复合材料的界面及复合原则.ppt

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1、1复合材料的复合原则及界面2第一节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，这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。复合材料的设计应遵循的原则如下：3一、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。4对材料组元进行复合，即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、耐热或其它的导电、传热等性能或者某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。5因此，必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的基

2、体材料和增强材料。例如，若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.6因此，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，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。7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

3、伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。8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达到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，更重要的是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。9若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材料的作用，影响复合材料的整体强度；但结合强度太高也不利，它遏制复合材料断裂对能量的吸收，易发生脆性断裂。除此之外，还应联系到整个复合材料的结构来考虑。10具体到颗粒和纤维增强复合材料来说，增强效果与颗粒或纤

4、维的体积含量、直径、分布间距及分布状态有关。颗粒和纤维增强复合材料的设计原则如下：111.颗粒增强复合材料的原则(1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其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)。12(2)颗粒直径的大小要合适。因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，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)颗粒的数量一般大于20％。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。142．纤维增强

5、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。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

6、；纤维直径越细，则缺陷越小，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：18(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，一些机械的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；19(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

7、上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各组元仍保留着固有的特性。20在制备方法的选择上还应考虑性能／价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。针对不同的增强材料和基体特性应采用不同的制备方法，21如金属基复合材料中，采用纤维与颗粒、晶须增强时，同样采用固态法，但用纤维增强时，一般采用扩散结合；而用颗粒或晶须增强时，往往采用粉末冶金法结合。因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合，势必使制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒或晶须均匀分散。22第二节复合材料的界面复合材料的界面是指

8、基体与增强物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。23复合材料的界面虽然很小，但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态。24界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；25基体和增强物的