递给增强物。起到基体与增强材料之间桥梁的作用。 ? 阻断效应：界面有阻止裂纹扩展，减缓应力集中的作用 ? 不连续效应：在界面处产生物理性能不连续的现象，如，抗电性，电磁感应性 ? 散射和吸收效应：光波声波等在界面处散射和吸收，从而产生透光性，隔音性等 ? 诱导效应：一种物质的表面结构使与之接触的另一种物质的表面结构发生改变 界面的粘结强度是衡量复合材料中增 强材料与基体间界面结合状态的一个指标。 对于结构复合材料而言，界面粘结强 度过高或过弱都不利于材料的力学性能。 复合材料界面的粘结方式 ? 机械结合 ? 静电作用 ? 界面扩散 ? 界面反应 二、聚合物基复合材料的界面 界面的形成 聚合物复合材料的界面形成包含两个 过程： 第一过程：基体与增强纤维接触与浸润过程。由于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附 能力不同，它总是吸附那些能降低其表面能的物质，并优先吸附能较多的降低表面能的物质。 第二阶段：固化过程。在此过程聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。 三、金属基复合材料的界面 金属基复合材料的界面结合形式有三 种： ? 物理结合 ? 反应结合 ? 溶解与浸润结合 类型 相容性 典型体系 界面 类型 I 增强体与基体互不反应都互不溶解 Cu-W Cu-Al2O3 Ag-Al2O3 Al-B（表面除BN） Al-不锈钢** Al-B** Al-SiC** Ⅰ类界面相对而言比较平整，只有分子层厚度，界面除了原组成物质外，基本上不含其他物质 类型 II 增强体与基体不反应但能互相溶解 Cu-Cr合金-W Nb-W Ni-C Ni-W*** 合 金-其共晶 Ⅱ类界面为原组成物质的犬牙交错的溶解扩散界面， 基体的合金元素和杂质可能在界面上富集或贫化 类型 III 增强体与基体互相反应生成界面反应物 Cu-Ti合金-W Ti-Al2O3 Ti-B Ti-SiC Al-SiO2 Al-C（在一定温度下） Ⅲ类界面则有亚微级左右的界面反应产物层 四、陶瓷基复合材料的界面 1、界面的功能 传递载荷－－界面相有足够的强度来 传递载荷，调节复合材料中的应力分布； 缓解层作用－－界面相应能缓解界面 热应力； 阻挡层作用－－界面相应能阻挡元素 扩散和阻缓发生有害化学反应，减少纤维的化学损伤； 高温下抗氧化－－界面