复合材料-1-增强机理.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,复合材料,1,、概述,2,、复合材料增强体,3,、复合材料的界面,4,、复合材料的增强机制,1,、概述,1,、概述,复合材料：,composite materials;composites,广义上讲：,由两种或两种以上的物质组成的材料。,狭义上讲：,由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的新型材料。,三个要点,：,（,1,）,材料组元,两种或以上不同组元,（,2,）,制备工艺,（,3,）,新型材料,具有原组元所不具备的新性能,1,、概述,增强相形状示意图,复,合,材,料,颗粒增强,层压复合材料,纤维增强复合材料,长纤维,增强,短纤维,增强,定向排布,混乱排布,取向性排布,1,、概述,6000,年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。,燕子窝：泥土,-,草复合材料,1,、概述,1,、概述,胶原纤维,+,磷酸钙,胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向,取向,磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔,1,、概述,贵、腐蚀,1,、概述,复合材料的缺点：,*制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响大，而且制备方法在材料之间常常不通用；,*当前复合材料的性能仍远远低于计算值。,1,、概述,物理相容性：,（,1,）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。,（,2,）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。,（,3,）,基体与增强相热膨胀系数的差异,对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。,1,、概述,卫星在轨道上飞行时，要经得起太空环境剧烈的温度交变（白天,100,，夜间,-100,），以及阳面与阴面的温度差。,碳纤维复合材料的热膨胀系数小，可满足这种环境的要求。,向阳面与背阳面温差,260,O,C,1,、概述,化学相容性：,对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两,相化学势相等，比表面能效应也最小。,对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。,1,）相反应的自由能,F,：,小,2,）化学势,U,：,相近,3,）表面能,T,：,低,4,）晶界扩散系数,D,：,小,2,、复合材料增强体,增强体的性能要求：,1),、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能，,如高的,强度,、高导,热性,、,耐热,性、,导电,性,2),、增强体应具有良好的化学稳定性。,3),、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。,增强体的分类,纤维类增强体,碳纤维,颗粒类增强体,晶须类增强体,金 属 丝,氧化铝纤维,碳化硅纤维,硼纤维,碳化物,氧化物,氮化物,硼化物,碳化硅晶须,氧化铝晶须,高强度钢丝,铍丝,钨丝,不锈钢丝,玻璃纤维,有机纤维,从提高强度的角度来看,A,、玻璃纤维,玻璃纤维卷,A,、玻璃纤维,玻璃纤维绳,玻璃纤维带,玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。,1,）,坩埚法,将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约,1260,熔炼炉中熔融后拉丝而得。,3-2,弹珠：均匀性、气泡,2,）,池窑法,3-3,池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节能,50%,左右，生产稳定，适用于大规模生产。,A,、玻璃纤维,玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺陷少，对应强度就高。,影响玻璃纤维强度的因素：,纤维直径和长度对拉伸强度的影响,直径越细，拉伸强度越高。,长度增加，拉伸强度显著下降。,直径,(,m,),性能,4,5,7,9,11,拉伸强度,(MPa),3000 3800,2400 2900,1750 2150,1250,1700,1050,1250,玻璃纤维长度,(mm),纤维直径,(,m,),平均拉伸强度,(MPa),5,13,1500,20,12.5,1210,90,12.7,360,1560,13,720,化学组成对拉伸强度的影响,含碱量越高，强度越低。,无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高,20%,。,玻璃纤维,纤维直径,(,m,),拉伸强度,(MPa),无碱,5.01,2000,有碱,4.70,1600,无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大,氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。,氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低,腓尼基人,生活在今天地中海东岸,Na2CO3,NaHCO3,2H2O,有碱,GF,：,碱性氧化物（,K,2,O,，,Na,2,O,）含量大于,12,无碱,GF,：,碱性氧化物含量小于,2,:E-GF,GF,中碱,GF,：,碱性氧化物含量,6,12,低碱,GF,：,碱性氧化物含量,2,6,注意：,碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮,耐酸腐蚀价格便宜,强度高，耐热性能好，电气性能好，在复合材料中应用多,性能差，一般不用于增强材料,存放时间对强度的影响,玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低,纤维的老化。,原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀,施加负荷时间对强度的影响,玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低,环境湿度较高时，尤其明显,原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。,Na2CO3,NaHCO3,2H2O,B,、碳纤维,碳元素的各种同素异形体,(,金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳,),。在隔绝空气的惰性气氛中,(,常压下,),，元素碳在高温下不会熔融，,但在,3800K,以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺,。,碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。,B,、碳纤维,碳纤维,（,CF,：,Carbon Fiber,），,是由,有机纤维,经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。,含碳量,95%,左右的称为碳纤维；含碳量,99%,左右的称为石墨纤维。,B,、碳纤维,碳纤维是在上世纪,50,年代末期发展起来。,美苏军事竞赛最激烈的时期，特点是“太空竞赛”、“超常规武器”。,碳纤维的出现解决了很多尖端武器的技术难点：,载人飞船的推力结构，用,CF,复材后使,重心前移,，解决了飞船的稳定性,导弹稳定裙用,CF,复材后使,重心前移,，解决了弹体的稳定性，提高了命中精度,导弹的鼻锥采用,C/C,复合材料，烧蚀率低且均匀，提高了命中率。,宇宙飞行器天线的最佳材料，耐温度骤变,制造隐身武器的最佳材料,B,、碳纤维,B,、碳纤维,B,、碳纤维,碳纤维微观结构：乱层石墨结构,碳的乱层石墨结构与石墨晶体有相似之处：两者的层平面部是由六元芳环组成。,乱层石墨结构有杂原子和缺陷存在。,乱层石墨结构的层与层之间碳原于没有规则的固定位置，缺乏三维有序。,层间距（,3.36-3.44,）较石墨晶体大,石墨投影,碳纤维微观结构,碳单质,一级结构,石墨片层,微晶组成原纤维,（直径,50nm,，长度数百纳米）,二级结构,三级结构,石墨微晶,（几个或几十个石墨片层）,B,、碳纤维,密度,低,力学性能,高,断裂伸长率,低,导电性,好（半导体，石墨纤维是导体）,耐腐蚀性,好,耐辐射性,好,耐疲劳性,好,热性能,好,耐高温性,惰性气氛,好,氧化性气氛,400,导热性,好，,各向异性,热膨胀系数,小，,各向异性,B,、碳纤维,有机纤维法制备工艺流程图,原料,纺丝,氧化,石墨化,表面处理,上胶,卷绕及包装,碳,(,石墨,),纤维,碳化,环化反应,脱氢反应,未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构：,吸氧反应,氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成,OH,，,COOH,，,C,O,等，也可生成环氧基。,碳化,在,4001900,的,惰性气氛,中进行，是,CF,形成的主要阶段。,一般采用高纯氮气,N,2,碳化过程中的反应：,低温区,600,，高温区,600,。,在低温区，分子间产生脱氢、脱水而交联，生成碳网结构，末端链分解放出,NH,3,。预氧化过程中未环化的,-CN,也可产生分子间交联，生成,HCN,气体。,在高温区，环开裂，分子间交联，生成,HCN,、,N,2,，碳网平面扩大。随着温度升高，纤维中的氮含量逐渐减少。,石墨化（增大结晶程度）,引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。,石墨化过程中：,结晶碳含量不断提高，可达,99,以上,纤维结构不断完善,CF,的乱层,石墨结构,GrF,的类似石墨的,层状结晶结构,C,、碳纤维,C,、晶须,10,m,晶须是微细的高纯度的单晶体，是目前的复合材料中应用的强度最高的一种增强材料，最接近材料的理论强度。晶须的直径很小，只有亚微米和微米数量级，长度,10,102,m,。,C,、晶须,反应体系中存在的,催化剂液滴,是气体原料和固体产物的媒介。气相原料分子在低于二维成核临界过饱和点（,P/P,e,),crit,的条件下通过气,-,液,界面,输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的,过饱和度,时析出晶体并沉积在液滴与基体的,界面,上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到生长停止，最后小,液滴,残留在晶须,顶端,。,基体,液相,气相,气相,VLS,生长机理,晶须,1,2,3,4,5,在,界面,处生长成固态,晶须,蒸气,界面,液相,晶须,VLS,生长机理,气相,分子向,液滴,扩散,气相分子在催化剂,液滴,上发生多相,化学反应生成,晶须新相,反应,副产物,由,液滴,扩散进入,气相,气相,分子或,新相,通过液滴输送到,界面,C,、晶须,液相中生长,有蒸发,-,冷凝，毒化,-,诱导，电解，晶化，化学解理，从凝胶中生长和熔融等生长方式。,-,+,-,+,电解液中晶须的生长,C,、晶须,气相中生长,有蒸发,凝结，气相输送,+,化学反应生长方式。,硅源,Si+SiO,2,SiO+N,2,+H,2,Si,3,N,4,+H,2,O,晶须,CO,碳源,晶须生长区,氮化硅晶须气相反应生长原理,C,、晶须,晶须,直径小,，原子高度有序，,强度,接近于,完整晶体,的理论值，因而具有优良的耐,高温、耐高热、耐腐蚀,性能，有优良的,机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度,等特性。,C,、晶须,强度,/(GN/m,2,),晶须,基体,铝,碳化硼,石墨,钢,碳化硅,晶须与基体材料强度比较,C,、晶须,对晶须,补强增韧,效果的影响因素,界面性质,1.,界面结合力,2.,物理匹配,3.,化学相容,晶须性能,1.,长径比,2.,晶须含量,3.,晶须强度,4.,晶须排布,D,、颗粒,D,、颗粒,3,、复合材料的界面,界面形成理论,A,、润湿理论,浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。因此,润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。,界面形成理论,当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。,尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。,B,、机械作用理论：,3,、复合材料的界面,界面形成理论,当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。,仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。,表面静电吸引结合示意图,C,、静,电理论,3,、复合材料的界面,界面形成理论,在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。,在理论上可获得最强的界面粘结能（,210-220J/mol,）。,表面结合化学键示意图,D,、化,学键理论,3,、复合材料的界面,界面形成理论,在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。,界面反应结合或扩散结合示意图,E,、界面反应或界面扩散理论,3,、复合材料的界面,界面结合较差,的复合材料大多,呈剪切破坏,，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。,界面结合过强,的复合材料则,呈脆性断裂,，也降低了复合材料的整体性能。,界面最佳态,的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。,3,、复合材料的界面,如何最大程度,吸收外力做的功,是关键！,结合较差：未加相容剂的玻纤增强体系。,中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。,怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？,A,、改变,增强材料表面性质。,B,、,向基体内添加特定的元素。,C,、,在,增强材料的表面施加涂层。,表面改性前,表面改性后,3,、复合材料的界面,结合力较好,加入相容剂的玻纤增强体系，中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少,.,3,、复合材料的界面,界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：,（,1,）,传递效应：,界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。,（,2,）,阻断效应：,基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。,（,3,）,不连续效应：,在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。,（,4,）,散射和吸收效应：,光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。,（,5,）,诱导效应：,一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。,界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。,4,、增强原理,纤维增强复合材料的机理：,1,、,增强纤维因直径较小，产生,裂纹的几率降低,。,2,、,纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中,产生裂纹，增大承载力。,3,、,基体能阻止纤维的裂纹扩展。,4,、,基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦,力，使得材料的强度大大提高。,4,、增强原理,陶瓷基,复合材料增强相是具有强结合键纤维阻止裂纹的产生，使脆性降低。,高分子基,复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；,金属基,复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。,4,、增强原理,增强体起到强化基体作用必要条件,：,A,、,强度,和,弹性模量,高,C,、,一定的,含量、尺寸和分布,D,、,膨胀系数相匹配,B,、,与基体之间有良好的,相容性,材料的断裂，是由裂纹扩展引起的,纤维增韧,纤维拔出机理增韧的原理,是：,1),纤维在拔出过程中与基体的摩擦做功,拔出功,；,2),拔出功又随着纤维的体积分数、界面剪切力和纤维半径的的增大而增大,晶须引起裂纹偏转,随着晶须长径比的增大，增韧效果增加,当晶须的长径比一定时，增韧效果随着晶须含量的增加而增加。,属于马氏体相变,约,5%,的体积相变,液相,(L),立方相,(c),正方相,(t),单斜相,(m),2680,C,2370,C,1170,C,关于二氧化锆的基本知识,氧化锆发生马氏体相变时，伴随着体积和形状的变化，能吸收能量，减缓裂纹尖端的应力集中，阻止裂纹扩展，提高陶瓷韧性。,颗粒增韧,颗粒引起裂纹偏转,颗粒变形吸收功,微裂纹增韧,微裂纹的产生将在其周围产生压应力场，如能在主裂纹（指裂纹的长度超过临界长度而进行扩展的裂纹）尖端附近引入微裂纹，利用其所形成的压应力场，可以起到阻碍主裂纹扩展的作用。,