47
柏氏矢量示意图——刃型位错
┴
M Q
M
柏氏氏量
v b
v b
48
柏氏矢量示意图——螺型位错
49
位错柏氏氏量和位错线的关系
bφ F
E E处为螺型位错 F处为刃型位错 EF之间为混合位错 be=bsinφ bf=bcosφ 在切应力作用下混合位错的产生(a)及其 原子错排结构(b)
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←位错环 与柏氏矢 量的确定

处于次要地位。
29
30
实际观察到的位错图片
31
矛盾之一：

原子由一个平衡位臵滑到下一个平衡位臵需要
G/2的应力，而在通常受力条件下，是难达到
的，即晶体难于滑动。

而实际上，τ＝（10－3～ 10－4）G。
32
矛盾之二：


设想原子滑移时的切应力是周期性变化，并假 定为刚性球。 x很小时为弹性变形，sin2πx/a≈2πx/a。
一般颗粒直径为1~50μm，颗粒间距为1~25μm ，颗粒的体积 分数为5~50%。

56
弥散增强vs颗粒增强
颗粒尺寸越小，体积分数越高，增强效果越好？
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Al–10Ti elemental powder mixtures via friction stir processing 离心条件下SiC 颗粒增强铝基 活塞微观组织图
15
(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。
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(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 一般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果 越显著； 纤维直径越细，则缺陷越少，纤维强度也越高； 连续纤维的增强作用大大高于短纤维，不连续短纤维 的长度必须大于一定的长度(一般是长径比＞5)才能显示
a: GF/ PPESK; b: GF/ PPESK/ PEI ; c: GF/ PPESK/ PES
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图3 连续SiC纤维增强Ti基复合材料横截面的金相照片
64
图4 C/ SiC复合材料及其制造的火箭“Uncooled”同轴双壁燃烧室
65
图5 火箭及其结构示意图
66
图6 火箭发动机及待组装零件
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实际上，有许多方法可观察到位错：透射电镜、浸
蚀法、缀饰法、X射线衍射法、场离子显微镜等。
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位错分为两类：刃型位错和螺型位错，由滑移区 与未滑移区的分界线来确定类型。
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刃型位错
如图：上半部分相对下半部分沿ABCD滑移 了一个原子间距，多余的半原子面与滑移 面交线即为刃型位错。


多余的半原子面不一定是平面，可以是见 曲面。但位错线是一定垂直于滑移方向的，
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小颗粒：尺寸上有优势，但体积分数难以提 高，且在基体上分散困难。

大颗粒：体积分数高，但尺寸、性能上没有 优势。

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锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料
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2.3 单向连续纤维增强原理

单向连续纤维增强复合材料


纵向强度和刚度
横向刚度和强度
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图1 玻璃纤维增强复合材料制品及其原料
62
图2 不同复合材料的SEM断口形貌
5
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。
24
弥散强化
奥罗万机制（位错绕过机制）：
使位错线弯曲到曲率半径为 R 时，所需的切应力为 τ=Gb/（2R）。 设颗粒间距为D，则τ=Gb/D，所以Rmin=D/2。 只有当外力大于Gb/D时，位错线才能绕过颗粒。
25
位错绕过第二相粒子的机制
D
26
27

颗粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果 越好。
这是刃型位错的特征之一。
38
刃型位错示意图(可分为正负刃型位错)
39
位错滑移过程示意图
40
刃型位错正负的判定
刃型位错中柏氏矢量与位错线垂直。正刃型位错：出纸
面的方向为位错线的正向，用右手螺旋法则确定回路方 向，拇指——位错线方向；四指——柏氏矢量回路方向。
向 方 线 错 位
柏氏回路的确定
柏氏矢量回路方向

一般颗粒的体积分数为1%~15%，颗粒直径 为0.001~0.1μm。
28
位错概念引入及位错观察

30年代，在研究晶体滑移时，发现理论屈服强度和实 际强度间有巨大差异，为了解释这种差异，人们设想 晶体中存在某种缺陷。形变就在这种局部缺陷处发生。

晶体结构——规则的完整排列是主要的，非完整排列 则是次要的。 晶体力学性能——晶体的非完整性是主要的，完整性
67

复合材料要解决涉及工程应用的关键技术，为连续
纤维增强复合材料的实际应用奠定基础。
出明显的增强效果。
17
二、制备方法的选择
材料组元选择后，就要考虑所采用的
复合工艺路线，即具体的制备方法。 制备方法的选择主要应考虑以下四个 方面：
18பைடு நூலகம்
(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是
纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械混合方法往往造
成纤维或晶须的损伤；
(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀 分布或按预设计要求规则排列； (3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组 元的作用，即达到扬长避短，且各组元仍保留着固有的特 性。
制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒或晶须均匀分散。
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氧化铝纤维形貌
采用挤压铸造法制备活塞用氧 化铝短纤维增强铝基复合材料
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a) 铸态
b) 时效后
压铸浸渗法制备的SiC 颗粒增强铝基复合材料(颗粒体积分数为50%)
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2.2 弥散增强及颗粒增强原理

弥散增强原理（弥散颗粒与基体复合） 颗粒增强原理（较大颗粒与基体复合）
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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。
7
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
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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。
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(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。
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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。
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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
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思考题：
1、复合材料制备方法的选择要遵循哪些原则?
(增强材料损伤小、分布可控、发挥性能优势、性能/ 价格比低）
增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。
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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。
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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。
x x m sin 2 G a a x x G G G m 2 m a a 2 6
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矛盾之三：

若假定原子不是刚性的，而是可压缩的，则
1 m 10
1 G 50
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引入位错概念
由上面的理论和实际的差别，可见规则整体刚性滑移模 型是不切合实际的。 设想晶体具有不完整性，则可以引入位错概念： 1）缺陷运动符合滑移特征。 2）缺陷是易动的，但不如点缺陷那样易热激活。 3）说明这种缺陷的来源和增殖。
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
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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
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若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材