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复合材料原理

课程学科分类：材料学

课程授课人：成来飞殷小玮

超高温结构复合材料国防科技重点实验室

2009.3.19

第五讲界面热物理相容性

l1界面热应力分析

l2影响基体裂纹的因素

l3界面热应力对性能的影响

1界面热应力分析

1.1热物理问题

1.1热物理问题

l除了界面化学相容外，复合材料界面还必须

满足热物理相容的条件。

l复合材料总是在一定的温度下制备的。在制

备温度下基体和纤维总是热物理相容的。从

制备温度冷却到室温的DT内或是使用过程中

的温度变化DT内，增强体和基体的热膨胀系

数(CTE)的不同，将使界面存在一定的界面

应力。

lDT、，DCTE、

1界面热应力分析

1.1热物理问题

1.1热物理问题热应力问题

l在界面强结合的情况下界面应力与T存在对

应关系。

l在界面结合弱的情况下，由于滑移摩擦引起界

面应力。

l如果CTE相差太大，纤维轴向界面应力将导

致基体开裂，留下很多裂纹。裂纹严重时将

使复合材料解体，使复合材料制备失败，或

是使性能严重下降。

1界面热应力分析

1.1热物理问题

1.1热物理问题热应力问题

理想状况

l从物理相容的角度讲，增强体的CTE应该比

基体的CTE稍大为理想状况。这样使增强体

受一定的张应力，而使基体受一定的压应力。

但这样的状况是不会出现的。因为高模量、

高强度增强体的CTE一般都比基体的小。

l一般EE，（轴向）

fmmf

1界面热应力分析

1.2界面假设

1.2界面假设

作如下假设：

l将增强体看作是理想的弹性体，而将基

体看成是理想的塑性体，界面组成理想

的弹塑性体。

l界面上不会出现滑移。

l纤维是不可压缩的。

这样的假设丝毫不会影响我们对界面物理

相容性的本质进行分析，相反会使界面物

理相容性的本质一目了然。

1界面热应力分析

1.2界面假设

1.2界面假设

合理性：

l弹－弹性体应力更大，产生的裂纹更宽(弹塑性体

)。

l界面出现滑移之前，基体产生裂纹(界面上不会出

现滑移)。

l纤维模量高，可以看作不可压缩(纤维是不可压缩

)。

l很多复合材料都可以近似看成是弹塑性系统(C/C，

PMC，MMC等)，如C/C很容易出现假塑性(真正

的弹性变形量很小，但剪切强度较低)。

1界面热应力分析

1.3界面应力分析

1.3界面应力分析

借用弹塑性剪滞模型对弹塑性界面进行分析

R

取界面很微小的一段:df纤维一端

纤维直径为dfi

dL

纤