山东大学《材料科学基础》讲义第11章 复合效应与界面

1、第11章 复合效应与界面1 材料复合、增强体及复合效应一、复合材料的概念、分类及特点复合材料：由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。复合材料通常由基体、增强体及基体与增强体之间形成的界面组成。其分类方法主要有：1按复合效果分为结构复合材料和功能复合材料；2按基体类型分为树脂基或聚合物基复合材料（RMC）、金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）等；3按增强体的形态与排布方式分为颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、单向纤维复合材料、二向织物层复合材料、三向及多向编织复合材料、混杂增强复合材料等。复合材料的显著特点是：材料

2、性能的可设计性，各向异性及材料和结构的一次成型性。二、复合效应 包括：线性效应、非线性效应、界面效应、尺寸效应和各向异性效应。2 复合材料增强机理一、复合材料中各结构单元的作用1基体： 主要用于固定和粘附增强体，井将所受的载荷通过界面传递到增强体上；将增强体分隔开来；还能保护增强体免受环境的化学作用和物理损伤等。2增强体：通常要求增强体具有高强度和高模量。增强体的体积分数，与基体的结合性能对复合材料的性能起着很大的影响。3界面：协调基体和增强体的变形，通过界面可将基体的应力传递到增强体上。基体和增强体通过界面发生结合，但结合力的大小应适当，既不能过大，也不能过小。结合力过大会使复合材料韧性下降

3、，结合力过小起不到传递应力的作用，容易在界面处开裂。增强体、基体和界面共同作用下可以改变复合材料的韧性、抗疲劳性能、抗蠕变性能、抗冲击性能及其它性能。二、复合材料的增强原理按增强体的种类和形态，可以把复合材料分为三类：弥散增强型、粒子增强型和纤维增强型。（一）弥散增强型增强颗粒为外加的硬质颗粒，尺寸较小。这些颗粒可以有效地阻止位错的运动，从而起到显著的强化作用。对颗粒的要求：质地坚硬、稳定并与基体不发生界面反应，同时还要考虑其尺寸、分布、数量、与基体的结合等。据位错绕过机制，复合材料产生塑性变形时，其剪应力(等于其屈服强度)为： ()由基体的理论断裂强度（约Gm/30）和基体的理论屈服强度（约

4、Gm/100）可得质点的间距为：0.3m0.01m。如果均匀弥散分布的质点直径为dp，体积分数为p，则有：及 可见：质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。一般p=0.010.15，dp=0.1m 0.01m。（二）粒子增强型粒子尺寸为150m，比弥散增强的粒子大很多。另外，粒子间距为125m，体积分数为0.050.5。粒子增强型复合材料的性能与增强体和基体的比例有关。粒子增强复合材料的强度有两种情况：适于基体为晶体结构的复合材料；适于任意基体材料。1适于基体为晶体结构的复合材料位错在大粒子前塞积，约束基体变形，并在粒子与基体界面上产生应力集中，领先位错受力为： （式中：-名义应力或平均应力；n-塞积的位错数。）根据位错理论：，并假设粒子理论破坏的应力为Gp/30（Gp为粒子剪切弹性模量）。当粒子破坏时，位错可以运动，引起变形，此时的应力记为屈服强度y，则有：，再结合前面的Dp公式，有：由该式可以看出，粒子直径dp越小，体积分数p越高，粒子对复合材料的增强效果越好。2基体是非晶体或晶体的复合材料（其强度计算比较复杂。可以参看P314。）（三）纤维增强型1连续纤维增强原理（某一方面的性能可以用混合定则来描述和预测。）2短纤维和晶须增强复合材料3 复合材料的界面一、复合材料界面结合类型 （一）金属基和陶瓷基复合材料界面结合类型 1机械结合：2溶解和浸润结合3反应结合：