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1、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 2009.3.31,第八讲 界面结合与模量匹配,1 界面结合与失效模式 2 模量匹配问题 3 模量匹配控制,引入无量纲参数表示界面结合强度，的取值范围为01, = 0，界面完全弱结合 = 1，界面完全强结合 01，界面介于强弱之间,界面结合状态最佳 = max，断裂强度最大,1.1 界面结合与增强效果,1 界面结合与失效模式,0 1，出现非积累型断裂 基体不能将载荷有效地传递给纤维，整个复合材料内部出现不均匀的积聚损伤 2 l，出现积聚型断裂 复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程不存在
2、纤维的拔出 1 2，出现混合型断裂 在纤维与基体之间结合弱的部位发生非积聚断裂，而在结合较强的部位发生积聚性断裂,1.2 界面结合与失效模式,1 界面结合与失效模式,lc太长，非积累型破坏，强度低而韧性高； lc太短，积累型破坏，强度高而韧性低； lc在一定范围内，混合型破坏，强度和韧性匹配。,1.3 失效模式与临界长度,1 界面结合与失效模式,2 模量匹配问题,典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征： 前提：界面不发生滑移,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,在复合材料界面不发生滑移的情况下：,基体模量必须低于纤维模量，纤维才有增强效果,2.1 弹性界面的模量匹配,多孔弹性基体可以
3、改善界面模量匹配：,Em：弹性基体的名义模量远低于理论模量,连续纤维/多孔基体 Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 60-85Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总孔隙率 35-50Vol%,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 30-50Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总孔隙率 20-30Vol%,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforced Silicon Carbi
4、de Composites (C/SiC, C/C-SiC),2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforced Silicon Carbide Composites (C/SiC, C/C-SiC),2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,The 90 fiber direction strengths for the uni-directional samples, with dense structure and 0.15 m-thickness SiC coating (a), with porous str
5、ucture and 0.15 m-thickness SiC coating (b), with porous structure and 0.48 m-thickness SiC coating (c).,S. SUYAMA,JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 37 (2002) 1101 1106,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,Gm / Gb 30%控制的弱基体可降低 Gm,弹性界面的裂纹偏转条件：,criterion for crack deflection,Tu e
6、t al., 1996,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,低模量界面相可以改善界面模量匹配：,Ei：界面相的模量,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,弹性界面的裂纹偏转条件：,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,A. G. EVANS, F. W. ZOK, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 29 (1994) 3857 3896,Gi / Gf Gi : 界面脱粘能 Gf : 纤维丝断裂能 由弱界面控制的纤维基体脱粘可降低 Gi (Py C, BN),弹性
7、界面的裂纹偏转条件：,纤维的断裂能 f20Jm-2 挑战：选择抗氧化界面层,Evans et al., 1994,criterion for crack deflection,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,T. Nozawa，The Effects of Neutron The Effects of Neutron IIrrrradiiattiion on the IIntterrffaciiall Shearr Sttrre
8、ngtth off SiiC/SiiC Composiittes,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,控制界面层厚度控制纤维临界长径比：,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,Effect on mechanical properties of carbon coatings on Nicalon fibres in a SiC matrix. 临界长度影响复合材料韧性,T.W.Clyne, F.R.Jones, Composites: Interfaces, “Composites: MMC, CMC, PMC”, A Mortensen (ed.), Elsevier,
9、2001,2.1 弹性界面的模量匹配,2 模量匹配问题,低模量：缓解热膨胀失配； 低剪切强度：控制界面结合强度； 与纤维和基体共有化学组元：防止界面化学反应。,弹性界面的界面相,2 模量匹配问题,2.1 弹性界面的模量匹配,纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：,如果模量比太小，需要低模量界面层：,如果模量比太大，需要高模量界面层：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,模量比和体积分数影响载荷传递效果：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：,E-glass/Nylon-6复合材料,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,温度升高，基
10、体模量下降，纤维临界长径比增加：,E-glass/Nylon-6复合材料,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,模量比对纤维和界面应力的影响大：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,模量比对界面剪切应力的影响(R=Em/Ef, : x=0, : x=L),模量比对界面剪切应力的影响(:0.001, :0.025, :0.1, :0.2 :0.3, :0.4, : 0.5),2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,模量比对纤维径向应力的影响 (:0.001, :0.025, :0.1, :0.2 :0.3, :0.4, : 0.5),模量比对纤维轴向应力的影响 (:0.0
11、01, :0.025, :0.1, :0.2 :0.3, :0.4, : 0.5),2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响 (PMC:Steel/epoxy, :上部, : 底部),模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响 (MMC:SiC/Al, :上部, : 底部),模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,R/rf,几何比对界面剪切应力的影响 (CMC: SiC/ZrO2 :上部, : 底部),模量比越小，界
12、面剪切应力越大，影响区越越小：,2.2 屈服界面的模量匹配,2 模量匹配问题,模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,2D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能,3D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能,成分梯度控制模量梯度：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,改性A的PyC层纤维束内部较薄，纤维束外部较厚,改性B的PyC层纤维束内部较厚，纤维束外部较薄,基体改性2D
13、 C/SiC的显微结构：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,基体改性对2D /SiC性能的影响,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,基体改性对C/SiC应力应变的影响：,B,A,2D C/SiC,2D C/SiC的应力应变,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,A,B,2D C/SiC,2D C/SiC的弯曲载荷位移,基体改性对C/SiC载荷扰度的影响,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,基体改性对C/SiC综合性能的影响,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,2D C/SiC,改性,The first pull- out,The second pull-out,T
14、he first pull- out,The second pull-out,模量梯度造成两级拔出：,3.1弹性界面模量梯度,3 模量匹配控制,纤维束内基体的模量应该比纤维束外基体的模量低 纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维的模量低 靠近纤维丝和束的基体模量应该比远离的基体模量低,界面和基体一体化,基体模量,低 高,3.2 界面模量匹配原则,3 模量匹配控制,弹性界面模量匹配原则,模量梯度可增加界面剪切强度，抑制界面裂纹扩展：,3.2 界面模量匹配原则,3 模量匹配控制,屈服界面模量匹配原则,屈服界面模量匹配原则,纤维束内基体的模量应该比纤维束外基体的模量高 纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维的模量高 靠近纤维丝和束的基体模量应该比远离的基体模量高,纤维,基体,改性,界面和基体一体化,基体模量,低 高,3.2 界面模量匹配原则,3 模量匹配控制,思考题,纤维与基体的模量比对复合材料的性能有何影响？怎样控制这种影响？试分析为什么多孔C/SiC复合材料具有高强度？如何控制纤维的临界长径比？（基体致密度、界面），结合上一讲优化设计晶须增强复合材料。,The End,Thanks for your attention,
