復(fù)合材料第七章復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面(已修改)
2024-10-31 14:48 本頁面
【正文】 1 第七章 復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面 2 第一節(jié) 復(fù)合原則 要想制備一種 好的復(fù)合材料 ，首先應(yīng)根據(jù) 所要求的性能 進行設(shè)計，這樣才能成功地制備出 性能理想的復(fù)合材料 。 復(fù)合材料的設(shè)計應(yīng) 遵循的原則 如下： 3 一、材料組元的選擇 挑選最合適的 材料組元 尤為重要。 在 選擇材料組元 時，首先應(yīng)明確 各組元在使用中所應(yīng)承擔(dān)的功能 ，也就是說，必須明確 對材料性能的要求 。 4 對 材料組元進行復(fù)合 ，即要求 復(fù)合后材料 達到如下性能，如 高強度 、 高剛度 、高耐蝕 、 耐磨 、 耐熱 或其它的 導(dǎo)電 、 傳熱等性能或者某些 綜合性能 如 既高強又耐蝕、耐熱 。 5 因此，必須根據(jù) 復(fù)合材料所需的性能 來選擇組成復(fù)合材料的 基體材料 和 增強材料 。 例如，若所設(shè)計的復(fù)合材料是 用作結(jié)構(gòu)件 ，則復(fù)合的目的就是要使復(fù)合后材料具有最佳的強度、剛度和韌性 等 . 6 因此，設(shè)計 結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料 時，首先必須明確其中 一種組元主要起 承受載荷 的作用 ，它必須具有 高強度和高模量 。這種組元就是所要選擇的 增強材料 ； 而其它組元應(yīng)起 傳遞載荷 及協(xié)同的作用 ，而且要 把增強材料粘結(jié)在一起 ，這類組元就是要選的 基體材料 。 7 其次，除考慮 性能要求 外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料的 各組元之間的相容性 ，這包括物理 、 化學(xué) 、 力學(xué) 等性能的相容，使材料各組元 彼此和諧地 共同發(fā)揮作用。 在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的 各組元之間的 伸長 、 彎曲 、 應(yīng)變 等都應(yīng) 相互或彼此協(xié)調(diào)一致 。 8 第三，要考慮復(fù)合材料 各組元之間的浸潤性 ，使 增強材料與基體之間 達到比較理想的 具有一定結(jié)合強度的界面 。 適當(dāng)?shù)?界面結(jié)合強度 不僅有利于 提高材料的整體強度， 更重要的是 便于將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強材料 ，以充分發(fā)揮其增強作用。 9 若 結(jié)合強度太低 ， 界面很難傳遞載荷 ，不能起潛在材料的作用， 影響復(fù)合材料的整體強度 ； 但 結(jié)合強度太高 也不利，它 遏制復(fù)合材料斷裂對能量的吸收 ，易發(fā)生 脆性斷裂 。 除此之外，還應(yīng)聯(lián)系到 整個復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 來考慮。 10 具體到 顆粒 和 纖維 增強復(fù)合材料 來說， 增強效果 與 顆?；蚶w維的 體積含量 、直徑 、 分布間距 及 分布狀態(tài) 有關(guān)。 顆粒和纖維 增強復(fù)合材料的 設(shè)計原則如下： 11 1. 顆粒增強復(fù)合材料的原則 (1)顆粒應(yīng) 高度彌散均勻 地分散在基體中，使其 阻礙 導(dǎo)致塑性變形的位錯運動 (金屬、陶瓷基體 )或 分子鏈的運動 (聚合物基體 )。 12 (2)顆粒直徑的大小 要合適。 因為 顆粒直徑過大 ，會引起 應(yīng)力集中 或本身破碎 ，從而導(dǎo)致材料強度降低； 顆粒直徑太小 ，則起不到 大的強化作用 。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。 13 (3)顆粒的數(shù)量 一般大于 20％。數(shù)量太少，達不到 最佳的強化效果 。 (4)顆粒與基體之間 應(yīng)有 一定的粘結(jié)作用 。 14 2．纖維增強復(fù)合材料的原則 (1)纖維的 強度和模量 都要 高于基體 ，即纖維應(yīng) 具有高模量和高強度 ，因為除個別情況外，在多數(shù)情況下 承載主要是靠增強纖維 。 (2)纖維與基體之間 要有 一定的粘結(jié)作用 ，兩者之間結(jié)合要保證 所受的力通過界面 傳遞給纖維。 15 (3)纖維與基體的 熱膨脹系數(shù) 不能相差過大 ，否則 在熱脹冷縮過程中 會自動 削弱它們之間的結(jié)合強度 。 (4)纖維與基體之間 不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng) ，特別是 不發(fā)生強烈的反應(yīng) ，否則將引起 纖維性能降低 而失去強化作用。 16 (5)纖維所占的體積 、 纖維的尺寸 和 分布 必須適宜。 一般而言，基體中 纖維的體積含量越高 ，其 增強效果越顯著 ； 纖維直徑越細 ，則 缺陷越小 ， 纖維強度也越高 ； 連續(xù)纖維的增強作用 大大高于 短纖維 ， 不連續(xù)短纖維的長度 必須大于一定的長度 (一般是長徑比＞ 5)才能顯示出 明顯的增強效果 。 17 二、制備方法的選擇 材料組元 選擇后，就要考慮所采用的復(fù)合工藝路線 ，即 具體的制備方法 。 制備方法的選擇 主要應(yīng)考慮以下四個方面： 18 (1)所選的 工藝方法 對材料組元的損傷最小 ，尤其是 纖維或晶須摻入基體之中時 ，一些 機械的混合方法 往往造成 纖維或晶須的損傷 ； 19 (2)能使 任何形式的增強材料 (纖維 、 顆粒 、 晶須 )均勻分布 或按預(yù)設(shè)計要求 規(guī)則排列 ； (3)使最終形成的復(fù)合材料 在性能上 達到充分發(fā)揮各組元的作用 ，即達到 揚長避短 ，而且各組元仍保留著 固有的特性 。 20 在 制備方法的選擇上 還應(yīng)考慮 性能／價格比 ，在能 達到復(fù)合材料使用要求 的情況下，盡可能選擇 簡便易行的工藝 以 降低制備成本 。 針對不同的 增強材料和基體特性 應(yīng)采用不同的制備方法， 21
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