1、复合材料原理复合材料原理第八讲第八讲 界面结合与模量匹配界面结合与模量匹配l1 界面结合与失效模式界面结合与失效模式l2 模量匹配问题模量匹配问题l3 模量匹配控制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IIIIII12max Strength01l界面结合状态最佳界面结合状态最佳=max，断裂强度最大，断裂强度最大1 1 界面结合与失效模式界面结合与失效模式l0 1，出现非积累型断裂，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、内部出现不均匀的积聚损伤l2 l，出现积聚型断裂，出现积聚型断裂复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程不存在纤维的拔出不存在纤维的拔出l1 2，出现混合型断裂，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，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而在结合较强的部位发生积聚性断裂1 1 界面结合与失效模式界面结合与失效模式llc太长，非积累型破坏，强度低而韧性高；太长，非积累型破坏，强度低而韧性高；llc太短，积累型破坏，强度高而韧性低；太短，积累型破坏，强度高而韧性低；llc在一定范围内，混合型破
3、坏，强度和韧性匹配。在一定范围内，混合型破坏，强度和韧性匹配。1 1 界面结合与失效模式界面结合与失效模式2 2 模量匹配问题模量匹配问题l典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征：典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征：前提：界面不发生滑移前提：界面不发生滑移复合材料复合材料体系体系纤维基体纤维基体模量比模量比失效模式失效模式纤维拔出纤维拔出PMC：T300/环氧环氧230/457.5非积聚型断裂非积聚型断裂长拔出长拔出MMC:T300/LY12230/703.3混合型断裂混合型断裂中拔出中拔出CMC:T300/SiC230/4500.5积聚型断裂积聚型断裂无拔出无拔出2 2 模量匹配问题模量
4、匹配问题l在复合材料界面不发生滑移的情况下：在复合材料界面不发生滑移的情况下：ffmmfmcEE1)(1mffmucEEVmfVVmfc基体模量必须低于纤维模量，纤维才有增强效果基体模量必须低于纤维模量，纤维才有增强效果l多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：1()1mfcmufEVE Em：弹性基体的名义模量远低于理论模量：弹性基体的名义模量远低于理论模量连续纤维连续纤维/多孔基体多孔基体 Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微结构特征微结构特征:基体孔隙率基体孔隙率 60-85Vol%纤维体积分数纤维体积分数 42-48Vol%总孔隙率总孔隙率
5、35-50Vol%2 2 模量匹配问题模量匹配问题Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13)微结构特征微结构特征:基体孔隙率基体孔隙率 30-50Vol%纤维体积分数纤维体积分数 42-48Vol%总孔隙率总孔隙率 20-30Vol%2 2 模量匹配问题模量匹配问题Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforced Silicon Carbide Composites(C/SiC,C/C-SiC)2 2 模量匹配问题模量匹配问题Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforced Silicon Carbide Composites(C
6、/SiC,C/C-SiC)2 2 模量匹配问题模量匹配问题The 90 fiber direction strengths for the uni-directional samples,with dense structure and 0.15 m-thickness SiC coating(a),with porous structure and 0.15 m-thickness SiC coating(b),with porous structure and 0.48 m-thickness SiC coating(c).S.SUYAMA,JOURNAL OF MATERIALS SCI
7、ENCE 37(2002)1101 11062 2 模量匹配问题模量匹配问题l多孔弹性基体可以改善界面多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：模量匹配：1()1mfcm ufEVE 2 2 模量匹配问题模量匹配问题Gm/Gb 30%控制的控制的弱基体弱基体可降低可降低 Gml弹性界面的裂纹偏转条件：弹性界面的裂纹偏转条件：criterion for crack deflectioncriterion for crack deflectionTu et al.,19962 2 模量匹配问题模量匹配问题l控制基体孔隙率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：(1)222ffffcmmmme
8、EEEldGGE2 2 模量匹配问题模量匹配问题/2(1)mmmGEl低模量界面相可以改善界面模量匹配：低模量界面相可以改善界面模量匹配：1()1fcmufiEVE Ei：界面相的模量：界面相的模量Interphase layerSiC Matrix Hi-Nicalon fiberC fiberSiC Matrix Interphase layer2 2 模量匹配问题模量匹配问题l弹性界面的裂纹偏转条件：弹性界面的裂纹偏转条件：2 2 模量匹配问题模量匹配问题A.G.EVANS,F.W.ZOK,JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 29(1994)3857 3896Gi/
9、Gf Gi:界面脱粘能界面脱粘能Gf:纤维丝断裂能纤维丝断裂能由由弱界面弱界面控制的纤维控制的纤维基体脱粘可降低基体脱粘可降低 Gi(Py C,BN)l弹性界面的裂纹偏转条件：弹性界面的裂纹偏转条件：纤维的断裂能纤维的断裂能 f f 20Jm20Jm-2-2挑战：选择抗氧化界面层挑战：选择抗氧化界面层Evans et al.,1994criterion for crack deflectioncriterion for crack deflection2 2 模量匹配问题模量匹配问题/ififEEEE/2/1EE(1)2ffcmmmeEEldGEl控制界面层厚度控制纤维临界长径比：控制界面层厚
10、度控制纤维临界长径比：l控制基体孔隙率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：2fcyld2 2 模量匹配问题模量匹配问题l控制界面层厚度控制纤维临界长径比：控制界面层厚度控制纤维临界长径比：2fcyldT.Nozawa，The Effects of Neutron The Effects of Neutron IIrrrradiiattiion on the IIntterrffaciiall Shearr Sttrrengtth off SiiC/SiiC Composiittes2 2 模量匹配问题模量匹配问题l控制界面层厚度控制纤维临界长径比：控制界面层厚度控制纤维临界长
11、径比：2fcyld2 2 模量匹配问题模量匹配问题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,20012 2 模量匹配问题模量匹配问题l低模量：缓解热膨胀失配；低模量：缓解热膨胀失配；l低剪切强度：控制界面结合强度；低剪切强度：控制界面结合强度；l与纤维和基体共有
12、化学组元：防止界面化学与纤维和基体共有化学组元：防止界面化学反应。反应。弹性界面的界面相弹性界面的界面相2 2 模量匹配问题模量匹配问题l纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：(1)2ffcmmmeEEldGEl如果模量比太小，需要低模量界面层：如果模量比太小，需要低模量界面层：l如果模量比太大，需要高模量界面层：如果模量比太大，需要高模量界面层：(1)2ffcmmmeEEldGEE(1)2ffcmmmeEEldGEE2 2 模量匹配问题模量匹配问题22ln(/)cfflrRr(/2)1(/2)ffffPCoshlxE eACoshl(/2)()2(/2)
13、fffr E eSinhlxrCoshll模量比和体积分数影响载荷传递效果：模量比和体积分数影响载荷传递效果：21(1)ln(/)mffmfEErRr 2 2 模量匹配问题模量匹配问题(1)2ffcmmmeEEldGEl纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：E-glass/Nylon-6复合材料复合材料(1)2ffcmmmeEEldGE2 2 模量匹配问题模量匹配问题l温度升高，基体模量下降，纤维临界长径比增加：温度升高，基体模量下降，纤维临界长径比增加：E-glass/Nylon-6复合材料复合材料(1)2ffcmmmeEEldGE2 2 模量匹配问题模量匹
14、配问题l模量比对纤维和界面应力的影响大：模量比对纤维和界面应力的影响大：2 2 模量匹配问题模量匹配问题模量比对界面剪切应力的影响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 模量匹配问题模量匹配问题模量比对纤维径向应力的影响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模量比对纤维轴向应力的影响(:0.001,:0.025,:0.1,:0.2 :0.3
15、,:0.4,:0.5)2 2 模量匹配问题模量匹配问题R/rf几何比对界面剪切应力的影响几何比对界面剪切应力的影响(PMC:Steel/epoxy,:上部上部,:底部底部)l模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：2 2 模量匹配问题模量匹配问题R/rf几何比对界面剪切应力的影响几何比对界面剪切应力的影响(MMC:SiC/Al,:上部上部,:底部底部)l模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：2 2 模量匹配问题模量匹配问题R/rf几何比对界面剪切应力的影响几何比对界面剪切应力的影响(CMC:SiC
16、/ZrO2 :上部上部,:底部底部)l模量比越小，界面剪切应力越大，影响区越越小：模量比越小，界面剪切应力越大，影响区越越小：2 2 模量匹配问题模量匹配问题 MMr rr r基体基体裂纹裂纹l模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：3 3 模量匹配控制模量匹配控制l密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：2RuCild纤维临界长径比，控制强度和韧性的匹配纤维临界长径比，控制强度和韧性的匹配临界长径比高：强度低而韧性高临界长径比高：强度低而韧性高临界长径比低：强度高而韧性低临界长径比低：强度高而韧性
17、低纤维种类纤维种类界面层厚度与结构界面层厚度与结构3 3 模量匹配控制模量匹配控制l密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：3 3 模量匹配控制模量匹配控制2D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能Composite Deposition time/hInterfaceMatrixCoatingPyCSiCPyCSiCPyCSiCSiC改性A100 801008020080160 改性B100 802008010080160 2D C/SiC100 320160 Composite Deposition time/hInterfaceMatrixCoating
18、PyCSiCPyCSiCPyCSiCSiC改性A100 801008020080160 改性B100 802008010080160 3D C/SiC100 320160 3D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能l成分梯度控制模量梯度：成分梯度控制模量梯度：3 3 模量匹配控制模量匹配控制改性改性A的的PyC层层纤维束内部较纤维束内部较薄，纤维束外薄，纤维束外部较厚部较厚改性改性B的的PyC层层纤维束内部较纤维束内部较厚，纤维束外厚，纤维束外部较薄部较薄l基体改性基体改性2D C/SiC的显微结构：的显微结构：3 3 模量匹配控制模量匹配控制l基体改性对基体改性对2D/SiC性能的影响性能
19、的影响复合材料弯曲强度/MPa断裂韧性/MPa.m1/2断裂功/KJ.m-2拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂应变/%改性A346.922.548.77240.61101.430.69-31.815.918.4-7.5-6.26.2改性B466.223.7711.74268.42109.281.57-8.622.258.43.21.1141.52D C/SiC508.919.457.41260.01108.120.653 3 模量匹配控制模量匹配控制l基体改性对基体改性对C/SiC应力应变的影响：应力应变的影响：BA2D C/SiC2D C/SiC的应力应变3 3 模量匹配控制模量匹配控制A
20、B2D C/SiC2D C/SiC的弯曲载荷位移l基体改性对基体改性对C/SiC载荷扰度的影响载荷扰度的影响3 3 模量匹配控制模量匹配控制复合材料复合材料2D C/SiC改性状态改性状态改性改性A改性改性B不改性不改性碳分碳分布布丝表面丝表面薄薄厚厚束表面束表面厚厚薄薄综合性能综合性能-5.0217.8l基体改性对基体改性对C/SiC综合性能的影响综合性能的影响3 3 模量匹配控制模量匹配控制2D C/SiC改性改性The first pull-outThe second pull-outThe first pull-outThe second pull-outl模量梯度造成两级拔出：模量梯
21、度造成两级拔出：3 3 模量匹配控制模量匹配控制l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基体的模量应该比纤维束外基体的模量低l纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维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l靠近纤维丝和束的基体模量应该比远离的基体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纤维纤维基体基体改性改性界面和基体界面和基体一体化一体化基体模量基体模量低低 高高3 3 模量匹配控制模量匹配控制弹性界面模量匹配原则弹性界面模量匹配原则l模量梯度可增加界面剪切强度，抑制界面裂纹扩展：模量梯度可增加界面剪切强度，抑制界面裂纹扩展：MMr rr r基体基体裂
22、纹裂纹3 3 模量匹配控制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屈服界面模量匹配原则屈服界面模量匹配原则l 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基体的模量应该比纤维束外基体的模量高l 纤维束内和纤维束外基体模量都应该比纤维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l 靠近纤维丝和束的基体模量应该比远离的基体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纤维基体基体改性改性界面和基体界面和基体一体化一体化基体模量基体模量低低 高高3 3 模量匹配控制模量匹配控制思考题思考题纤维与基体的模量比对复合材料的性能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？有何影响？怎样控制这种影响？试分析为什么多孔试分析为什么多孔C/SiCC/SiC复合材料具有高复合材料具有高强度？强度？如何控制纤维的临界长径比？（基体致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密度、界面），结合上一讲优化设计晶须增强复合材料。须增强复合材料。Thanks for your attention
