复合材料的复合效应详解

共振效应，又称强选择效应
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。
8.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
3.1 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。
表3.1 复合材料的乘积效应
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。
体积分数与质量分数：
V1 V1/Vc
W1 W1/Wc
用密度计算体积分数与质量分数：
W1
V1
W1
1
W2
W3
1 2 3
W 11V12V 21V 13V3
复合材料单向板 简化模型
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。
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
构效关系
复合材料的 基本理论
原材料的性能
❖力学性能 ❖ 物理性能 ❖ 界面的状态
0-3型
29
(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。
各向同性
1-3型
各向异性
(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
(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。
S
S612R2Rsi6n0 63R2
2
2r 纤维的面积为：
S6r2 r2 3r2
3
所以：
Vf
r
2
2 3R
体积分数：
纤V 维间f 距23(R r)2 (六边形 )， r阵 R时 列V ， fma x0.907
Vf
(r)2
4R
(正方形 )， r阵 R (六边形阵列 )
2-3型
(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
a
b
500 μm
Interface
c
d
50 μm
ZrB2-SiC 5 μm
Graphite 5 μm
3.2.2 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。
复合材料的复合效应详解
3 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
3.1 材料的复合效应
一. 复合效应：
二.
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
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。
3.2.1 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。
3.2.1 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）。
•纤维方向平行 圆形截面 理想分布
（a）单向板；（b）单向纤维的六边形和正方形排布
2R
S 2r
2R
S 2r
Vf
r 2
2 3R
（六边形阵列）
s 2 2
3Vf
1
2
1r
(六边形阵列）
Vf
r
2
4 R
(正方形阵列）
s 24Vf 121r (正方形阵列）
推导：
构成六边形，单位截面上，其面积 2R
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。
思考题：
材料复合效应的分类有哪些，并简单举例说明。
3.2 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。
3.2 复合材料的结构与复合效果
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 整体性能
复合材料理论与组织、性能之间的关系
3.1 材料的复合效应 就其产生复合效应的特征，分为两大类：
线性效应 非线性效应
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 。
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。
3.2.2 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：
1 Vm Vf Ec Em Ef
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：
EcEmVmEf Vf
这里：E为弹性模量
3.1 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。
3.1 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。
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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。
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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。
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。
3.2.1 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 ：
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。
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。
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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。
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。
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
3.1 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。
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3.1 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。
纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚 B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
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。
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3.1 材料的复合效应
复合材料的性质与增强组元 （功能组元）的含量有线性 关系
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
不同复合效应的类别
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
3.1 材料的复合效应
是复合材料所显示的最典型 的一种复合效应。
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：
(n 3) ! Cn n!3!
A相性质 X/Y 压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
B相性质 Y/Z 磁阻效应 磁电效应 场致发光效应 压阻效应 电致效应 光导效应 压敏电阻效应
复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)＝X/Z 压敏电阻效应 压电效应 压力发光效应 磁阻效应 光致伸缩 辐射诱导导电 热敏电阻效应
2 3Vf
s 2[( )1/2 1]r (正方形阵列 )
4Vf
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/r
3.2.2 材料的复合效果 3.2.2.2 结构效果 ：
3.1 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。