3(1).复合材料的复合效应

13.复合材料的复合效应23复合材料的复合效应3.1材料的复合效应掌握：复合效应的分类及其特点；3.2复合材料的结构与复合效果3.3复合材料的模型及性能的一般规律3.4复合材料的设计原理和复合理论33.1材料的复合效应一.复合效应：对于由A、B两种原材料复合而成的材料C，其性能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两种原材料所不具备的新性能。源于耦合：不同性质材料之间的相互作用注：复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。4复合材料的基本理论材料的微观组织形状、分散程度体积分数几何学特征原材料的性能力学性能物理性能界面的状态复合材料的基本理论复合材料的整体性能复合材料理论与组织、性能之间的关系构效关系53.1材料的复合效应就其产生复合效应的特征，分为两大类：一次函数y=kx+b叫线性函数,它的图象是一条直线。非一次函数(如y=x2,y=k/x,y=sinx...)都叫非线性函数,它们的图象都不是直线。与一次函数相关的一次方程叫线性方程,一次方程组叫线性方程组。线性指量与量之间成正比关系。非线性指量与量之间成曲线关系。线性效应非线性效应63.1材料的复合效应复合效应线性效应非线性效应平均效应相乘效应平行效应诱导效应相补效应共振效应相抵效应系统效应不同复合效应的类别复合材料的性质与增强组元（功能组元）的含量有线性关系73.1材料的复合效应1.平均效应：表示为：Pc=PmVm+PfVf，式中P为材料性能，V为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体。如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为：Ec=EmVm+EfVf是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。83.1材料的复合效应2.平行效应：即组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约也无补偿。对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。93.1材料的复合效应3.相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其力学性能显示为增强体与基体的互补。103.1材料的复合效应4.相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。如，脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者间界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。113.1材料的复合效应5.相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。电磁效应·磁光效应=电光效应。通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，即：X/Y·Y/Z＝X/Z式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。12表3.1复合材料的乘积效应A相性质X/YB相性质Y/Z复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)＝X/Z压磁效应磁阻效应压敏电阻效应压磁效应磁电效应压电效应压电效应场致发光效应压力发光效应磁致伸缩效应压阻效应磁阻效应光导效应电致效应光致伸缩闪烁效应光导效应辐射诱导导电热致变形效应压敏电阻效应热敏电阻效应13当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。14原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。15由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息）。相反也可以将机械能（或机械位移与信息），转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。163.1材料的复合效应6.诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构发生改变，而改变整体性能或产生新的效应。例如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向作用。17纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚B碳纤维/尼龙66C石墨纤维/聚醚醚酮183.1材料的复合效应7.共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁共振。由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。利用该效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到吸收外来波的目的。19例如，有关领域要求导热而不导电的材料，就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导热性的同时，抑制其导电性而获得的特殊功能材料。共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究和设计中获得利用。共振效应，又称强选择效应208.系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不清楚，但在实际现象中存在着这种效应。红、黄、蓝三色组成的彩色世界涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和21思考题：材料复合效应的分类有哪些，并简单举例说明。223.2复合材料的结构与复合效果复合材料的结构类型材料的复合效果掌握0-3、1-3、2-2、2-3、3-3型结构掌握组分效果、分布状态效果、尺度效果和界面效果；理解形状效果。23材料的合成和制备、及材料的组成、结构与性能的关系，是材料科学讨论的主要内容。对复合材料来说，复合材料的结构和复合效果也是复合材料科学的主要研究内容。3.2.1复合材料的结构类型复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情况。对不同类型的复合体系，需引入“连通性”的概念。3.2复合材料的结构与复合效果243.2.1复合材料的结构类型连通性：复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的。253.2.1复合材料的结构类型任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维（0维）而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3，即是三维材料（三维）纤维状材料的连通性为1，是一维材料（1维）相应的片状材料连通性为2，即二维材料（2维）。26连通结构数与组分相之间的关系：根据增强体或功能体和基体以不同联结方式复合时所得到的连通性，可得到：对两相复合体系有10种可能的连通性复合材料结构（0-0,0-1,0-2,0-3,1-1,1-2,1-3,2-2,2-3,3-3）含有n个组分相时，按照不同的联结方式可能组成Cn种连通结构：!3!)!3(nnCn27可以得到：1）三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性；2）四个相时，它可能存在35种连通性。283.2.1复合材料的结构类型以下是两相复合材料的连通结构形态图：29几种典型复合材料结构：(1)0-3型结构这是基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。0-3型30(2)1-3型结构这种结构的基体仍为三维连续相，而增强体则为纤维状一维材料。1-3型各向同性各向异性31(3)2-2型结构这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。2-2型32(4)2-3型结构在这类复合材料结构中，基体相仍为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。2-3型33(5)3-3型结构这种结构的基体相为三维连续相，而增强体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。3-3型34aZrB2-SiCbcInterfaceGraphite5μmd500μm5μm50μm35363.2.2材料的复合效果3.2.2.1组分效果：在复合材料的基体和增强体（或功能体）的物理机械性能确定的情况下，仅仅把相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果称为组分效果。加和特征：复合材料的某一性能是各组分性能的按体积分数的平均值。复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，往往是近似具有加和作用的组分效果。37cVVV/11c/11332211111332211111VVVVW体积分数与质量分数：用密度计算体积分数与质量分数：38复合材料单向板简化模型（a）单向板；（b）单向纤维的六边形和正方形排布•纤维方向平行圆形截面理想分布39S2R2r2RS2r232RrVf（六边形阵列）24RrVf(正方形阵列）rVsf132221(六边形阵列）rVsf12142(正方形阵列）40推导：23660sin22216RRRS纤维的面积为：232RrVf所以：构成六边形，单位截面上，其面积222336rrrSS2R2r41体积分数：纤维间距0.785)()(40.907)()(32max2max2ffffVRrRrVVRrRrV时，，正方形阵列时，，六边形阵列)(]1)4[(2)(]1)32[(22/12/1正方形阵列六边形阵列rVsrVsff42作业1：请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即计算（s/r）在Vf=0.3、0.4、0.5及0.6时的值，并采用画图的方式做出说明，其中纤维排布方式：六边形。提示：横坐标：Vf，纵坐标：s/r433.2.2材料的复合效果3.2.2.2结构效果：所谓结构效果是复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。结构效果可分为以下几种类型：几何形态效果（形状效果）:对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相。对于0维分散物质，若为大小相等的球状微粒，则在复合材料中最紧密填充时的体积分数为0.74，此时复合材料的性能在不考虑界面效果的情况下，仍决定于连续相（基体）的性质。443.2.2材料的复合效果分布状态效果（取向效果）：以2-2型复合结构的材料而言，在增强体所在平面的垂直方向上施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：ffmmcEVEVE1而在平行于增强体平面方向上施加外力时，则成为并联结构，此时的弹性模量为：ffmmcVEVEE这里：E为弹性模量45对于1-3型、2-3型、2-2型、3-3型复合结构，增强体或功能体的几何取向对复合材料性能有着明显得影响。对于1-3型的结构，在增强体的轴向与径向，复合材料性能有着明显得差异，而对于2-3型和2-2型结构的复合材料，在增强体或功能体的平面平行方向和平面垂直方向其性能截然不同；3-3型的复合材料，主要根据增强体本身在不同方向上的特性，可显示出取向效果。对于1-3型结构复合材料，短纤维状的增强体在复合材料中的分散状态（取向状态），往往受到复合材料成型过程中的剪切应力的影响，这个问题是材料流变学研究的一个重要课题。46在分布状态效果，上面提到的是结合状态分布，即几何体的取向。此外还存在一