材料科學(xué)基礎(chǔ)之復(fù)合效應(yīng)與界面-閱讀頁
2025-01-12 00:03本頁面
【正文】 ? Ec=kEfφf (918)? 如果外 載 荷垂直于 單 向 連續(xù)纖維 復(fù)合材料的 纖維 方向 , 而 纖維 與基體 對 復(fù)合材料 線性伸 長 的作用不相關(guān)， 則 每一 組 元的 應(yīng)變應(yīng)變加加 權(quán)權(quán) 和和 等于復(fù)合材料的 總應(yīng)變 。? 式 917~920適用于拉伸和 壓縮載 荷的 計算 , 但 對 拉伸 計 算更 為 精確 。? 由于 纖維 是復(fù)合材料的主要承 載 者，因此可以用基體屈服 強(qiáng) 度 σ mu為 來近似代替 σ m*。? 由式 921可以看出：復(fù)合材? 料的強(qiáng)度由基體強(qiáng)度 σ mu和? 增強(qiáng)纖維強(qiáng)度 σ fu兩部分線? 性組成，據(jù)此可作圖 94。復(fù)合材料的目? 的是 為 了增 強(qiáng) 基體，要求? σ cu? σ mu。? 單向復(fù)合材料在纖維方向的抗拉強(qiáng)度大大高于抗壓強(qiáng)度，但拉伸和壓縮模量相差不大；在垂直于纖維方向的拉伸強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度，但壓縮強(qiáng)度大于基體強(qiáng)度，拉伸和壓縮模量都高于基體模量。? 圖 95中，短纖維或晶須復(fù)? 合材料受水平拉力作用變? 形后，因 基體變形量大于? 增強(qiáng)體變形量，而兩者結(jié)? 合緊密，于是在界面產(chǎn)生剪應(yīng)力 。? 短纖維或晶須復(fù)合材料強(qiáng)度可 大致 表示為：? σ cu=(1Lc/2L)σ fuφf+σ m*(1φf) ? (930) 式中 σ m* 為纖維 斷裂 時 的基體 應(yīng) 力； Lc為纖維臨 界 長 度 (因拉 長 而斷裂 時 的增 長 度 )； L為纖維長 度。? 在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維斷裂應(yīng)變小于基體斷裂應(yīng)變時，纖維將先于基體斷裂為 Lc或 2Lc長的短纖維。? 復(fù)合材料界面? 界面界面 是基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化但彼此結(jié)合的、能傳遞載荷作用的過渡區(qū)域 (1~102nm)。簡稱為界面相或界面層。? 復(fù)合材料界面結(jié)合類型? 建立界面需要一定的結(jié)合力 。物理結(jié)合力一般為范得華力，包括偶極定向力、誘導(dǎo)偶極定向力和色散力以及氫鍵作用力；化學(xué)結(jié)合力指界面產(chǎn)生共價鍵和金屬鍵。? 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類型：? (1) 機(jī)械結(jié)合：指 僅由粗糙表面和因基體收縮包緊增強(qiáng)體產(chǎn)生的磨擦結(jié)合 。承載力很小。? 當(dāng)增強(qiáng)體表面能很小不能被潤濕時，可借助涂層予以改善。如硼纖維增強(qiáng)鈦合金在界面處生成 TiB2。? 一般情況下結(jié)合強(qiáng)度隨反應(yīng)程度增加而增加，達(dá)到一定程度后有所減弱。如硼纖維增強(qiáng)鋁合金時，硼纖維吸附的氧與之反應(yīng)生成 BO2， BO2又與鋁接觸反應(yīng)生成B和 AL2O3，形成氧化結(jié)合。其存在較為普通，是 最重要的一種結(jié)合方式 。這種方? 式在增強(qiáng)體表面處理? 后和使用偶聯(lián)劑后存? 在較普遍。? (2) 浸潤 浸吸附結(jié)合：增強(qiáng)體被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。? (3) 擴(kuò)散結(jié)合：界面? 擴(kuò)散作用形成界面? 模糊區(qū)。? (4) 機(jī)械結(jié)合：類似前述金屬基復(fù)合材料。? 實(shí)際的界面結(jié)合是復(fù)雜的，形成和作用機(jī)理遠(yuǎn)未認(rèn)識清楚。但對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 纖維難于與基體脫粘拔出，會導(dǎo)致韌性降低 。? 物理不穩(wěn)定性物理不穩(wěn)定性 主要指高溫下的原子擴(kuò)散造成界面不穩(wěn)，增強(qiáng)體損傷導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低 。C保溫 50小 時 后， 鎢絲直徑減小 為 60%， 說 明 鎢 已 經(jīng) 部分熔入 鎳 基中，作 為 增 強(qiáng) 體的 鎢絲 強(qiáng) 度已 經(jīng) 下降。? 反應(yīng)層厚度 X與反應(yīng)時間 t的關(guān)系為：? X=k?t (932)? 反應(yīng)速度常數(shù) k與溫度強(qiáng)烈相關(guān)：? k=Aexp(Q/RT) (933)? 式中Ｑ為表觀激活能，是擴(kuò)散激活能的 。? 改善復(fù)合材料界面應(yīng)從四個方面著手 ：? (1) 降低界面殘余應(yīng)力 ：界面殘余應(yīng)力會引發(fā)裂紋，解決辦法是對增強(qiáng)體表面作梯度涂層， 使其模量有漸變特性 ；降低制造溫度， 減小溫差應(yīng)力 等。 如用 SiC纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷時，添加少量的 Nb，會在界面形成NbC薄層，獲得良好界面，復(fù)合后的玻璃陶瓷具有很高的韌性。如用碳纖維增強(qiáng)鋁基材料時，在碳纖維表面化學(xué)氣相沉積含氯的TiB2薄層，則鋁對碳纖維的浸潤能力大為改善，而且抑制了 CAl界面的不良反應(yīng)。演講完畢，謝謝觀
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