复合材料原理

复合材料

1、定义复合材料由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法得到的宏观多相材料。

复合材料主要由基体和增强体（对功能材料称功能体）组成

作用：

A、结构复合材料：

增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；

基体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。

B、功能复合材料：

基体：主要起连接作用；

功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。

2. 分类

（1）基体种类

树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料

（2）增强材料

形状：颗粒、晶须、纤维、织物

类型: 无机和有机材料

（3）用途

结构复合材料、功能复合材料

3. 复合材料特点

（1）可设计性

复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通过组分材料的选择、界面控制等设计手段达到。

（2）材料与结构的一致性

复合材料的构件与材料同时形成。

（3）存在复合效应区别于任意混杂材料

复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加，可以产生新的性能。

4.复合材料的复合效应

复合效应;

1.线性效应:

平均效应平行效应互补效应相抵效应

2.非线性效应

相乘效应诱导效应共振效应系统效应

5.材料的复合效果

1.组分效果

只把组分的相对组成作为变量，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。

2.结构效果

①几何形态（形状）②分布状态③尺度

3.界面效果

界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。界面结构(物理和化学结构)的变化会引起复合材料性能的明显变化。

6.复合材料性质

①固有性质

材料性质的直观表现,只与组分含量有关

②传递性质

与组分含量、几何形状及分布、尺寸均有关

③强度性质

不是各相性能的简单叠加，除与组分含量、几何形状及分布、尺寸有关，还与外场分布、界面有关.

④转换性质

影响因素较多，除了前述因素外，还与各组分之间的相互作用有关。

7.复合材料的界面状态解析

界面

密切接触的两相之间的过渡薄层区域，厚度约几个分子大小，称为界面。

表面: 一相为气体的界面.

比表面积：单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。

8.表面张力/界面张力的影响因素

①分子间作用力

金属键物质>离子键物质>极性分子物质（水）>弱极性物质（丙酮）>非极性物质（液氢、液氯）一般，极性液体比非极性液体大，固体比液体大

②接触相性质有关。

与不同物质接触时，表面层分子受到的力场不同，致使表面张力不同。

③温度

表面张力随温度不同而不同，大多数物质γ随温度升高而降低

化学吸附和物理吸附的比较

性质物理吸附化学吸附

吸附作用力范德华力化学键力

吸附热小大

吸附层数多分子层单分子层

吸附选择性无有

吸附稳定性不稳定，易解吸较稳定，难解吸

吸附速率快，不需活化能慢，需活化能

吸附温度低高

9.接触角

在气、液、固三相交界点处，所作的气-液界面的切线穿过液体与液-固交界线之间的夹角，用θ表示。

(1)γsv＜γsl时，θ＞90°，不润湿；

(2)γlv＞γsv-γsl，0°＜θ＜90°，润湿；

(3)γsv- γsl ＝γlv，θ＝0°，铺展。

例如：水能润湿洁净玻璃，而水银则不能。将一根毛细玻璃管插入水中，管内液面将上升；当毛细管插入水银时，管内液面将下降。

10.良好粘附的表面化学条件应是：

1）被粘附体的临界表面张力γC要大，以保证良好润湿。

2）粘附功要大，以保证牢固粘附。

3）粘附面的界面张力γSL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。

4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润

湿热要低。

11.复合材料界面效应的分类:

阻断效应：阻止裂纹扩展和材料破坏，减缓应用力集中；

不连续效应：界面上物理性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电、磁性、耐热性、尺寸稳定性等；

散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性及耐热冲击性等；

感应效应：在界面上产生的感应效应，应变、内应力和高弹性、低热膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

12.复合材料界面的研究对象:

①增强体表面的有关问题

②表面处理物质的有关问题

③表面处理的最优化技术

④粉体材料在基体中的分散

⑤复合技术的优化及其机理

13.复合材料的界面结合特性

复合材料中，增强体与基体间最终界面的获得，一般分为两个阶段：

第一阶段：基体与增强体在一种组分为液态(或粘流态)时发生接触或润湿过程，或是两种组分在一定条件下均呈液态(或粘流态)的分散、接触及润湿过程

也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程。这种润湿过程是增强体与基体形成紧密的接触而导致界面良好结合的必要条件。

第二阶段：液态(或粘流态)组成的固化过程。

要形成稳定的界面结合，材料必须通过物理或化学过程固化。

第一阶段与第二阶段往往是连续的，有时是同时进行的。

14.界面区：基体与增强体接触界面和两者表面薄层构成的一定厚度的范围。

界面区的作用

使基体与增强体结合形成材料整体，并实现外力场作用下的应力传递。

载荷存在下，基体通过界面将应力传递至增强体，故增强体承受了主要的应力，而基体承受的应力较小，界面区则承受从增强体表面至基体表面梯度分布的应力。

15.树脂基复合材料的界面结合理论

.润湿理论两组分能充分浸润,则粘结强度高于树脂基体的内聚能。液体树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。树脂与增强体两相间的结合属于机械粘接与润湿吸附.

由于充分的润湿，两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实现粘接。

润湿理论解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实.润湿理论不足：

a、不能解释使用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。

b、偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用。

2.化学键理论

基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。