复合材料概论

σy －复合材料屈服强度；Gm －基体的切变模量； b － 为柏氏矢量； d － 颗粒直径；C － 常数
VP － 颗粒体积分数； Gp －颗粒的切变模量。
2、 弥散增强复合材料增强机制 基体是承受外来载荷的主要相；颗粒起着
阻碍基体位错运动的作用，从而降低了位错的流 动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒 前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转， 同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。
三、复合材料的发展历史和意义
1、复合材料的发展历史 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；
20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、 代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这 种广泛应用的较现代化复合材料。
TiB2纤维表面涂层SiCF / Ti复合材料界面SEM（黄线为连续线扫描）
3、界面残余应力及其表征 （1）界面残余应力
复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生 体积收缩或膨胀（通常为收缩），而增强体则体积 相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基 体之间存在热膨胀系数的差异，在不同环境温度下 界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面残 余应力。
三、复合材料的界面理论
1、界面润湿理论 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润
亲和，即物理和化学吸附作用。 浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和
应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润可使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
根据力的合成 ： L cos = S - SL 粘合功可表示为：WA = S + L - SL= L（1+ cos ） 粘合功WA最大时： cos =1，即 = 0，
二、复合材料组分的相容性
1、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。
2、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火箭壳体材料对射程的影响如下
四、课程的重点和要求
学习重点是使学生能够较全面和系统地理解 复合材料及其力学的重要基本概念和理论，各类 复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设 计，同时具有初步的复合材料设计能力。为学生 今后在材料领域的学习和研究奠定较坚实的基础。
（2）界面残余应力的测量 主要方法X射线衍射法和中子衍射法。
★ 中子的穿透能力较X射线强，可用来测量界面 内应力；其结果是很大区域的应力平均值。
★ X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。 目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。
第四章 复合材料的复合理论
一、复合材料增强机制 1 、 颗粒增强复合材料增强机制
（A）界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理， 使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制， 在界面结合很强的情况下效果不明显。
（B）界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有 影响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的 状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残 余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
1、按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强 普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、 SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷 和碳（石墨）等复合材料。 先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。
★ 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。
2、界面的结合状态和强度 界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要
影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合 强度。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）复合材料具有可设计性。
3、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成：
基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态 分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越， 会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
四、 复合材料的基本性能（优点）：
1、高比强度、高比模量（刚度）： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。
2、良好的高温性能：
目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能， 其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：
式中：
y
Gm b
1
2d 2 3VP
2
(1 VP )
σy －复合材料屈服强度；Gm －基体的切变模量；
b － 为柏氏矢量；
d － 颗粒直径；
VP － 颗粒体积分数。
3.纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制 基体通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶
须、纤维等），不是主承力相。 纤维承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技 术称为声发射技术。
富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为 富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为
2、界面结构的表征 界面的微观结构、形貌Fra bibliotek厚度可通过先进
仪器观察分析。 包括：俄歇电子谱仪（AES）、电子探针（EP）
X光电子能谱仪（XPS） 扫描二次离子质谱仪（SSIMS） 电子能量损失仪（EELS） X射线反射谱仪（GAXP） 透射电子显微镜（ TEM） 扫描电镜（ SEM）、拉曼光谱（ Raman）等
第二章 复合材料概述
一、复合材料的定义和特点：
1、复合材料的定义： ISO定义为是：两种或两种以上物理和化学性质
不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料应满足下面三个条件：
（1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。
2、复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微 观 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显 的界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度 地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的 优良特殊性能。
3、静电理论： 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 。
4、化学键理论： 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 - 220 J / mol）。
5、界面反应或界面扩散理论 在复合材料组分之间发生原子或
3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度
和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变 复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀 系数。
4、良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。
5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善
★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。 这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度 冷却时将受到张应力；
★ 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于 抗拉强度，处于压缩状态比较有利。
★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求 避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差 太大。
2、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
6、良好的功能性能
第三章 复合材料界面
一、复合材料界面
复合材料的界面是指基体与增强相之间化学 成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传 递作用的微小区域。
复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域， 约几个纳米到几个微米。
1、外力场 2、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
分子间的扩散或反应，从而形成反应 结合或扩散结合。
四、界面的表征
1、界面结合强度的测定 1）三点弯曲法：
★ 测定界面拉伸强度时纤维的排布 ★ 测定界面剪切强度时纤维的排布
2）声发射（Acoustic Emissin ，AE）法： 声发射是当固体材料在外部条件（如载荷、温度、
磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因而 产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料 内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子 仪器可以检测到声发射信号。
复合材料
第一章 导论
一、材料的发展与人类社会的进步
材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的 里程碑。
当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支 柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪将是 一个新材料时代。
二、 复合材料的提出
现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展； 同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。