材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化ppt课件.ppt
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1、4.复合材料的界面复合材料的界面 及界面优化及界面优化Chapter4.Interfaceofcompositematerialsandoptimizationoftheirinterface为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、复合材料的概念一、复合材料的概念n复合材料是由两种或两复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而结构不同的材料组合而成的材料。成的材料。复复合合材材料料船船体体概述概述为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发
2、挥中小学图书室育人功能二、复合材料的分类二、复合材料的分类1、按基体材料分、按基体材料分(1)非金属基复合材料非金属基复合材料(2)金属基复合材料。金属基复合材料。2、按增强材料分、按增强材料分(1)纤维增强复合材料纤维增强复合材料(2)粒子增强复合材料粒子增强复合材料(3)叠层复合材料。叠层复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增增强强相相三三种种类类型型为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、复合材料的命名三、复合材料的命名(1 1)以基体为主来命名)以基体为主来命名 例如金属基复合材料。例如金属基
3、复合材料。(2 2)以增强材料来命名)以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。如碳纤维增强复合材料。(3 3)基体与增强相并用)基体与增强相并用 如如“C/Al“C/Al复合材料复合材料”即即为碳纤维增强铝基复合材料。为碳纤维增强铝基复合材料。(4 4)商业名称命名)商业名称命名 如如“玻璃钢玻璃钢”即为玻璃纤维即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。增强树脂基复合材料。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 复合材料的增强机制及性能复合材料的增强机制及性能1.纤维增强复合材料的增强机制纤维增强复合材料的增强机制l在纤维增强复合材
4、料中,纤维是材料主要在纤维增强复合材料中,纤维是材料主要承载组分,其增强效果主要取决于纤维的承载组分,其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。体积分数、尺寸和分布。l在纤维增强复合材料中,纤维是材料主要在纤维增强复合材料中,纤维是材料主要承载组分,其增强效果主要取决于纤维的承载组分,其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。体积分数、尺寸和分布。碳碳纤纤维维为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,
5、充分发挥中小学图书室育人功能n弹性模量及强度弹性模量及强度n外力方向与纤维轴向相同时,外力方向与纤维轴向相同时,c=f=m(f-纤维、纤维、m-基体、基体、c-复合材料复合材料),则,则当外力垂直于纤维轴向时,则当外力垂直于纤维轴向时,则纤维的临界长径比纤维的临界长径比纤维最小体积分数纤维最小体积分数为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.粒子增强型复合材料的增强机制粒子增强型复合材料的增强机制n粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为:粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为:弥散强化的复合材料
6、;颗粒增强的复合材料。弥散强化的复合材料;颗粒增强的复合材料。(1 1)弥散强化的复合材料的增强机制)弥散强化的复合材料的增强机制n将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导致塑性变形将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导致塑性变形的位错运动的位错运动(金属基体金属基体)和分子链运动和分子链运动(聚合物基体聚合物基体)。(2 2)颗粒增强的复合材料的增强机制)颗粒增强的复合材料的增强机制n用金属或高分子聚合物为粘结剂,把具有耐热性好、硬度用金属或高分子聚合物为粘结剂,把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而行成的
7、材料。而行成的材料。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点n1、比强度和比模量高。其中纤维、比强度和比模量高。其中纤维增强复合材料的最高。增强复合材料的最高。n2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增、良好的抗疲劳性能。碳纤维增强材料强材料-1可达可达 b的的7080%。因纤。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。n3、破断安全性好、破断安全性好 n4、优良的高温性能。、优良的高温性能。n5、减震性好。复合材料中的大量、减震性好。复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作
8、用,不易界面对振动有反射吸收作用,不易产生共振。产生共振。比比强强度度比比较较碳碳纤纤维维 树树脂脂硼硼纤纤维维 树树脂脂玻玻璃璃纤纤维维 树树脂脂钛钛钢钢 铝铝为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 常用的复合材料常用的复合材料一、纤维增强复合材料一、纤维增强复合材料1.常用增强纤维常用增强纤维(1)(1)玻璃纤维:玻璃纤维:用量最大、价格最便宜。用量最大、价格最便宜。(2)(2)碳纤维:碳纤维:化学性能与碳相似。化学性能与碳相似。(3)(3)硼纤维:硼纤维:耐高温、强度、弹性模高。耐高温、强度、弹性模高。(4)(4)碳
9、化硅纤维:碳化硅纤维:高熔点、高硬度。高熔点、高硬度。(5)Kevlar有机纤维:有机纤维:用于高温、高强用于高温、高强复合材料。复合材料。玻璃纤玻璃纤维维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料n通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。n这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高,这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高,比强度也高得多。比强度也高得多。材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉
10、强度MPa纵向弹性模量纵向弹性模量GPa环氧树脂环氧树脂696.9环氧树脂环氧树脂/E级玻璃纤维级玻璃纤维102045环氧树脂环氧树脂/碳纤维(高弹性)碳纤维(高弹性)1240145环氧树脂环氧树脂/芳纶纤维(芳纶纤维(49)138076环氧树脂环氧树脂/硼纤维硼纤维(70%Vf)1400-2100210-280为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件发动机高温构件为深入学
11、习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.纤维纤维-金属金属(或合金或合金)复合材料复合材料n金属的熔点高,故高强度纤维增强后的金属基复合材料金属的熔点高,故高强度纤维增强后的金属基复合材料(MMCMMC)可以使用在较高温的工作环境之下。)可以使用在较高温的工作环境之下。n常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiC和和C纤维;纤维;Al2O3纤维纤维通常以短纤维的形式通常以短纤维的形式用于用于MMC中。中。MM
12、CMMC的的的的SEMSEM照片照片照片照片为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能nMMCMMC虽强度和弹性模量(刚度)增加,但塑性和韧性虽强度和弹性模量(刚度)增加,但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMCMMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.纤维纤维-陶瓷复合材料陶瓷复合材料n陶瓷材料耐热、耐
13、磨、耐蚀、陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化,但韧性低、难加工。抗氧化,但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强,在陶瓷材料中加入纤维增强,能大幅度提高强度,改善韧能大幅度提高强度,改善韧性,并提高使用温度。性,并提高使用温度。n陶瓷中增韧纤维受外力作用,陶瓷中增韧纤维受外力作用,因拔出而消耗能量,耗能越因拔出而消耗能量,耗能越多材料韧性越好。多材料韧性越好。C/C复合材料复合材料Si/SiSi/Si复合材料复合材料复合材料复合材料为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹用晶须
14、作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量,但因为价格昂贵,目前仅在少数宇航器件上性模量,但因为价格昂贵,目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现,晶须采用。现在发现,晶须(如如SiC SiC 和和SiSi3 3N N4 4)能起到陶瓷材能起到陶瓷材料增韧的作用。料增韧的作用。ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、叠层复合材料二、叠层复合材料n叠层复合材料是指在基叠层复合材料是指在基体中含有多重层片状高体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合强高模量增强物的复合材料。材料。层
15、状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合三明治复合为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。n结构层状材料根据材质不同,分别用于飞机制造、运输结构层状材料根据材质不同,分别用于飞机制造、运输及包装等。及包装等。有有TiN涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头层层状状复复合合铝铝合合金金蜂蜂窝窝夹夹层层板板为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、粒子增强型复合材料三、粒子增
16、强型复合材料n聚合物基粒子复合材料如酚醛树聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材合成木材)等。等。n陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。韧陶瓷等。粒子增强粒子增强SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n金属基粒子复合材料又称金金属基粒子复合材料又称金属陶瓷,是由钛、镍、钴、属陶瓷,是
17、由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非氧化物、硼化物等组成的非均质材料。均质材料。n碳化物金属陶瓷作为工具材碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用,称作硬质料已被广泛应用,称作硬质合金。硬质合金通常以合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂,作为粘结剂,WC、TiC等等作为强化相。作为强化相。硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 复合材料的界面复合材料的界面是指是指基体与增强物之间基体
18、与增强物之间化学成分化学成分有显著变化的、有显著变化的、构成构成彼此结合的、能起彼此结合的、能起载荷传递作用载荷传递作用的微小的微小区域区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域,约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。此区域的结构与性质都不同于几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成,每两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成,每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。型方法有关。4.1 复合材料的界面复合材料的界面为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
19、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1 1、外力场、外力场2 2、基体、基体3 3、基体表面区、基体表面区4 4、相互渗透区、相互渗透区 5 5、增强剂表面区、增强剂表面区 6 6、增强剂、增强剂 复合材料的界面示意图复合材料的界面示意图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面通常界面通常界面通常界面通常包含以下几个部分:包含以下几个部分:基体和增强物的部分基体和增强物的部分原始接触面原始接触面原始接触面原始接触面;基体与增强物相互作用基体与增强物相互作用生成的反应产物生成的反应产物生
20、成的反应产物生成的反应产物,此,此产产产产物与基体及增强物物与基体及增强物物与基体及增强物物与基体及增强物的接触面;的接触面;为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面特点界面特点性能和结构上不同于基体和增强材料性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度具有一定的厚度连接基体与增强体材料连接基体与增强体材料能够传递载荷能够传递载荷为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(1)传递效应:传递效应:传递效应:传递效应:界面能传递力,即界面能传递力,即将外
21、力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物,起到基体和增强物之间的桥梁作用。起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应:阻断效应:阻断效应:阻断效应:结合适当的界面有结合适当的界面有阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展、中断材中断材中断材中断材料破坏料破坏料破坏料破坏、减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中的作用。的作用。4.2 界面的效应(界面的效应(1)界面是复合材料的特征,可将界面的机能归纳为以下几种效应:为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能阻止裂纹的扩展阻止裂纹
22、的扩展为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应(界面的效应(2)(3)不连续效应:不连续效应:在界面上产生在界面上产生物理性能的不物理性能的不连续性连续性和和界面摩擦出现界面摩擦出现的现象,如抗电性、的现象,如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻
23、全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应(界面的效应(3)(4)(4)散射和吸收效应:散射和吸收效应:光波、声波、热弹性波、光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面冲击波等在界面产生散射和吸收产生散射和吸收,如透光,如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。冲击性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能散射和吸收效应散射和吸收效应为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应
24、(界面的效应(4)(5)(5)诱导效应:诱导效应:一种一种物质物质(通常是增强物通常是增强物)的表的表面结构面结构使另一种与之接触的物质使另一种与之接触的物质(通常是聚通常是聚合物基体合物基体)的结构的结构由于诱导作用而发生改变由于诱导作用而发生改变,由此产生一些现象,如强的弹性、低的膨由此产生一些现象,如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。胀性、耐冲击性和耐热性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能诱导效应诱导效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面为深入学习习
25、近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 界面效应是任何一种单一材料所没有的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。界面特性,它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性化学性质有关,也与复合材料各组分的浸润性、相质有关,也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。容性、扩散性等密切相关。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 界面结合较差界面结合较差,增强体不能发挥作
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