1、第三章 復合原理作用n復合材料葉片原材料及其產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀n高性能纖維及其應用n碳納米管研究現(xiàn)狀n復合材料在航空航天中的應用n汽車輕量化材料產業(yè)現(xiàn)狀及問題n自動化在航空復合材料生產中的應用參數(shù)連續(xù)變化界面參數(shù)不連續(xù)變化界面參數(shù)內容：晶體結構，元素濃度梯度，熱膨脹系數(shù)，密度等 一般把基體和增強物之間一般把基體和增強物之間化學成分化學成分有顯著有顯著變化變化的構成彼此結合的、能傳送載荷作用的區(qū)域稱之為的構成彼此結合的、能傳送載荷作用的區(qū)域稱之為界面。界面。 界面不是簡單的幾何面。而是一個過渡區(qū)域。界面不是簡單的幾何面。而是一個過渡區(qū)域。一般說該區(qū)域是從增強體內部性質不同的那一點開一般說該區(qū)域是從增強

2、體內部性質不同的那一點開始到基體內部與基體性質相一致的某點為止。始到基體內部與基體性質相一致的某點為止。該區(qū)該區(qū)域的材料結構與性能應該不同于組分材料的任意一域的材料結構與性能應該不同于組分材料的任意一個。可簡稱該區(qū)域為界面相個。可簡稱該區(qū)域為界面相(Interphase)或界面層或界面層(Interlayer)。 界面厚度很小，可以是幾個界面厚度很小，可以是幾個nm到幾百個到幾百個nm。 主要由熱膨脹系數(shù)不同引發(fā)的應力變化界面擴散，溶解，析出，反應研究最為復雜，關系最為重大研究最為復雜，關系最為重大n界面效應與界面界面效應與界面結合狀態(tài)結合狀態(tài)、形態(tài)形態(tài)和和物理物理-化化學性質學性質有關，也與

3、界面兩側的組分的浸潤有關，也與界面兩側的組分的浸潤性、相容性、擴散性等密切相聯(lián)性、相容性、擴散性等密切相聯(lián).傳遞效應傳遞效應阻斷效應阻斷效應 不連續(xù)效應不連續(xù)效應 散射和吸收效應散射和吸收效應誘導誘導( (感應感應) )效應效應 界面結晶效應界面結晶效應 界面化學效應界面化學效應(1)(1)傳遞效應傳遞效應 界面能傳遞力界面能傳遞力, ,即將外力傳遞給增強物即將外力傳遞給增強物, , 橋梁作用。橋梁作用。(2)(2)阻斷效應阻斷效應 阻止裂紋擴展，減緩應力集中等。阻止裂紋擴展，減緩應力集中等。(3)(3)不連續(xù)效應不連續(xù)效應 在界面上引起的物理性質的不連續(xù)在界面上引起的物理性質的不連續(xù)性和界面

4、摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。(4)(4)散射和吸收效應：散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、波等在界面產生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等。隔音性、耐沖擊性等。一種物質一種物質( (通常是增強通常是增強物物) )的表面結構使另一種的表面結構使另一種( (通常是聚合物基體通常是聚合物基體) )與之接觸的物質的結構由于誘導作用而發(fā)生與之接觸的物質的結構由于誘導作用而發(fā)生改變改變, ,由此產生一些現(xiàn)象由

5、此產生一些現(xiàn)象, ,如強的彈性、低的如強的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。基體結晶時易在界面上形基體結晶時易在界面上形核，界面形核誘發(fā)了基體結晶核，界面形核誘發(fā)了基體結晶基體與增強體間的化學反基體與增強體間的化學反應，官能團、原于分子之間的作用應，官能團、原于分子之間的作用電阻R1電阻R1電阻R2ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi無機表面聚合物表面界面浸潤理論界面浸潤理論化學鍵理論化學鍵理論物理吸附理論物理吸附理論變形層理論變形層理論拘束層理論拘束層理論擴散層理論擴散層理論減弱界面局部應力作用理論減弱界面局部應力作用理論196

6、3年年Zisman 主要論點：填充劑被液體樹脂良好浸潤是極其主要論點：填充劑被液體樹脂良好浸潤是極其重要，重要，浸潤浸潤不良易在界面形成空隙，使應力集不良易在界面形成空隙，使應力集中而使復合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則中而使復合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則基體與填充劑間的粘結強度將大于基體的內聚基體與填充劑間的粘結強度將大于基體的內聚強度。強度。 兩個表面結合與其表面能的關系。用表面張力兩個表面結合與其表面能的關系。用表面張力表征表面能：表征表面能：(/)FA T V 如果兩個表面結合，體系由于減少了兩個表面而如果兩個表面結合，體系由于減少了兩個表面而增加了一個界面，增加了一個界面，自由能

7、降低自由能降低，定義為粘合功，定義為粘合功WA 任何物體都有減少其自身表面能的趨勢，液任何物體都有減少其自身表面能的趨勢，液體收縮成圓球狀，固體則把其接觸的液體鋪體收縮成圓球狀，固體則把其接觸的液體鋪展開覆蓋其表面。展開覆蓋其表面。ASGLGSLWcos(1cos)LGSGSLALGW當/2時，不浸潤；當3.5%時，性能下降，原因是反應過分。 此時認為反應促進了浸潤。（2）加入Mg。 當Mg4%時，浸潤。 發(fā)現(xiàn)：Mg富集優(yōu)先氧化與Al2O3形成MgOAl2O3尖晶石。 此時認為Al的不浸潤能是由Al2O3所致。（3）加入冰晶石。 由于冰晶石能溶Al2O3，所以潤濕問題得以解決。2.表面處理：對

8、纖維涂層（1）鍍金屬： 例如：碳纖維電鍍一層Cr、Cu（2）化學沉積： 例如：SiC、B4C、TiC、TiB2等涂層方法效果Ni電鍍強度低Ag電鍍不良Cu電鍍強度低，短時間浸可達ROM的75Ti電鍍ROM 95B4CCVD強度低BCVD浸潤不良SiCVD浸潤不良TiCCVD浸潤不良Ti + BCVD浸潤良好 ROM95100Na,Zn,Mg 熔融金屬液（Na法）浸潤良好 ROM95100TiCl4和BCl3進入反應室； 載氣氬氣把Zn蒸汽也帶入反應室，使Ti，B或鈦硼化合物沉積在碳纖維上：TiCl4 Zn ZnCl2 Ti BCl3 Ti TiCl2 B鈉 法1. 表面涂覆Na 2. 被Zn置

9、換獲Zn涂覆層3. 被Al置換獲Al層處理增強劑表面的偶聯(lián)劑應既含有能處理增強劑表面的偶聯(lián)劑應既含有能與增強劑起化學作用的官能團，又含有能與樹脂與增強劑起化學作用的官能團，又含有能與樹脂基體起化學作用的官能團。基體起化學作用的官能團。由此在界面上形成共由此在界面上形成共價鍵結合，可獲得最強的界面粘結能。價鍵結合，可獲得最強的界面粘結能。若無偶聯(lián)劑，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學若無偶聯(lián)劑，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學反應，亦可形成牢固的界面。反應，亦可形成牢固的界面。該理論的實質即強調增加界面的化學作用。該理論的實質即強調增加界面的化學作用。增強纖維與樹脂基體之間的結合是屬于增強纖維與樹脂基

10、體之間的結合是屬于機機械鉸合械鉸合和基于次價鍵作用的和基于次價鍵作用的物理吸附物理吸附。偶。偶聯(lián)劑的作用主要是促進基體與增強纖維表聯(lián)劑的作用主要是促進基體與增強纖維表面浸潤。面浸潤。粗糙表面能實現(xiàn)力的傳遞。2.2.化學反應結合：化學反應結合： 以B/Ti為例： M(Ti) f(B)BTi 界面層固溶體化合物 TiB21.反應層由固溶體和化合物組 成2. 過渡層厚度：溫度，時間，合金化。 目前將潤濕及反應一起考慮，即希望又能增加浸潤性，而又減小反應的表面處理方法。1.界面反應層對抗拉強度的影響：反應層厚度x500埃例一：例一：B/TiB/Ti制造溫度：制造溫度：980980 接觸時間：接觸時間：

11、1 1秒秒 反應厚度反應厚度500500埃埃在區(qū)，由于反應物薄，對纖維破壞不大區(qū)，由于反應物薄，對纖維破壞不大在在區(qū)，超過臨界厚度時，區(qū)，超過臨界厚度時，TiBTiB2 2本身是脆性，首先被破壞本身是脆性，首先被破壞在在區(qū)，纖維已不起作用區(qū)，纖維已不起作用 通常用界面剪切強度來表征上海交通大學提出直觀法評定結合強度.以C/Al復合材料為例： 不良結合纖維大量拔出，長度很長，呈刷子狀 結合適中纖維拔出，有一定長度 結合稍強出現(xiàn)不規(guī)律斷面，拔出纖維很短 結合太強平斷口 弱界面弱界面和強界面強界面 界面結合的強弱界面結合的強弱與性能要求有關。如疲勞強度來說，希望強一點，因為在交變應力作用下，容易發(fā)生

12、界面松脫現(xiàn)象。 在韌性要求時，應采用弱界面結合，允許有一定的蠕變。2.界面結合強度的概念：(a)(a)是玻纖增強是玻纖增強PPPP（聚丙烯聚丙烯樹脂樹脂 ）的沖擊試樣的）的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片斷口掃描電鏡照片（a a）是加入）是加入MPPMPP相相容劑的玻纖增強體容劑的玻纖增強體系，系，( a( a）中玻璃）中玻璃纖維與基體的結合纖維與基體的結合較好，纖維拔出較較好，纖維拔出較少少. .（b b）是未加相容劑的玻纖增強體系）是未加相容劑的玻纖增強體系從中可以看出，而從中可以看出，而（b b）中有大量的玻）中有大量的玻纖從基體中拔出，證纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較明與基體的粘接性較

13、差，因而體系的力學差，因而體系的力學性能不高。性能不高。 線性效應線性效應非線性效應非線性效應界面效應界面效應尺寸效應尺寸效應各向異性效應各向異性效應 復合效應復合效應線性效應可細分為線性效應可細分為平均效應平均效應、平行效應、相補效應、平行效應、相補效應、相抵效應。相抵效應。非線性效應可細分為非線性效應可細分為乘積效應乘積效應、系統(tǒng)效應、誘導效、系統(tǒng)效應、誘導效應、共振效應。應、共振效應。相補效應和相抵相應相補效應和相抵相應AB 例如對材料例如對材料X輸入時輸出為輸入時輸出為Y，即一種轉換功能，即一種轉換功能材料材料Y/X(如磁場壓力的換能材料如磁場壓力的換能材料)；而；而Y又作為另又作為另

14、一種材料的第二次輸入，產生輸出一種材料的第二次輸入，產生輸出Z，即為另一種，即為另一種換能材料換能材料ZY(如電阻磁場轉換材料如電阻磁場轉換材料)。兩種材料。兩種材料復合得出一新的機能材料，即復合得出一新的機能材料，即Y/XZ/YZ/X(即電即電阻壓力轉換材料阻壓力轉換材料)。 乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應。功能效應。n指在復合材料中兩組元(兩相)的界面上，一相

15、對另一相在特定條件下產生誘導作用(如誘導結晶)，使之形成相應的界面層。這種界面層結構上的特殊性能使復合材料在傳遞載荷的能力上或功能上具有特殊性，從而使復合材料只有某種獨特的性能。n指將不具備某種性能的諸組分通過特定的復合狀態(tài)復合后，使復合材料具有單個組分不具有的新性能。n經(jīng)典例子：利用彩色膠卷能分別感應藍、綠、紅的三種感光乳劑層，即可記錄宇宙間千變萬化異彩紛呈的各種絢麗色彩。n又稱強選擇效應，它是指某一組分A具有一系列性能，與另一組分B復合后，能使A組分的大多數(shù)性能受到較大抑制，而使其中某一項性能在復合材料中突出地發(fā)揮。n例如，在要求導電而不導熱的場合，可以通過選擇組分和復合狀態(tài)，在保留導電組

16、分導電性的同時，抑制其導熱性而獲得特殊功能的復合材料。(1)(1)連續(xù)纖維增強原理連續(xù)纖維增強原理 混合定則混合定則可很好的描可很好的描述和預測復合材料的某些性能。若纖維在基述和預測復合材料的某些性能。若纖維在基體中呈單向均勻的排列，則沿纖維方向復合體中呈單向均勻的排列，則沿纖維方向復合材料的性能可表示為材料的性能可表示為NiiiVPP1nnc復合材料的并列模型與串列模型n=1 n=-1基體強化相當n=1時，復合材料由基體和一種強化相組成（N =2），稱為并列模型 ，也稱為經(jīng)典復合準則 。rrmmcVPVPP rrmmc111VPVPPmrrmrmcVPVPPPP rrmmclnlnlnPVP

17、VPrmPPPvrvmc)()(NiiiVPP1nnc彈性模量：彈性模量： 纖維方向：纖維方向：Ec=k（Pf p+Pm m ） 垂直纖維方向：垂直纖維方向：纖維方向的強度：纖維方向的強度： cu=fuf+ m*m1 f mEc Ef Em= +連續(xù)纖維增強連續(xù)纖維增強彌散增強型彌散增強型50m顆粒增強型顆粒增強型50m彌散增強彌散增強Dispersion-Strengthened Composites 彌散增強主要是針對金屬基體，外加入顆粒尺寸小，彌散增強主要是針對金屬基體，外加入顆粒尺寸小，而不是脫溶沉淀出的第二相。加入的都是硬質顆粒如而不是脫溶沉淀出的第二相。加入的都是硬質顆粒如AlAl

18、2 2O O3 3、TiCTiC、SiCSiC等。這些彌散于金屬或合金中的顆粒，等。這些彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯的運動，起到顯著強化作用。因此，可以有效的阻止位錯的運動，起到顯著強化作用。因此，其強化機理與脫溶沉淀類似，基體仍是承受載荷的主體。其強化機理與脫溶沉淀類似，基體仍是承受載荷的主體。正因為這些外加質點不是相變脫溶產生的，隨溫度的升高正因為這些外加質點不是相變脫溶產生的，隨溫度的升高仍可保持原有的尺寸，所以其增強效果在高溫仍能保持較仍可保持原有的尺寸，所以其增強效果在高溫仍能保持較長的時間，使復合材料的抗蠕變性能，持久性能明顯優(yōu)于長的時間，使復合材料的抗蠕變性能，持

19、久性能明顯優(yōu)于基體合金。基體合金。顆粒尺寸：顆粒尺寸：10250nm條件：條件： 質點是彌散于基體中且均勻分布的球形質點是彌散于基體中且均勻分布的球形 d為微粒直徑為微粒直徑 Vp為體積分數(shù)為體積分數(shù) Gm為基體的切變模量為基體的切變模量 b為柏氏矢量為柏氏矢量 y為復合材料的屈服強度為復合材料的屈服強度 彌散質點的尺寸越小，體積分數(shù)越大，強化效果越好。彌散質點的尺寸越小，體積分數(shù)越大，強化效果越好。一般一般Vp=0.01-0.15，dp=0.01m-0.3m基體發(fā)生位錯運動時，復合材料產生塑性變形，此時剪基體發(fā)生位錯運動時，復合材料產生塑性變形，此時剪切應力切應力y即為復合材料的屈服強度即為復合材料的屈服強度ymppG bdVV231212彌散增強彌散增強 在金屬基體中加入粒子進行增強與彌散強化的在金屬基體中加入粒子進行增強與彌散強化的最大不同點是粒子的尺寸，粒子的尺寸為最大不同點是粒子的尺寸，粒子的尺寸為150 m。其它參數(shù)粒子間距為其它參數(shù)粒子間距為125m，