复合材料原理09第8讲ppt课件
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控制界面层厚度控制纤维临界长径比：
lc f d 2 y
T. Nozawa，The Effects of Neutron The Effects. of Neutron IIrrrradiiattiion on the IIntterrffaciia2l0l Shearr Sttrrengtth off SiiC//SiiC Composiittes
模量比对界面剪切应力的影响
(R=Em/Ef, : x=0, : x=L)
.
29
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对纤维轴向应力的影响 模量比对纤维径向应力的影响
(:0.001, :0.025, :0.1, :0.2 (:0.001, :0.025, :0.1, :0.2
:0.3, :0.4, : 0.5)
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(MMC:SiC/Al,
.
:上部,
:
底部)
32
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比越小，界面剪切应力越大，影响区越越小：
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(CMC: SiC/ZrO2 . :上部, : 底部)
33
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
复合材料
弯曲强度 /MPa
断裂韧性 /MPa.m1/2
断裂功 /KJ.m-2
拉伸强度 拉伸模量 断裂应变
模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：
r
r
裂纹
M
基体
.
34
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：
l d
C
Ru (断裂强度) 2 i (界面强度)
纤维种类 界面层厚度与结构
纤维临界长径比，控制强度和韧性的匹配 临界长径比高：强度低而韧性高 临界长径比低：强度高而韧性低
低模量：缓解热膨胀失配； 低剪切强度：控制界面结合强度； 与纤维和基体共有化学组元：防止界面化学
反应。
.
23
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
如果模量比太小，需要低模量界面层：
ldc 2eEGfm(1m)EmEfE
Composite
改性A 改性B 3D C/SiC
Deposition time/h
Interface
Matrix
PyC
SiC PyC SiC PyC SiC
100
80 100 80 200 80
100
80 20.0 80 100 80
100
320 － － － －
Coating SiC 160 160 160
2.1 弹性界面的模量匹配
Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 30-50Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总孔隙率 20-30Vol%
.
9
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforce.d Silicon Carbide Composites (C/SiC10, C/C-SiC)
Deposition time/h
Composite Interface
Matrix
PyC
改性A
100
改性B
100
2D C/SiC 100
SiC PyC SiC PyC SiC 80 100 80 200 80 80 200 80 100 80 320 － － － －
3D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能
ld c 2f 2e E G fm2 E G fm(1m ' )E E m 'f
GmEm ' /2(1m ' )
.
15
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
低模量界面相可以改善界面模量匹配：
c mu1Vf (Ef Ei)1
Ei：界面相的模量
SiC Matrix
Interphase layer
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的裂纹偏转条件：
criterion for crack deflection
Evans et al., 1994
E
/ i
E
/ f
E
/ i
E
/ f
E/ E/ 12
.
Gi / Gf < ¼ Gi : 界面脱粘能 Gf : 纤维丝断裂能 由弱界面控制的纤维基 体脱粘可降低 Gi
.
12
S. SUYAMA,JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 37 (2002) 1101 – 1106
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
多孔弹性基体可以改善界面 模量匹配：
c
.mu 1Vf
(Ef
Em ' )1 13
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
复合材料原理
课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮
超高温结构复合材料国防科技重点实验室
2009.3.31
.
1
第八讲 界面结合与模量匹配
1 界面结合与失效模式 2 模量匹配问题 3 模量匹配控制
.
2
1 界面结合与失效模式
1.1 界面结合与增强效果
界面结合状态最佳θ = θmax，断裂强度最大
多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：
c
mu
1Vf
(Ef
Em ' )1
Em’：弹性基体的名义模量远低于理论模量
连续纤维/多孔基体
Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 60-85Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总. 孔隙率 35-50Vol% 8
2 模量匹配问题
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
E-glass/Nylo. n-6复合材料
27
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对纤维和界面应力的影响大：
.
28
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对界面剪切应力的影响 (:0.001, :0.025, :0.1, :0.2
:0.3, :0.4, : 0.5)
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制界面层厚度控制纤维临界长径比： lc f
d 2 y
.
21
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Effect on mechanical properties of carbon coatings on Nicalon fibres in a SiC matrix.
.
:0.3, :0.4, : 0.5) 30
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(PMC:Steel/Fra Baidu bibliotekpo.xy, :上部, : 底部)
31
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：
Interphase layer
C fiber
Hi-Nicalon fiber
.
SiC Matrix
16
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的裂纹偏转条件：
.
17
A. G. EVANS, F. W. ZOK, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 29 (1994) 3857 3896
Coating
SiC
160
160
37
160
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
基体改性2D C/SiC的显微结构：
改性A的PyC层 纤维束内部较 薄，纤维束外 部较厚
改性B的PyC层
纤维束内部较
厚，纤维束外
部较薄
.
38
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
基体改性对2D /SiC性能的影响
如果模量比太大，需要高模量界面层：
ldc 2eEGfm(1m). EmEfE
24
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比和体积分数影响载荷传递效果：
lc d
eEf
2Gm
(1m)E Emf
E 2 m
1
Ef rf (1m)ln(R/rf )
2 lc 2rf ln(R / rf )
f A Pff Efe 1C o C so hsh((l/l2 / 2)x)
.
5
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征：
前提：界面不发生滑移
复合材料 体系
PMC： T300/环氧
纤维基体 模量比
230/4＝57.5
失效模式 纤维拔出 非积聚型断裂 长拔出
MMC: T300/LY12
230/70＝3.3
混合型断裂
中拔出
CMC: T300/SiC
θ2< θ < l，出现积聚型断裂 复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程 不存在纤维的拔出
θ1< θ < θ2，出现混合型断裂
在纤维与基体之间结合弱的部位发生非积聚断裂，
而在结合较强的部位发生积. 聚性断裂
4
1 界面结合与失效模式
1.3 失效模式与临界长度
lc太长，非积累型破坏，强度低而韧性高； lc太短，积累型破坏，强度高而韧性低； lc在一定范围内，混合型破坏，强度和韧性匹配。
长短结合：.混合断裂
35
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：
高致密区 低致密区
短拔出区 长拔出区
纤维束 强约束区 弱约束区 纤维束 增强区 增韧区
3D-SiC/SiC
.
36
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
成分梯度控制模量梯度：
2D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能
dense structure and 0.15 m-thickness SiC coating (a), with porous
structure and 0.15 m-thickness SiC coating (b), with porous structure
and 0.48 m-thickness SiC coating (c).
临界长度影响复合材料韧性
T.W.Clyne, F.R.Jones, Composites: Interface. s, “Composites: MMC, CMC, PMC”,2A2 Mortensen (ed.), Elsevier, 2001
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的界面相
.
(rf )rf2EfeSC inohs h((l/2l/2x))
25
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：
E-glass/Nylon-6复合材料
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
.
26
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
温度升高，基体模量下降，纤维临界长径比增加：
Strength
II I
θ = 0，界面完全弱结合
θ = 1，界面完全强结合
III
0<θ<1，界面介于强弱之间
0
1 max
2
1
引入无量纲参数θ表示界面结合强度，θ的取值范围为0～1
.
3
1 界面结合与失效模式
1.2 界面结合与失效模式
0 < θ <θ1，出现非积累型断裂 基体不能将载荷有效地传递给纤维，整个复合材料 内部出现不均匀的积聚损伤
弹性界面的裂纹偏转条件：
criterion for crack deflection
Gm / Gb < 0.5 Gm : 基体断裂能 Gb : 纤维束断裂能 由孔隙率>30%控制的
弱基体可降低 Gm
.
14
Tu et al., 1996
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：
(Py C, BN)
纤维的断裂能 f20Jm-218 挑战：选择抗氧化界面层
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制界面层厚度控制纤维临界长径比：
lc f d 2 y
控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：
lc d
eEf
2Gm
(1m ' )EEm 'f
.
19
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
230/450＝0.5 积聚型断裂 .
无拔出 6
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
在复合材料界面不发生滑移的情况下：
cmf mEmf Ef c fVf m Vm
c m u1Vf (Ef Em)1
基体模量必须低于纤维模.量，纤维才有增强效果 7
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforce.d Silicon Carbide Composites (C/SiC11, C/C-SiC)
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
The 90◦ fiber direction strengths for the uni-directional samples, with
lc f d 2 y
T. Nozawa，The Effects of Neutron The Effects. of Neutron IIrrrradiiattiion on the IIntterrffaciia2l0l Shearr Sttrrengtth off SiiC//SiiC Composiittes
模量比对界面剪切应力的影响
(R=Em/Ef, : x=0, : x=L)
.
29
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对纤维轴向应力的影响 模量比对纤维径向应力的影响
(:0.001, :0.025, :0.1, :0.2 (:0.001, :0.025, :0.1, :0.2
:0.3, :0.4, : 0.5)
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(MMC:SiC/Al,
.
:上部,
:
底部)
32
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比越小，界面剪切应力越大，影响区越越小：
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(CMC: SiC/ZrO2 . :上部, : 底部)
33
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
复合材料
弯曲强度 /MPa
断裂韧性 /MPa.m1/2
断裂功 /KJ.m-2
拉伸强度 拉伸模量 断裂应变
模量梯度可减小基体应力，抑制基体裂纹扩展：
r
r
裂纹
M
基体
.
34
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
密度和成分梯度均可形成模量梯度，形成混合拔出：
l d
C
Ru (断裂强度) 2 i (界面强度)
纤维种类 界面层厚度与结构
纤维临界长径比，控制强度和韧性的匹配 临界长径比高：强度低而韧性高 临界长径比低：强度高而韧性低
低模量：缓解热膨胀失配； 低剪切强度：控制界面结合强度； 与纤维和基体共有化学组元：防止界面化学
反应。
.
23
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
纤维临界长径比与纤维和基体模量比有关：
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
如果模量比太小，需要低模量界面层：
ldc 2eEGfm(1m)EmEfE
Composite
改性A 改性B 3D C/SiC
Deposition time/h
Interface
Matrix
PyC
SiC PyC SiC PyC SiC
100
80 100 80 200 80
100
80 20.0 80 100 80
100
320 － － － －
Coating SiC 160 160 160
2.1 弹性界面的模量匹配
Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 30-50Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总孔隙率 20-30Vol%
.
9
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforce.d Silicon Carbide Composites (C/SiC10, C/C-SiC)
Deposition time/h
Composite Interface
Matrix
PyC
改性A
100
改性B
100
2D C/SiC 100
SiC PyC SiC PyC SiC 80 100 80 200 80 80 200 80 100 80 320 － － － －
3D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能
ld c 2f 2e E G fm2 E G fm(1m ' )E E m 'f
GmEm ' /2(1m ' )
.
15
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
低模量界面相可以改善界面模量匹配：
c mu1Vf (Ef Ei)1
Ei：界面相的模量
SiC Matrix
Interphase layer
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的裂纹偏转条件：
criterion for crack deflection
Evans et al., 1994
E
/ i
E
/ f
E
/ i
E
/ f
E/ E/ 12
.
Gi / Gf < ¼ Gi : 界面脱粘能 Gf : 纤维丝断裂能 由弱界面控制的纤维基 体脱粘可降低 Gi
.
12
S. SUYAMA,JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 37 (2002) 1101 – 1106
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
多孔弹性基体可以改善界面 模量匹配：
c
.mu 1Vf
(Ef
Em ' )1 13
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
复合材料原理
课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮
超高温结构复合材料国防科技重点实验室
2009.3.31
.
1
第八讲 界面结合与模量匹配
1 界面结合与失效模式 2 模量匹配问题 3 模量匹配控制
.
2
1 界面结合与失效模式
1.1 界面结合与增强效果
界面结合状态最佳θ = θmax，断裂强度最大
多孔弹性基体可以改善界面模量匹配：
c
mu
1Vf
(Ef
Em ' )1
Em’：弹性基体的名义模量远低于理论模量
连续纤维/多孔基体
Al2O3/Mullite(Al6Si2Al13) 微结构特征: 基体孔隙率 60-85Vol% 纤维体积分数 42-48Vol% 总. 孔隙率 35-50Vol% 8
2 模量匹配问题
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
E-glass/Nylo. n-6复合材料
27
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对纤维和界面应力的影响大：
.
28
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比对界面剪切应力的影响 (:0.001, :0.025, :0.1, :0.2
:0.3, :0.4, : 0.5)
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制界面层厚度控制纤维临界长径比： lc f
d 2 y
.
21
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Effect on mechanical properties of carbon coatings on Nicalon fibres in a SiC matrix.
.
:0.3, :0.4, : 0.5) 30
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比越大，界面剪切应力越低，影响区域越大：
R/rf
几何比对界面剪切应力的影响
(PMC:Steel/Fra Baidu bibliotekpo.xy, :上部, : 底部)
31
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比适中，界面剪切应力适中，影响区域适中：
Interphase layer
C fiber
Hi-Nicalon fiber
.
SiC Matrix
16
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的裂纹偏转条件：
.
17
A. G. EVANS, F. W. ZOK, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 29 (1994) 3857 3896
Coating
SiC
160
160
37
160
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
基体改性2D C/SiC的显微结构：
改性A的PyC层 纤维束内部较 薄，纤维束外 部较厚
改性B的PyC层
纤维束内部较
厚，纤维束外
部较薄
.
38
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
基体改性对2D /SiC性能的影响
如果模量比太大，需要高模量界面层：
ldc 2eEGfm(1m). EmEfE
24
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
模量比和体积分数影响载荷传递效果：
lc d
eEf
2Gm
(1m)E Emf
E 2 m
1
Ef rf (1m)ln(R/rf )
2 lc 2rf ln(R / rf )
f A Pff Efe 1C o C so hsh((l/l2 / 2)x)
.
5
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
典型复合材料纤维与基体模量比与失效特征：
前提：界面不发生滑移
复合材料 体系
PMC： T300/环氧
纤维基体 模量比
230/4＝57.5
失效模式 纤维拔出 非积聚型断裂 长拔出
MMC: T300/LY12
230/70＝3.3
混合型断裂
中拔出
CMC: T300/SiC
θ2< θ < l，出现积聚型断裂 复合材料断裂主要集中在一个截面上，在断裂过程 不存在纤维的拔出
θ1< θ < θ2，出现混合型断裂
在纤维与基体之间结合弱的部位发生非积聚断裂，
而在结合较强的部位发生积. 聚性断裂
4
1 界面结合与失效模式
1.3 失效模式与临界长度
lc太长，非积累型破坏，强度低而韧性高； lc太短，积累型破坏，强度高而韧性低； lc在一定范围内，混合型破坏，强度和韧性匹配。
长短结合：.混合断裂
35
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
密度梯度造成模量梯度，形成分区拔出：
高致密区 低致密区
短拔出区 长拔出区
纤维束 强约束区 弱约束区 纤维束 增强区 增韧区
3D-SiC/SiC
.
36
3 模量匹配控制
3.1弹性界面模量梯度
成分梯度控制模量梯度：
2D C/SiC复合材料及其改性A和B的性能
dense structure and 0.15 m-thickness SiC coating (a), with porous
structure and 0.15 m-thickness SiC coating (b), with porous structure
and 0.48 m-thickness SiC coating (c).
临界长度影响复合材料韧性
T.W.Clyne, F.R.Jones, Composites: Interface. s, “Composites: MMC, CMC, PMC”,2A2 Mortensen (ed.), Elsevier, 2001
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
弹性界面的界面相
.
(rf )rf2EfeSC inohs h((l/2l/2x))
25
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
纤维临界长度与纤维和基体模量比有关：
E-glass/Nylon-6复合材料
lc d
eEf
2Gm
(1m)EEmf
.
26
2 模量匹配问题
2.2 屈服界面的模量匹配
温度升高，基体模量下降，纤维临界长径比增加：
Strength
II I
θ = 0，界面完全弱结合
θ = 1，界面完全强结合
III
0<θ<1，界面介于强弱之间
0
1 max
2
1
引入无量纲参数θ表示界面结合强度，θ的取值范围为0～1
.
3
1 界面结合与失效模式
1.2 界面结合与失效模式
0 < θ <θ1，出现非积累型断裂 基体不能将载荷有效地传递给纤维，整个复合材料 内部出现不均匀的积聚损伤
弹性界面的裂纹偏转条件：
criterion for crack deflection
Gm / Gb < 0.5 Gm : 基体断裂能 Gb : 纤维束断裂能 由孔隙率>30%控制的
弱基体可降低 Gm
.
14
Tu et al., 1996
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：
(Py C, BN)
纤维的断裂能 f20Jm-218 挑战：选择抗氧化界面层
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
控制界面层厚度控制纤维临界长径比：
lc f d 2 y
控制基体孔隙率控制纤维临界长径比：
lc d
eEf
2Gm
(1m ' )EEm 'f
.
19
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
230/450＝0.5 积聚型断裂 .
无拔出 6
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
在复合材料界面不发生滑移的情况下：
cmf mEmf Ef c fVf m Vm
c m u1Vf (Ef Em)1
基体模量必须低于纤维模.量，纤维才有增强效果 7
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
Walter Krenkel，Carbon Fibre Reinforce.d Silicon Carbide Composites (C/SiC11, C/C-SiC)
2 模量匹配问题
2.1 弹性界面的模量匹配
The 90◦ fiber direction strengths for the uni-directional samples, with