材料科学概论(6)

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1、材料科学概论 概述复合材料的复合理论复合材料的界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料 第六章复合材料 一 复合材料的涵义现代科学技术的发展 对工程材料提出了越来越高的要求 而且有的要求之间甚至是相互矛盾的 在这种情况下 单一的材料已不能满足需要 于是高性能复合材料应运而生 复合材料就是由两种或更多种物理性能 化学性能 力学性能和加工性能不同的物质 经人工组合而成的多相固体材料 复合材料的基本组成可分为基体相和增强相两种 第一节概述 1 按基体材料分类 分为树脂基 金属基 陶瓷基等复合材料 使用最多的是树脂基复合材料 2 按增强材料的种类和形态分类 可分为纤维增强复合材料 颗粒增强复合材

2、料和层叠增强复合材料等 其中纤维增强复合材料应用最为广泛 3 按复合材料的使用性能分类 可分为结构复合材料和功能复合材料 前者主要用于工程结构和机械结构 主要利用材料的力学性能 后者具有某种特殊的物理性能或化学性能等 作为功能材料使用 目前应用最广的是结构复合材料 二 复合材料的分类 1 比强度和比模量高比强度是材料的抗拉强度与密度之比 比模量是材料的弹性模量与密度之比 从教材129页表6 1中可知 复合材料的比强度和比模量普遍高于常用金属材料的 这一点在航天 航空领域具有重要的意义 如美国的波音飞机上 大量采用石墨纤维增强复合材料构件 比采用金属材料质量减轻达20 38 三 复合材料的性能特

3、点 2 抗疲劳与断裂安全性能好复合材料对缺口 应力集中的敏感性小 特别是纤维增强的树脂基复合材料 基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度 大量的纤维对裂纹又有阻隔作用 具有较高的疲劳强度 纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维 借助塑韧性基体结合成一个整体 当复合材料构件由于过载或其他原因而使部分纤维断裂时 载荷会重新分配到未断裂的增强纤维上 故具有良好的断裂安全性 3 良好的减振性能 纤维增强的复合材料具有良好的减振性能 主要有两方面的原因 纤维增强复合材料的自振频率高 一般工作条件下很难达到这样的高频率 因此这种材料制成的构件在工作状态下不易发生共振现象 大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的

4、作用 阻尼特性好 振动很很快衰减 复合材料良好的减振性能 使其在精密控制和精密检测的仪器 仪表方面得到广泛应用 4 良好的高温性能 复合材料中增强材料的熔点都较高 而且在高温下仍然保持较高的高温强度和弹性模量 如今高性能树脂基复合材料的使用温度已达200 300 金属基复合材料耐热温度为300 500 而陶瓷基复合材料的有效承载温度可达1000 以上 树脂基复合材料和金属基复合材料的使用温度远远高于单一的基体材料 例如 铝合金在400 时 其强度大幅下降 而用碳纤维或硼纤维增强铝 400 的强度和弹性模量几乎与室温下相同 四 复合材料的现状与未来 复合材料的研究开始于1940年 研究的材料是玻

5、璃纤维增强不饱和聚酯树脂 在1960 1970年间研制了许多新型纤维与晶须 用这些纤维 晶须 增强的的树脂基复合材料 以其密度低 强度高 弹性模量高 线膨胀系数小 耐多种介质腐蚀的特点被广泛应用于航天 航空 汽车制造和建筑领域 未来复合材料的发展趋势有以下几个特点 1 由宏观复合向微观复合发展目前使用的复合材料是以尺寸较大的增强体与基体复合而成的宏观复合材料 近期已研究出尺寸较小的增强体与新型微观复合材料 微观复合材料包括 微纤增强复合材料 纳米复合材料和分子复合材料 微纤增强复合材料是指复合材料在加工过程中内部析出的细微增强相与基体相构成的原位复合材料 也称自增强复合材料 纳米复合材料是极具

6、潜力的新型复合材料 因为其中增强材料尺寸小到纳米数量级 必然具有巨大界面能 其内部微结构也会因尺寸小而发生变化 这些因素将会导致复合材料性能的改善 分子复合材料已在树脂基复合材料上实现 即用刚性棒状高分子水平上与柔性树脂复合 2 向多元混杂复合和超混杂复合方向发展多元混杂复合是复合材料发展的一个重要方向 混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方法 有两方面的原因 因为混杂复合兼有两种或多种材料的特征 在性能方面可起到互相弥补的作用 由此扩大了材料设计的自由度 另外 采用价格昂贵的高性能增强纤维与一般性能的廉价纤维混杂使用 可望受到较好的经济效果 目前 混杂复合已趋于多样化 对增强体 在混杂的

7、纤维增强体中又加入颗粒增强体 基体也混杂了属性不同的材料 成为混杂体 今年出现的以铝板和纤维增塑材料交替层叠的材料 成为超混杂材料 这类材料的特点是耐疲劳性能很好 3 由结构复合材料为主 向结构材料与功能复合材料并重的方向发展在材料科学工作者的努力下 具有优良物理性能 化学特性的功能复合材料不断被研制开发出来 功能复合材料正在向多功能方向发展 使材料不仅是结构材料 承受一定的载荷 而且还具有某种或多种综合功能 例如先进军用飞机的隐身蒙皮就是一种多功能复合材料 它既是轻质高强度的结构 又具有吸收雷达波和红外线的功能 4 由被动复合材料向主动复合材料发展目前使用的人工材料基本上属于被动材料 即在外

8、界作用下只能被动承受这种作用或被动做出相应反应 正在致力于研究的是具有主动性的材料 它的初级形式为机敏材料 具有感觉 处理和执行功能 以及自诊断 自适应和自修补作用 其高级形式为智能材料 它能够根据作用力的大小和环境作出优化反应 起到自决策作用 这类材料基本上把起传感器作用的敏感材料 起执行支持作用的材料和起驱动作用的材料复合材料一起成为机敏复合材料 然后与外接电路装置构成机敏 智能 系统 5 由常规设计向仿生设计方向发展生物材料大多是复合材料 在复合材料设计时 生物材料可为我们提供良好的设计思路 如现代直升飞机的旋翼结构为 内层是硬泡沫塑料 中层是玻璃纤维增强的复合材料 外层是刚度 强度高的

9、碳纤维复合材料 这就是仿照骨骼的结构设计的 仿生不仅可以丰富我们的设计思路 还可参照生物体的功能机制设计出新的功能复合材料 一 复合原理1 纤维增强复合材料的复合原理 第二节复合材料的复合理论 二 增强机理 1 纤维增强1 定义 由高强度 高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料 其目的是提高材料在室温和高温下的强度和弹性模量 2 机理 将脆性材料制成细纤维 因直径细小 而使产生裂纹的几率降低 有利于纤维脆性的改善和强度的提高 纤维处于基体之中 彼此隔离 纤维表面受到基体的保护作用 不易遭受损伤 不易在承载过程中产生裂纹 使承载能力增强 复合材料受到较大应力

10、时 一些有裂纹的纤维可能断裂 但塑性很和韧性好的基体能组织裂纹的扩展 纤维受载断裂时 断口不可能都在一个平面上 从而使材料的抗拉强度大大提高 同时断裂韧度也增加 3 增强纤维与基体复合时应注意的问题 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高 基体和纤维之间要有一定的黏结作用 而且应具有一定的结合强度 纤维应有合理的含量 尺寸和分布 纤维应与基体的线膨胀系数相匹配 纤维与基体之间要有良好的相容性 2 颗粒增强1 分类 根据增强颗粒的尺寸大小 分为弥散增强复合材料和真正颗粒增强复合材料 微米量级 弥散增强复合材料指尺寸为100 2500 的微细颗粒弥散分布在金属和合金中形成的复合材料 真正颗粒增强

11、复合材料指以微米量级的颗粒增强的金属基 树脂基或陶瓷基复合材料 2 机理 弥散强化复合材料的增强体主要是金属氧化物 碳化物和硼化物 这些弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动 产生显著的强化作用 其复合强化机理与合金中的析出强化机理相似 基体仍是承受载荷的主体 纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响 通常选择尺寸较小的颗粒 并且尽可能使之均匀分布在基体之中 颗粒不是通过阻碍位错运动而使材料强化 而是借助于限制颗粒临近基体的运动 约束基体的变形来达到强化基体的目的 因此 一般认为增强颗粒承受部分载荷颗粒与基体间的结合力越大 增强的效果越明显 三 增韧机理 1 纤维增韧1 定义

12、 为了克服陶瓷脆性大的弱点 可以在陶瓷基体中加入纤维制成的陶瓷基复合材料 由于定向 取向或无序排布的纤维的加入 陶瓷基复合材料韧度显著提高 这就是纤维增韧 2 机理 单向排布长纤维增韧单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性 沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能 实际上 在断裂过程中纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面 在裂纹的发展过程中会出现裂纹转向 裂纹转向的结果 使韧度进一步提高 综上所述 在单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度的提高来自 个方面 即纤维拔出 纤维断裂和裂纹转向 多维多向排布长纤维增韧单向排列纤维增韧陶瓷只是纵向性能优越 横向显著低于纵向 然而在许多陶瓷构件中要求在二

13、维甚至三维都要求有高性能 于是便产生了多向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料 纤维排布有两种方式 一种是将纤维编制成纤维布 这种材料在二维方向上性能优越 另一种是纤维分层单向排布 层间纤维成一定角度 前一种材料用于平板构件或曲率半径较大的壳体构件 后一种材料可以根据构件的形状用纤维缠绕的方法制成所需形状的壳层状构件 二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向排布复合材料一样 也主要是靠纤维的断裂 纤维的拔出与裂纹转向使其韧度及强度比基体材料大幅度提高 短纤维 晶须增韧长纤维增韧固然有其优越性 但制备工艺复杂 工艺技术难度大 特别是纤维很难在基体中均匀分布 因此 才发展了短纤维 晶须及颗粒增韧陶瓷

14、基复合材料 将长纤维剪短 然后分散并与基体粉料混匀 热压烧结后制得 这种方法制得的复合材料中 短纤维沿加压面择优取向 因而产生性能上的各向异性 晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料的相同 即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对韧性的提高产生突出贡献 2 颗粒增韧颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有相变韧性 裂纹转向与分叉增韧等 1 相变增韧以ZrO2马氏体相变来说明增韧机理 ZrO2在一定温度和应力场作用下 亚稳定四方t ZrO2颗粒转变为单斜相m ZrO2 伴随着这种相变有的体积膨胀 因而产生了压缩应力 从而抵消外加应力 组织裂纹扩展 达到增韧目的 2 裂纹转向与分

15、叉增韧裂纹在陶瓷材料中不断扩展 裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍 使扩展方向发生偏转和分叉 从而减小了裂纹前端的应力强度因子 增加了材料的断裂韧度 达到了增韧的目的 一 树脂基复合材料的界面1 界面的形成界面的形成可分为两个阶段 一是基体与增强纤维的接触与浸润过程 二是树脂的固化过程 在此过程中树脂通过物理或化学的变化而固化 形成固体的界面层 界面层使纤维与基体形成一个整体 并通过它传递应力 2 界面作用机理 1 界面浸润理论1963年Zisman首先提出了这个理论 主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其重要的 浸润不良会在界面上产生间隙 易产生应力集中而使复合材料发生开裂 完全浸润可使基体

16、与增强纤维的结合强度大于基体的强度 复合材料才能显示其优越性能 第三节复合材料的界面 2 化学键理论主要论点是处理增强纤维表面的偶连剂既含有能与增强纤维起化学作用的官能团 又含有能与树脂基体起化学作用的官能团 由此在界面上形成共价键结合 如能满足这一要求则在理论上可获得最大的界面结合能 这种理论的实质即强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 3 变形层理论如果纤维与基体的线膨胀系数相差较大 复合材料固化后在界面上会产生残余应力 这将损伤界面和影响复合材料的性能 另外 在载荷作用下 界面上会出现应力集中 若界面化学键破坏 产生微裂纹 将导致复合材料性能变差 将增强纤维表面进行处理 在界面上形成一层塑性层 就可以起到松弛和减小界面应力的作用 这种理论称为变形层理论 4 物理吸附理论可作为化学键理论的补充 这种理论认为 增强纤维与基体之间的结合属于机械铰合和基于次键作用的物理吸附 5 减弱界面局部应力作用理论该理论认为 基体和增强纤维之间的处理剂提供了一种具有 自愈能力 的化学键 在载荷作用下 它处于不断形成与断裂的动态平衡状态 低分子物质的应力浸蚀会使界面化学键断裂 而在应力作用下