复合材料的复合效应

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1、复合材料的复合效应复合材料的复合效应教学目的:掌握材料在复合过程中有哪些复合效应，掌握复合材料的结构与复合效果，懂得复合材料的模型和性能的一般规律。教学重点:材料的复合效应，复合材料的结构与复合效果，复合材料的模型;教学过程和主要内容: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，尽管多年来科学工作者致力于这一理论的研究工作，但材料的复合原理在复合材料领域中还处于发展之中，有许多问题亟待研究和完善。无论是宏观上还是微观或亚微观状态上，复合材料性能与结构的协同相长特性(即复合后的材料

2、性能优于每个单独组分的性能)使复合材料具备新的特殊性能。这种不同性质材料之间的相互作用，也就是偶合，这也是从力学和物理学上理解复合材料多性能的基础。虽然不同类型的复合材料的增强机理可能有所不同(如粒子增强体和纤维状增强体)，特别是功能类复合材料，但它们在一些具体性能上仍可以遵循一些共同的规律。例如，复合材料内部相与相的界面，这是组分相之间化学组分和物理机械性能有显著变化，而且在不同相间其连接和传递相互作用的区域。它们对复合材料的性能起着重要的作用，从而引起工程界的重视。本章将对材料复合的一般规律作简要

3、的讨论。2.1材料的复合效应材料在复合后所得的复合材料，就其产生复合效应的，可分为两大类:一类复合效应为线性效应;另一类则为非线性效应。在这两类复合效应中，又可以显示不同的特征。表2.1列出了不同复合效应的类别。表2.1不同复合效应的类别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现就这两大类效应中的各种效应分别加以叙述如下:平均效应:平行效应是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。它可以表示为:PC=PmVm+PfVf式中，P为材料性能，V为材料体积含量

4、，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体(或功能体)。例如，复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为:Ec=EmVm+EfVf平行效应:显示这一效应的复合材料，其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。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，则显示出互补效应。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，

5、其性能显示为增强体与基体的互补。相抵效应:基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。例如，脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的复合材料可高出30%~40%，而且湿态强度保留率也明显提高。但正如普罗德曼所提出的，这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲

6、击性能的降低。在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。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。例如，把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时，将可能产生复合材料的电光效应。因此，通常可以将一种具有两种性能互相转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，可用下列通式来表示，即:X/YY/Z=X/Z式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。上式符合乘积表达式，所以称为相乘效应。这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见表2

7、.2表2.2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拉伸效应闪烁效应光导效应辐射诱导导电效应热致变形效应压敏电阻效应热敏电阻效应诱导效应: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改变而改变整体性能或产生新的效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。如结晶的纤维增强

8、体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向作用。在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。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、磁的共振。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。利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而