2-12复合材料的复合原理及界面

复合材料原理

陈刚 江苏大学材料学院1

第一章 概论1.1 复合材料的定义 1.2 复合材料的命名

1.3 复合材料的分类1.4 复合材料的组成 1.5 复合材料的基本性能 1.6 复合材料发展概况

思考题在给定基体材料和增强材料的前提下，如何才能获得优异性能的复合材料，试举一例说明。

第二章 复合材料的复合原理及界面2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征

2.1 复合原则要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求 的性能进行设计。复合材料设计应遵循的原则如下： 一、材料组元的选择 二、制备方法的选择

一、材料组元的选择 挑选最合适的材料组元尤为重要。 在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的

功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。 对材料组元进行复合，既可能要求复合后材料达到如下性能，

如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或导电、传热等性能，也可能是要求某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。

必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的 基体材料和增强材料。 如所设计的复合材料是用作结构件，则复合的目的就 是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。

设计结构件复合材料时，首先必须明确其中一种组

元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料；

而其它组元应起传递载荷及协同的作用，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。

其次，除考虑性能要求外，还应考虑组成复合材料 的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性

能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、

弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。

第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强 材料与基体之间形成比较理想的具有一定结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度， 更便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以 充分发挥其增强作用。

若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材

料的作用，影响复合材料的整体强度；但结合强度太高也不利，它遏制复合材料断裂对能量

的吸收，易发生脆性断裂。除此之外，材料设计还应联系整个复合材料的结构来

考虑。

具体到颗粒和纤维增强复合材料来说，增强效果与颗粒

或纤维的体积含量

、直径、分布间距及分布状态有关。

1)颗粒增强复合材料的原则(1)颗粒应高度弥散均匀分散在基体中 阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体) 或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒的直径大小要合适 因为颗粒直径过大，会引起应力集中或颗粒本身破 碎，从而导致材料强度降低； 颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一

般粒径为几微米到几十微米。13

(3)颗粒需要有足够的数量。数量太少，达 不到最佳的强化效果。 (4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。

2)纤维增强复合材料的原则(1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度。因为除个别情况外，在多 数情况下承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者 之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。

(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则

在热胀冷缩过程中会自动削弱它们之间的结合强度。(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特

别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。