1、2022-7-28第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学第四章第九讲材料科学与工程基础与工程基础(顾宜顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 4-7 复合材料的性能复合材料的性能(properties of composites)4-7-1 复合材料的复合效应复合材料的复合效应(principle of combined action）1.复合材料各组元（相）相互作用各组元（相）相互作用 基体：基体：将增强材料粘合粘合成整体并使增强材料的位置固定。增强材料间传递载荷传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。保护增强体保护增强体免受各种损伤。很大程度上决定成型工艺方法及工艺参
2、数选择。决定部分性能。增强体：增强体：主要承受绝大部分载荷、增强、增韧增强、增韧 功能体：功能体：赋予一定功能 界面相层界面相层：复合材料产生组合力学及其它性能，复合效应复合效应产生的 根源第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 PMC界面区域示意图界面区域示意图1-外力场；2-树脂基体；3-基体表面区；4-相互渗透区；5-增强剂表面区；6-增强剂第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 2、复合效应复合效应复合效应表现形 式形 式 多 种多 样 大 致 可分为：混合效应混合效应：线性加合线性加合 固有固有性质，如密度、密度、模量、模量、比热比热非固有非固有性质，如强度、强度、泊松比等泊松比等协同效
3、应协同效应：非线性综合非线性综合、转递性质第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜混合效应：平均效应或组份效应，混合效应：平均效应或组份效应，是组份材料性能取长补短共同作用取长补短共同作用的结果，是组份材料性能比较稳定的总体反应，局部的挠动、薄弱环节、界面、工艺因素等通常对混合效应没有明显的作用，表现为各种形式的混合律混合律。协同效应协同效应：复合材料的本质特征本质特征，使复合材料的性能与组份材料相比，发生飞跃式提飞跃式提高高，甚至具有组份材料没有的性能，这些潜在性能是研制开发新材料的源泉。复合材料追求的就是这种协同效应。对微观非均匀性、薄弱环节、界面、制备工艺，甚至某些偶然因素都十分敏感。敏感。
4、第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 3.协同效应协同效应：界面效应、尺寸效应、量子尺寸效应、乘积效应、系统效应、混杂效应、诱导效应等。(1)混合律混合律 Xc=XmVm+Xf1V1+Xf2V2+复合材料性能与各组元性能及分量的关系（线性关系）。组份效应组份效应：各组元性能确定，相对组成作为变量，不考虑组份的几何形状、分布状态和尺度等影响。相对组成通常用体积分数和质量分数来表达。复合材料的固有性质是指各相之间不相互作用所表现出来的材固有性质是指各相之间不相互作用所表现出来的材料性质料性质，如密度密度 C和比热容和比热容Cc等，属于固有性质的物理量，都应服从混合律，如：C=m(1 Vf)+fVf
5、CC=Cm(1 Vf)+CfVf第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 (2)几何尺寸效应几何尺寸效应 复合材料性能不仅与各组元分量各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的增加相的几何形状、尺寸、排布与分布状态。几何形状、尺寸、排布与分布状态。复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比纤维的长径比变化而变化，见图4-106、4-107，表4-40。临界长度临界长度lc和临界长径比和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-41第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜不同材料的不同材料的 lc第四章第九讲材料科学与工程基
6、础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜纳米量子尺寸效应纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质的变化质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性。具有显著的量子尺寸效应。纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表大的比表面积及强的界面相互作用面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能
7、。纳米复合材料是获得高性能复合材料的重要途径之一。第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 (3)界面效应界面效应(interface effect)复合材料的绝大部分性能很大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面破坏与失效开始的。复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质。几乎所有协同效应（复合效应的本质特征）都是由界面层的存在带来的，这就是所谓界面效应的内涵。而界面效应的表现方式却多种多样。从数学上可以由混合律和二次混合律混合律和二次混合律加以简述（见图4-108，4-109）第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜
8、 1).界面上力的传递与残余应力界面上力的传递与残余应力 有 一 定 结 合强 度 的 界 面（层），可在基体与增强体之间进行a.力的转递力的转递b.力的分配力的分配c.基体或增强基体或增强体破坏过程中的体破坏过程中的应力再分配应力再分配组合力学性能 在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。残余应力来源：残余应力来源：增强相与基体相CTE不匹配不匹配 相与相之间的弹性系数不匹配弹性系数不匹配，相内的应力分布不均 成型过程中成型过程中，由高温-室温由化学和物理变化引起的各组元体积 收缩的不同收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等 层合板中，铺层方向不同带来
9、的层间残余应力铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲）流变过程中，组元间的塑性变形差异流变残余应力流变残余应力 第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜2).复合材料界面破坏机制复合材料界面破坏机制 破坏的来源破坏的来源 基体内、增强体内和层面层上均存在微裂纹、微裂纹、气孔、内应气孔、内应力力在力场或外界环境（如介质、水）微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量 破坏形式破坏形式 5种基本破坏形式i)基体断裂基体断裂ii)纤维断裂纤维断裂iii)纤维脱粘纤维脱粘iv)纤维拔出纤维拔出(摩摩擦功擦功)v)裂纹扩展与裂纹扩展与偏转偏转5种形式综合体现复合材料的破坏与失效 复合材料的破坏机制则是上
10、述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 4）乘积效应乘积效应 (X/Y）（）（Y/Z）=X/Z（见表4-42）主要表现在功能复合材料中，详见P421 5）其它复合效应其它复合效应“界面诱导效应、混杂效应、共振效应，一般了解见P422第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜4-7-2 复合材料的力学性能复合材料的力学性能（mechanical properties of composites)1.单向板的强度与模量单向板的强度与模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)S
11、ection 15.5第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜(1)纵向载荷弹性行为纵向载荷弹性行为（Elastic Behavior longitudinal loading)条件；FC=Fm+Ff c=m=f Vm+Vf=1推导结果：模量模量 强度强度 Ef、Em是纤维和基体的模量，Vf、Vm是纤维和基体的体积分数第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜（2）横向载荷弹性行为横向载荷弹性行为（Elastic Behavior-transverse loading)条件：c=m=f=c=m Vm+Vf f Vm+Vf=1推导结果
12、：模量果：模量或 1/Ect=Vm/Em+Vf/Ef第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜（3）不连续短纤增强单向板纵向拉伸强度不连续短纤增强单向板纵向拉伸强度（Longitudinal tensile strength of discontinuous and aligned fiber(composites)llc:2)llc:第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 (4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式三种破坏模式：基体断裂基体断裂；界面脱粘界面脱粘；纤维断裂纤维断裂，第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 （5）单向板横向拉伸强度单向板横向拉伸强度 单向板横向拉伸的三种破坏模式三种破坏模式：基体
13、破坏基体破坏；界面脱粘界面脱粘；纤维破坏纤维破坏YcVf fy Vm my YcVf（1/y 1）my 应力分配应力分配系数系数第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 单向板复合材料的拉伸强度拉伸强度 与拉伸方向与拉伸方向关系，图4-116（6）单向板纵向压缩强单向板纵向压缩强度度失失效模效模式式第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜表4-43单向纤维增强环氧树脂材料的典型性能单向纤维增强环氧树脂材料的典型性能 第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜表表4-44 几种典型金属基复合材料的性能几种典型金属基复合材料的性能 第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜表表4-45 浸渍法制造的单向碳浸渍法制造的
14、单向碳/碳复合材料的力学性能碳复合材料的力学性能第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 2.复合材料的冲击韧性冲击韧性 冲击韧性是复合材料的重要性能，可由 冲击强度；冲击强度；断裂断裂韧性韧性Gc；冲击后的压缩强度（冲击后的压缩强度（CAI）来表征。）来表征。冲击实验中的典型加载历程见图4-118韧性指数韧性指数裂纹扩展能裂纹扩展能Qp与裂纹引发能与裂纹引发能Qi之比之比 第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 冲击过程中裂纹扩展模式冲击过程中裂纹扩展模式见图4-119，受界面显著影响冲击过程的能量吸收包括：基体变形和开裂基体变形和开裂；纤维破坏纤维破坏；纤维拔纤维拔出出（摩擦功）；分层裂纹分层裂
15、纹等多个方面。基体变形吸收较多的能量。热固性基体热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差。热塑性基体热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。CMC、纤维与基体-脆性特征，陶瓷基体中加入连续纤维、短纤维和晶须时，能得到韧性大幅度提高的复合材料。图4-120 CMC增韧理论增韧理论，详见P431第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 3.复合材料的疲劳性能疲劳性能 疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（或次数）都会破坏失效。疲劳过程内部损伤（或疲劳裂纹）内部损伤累积至一定程度材料突然破坏失效 四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂四种疲劳损伤：基体开裂、分
16、层、界面脱胶和纤维断裂 疲劳S-N曲线见图4-121，4-122，4-123，复合材料的疲劳性能一般高于基体高于基体的疲劳性能。第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜4-8 纳米材料及纳米效应纳米材料及纳米效应1.概述纳米材料必须同时满足以下两个条件两个条件：(1)几何尺寸至少一维在纳米尺度（109107或0.1100nm）(2)必须具有纳米效应，即 小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应等第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜纳米材料包含三个层次：零维：纳米微粒、原子团簇、人造原子量子点纳米结构单元纳米结构单元
17、 一维：纳米管、纳米棒、纳米丝量子线 二维：超薄膜、多层膜、超晶格量子阱 纳米相材料：单相纳米微粒构成 纳米固体纳米固体 纳米复合材料：多种或多相纳米微粒至少在一个 方面以纳米尺寸复合而成 自组装：通过共价键或弱作用力实现自组装 （氢键、范氏力、离子键等）纳米组装体系纳米组装体系 人工组装：按人的意志，利用物理和化学方法构筑成一个纳米第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜1.2.纳米结构单元纳米结构单元 团簇（团簇（cluster）粒径小于或等于1nm的原子聚集体，如Fen、CunSm、CnHm、C60、C70、富勒烯等。特点在于：以化学键紧密结合，但尚未形成轨整的晶体，不同于分子团簇和周期性极
18、强的晶体，有许多奇异的特性。纳米微粒纳米微粒尺寸在1100nm之间的超细微粒，尺寸大于原子团簇 人造原子人造原子（artificial atoms），又称量子点 纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜1.3.纳米复合材料纳米复合材料指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料，是获得高性能复合材料重要途径之一举例：分子复合材料：P405 图4-8-3第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜4-8-2 纳米材料的基本物理效应纳米材料的基本物理效应1.1.小尺寸效应小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特
19、征尺寸相当或更小时，导致声、光、电、磁、热、力学等物性与宏观尺寸物体相比发生很大变化，甚至完全相反。表面效应随粒径的减少，微粒的比表面积，表面原子比例、表面能会成倍或成数量级增加。表面原子配位严重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，易与其它原子结合。掌握比表面积计算式SW=K/eD第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜 量子尺寸效应量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据轨道和最低被占据的分子轨道能级，能能隙变宽隙变宽的现象称为量子尺寸效应。根据久保公式：对于宏观物体N，O对于纳米微粒N很小，有一定值，即能级发生分裂当大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，会导致纳米粒子电、光、声、磁及超导性与宏观特性显著不同。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应2022-7-28第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜
