复合材料讲稿2.doc

第二章 复合材料的复合效应 第一节 复合效应概述 复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。 耦合：不同性质材料之间的相互作用。(复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能）。从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。 拟解决的问题： 寻找材料复合的一般规律。 研究增强机理。 一、材料的复合效应 线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。 非线性效应：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。 复合效应是复合材料的研究对象和重要内容，也是开拓新型复合材料、特别是功能型复合材料的基础理论问题。 非线性效应尚未被充分认识和利用，有待于研究和开发。 1、平均效应：Pc=PmVm+PfVf（P：材料性能；V：材料体积含量；c：复合材料；m：基体；f：增强体或功能体） 应用：力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性；热传导、电导等物理常数。 例：复合材料的弹性模量：Ec=EmVm+EfVf（混合定律） 2、相补效应：性能互补(提高综合性能。 例：脆性高强度纤维与韧性基体复合，适宜的结合形成复合材料。(性能显示为增强体与基体互补。 3、相乘效应：X/Y·Y/Z=X/Z（X、Y、Z：物理性能） 两种具有转换效应的材料复合(发生相乘效应(设计功能复合材料。 例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。 压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。最大输出已达103V·A。 单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。 4、共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，产生机械的、电的、磁的共振。 应用：改变复合材料某一部位的结构(复合材料固有频率的改变(避免材料工作时引起的破坏。 吸波材料：调整复合材料的固有频率，吸收外来波。 二、复合材料的结构类型：研究组分相的性质、形态、分布状态。 1、概念回顾 基体：三维连续的物质，将不同组分相形成整体材料。 分散相：以独立的形态分布于整个连续相中的相。 结构复合材料：分散相的强度、模量通常高于基体相。(加入分散相提高复合材料的力学性能。 2、“连通性”的概念：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。 任意弥散和孤立的颗粒连通性为0，纤维状材料连通性为1，片状材料连通性为2，网络体状的连续材料连通性为3。 n个组分相的复合材料可能的连通结构： 3、常见的两相结构复合材料的连通结构形态 0-3型结构：基体为三维连续相，增强体或功能体以不连续的微粒状分布在基体中。例：钙塑材料、部分导电复合材料、PbTiO3型压电复合材料。 1-3型结构：增强材料为纤维状一维材料。例：短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料。 三、材料的复合效果 1、组分效果：相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态、尺度等。 平均效应，即加和特性是组分效果的一级近似：复合材料的某一性能是各组分性能按体积分数的平均值。 例：复合材料的某些基本物理参数（密度、比热容），近似具有加和作用的组分效果。 单向板复合材料中，纤维体积分数与纤维半径的关系：（圆形纤维互相平行排列，按理想分布）（P 10）以六边形阵列为例： 纤维体积：(1+6(1/3)(r2l=3(r2l（l：单向板/纤维长度） 复合材料体积： 纤维体积分数：(当r=R时，Vf max=0.907 纤维间距与纤维体积分数的关系： 2、结构效果：描述复合材料性能时，必须考虑组分的几何形态、分布形态和尺度等可变因素。这类效果往往可以用数学关系描述。 a、几何形态效果（形状效果）：决定因素是组成中的连续相。 0维分散质（大小相等的球状颗粒）：Vf max为0.74，不考虑界面效果的情况下，复合材料的性能取决于基体的性质。 1维分散质：性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会对复合材料的性能起支配作用。 b、分布形态效果（取向效果） 几何形态分布（几何体的取向）： 1-3型结构复合材料：在增强体的轴向与径向，复合材料的性能有明显的差异。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。 2-2型结构复合材料：在增强体的平面平行方向和平面垂直方向性能截然不同。 串联式结构：在增强体平面的垂直方向施加外力。弹性模量： 并联式结构：平行于增强体平面的方向施加外力。 物理性能取向： 对复合材料的性能有很大影响，特别是功能复合材料。例：磁性复合材料：磁轴在外加磁场下取向(磁性复合材料的磁性各向异性。 c、尺度效果：影响表面物理化学性能（比表面积、表面自由能）、表面应力分布和界面状态(复合材料