复合材料的复合效应讲稿

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1、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：

2、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NiFe

3、2O4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、

4、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

5、，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）（P10）以六边形阵列为例：纤维体积：(1+6´1/3)pr2l=3pr2l（l：单向板/纤维长度）复合材料体积：纤维体积分数：®当r=R时，Vfmax=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

6、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）：Vfmax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。

7、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®复合材料性能的变化。例：SiO2粉末分散于聚甲基丙烯酸甲酯中的复合材料：通常，粉末经硅烷偶联剂处理后所得到的材料的强度大于相同体积含量的未处理粉