复合材料的复合原理及界面

47
柏氏矢量示意图——刃型位错
┴
M Q
M
柏氏氏量
v b
v b
48
柏氏矢量示意图——螺型位错
49
位错柏氏氏量和位错线的关系
bφ F
E E处为螺型位错 F处为刃型位错 EF之间为混合位错 be=bsinφ bf=bcosφ 在切应力作用下混合位错的产生(a)及其 原子错排结构(b)
50
←位错环 与柏氏矢 量的确定

处于次要地位。
29
30
实际观察到的位错图片
31
矛盾之一：

原子由一个平衡位臵滑到下一个平衡位臵需要
G/2的应力，而在通常受力条件下，是难达到
的，即晶体难于滑动。

而实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
32
矛盾之二：


设想原子滑移时的切应力是周期性变化，并假 定为刚性球。 x很小时为弹性变形，sin2πx/a≈2πx/a。
一般颗粒直径为1~50μm，颗粒间距为1~25μm ，颗粒的体积 分数为5~50%。

56
弥散增强vs颗粒增强
颗粒尺寸越小，体积分数越高，增强效果越好？
57
Al–10Ti elemental powder mixtures via friction stir processing 离心条件下SiC 颗粒增强铝基 活塞微观组织图
15
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则
在热胀冷缩过程中会自动削弱它们之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特
别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而
失去强化作用。
16
(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 一般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果 越显著； 纤维直径越细，则缺陷越少，纤维强度也越高； 连续纤维的增强作用大大高于短纤维，不连续短纤维 的长度必须大于一定的长度(一般是长径比＞5)才能显示
a: GF/ PPESK; b: GF/ PPESK/ PEI ; c: GF/ PPESK/ PES
63
图3 连续SiC纤维增强Ti基复合材料横截面的金相照片
64
图4 C/ SiC复合材料及其制造的火箭“Uncooled”同轴双壁燃烧室
65
图5 火箭及其结构示意图
66
图6 火箭发动机及待组装零件
35
实际上，有许多方法可观察到位错：透射电镜、浸
蚀法、缀饰法、X射线衍射法、场离子显微镜等。
36
位错分为两类：刃型位错和螺型位错，由滑移区 与未滑移区的分界线来确定类型。
37
刃型位错
如图：上半部分相对下半部分沿ABCD滑移 了一个原子间距，多余的半原子面与滑移 面交线即为刃型位错。


多余的半原子面不一定是平面，可以是见 曲面。但位错线是一定垂直于滑移方向的，
58
小颗粒：尺寸上有优势，但体积分数难以提 高，且在基体上分散困难。

大颗粒：体积分数高，但尺寸、性能上没有 优势。

59
锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料
60
2.3 单向连续纤维增强原理

单向连续纤维增强复合材料


纵向强度和刚度
横向刚度和强度
61
图1 玻璃纤维增强复合材料制品及其原料
62
图2 不同复合材料的SEM断口形貌
5
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。 在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的
功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。
对材料组元进行复合，既可能要求复合后材料达到如下性能，
如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或导电、传热等性
能，也可能是要求某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。
24
弥散强化
奥罗万机制（位错绕过机制）：
使位错线弯曲到曲率半径为 R 时，所需的切应力为 τ=Gb/（2R）。 设颗粒间距为D，则τ=Gb/D，所以Rmin=D/2。 只有当外力大于Gb/D时，位错线才能绕过颗粒。
25
位错绕过第二相粒子的机制
D
26
27

颗粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果 越好。
这是刃型位错的特征之一。
38
刃型位错示意图(可分为正负刃型位错)
39
位错滑移过程示意图
40
刃型位错正负的判定
刃型位错中柏氏矢量与位错线垂直。正刃型位错：出纸
面的方向为位错线的正向，用右手螺旋法则确定回路方 向，拇指——位错线方向；四指——柏氏矢量回路方向。
向 方 线 错 位
柏氏回路的确定
柏氏矢量回路方向

一般颗粒的体积分数为1%~15%，颗粒直径 为0.001~0.1μm。
28
位错概念引入及位错观察

30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈服强度和实 际强度间有巨大差异，为了解释这种差异，人们设想 晶体中存在某种缺陷。形变就在这种局部缺陷处发生。

晶体结构——规则的完整排列是主要的，非完整排列 则是次要的。 晶体力学性能——晶体的非完整性是主要的，完整性
67

复合材料要解决涉及工程应用的关键技术，为连续
纤维增强复合材料的实际应用奠定基础。
出明显的增强效果。
17
二、制备方法的选择
材料组元选择后，就要考虑所采用的
复合工艺路线，即具体的制备方法。 制备方法的选择主要应考虑以下四个 方面：
18பைடு நூலகம்
(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是
纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械混合方法往往造
成纤维或晶须的损伤；
(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀 分布或按预设计要求规则排列； (3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组 元的作用，即达到扬长避短，且各组元仍保留着固有的特 性。
制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒或晶须均匀分散。
21
氧化铝纤维形貌
采用挤压铸造法制备活塞用氧 化铝短纤维增强铝基复合材料
22
a) 铸态
b) 时效后
压铸浸渗法制备的SiC 颗粒增强铝基复合材料(颗粒体积分数为50%)
23
2.2 弥散增强及颗粒增强原理

弥散增强原理（弥散颗粒与基体复合） 颗粒增强原理（较大颗粒与基体复合）
6
必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的 基体材料和增强材料。 如所设计的复合材料是用作结构件，则复合的目的就 是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。
7
设计结构件复合材料时，首先必须明确其中一种组
元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。
这种组元就是所要选择的增强材料；
而其它组元应起传递载荷及协同的作用，而且要把
12
1）颗粒增强复合材料的原则
(1)颗粒应高度弥散均匀分散在基体中 阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体) 或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒的直径大小要合适 因为颗粒直径过大，会引起应力集中或颗粒本身破 碎，从而导致材料强度降低； 颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一
般粒径为几微米到几十微米。
13
(3)颗粒需要有足够的数量。数量太少，达 不到最佳的强化效果。 (4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。
14
2）纤维增强复合材料的原则
(1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维
应具有高模量和高强度。因为除个别情况外，在多 数情况下承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者 之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。
53
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
54
思考题：
1、复合材料制备方法的选择要遵循哪些原则?
(增强材料损伤小、分布可控、发挥性能优势、性能/ 价格比低）
增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。
8
其次，除考虑性能要求外，还应考虑组成复合材料 的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性
能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。
在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、
弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。
9
第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强 材料与基体之间形成比较理想的具有一定结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度， 更便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以 充分发挥其增强作用。
x x m sin 2 G a a x x G G G m 2 m a a 2 6
33
矛盾之三：

若假定原子不是刚性的，而是可压缩的，则
1 m 10
1 G 50
34
引入位错概念
由上面的理论和实际的差别，可见规则整体刚性滑移模 型是不切合实际的。 设想晶体具有不完整性，则可以引入位错概念： 1）缺陷运动符合滑移特征。 2）缺陷是易动的，但不如点缺陷那样易热激活。 3）说明这种缺陷的来源和增殖。
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
4
2.1 复合原则
要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求 的性能进行设计。复合材料设计应遵循的原则如下： 一、材料组元的选择 二、制备方法的选择
10
若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材