材料科學(xué)基礎(chǔ)之復(fù)合效應(yīng)與界面(完整版)
【正文】 單一增強(qiáng)體 ，當(dāng)有增強(qiáng)體損傷或斷裂時(shí)，裂紋不至于在增強(qiáng)體之間傳遞；同時(shí)能保護(hù)增強(qiáng)體 免受環(huán)境的化學(xué)作用和物理?yè)p傷。? 基體的理 論 斷裂 強(qiáng) 度 約為 Gm/30，理 論 屈服 強(qiáng) 度 約為 Gm/100，分 別對(duì)應(yīng) 位 錯(cuò) 運(yùn) 動(dòng)所需剪切 應(yīng) 力的上下限。? 對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的基體材料，當(dāng)粒子大到位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不能繞過(guò)時(shí)，將發(fā)生位錯(cuò)受阻塞積，限制基體變形，同時(shí)在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，領(lǐng)先位錯(cuò)受力 σ i為 :? σ i=nσ (99)? 式中 σ 為平均應(yīng)力； n為塞積位錯(cuò)數(shù)。? 當(dāng)基體與粒子 界面有黏結(jié) 時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度 σ cu為 :? σ cu=(σ a+)φp+σ aS(1+φp) (915)? 式中 σ a為 界面黏 結(jié) 強(qiáng) 度在外力方向所允 許 的最大應(yīng) 力； τm為 界面剪切 強(qiáng) 度 (近似等于基體剪切 強(qiáng) 度τmu)； S為 材料破壞 時(shí) 基體內(nèi)平均 應(yīng) 力與 σ a的比值 ，稱 為應(yīng) 力集中因數(shù) 。? 纖維增強(qiáng)型? (1) 連續(xù)纖維增強(qiáng)原理：若纖維在基體中呈單向均勻排列，則沿纖維方向，復(fù)合材料的各項(xiàng)性能可用混合定則表述：? Pc=Pfφf(shuō)+Pmφm (916)? 在制造復(fù)合材料 時(shí) ， 難 免出 現(xiàn) 一些不理想情況，為 了更準(zhǔn)確 計(jì) 算 纖維 方向的 彈 性模量，混合定 則可改寫(xiě) 為 ：? Ec=k(Efφf(shuō)+Emφm) (917)? k取 值 ~ 間 。? 圖中 φf(shuō)min表示 纖維 最小體? 積 分?jǐn)?shù)，當(dāng) φf(shuō)φf(shuō)min時(shí) ，復(fù)? 合材料的 強(qiáng) 度由基體決定；? 當(dāng) φf(shuō)φf(shuō)min時(shí) ，材料的 強(qiáng) 度? 由 纖維 控制。? 短 纖維 或晶 須 增 強(qiáng) 的 臨 界體 積 分?jǐn)?shù) φf(shuō)er的 導(dǎo) 出 過(guò)程與 連續(xù)纖維 復(fù)合材料相似 ，即：? φf(shuō)er=(σ muσ m*)/(σ fσ m*) (931) ? 與式 922比 較 ， 由于 σ fσ fu，短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的臨界體積分?jǐn)?shù)高于連續(xù)纖維復(fù)合材料，說(shuō)明增強(qiáng)作用較小一些。界面結(jié)合力大致分為物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。? (3) 反應(yīng)結(jié)合： 特征是通過(guò)基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物 。? 樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合類(lèi)型? (1) 化學(xué)鍵合： 基體表面的官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)? 反應(yīng)，形成共價(jià)鍵結(jié)? 合的界面區(qū) 。? (5) 靜電結(jié)合 :兩相物質(zhì)對(duì)電子的親和力相差較大時(shí) (如金屬與聚合物 )，在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢(shì)并形成雙電層，靜電吸引力是產(chǎn)生界面結(jié)合力的直接原因之一。? 化學(xué)不穩(wěn)定性化學(xué)不穩(wěn)定性 指復(fù)合材料制造和使用過(guò)程中，基體和增強(qiáng)體原子通過(guò)界面擴(kuò)散產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成不希望得到的脆性化合物反應(yīng)層 ， 降低材料強(qiáng)度。? (4) 選擇合理的復(fù)合工藝和使用條件 。? 滿足設(shè)計(jì)要求的最大反應(yīng)層厚度稱為臨界厚度，金屬基材料的臨界厚度約為 ~1μm。? 界面改善及其對(duì)性能的影響：界面的作用是將載荷由基體傳遞給增強(qiáng)體，因此應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。如用有機(jī)? 硅烷偶聯(lián)劑強(qiáng)化增強(qiáng)? 體與樹(shù)脂基界面結(jié)合? (圖 98)。? 實(shí)際上界面反應(yīng)是復(fù)雜的 ，可能發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，并通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換。? 實(shí)際上又根據(jù)界面形成中物理和化學(xué)形式進(jìn)行分類(lèi) 。此時(shí)材料仍能承載，只是承載能力變?yōu)槎汤w維承載時(shí)的狀態(tài)。 由此可得 臨臨 界界 纖維纖維 體體 積積 分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)? φf(shuō)er=(σ muσ m*)/(σ fuσ m*) (922)? φf(shuō)er的意義是 基體真正得到增強(qiáng)時(shí)所應(yīng)該加入的纖維的最小體積分?jǐn)?shù)。由此可 導(dǎo)出 垂直于 纖維 方向 彈 性模量 的 計(jì) 算式：? 1/Ec=φf(shuō)/Ef+φm/Em (919)? 對(duì)于復(fù)混材料 ,若 Ef1和 Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性模量， Em表示基體的 彈 性模量， 則單向排列纖維的混雜復(fù)合材料模量可表示為：? Ec=Ef1φf(shuō)1+Ef2φf(shuō)2+ Emφm (920) 式中 φ為 體 積 分?jǐn)?shù)；? φf(shuō)1＋ φf(shuō)2＋ φm=1 。? 用粒子增強(qiáng)碳素或陶瓷等需要 燒結(jié)成型 的材料時(shí)，不同相之間的幾何形態(tài)、尺寸效應(yīng)和增強(qiáng)粒子的最優(yōu)分布與匹配設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料性能影
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