复合材料设计课件.ppt

1、p 复合材料复合材料：由两种或两种以上物理和化学不同物质组由两种或两种以上物理和化学不同物质组 合起来而得到的一种合起来而得到的一种多相多相固体材料。固体材料。p 更确切地说利用适当的工艺方法，将两种或几种在物更确切地说利用适当的工艺方法，将两种或几种在物理性能和化学性能不同的物质组合而成的多相固体材料。理性能和化学性能不同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料各组分间有明显界面。复合材料各组分间有明显界面。1.基本概念基本概念 p 基体：基体：在复合材料中，通常有一相为连续相，在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体。称为基体。p 增强材料：增强材料：复合材料中另一相为分散相，称为复合材料

2、中另一相为分散相，称为 增强材料。增强材料。注意：注意：分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之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。间存在着相界面。分散相是分散相是增强纤维，颗粒状或增强纤维，颗粒状或 弥散状的填料弥散状的填料。复合材料由基体复合材料由基体(即连续相即连续相)和分散或增强材料和分散或增强材料(由纤维由纤维或颗粒等组成相或颗粒等组成相)，通过一定工艺方法固结成一体。，通过一定工艺方法固结成一体。p 复合材料组成及显微结构复合材料组成及显微结构 基体+增强体+（界面）+（孔隙）p 多相材料性能多相材料性能 取决于：各组成体的化学成分、结构、几何

3、形态、数量、分布及界面行为 根据产品使用性能选择根据产品使用性能选择，同时考虑组成体间的，同时考虑组成体间的 相容性、基体与增强体的界面反应、可加工性、相容性、基体与增强体的界面反应、可加工性、经济成本等因素。经济成本等因素。例如：例如：结构用复合材料注重最佳强度与刚度；结构用复合材料注重最佳强度与刚度；功能复合材料应具有良好的物理性能；功能复合材料应具有良好的物理性能；高温材料要求良好热强性、耐蚀性；高温材料要求良好热强性、耐蚀性；金属基复合材料还应注意其具备良好的工艺性。金属基复合材料还应注意其具备良好的工艺性。2.组成体选择原则组成体选择原则 1、基体作用与要求、基体作用与要求:-赋形赋

4、形 -传递与分配载荷、界面结合传递与分配载荷、界面结合 2、增强纤维作用与要求、增强纤维作用与要求:-承受载荷的主体承受载荷的主体 -最佳强度与刚度、结构稳定、最少缺最佳强度与刚度、结构稳定、最少缺 陷、无陷、无 界面反应、结合良好；界面反应、结合良好；短纤维增强的最佳长径比短纤维增强的最佳长径比3、基本原则、基本原则:纤维的强度和模量都要高于基体。纤维和基体之间要有一定的粘接力。纤维和基体的热膨胀系数相差不能过大。纤维和基体之间不能发生有害的化学反应。纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。1、增强体作用：增强体约束基体变形2、要求基体：具有较高强度与刚度，易加工 （金属基）、与增强体良好

5、相容 性、不发生界面反应。3、基本原则：、基本原则：颗粒应高度弥散均匀的分散在基体中。颗粒应高度弥散均匀的分散在基体中。颗粒直径大小要合适。颗粒直径大小要合适。颗粒数量一般应大于颗粒数量一般应大于20%。颗粒与基体之间有一定的粘接作用。颗粒与基体之间有一定的粘接作用。材料设计初期阶段根据目标性能，对材料组元材料组元数和各组元含量进行初步而简单的估计数和各组元含量进行初步而简单的估计，最简单的估计方法是复合准则,即：假设复合材料的性能与组元的体积含量成正比：PcPc复合材料的性能指标复合材料的性能指标Pi 各组元的性能指标各组元的性能指标 i 各组元的体积含量各组元的体积含量 N组元的数目组元的

6、数目 n 实验参数实验参数(1 n 1)3.复合准则复合准则()=NiiivPP1nncvp （一）（一）力学性能的复合准则力学性能的复合准则 几种主要的力学模型：几种主要的力学模型：层板模型、层板模型、切变延滞模型、切变延滞模型、连续同轴柱体模型、连续同轴柱体模型、有限差分与有限元模型有限差分与有限元模型p （二）（二）物理性能的复合法则物理性能的复合法则 加和特性、传递特性、结构敏感特性加和特性、传递特性、结构敏感特性 ()=NiiivPP1nncrrmmcvPvPP+=rrmmc111vPvPP+=mrrmrmcvPvPPPP+=rrmmclnlnlnPvPvP+=rmPPPvrvmc)

7、()(=简单复合准则的几种特殊形式及其对于简单复合准则的几种特殊形式及其对于分散强化型复合材料的适用范围分散强化型复合材料的适用范围 n n 复合准则表达式复合准则表达式 适用复合材料类型适用复合材料类型 可预测的特性可预测的特性 1 1 单向纤维强化单向纤维强化复合材料复合材料 平行于纤平行于纤维方向维方向 弹性模量弹性模量泊松比泊松比强度强度热传导率热传导率导电率导电率 0 0球形颗粒弥散强化球形颗粒弥散强化 弹性模量、电容率弹性模量、电容率 不规则结构不规则结构 弹性模量弹性模量 强化相三维无序排列强化相三维无序排列 弹性模量、热传导率弹性模量、热传导率 -1-1单向纤维强化单向纤维强化

8、复合材料复合材料 垂直于纤垂直于纤维方向维方向 弹性模量弹性模量电容率电容率热传导率热传导率导电率导电率 rrmmcvPvPP+=rrmmclnlnlnPvPvP+=ccmmc111vPvPP+=同常规材料同常规材料(例如工程上大量采用的金属材料例如工程上大量采用的金属材料)的显著的显著区别是区别是非均质和各向异性非均质和各向异性。相比传统材料，复合材料在力学性能上有以下特点相比传统材料，复合材料在力学性能上有以下特点 比强度、比模量较高比强度、比模量较高 具有可设计性具有可设计性 力学行为有别于传统材料力学行为有别于传统材料4.力学性能设计力学性能设计 传统分类：微观与宏观传统分类：微观与宏

9、观 -微观力学的研究范围以原子、分子或晶格的 大小为其尺度；-宏观力学研究各种结构和元件在不同载荷及 环境下的强度、变形、稳定性和冲击、振动 等问题；-对于复合材料力学，这种划分尚嫌粗糙。范畴：范畴：研究研究单向单向(或单层或单层)复合材料的平均物理性能复合材料的平均物理性能与各相材料的物理与各相材料的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料各相内部的性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料各相内部的真实应力真实应力与应变场分布，与应变场分布，以此作为确定复合材料性能与破坏机制的根据。以此作为确定复合材料性能与破坏机制的根据。基本假设：基本假设：（1 1）复合材料被视为连续的非均匀介质，它

10、不是以原子、分子尺）复合材料被视为连续的非均匀介质，它不是以原子、分子尺度量级，而是度量级，而是以颗粒或纤维的直径为其特征尺寸。以颗粒或纤维的直径为其特征尺寸。（2 2）“典型单元体典型单元体”：细观单元细观单元，包含有复合材料的各个相，并，包含有复合材料的各个相，并且有与整个复合材料相同的特征且有与整个复合材料相同的特征(这主要是指各相体积的比例及增强这主要是指各相体积的比例及增强体几何分布体几何分布)的最小体积，的最小体积，因此，它的尺寸远远大于原子、分子尺度因此，它的尺寸远远大于原子、分子尺度量级，又不同于经典连续介质理论中的微分单元。量级，又不同于经典连续介质理论中的微分单元。简言之，

11、细观力学是以复合材料中各相材料的性能及相几何简言之，细观力学是以复合材料中各相材料的性能及相几何作为已知条件，来计算把复合材料视为均匀材料作为已知条件，来计算把复合材料视为均匀材料(即等效均即等效均匀体匀体)的平均性能的数值的平均性能的数值。4.1 4.1 连续连续长长纤维增强复合材料纤维增强复合材料细观力学模型如图，细观力学模型如图，单排单向纤维增强体单排单向纤维增强体接受应接受应力力作用时，材料的应力应变遵循作用时，材料的应力应变遵循等应变模型等应变模型，即各组成体产生相等的应变量。即各组成体产生相等的应变量。fffE=mmmE=cccE=各组成体由胡克定律：各组成体由胡克定律：cmf=等

12、应变：等应变：fmfmmmffcvEEEvEvEE）（+=+=1可求得单排纤维增强复合材料可求得单排纤维增强复合材料纵向弹性模量纵向弹性模量为：为：n=11、纵向弹性模量、纵向弹性模量rrmmcvPvPP+=2 2、横向弹性模量、横向弹性模量细观力学模型如图，细观力学模型如图，单排单向纤维增强体单排单向纤维增强体在拉应力作用下，增强体与基体相当于串在拉应力作用下，增强体与基体相当于串联状态，属于联状态，属于等应力等应力模型。模型。各组成体的应变为：各组成体的应变为：ffE2=mmE2=ccE2=n=-1rrmmc111vPvPP+=mmffcEvEvE+=21可求得复合材料横向弹性模量可求得复

13、合材料横向弹性模量：由于增强纤维模量远大于基体模量，因此复合材料纵由于增强纤维模量远大于基体模量，因此复合材料纵向模量主要受增强体影响，横向模量主要受基体的影响。向模量主要受增强体影响，横向模量主要受基体的影响。复合材料的变形量：复合材料的变形量：mfcwww+=)()(wvwvwmmffc+=修正问题之一考虑，复合材料的弹性模量修正为：mmffcvEvEE1+=其中其中 为基体的泊松比，当其小于为基体的泊松比，当其小于0.3时，修正量不大。时，修正量不大。纵向弹性模量：纵向弹性模量：式中，基体的弹性模量：式中，基体的弹性模量：m纵向弹性模量纵向弹性模量：1)/()/(122+=mmffffm

14、mffmmffcEvEvEEEvEvEvE221mmmEE=泊松比是材料横向应变与纵向应变的比值 修正问题之二修正问题之二 考虑考虑界面结合并不是完全理想界面结合并不是完全理想，而且在制造过，而且在制造过程中会造成增强材料的损坏，前卫损伤、折断，纤程中会造成增强材料的损坏，前卫损伤、折断，纤维折断后小于临界长度，增强效果明显下降，复合维折断后小于临界长度，增强效果明显下降，复合材料的纵向弹性模量修正式为：材料的纵向弹性模量修正式为：)1()1(fmffffffclvEEvKKvEE+=3 3、剪切模量、剪切模量细观力学假设，增强体和细观力学假设，增强体和基体所承受的剪切应力均基体所承受的剪切应

15、力均匀相等，剪切特性呈线性，匀相等，剪切特性呈线性，如图所示：如图所示：，材料的总剪切变形量rw=mf+=总变形量为：mfc=Gr=)()(wvrwvrrwmmff+=为宽度为剪切应变，wr剪切模量剪切力ffGr=由于：mmGr=ccGr=mmffcGvGvG+=1有：,GGmf远小于因为 基体对复合材料剪切模量（纵向）的影响大于增强体。4、纵向拉伸强度估算（实例）、纵向拉伸强度估算（实例）假设：假设：所有纤维平直、均匀，在同一应力同一应力水平，同同一时间内一时间内，而且在同一平面同一平面内断裂。在拉应力作用下，纤维和基体处于等应变状态。金属基复合材料金属基复合材料fmmf0minfVfcri

16、tVfV二次二次断裂断裂 一次断裂一次断裂 直线直线a直线直线bfffmcvv+=)1()1(fmmcv=当 时：f当纤维断裂后应力由基体承担：（直线（直线a）（直线（直线b）基体及增强体的应力应变如图所示，基体及增强体的应力应变如图所示，f明显小于明显小于m。纤维首先破断，载荷纤维首先破断，载荷将全部加到肌体上。将全部加到肌体上。基体纤维 对于纤维增强复合材料而言对于纤维增强复合材料而言 1.1.承担载荷的主要是纤维承担载荷的主要是纤维 纤维的强度越高越有利纤维的强度越高越有利 提高纤维的模量相当于减低纤维含量。提高纤维的模量相当于减低纤维含量。2.2.基体没有发挥最大作用。基体没有发挥最大

17、作用。若基体的应力应变曲线左移或者纤维的若基体的应力应变曲线左移或者纤维的 应力应变曲线右移，都能使基体充分发挥作用。应力应变曲线右移，都能使基体充分发挥作用。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料fffm直线直线c c直线直线d d 0二次断裂二次断裂 一次一次断裂断裂 当陶瓷基体应变达到 时mfffmcVV)1(+=（直线（直线c）当基体被拉断后，只有纤维受力fffcV=（直线（直线d）基体纤维6、纵向压缩强度估算：、纵向压缩强度估算：关于压缩强度：关于压缩强度：纤维在纤维在单纯的压缩应力作用下不会破坏单纯的压缩应力作用下不会破坏，而是由其他，而是由其他因素引起的局部弯折导致纤维断裂。因素引起的局部

18、弯折导致纤维断裂。状况状况1-反相弯折损坏：反相弯折损坏：如图所示，如图所示，增强体含量少时，纤维增强体含量少时，纤维出现反相弯折出现反相弯折，基体以异相方式承受拉基体以异相方式承受拉伸和压缩，伸和压缩，复合材料的压缩强度为：复合材料的压缩强度为：2/1max)1(3/)(2ffmffvEEvv=状况状况2-同相弯折损坏：同相弯折损坏：如图所示，如图所示，当增强体含量高时，纤维以同相弯折破当增强体含量高时，纤维以同相弯折破坏坏，基体承受剪切基体承受剪切，复合材料的压缩强度为：，复合材料的压缩强度为：)1/(maxfmvG=由于增强纤维分布不均，含量少的部分弯折抗力下降，由于增强纤维分布不均，含

19、量少的部分弯折抗力下降，破坏易在此出发生。破坏易在此出发生。材料制备过程中纤维排布取向偏差，存在气孔以及纤材料制备过程中纤维排布取向偏差，存在气孔以及纤维与基体脱粘等都会引起材料强度降低。维与基体脱粘等都会引起材料强度降低。基于以上原因，估算值与实验值偏差较大。基于以上原因，估算值与实验值偏差较大。1、应力分布：、应力分布：假设：假设：短纤维增强复合材料中，增强体的取向是随机分布的，短纤维增强复合材料中，增强体的取向是随机分布的，为分析方便，为分析方便，假定所有的短纤维都是相同方向。假定所有的短纤维都是相同方向。纤维和基体的界面结合良好，所施加的应力应当通过纤维和基体的界面结合良好，所施加的应

20、力应当通过基体传递到增强体上。基体传递到增强体上。4.2 短纤维增强复合材料的力学性能设计短纤维增强复合材料的力学性能设计纤维上的拉应力与剪纤维上的拉应力与剪切应力分布图切应力分布图由于纤维上剪切应力变化导致纤由于纤维上剪切应力变化导致纤维上的拉应力也发生变化。维上的拉应力也发生变化。在弹性范围内纤维的拉应力为：在弹性范围内纤维的拉应力为：fmfE=它与纤维的长度有关，它与纤维的长度有关，当纤维上当纤维上的拉应力达到断裂应力时，纤维的拉应力达到断裂应力时，纤维的长度为临界长度。的长度为临界长度。在平衡状态下，作用在纤维上的拉力等于作用在界面上的在平衡状态下，作用在纤维上的拉力等于作用在界面上的

21、剪切力：剪切力：2/)4/(02dldfu=d为纤维直径，为纤维直径，lc为临界长度，可求得临界长径比为：为临界长度，可求得临界长径比为：2/0fudl=对于不同的复合材料，其临界长度和临界长径比不同。对于不同的复合材料，其临界长度和临界长径比不同。如下表计算：如下表计算：复合材料df (m)f(GPa)(界面剪切强度MPa）l0/dL0(mm)玻璃短纤维/环氧树脂7.521035100300.750.2碳短纤维/环氧树脂7.0270700.5一端埋入的情况一端埋入的情况纤维埋入深度纤维埋入深度 L 0 L0fLrr22=LP-剪切力剪切力当当 L=L0；f2202Lrrf=整理：整理：=fr

22、L0纤维在基体中的受力情况为：纤维在基体中的受力情况为：L 1/2L0 时，继续维持在 ，纤维被拔断 末端效应末端效应：短纤维的端头小于1/2L0的部分 所承受应力永远达不到的现象。ffL0f0 全部埋入的情况全部埋入的情况 LPPf0L L01/2L0 因为末端效应的存在，这里提出一个因为末端效应的存在，这里提出一个平均应力平均应力 的概念。的概念。f()=fLfffLLLLLdlL)21(2211000=ffLrk)1()1()1(fmffcVVLrk+=frL0将公式将公式 代入上式得：代入上式得：=fffffLrrL)21()211(kf=2将平均应力将平均应力 代入混和定律整理得到：

23、代入混和定律整理得到：f令令 得到得到复合材料所受应力复合材料所受应力 与纤维含量、长径比有关。在一般情与纤维含量、长径比有关。在一般情况下，要求长径比况下，要求长径比 10，否则无意义，至少要求，否则无意义，至少要求 5 ，如图所示：如图所示：cLrLr增强率10095500 5 10 Lr 增强机理 不同于纤维增强不同于纤维增强，载荷主要由基体承担载荷主要由基体承担，颗粒也承受，颗粒也承受部分载荷，部分载荷，但其作要作用是约束基体塑性变形，阻碍位但其作要作用是约束基体塑性变形，阻碍位错运动，提高材料强度。错运动，提高材料强度。4.3 颗粒增强复合材料力学性能设计颗粒增强复合材料力学性能设计

24、1 1、弹性模量、弹性模量由于由于增强体的不连续性增强体的不连续性，导致应力，导致应力应变场波动，力学性能分析复杂化，应变场波动，力学性能分析复杂化，混合定律预测偏离实验测定混合定律预测偏离实验测定。等应力模型：混合定律：rrmmcvEvEE+=rmmrrmCvEvEEEE+=2 2、强度、强度 因为基体与增强体都承担载荷，并且增强颗粒的尺寸、因为基体与增强体都承担载荷，并且增强颗粒的尺寸、形状、分布差别较大，对材料性能影响十分显著，形状、分布差别较大，对材料性能影响十分显著，至今无至今无可行的模型预测。可行的模型预测。第二相颗粒阻碍基体中的位错运动，如下图。第二相颗粒阻碍基体中的位错运动，如

25、下图。2/bGRm=)1()/32/(212ppmyvvdbG=分散强化的分散强化的OrowanOrowan机制机制位错绕过时，弯曲的曲率半径位错绕过时，弯曲的曲率半径R:R:位错绕过后，位错绕过后，R=Dp/2,R=Dp/2,产生塑产生塑变材料屈服，屈服应力：变材料屈服，屈服应力：pmyDbG/=)1()/32(212pppvvdD=()ppmVVdbGc=132212弥散增强：Gm 基体切变模量；b 柏氏矢量；d直径；Vp体积分数；颗粒增强比弥散增强多：Gp颗粒模量；C常数颗粒增强：弥散增强，颗粒增强的区别：弥散增强，颗粒增强的区别：颗粒小到能对位错产生影响时称为弥颗粒小到能对位错产生影响

26、时称为弥散增强。散增强。弥散增强与本身性能无关，与弥散增强与本身性能无关，与G Gp p有关有关。所以要选择共价键的颗粒所以要选择共价键的颗粒。承担载荷的主要是基体承担载荷的主要是基体。CvdbvGGpppm)1(2321c=5、相容、浸润与界面问题、相容、浸润与界面问题 5.1 相容性 复合材料制备及使用过程的要求。包括物理和化学相容性。物理相容性物理相容性 指基体基体应具有足够的塑性和强度塑性和强度，将载荷转移到增强体上，而不出现不连续现象。化学相容性化学相容性 原位复合材料制备过程中应是热力学平衡状态热力学平衡状态，共晶体各相的化学位相等，比表面能最小，否则会出现不稳定状态。对人工复合材

27、料，基体与增强相的浸润性及化学反应十分重要。改善浸润和防止产生有害的化学反应有利于提高材料性能。5.2 浸润性 浸润问题。浸润问题。制备过程中液固相聚合物基、金属基复合材料中制备过程中液固相聚合物基、金属基复合材料中的浸润问题。的浸润问题。浸润性含义。浸润性含义。液体液体(基体基体)在增强材料上铺展开来覆盖整个增在增强材料上铺展开来覆盖整个增强材料表面性能。假如基体的粘度不是太高，和增强相接触后强材料表面性能。假如基体的粘度不是太高，和增强相接触后导致体系自由能降低的话，就会发生基体对增强材料的浸润。导致体系自由能降低的话，就会发生基体对增强材料的浸润。5.3 界面理论界面的重要性界面的重要性

28、 界面使增强材料与基体材料结合为一个整体界面使增强材料与基体材料结合为一个整体 ；由于材料；由于材料的多样化及界面的复杂性，的多样化及界面的复杂性，至今尚无一个普适性的理论来说至今尚无一个普适性的理论来说明复合材料的界面行为明复合材料的界面行为。材料组元之间。材料组元之间相互浸润相互浸润是复合的首是复合的首要条件，界面中重要的是其要条件，界面中重要的是其粘接程度粘接程度。界面粘接界面粘接 粘结粘结(或称粘合、粘着、粘接或称粘合、粘着、粘接)是指不同种类的两种材料是指不同种类的两种材料相互接触并结合在一起的一种现象。相互接触并结合在一起的一种现象。粘结强度直接影响着复粘结强度直接影响着复合材料的

29、力学性能以及其它物理、化学性能，如耐热性、耐合材料的力学性能以及其它物理、化学性能，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。蚀性、耐磨性等。粘结机理粘结机理 主要取决于基体与增强材料的种类以及表面活性主要取决于基体与增强材料的种类以及表面活性剂剂(或称偶联剂或称偶联剂)的类型等。的类型等。界面粘结机理主要有界界面粘结机理主要有界面反应理论、浸润理论、可变形层理论、约束层理面反应理论、浸润理论、可变形层理论、约束层理论、静电作用理论、机械作用理论等。论、静电作用理论、机械作用理论等。典型的粘结理论介绍典型的粘结理论介绍机械作用理论。机械作用理论。当两个表面相互接触后，由于表面粗当两个表面相互接触后，由于表面

30、粗糙不平将发生机械互锁（糙不平将发生机械互锁（interlockinterlock）。）。静电作用理论。静电作用理论。当基体及增强材料的表面带有异性电当基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，作用的荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，作用的距离很短，距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。化学作用理论化学作用理论增强材料表面的化学基增强材料表面的化学基(图图33(c)33(c)中标有中标有x x面面)与基体表面的相容基与基体表面的相容基(标有标有R R面面)之间的化学之间的化学粘粘结。化学作用理论最成功的应用是结。化学作用理论最成功的应用是偶联剂偶联剂用用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。于增强材料表面与聚合物基体的粘结。每一种粘结理论都有它的局限性，界面每一种粘结理论都有它的局限性，界面相是一个结构复杂而具有多重行为的相。相是一个结构复杂而具有多重行为的相。