复合材料原理09第5讲课件.ppt

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1、复合材料原理课程学科分类：材料学课程授课人：成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009.3.19第五讲界面热物理相容性1界面热应力分析2影响基体裂纹的因素3界面热应力对性能的影响除了界面化学相容外，复合材料界面还必须满足热物理相容的条件。复合材料总是在一定的温度下制备的。在制备温度下基体和纤维总是热物理相容的。从制备温度冷却到室温的DT内或是使用过程中的温度变化DT内，增强体和基体的热膨胀系数(CTE)的不同，将使界面存在一定的界面应力。DT、，DCTE、1.1热物理问题1界面热应力分析在界面强结合的情况下界面应力与T存在对应关系。在界面结合弱的情况下，由于滑移

2、摩擦引起界面应力。如果CTE相差太大，纤维轴向界面应力将导致基体开裂，留下很多裂纹。裂纹严重时将使复合材料解体，使复合材料制备失败，或是使性能严重下降。热应力问题1界面热应力分析1.1热物理问题理想状况从物理相容的角度讲，增强体的CTE应该比基体的CTE稍大为理想状况。这样使增强体受一定的张应力，而使基体受一定的压应力。但这样的状况是不会出现的。因为高模量、高强度增强体的CTE一般都比基体的小。一般Ef>Em，m>f（轴向）1界面热应力分析热应力问题1.1热物理问题作如下假设：将增强体看作是理想的弹性体，而将基体看成是理想的塑性体，界面组成理想的弹塑性体。界面上不会出现滑移。纤维是不可

3、压缩的。这样的假设丝毫不会影响我们对界面物理相容性的本质进行分析，相反会使界面物理相容性的本质一目了然。1界面热应力分析1.2界面假设合理性：弹－弹性体应力更大，产生的裂纹更宽(弹塑性体)。界面出现滑移之前，基体产生裂纹(界面上不会出现滑移)。纤维模量高，可以看作不可压缩(纤维是不可压缩)。很多复合材料都可以近似看成是弹塑性系统(C/C，PMC，MMC等)，如C/C很容易出现假塑性(真正的弹性变形量很小，但剪切强度较低)。1界面热应力分析1.2界面假设借用弹塑性剪滞模型对弹塑性界面进行分析取界面很微小的一段:纤维直径为df纤维和纤维之间基体厚度为：=do-df界面剪应力为i一端基体中

4、所受的张应力为R另一端所受的张应力为R+dRdLdf纤维一端d0RR+dRi1界面热应力分析1.3界面应力分析基体一端所受的总的张力为：R/4(do2-df2)基体另一端所受的总的张力为：(R+dR)(/4)(do2-df2)界面上所受的总的剪切力为：dfdLi平衡时，应有：(/4)(do2-df2)R+dfidL=/4(do2-df2)(R+dR)或dfidL=(/4)(do2-df2)dRdLdf纤维一端d0RR+dRi1界面热应力分析1.3界面应力分析dfidL=(/4)(do2-df2)dR如果基体是

5、理想的塑性体i即为常数而且等于基体的屈服剪切极限m，因此有：1界面热应力分析1.3界面应力分析L为两条裂纹之间的间距。L表示开裂倾向大小。裂纹间距等于L时基体开裂。基体中的应力达到屈服强度Ru时，基体开裂：=do-df代入得：1界面热应力分析1.3界面应力分析df：df,L，基体裂纹倾向越大。因此，一般要求纤维直径越小越好。：,Vf，L，纤维体积分数越低裂纹倾向越小，高体积分数的复合材料容易产生裂纹。Vf高，纤维主要承载，基体不能承载。m：m，L，界面越“硬”，应力得不到缓解，越容易产生裂纹。Ru：Ru，L，强度越高，越不容易产生裂纹，抗裂纹产生的能力

6、强。L越大，越不容易产生裂纹；L越小，裂纹倾向越大2影响基体裂纹的因素2.1裂纹间距裂纹间距表明基体将沿纤维方向均匀地分布裂纹。如纤维与基体之间存在着界面相(界面反应生成)或界面层，则界面层将产生裂纹。如果与纤维相比，界面层可以近似地看成是塑性体则裂纹间距同样可以用上面的裂纹间距表达式估算。2.1裂纹间距2影响基体裂纹的因素值得注意的是：如果界面层是多层的(在复合材料制备过程中，经常使用复合材料界面层)，那么每一层所产生的裂纹间距都能使用上式进行估算：2.1裂纹间距2影响基体裂纹的因素对于纤维和基体同样为弹性体组成的弹性-弹性系统：dfdLi=/4(d02-df2)dR由于i不是

7、常数，不能进行简单的积分，但同样可以用界面极限剪切强度p代替i进行估算，不会影响对问题的分析，因此：2.1裂纹间距2影响基体裂纹的因素陶瓷基复合材料一般可以看成是弹性-弹性体，由于界面剪切强度很高，因而一般陶瓷基复合材料很容易出现均匀分布的裂纹。裂纹是由于纤维与基体的热膨胀系数不匹配而产生的，因此裂纹总是在低于制备温度的某一温度产生的，这一温度称为裂纹生成温度Tc。2.2裂纹生成温度2影响基体裂纹的因素Ｌ2.2裂纹生