3(2).复合材料的复合效应详解
复合材料原理3.PPT
晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的 晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。
以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能 的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意， 对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有 相反表现。
最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有 多种组合方式.
2.3.2.3 强度性质
是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.
对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分 承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含 量,几何状态等因素有关.
2.3.2.4 转换性质
是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场 量.如电-热,热-光等.
对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出 现平行效应.
三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提 高.
对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时 可以产生相补效应.
四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约, 限制了整体性能的提高.
如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时, 则材料整体容易脆性断裂.
增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面 形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、 表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和 表面能。 3.5.1.1 比表面积及多孔性
增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的 界面存在并引起界面效应的根本所在。
增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合 时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。
五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合 即可产生相乘效应.
如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的 材料复合,即可产生电光效应.
3(1).复合材料的复合效应详解
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。
17
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 18 的。
线性效应 非线性效应
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。 与一次函数相关的一次方程叫线性方程 , 一次方程组叫线 5 性方程组。
3.1 材料的复合效应
3. 复合材料的 复合效应
1
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
第2章 复合材料的结构形式与复合效应
图2-1复合材料的结构图2-1复合材料的结构
图2-2几种典型复合材料结构
7混合效应也称平均效应，是组份材料性能取长
单向连续纤维增强复合材料模型
14
(3)泊松比
12,I I νν
30
时对应的基
39当纤维体积含量太小时，复合材料的
破坏由基体控制，其纵向拉伸强度
mt f
为了修正误差，可采用基体模量前乘以小于1的修正系数β，即
βυ
E E
2-9单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图
2-10 平行于外载荷的伸直不连续纤维微元体的平衡
(a)受力前b)受力后
2-12 理想塑性基体的剪应力一应变曲线
max
()2f f t s
L d στ=能够达到连续纤维应力时的最短纤维长度定义为载荷传递长度Lt ，可以得到：
物理关系为
11C
εβ=1
f C σεβ=
+。
31复合材料的复合效应详解
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。
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。
8
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。
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。
11
表3.1 复合材料的乘积效应
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
3. 复合材料的 复合效应
1
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
材料科学基础之复合效应与界面
材料科学基础之复合效应与界面引言复合材料是一种由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，通过复合可以获得更好的性能和性质。
在复合材料中，界面起着至关重要的作用。
本文将介绍复合材料的基本概念，复合效应以及界面在复合材料中的重要性。
复合材料的定义复合材料是由两个或多个具有不同性质的构件通过某种方式结合在一起形成的一种新材料。
它们可以是两种不同的材料，也可以是相同材料的不同形式。
复合材料通常具有比单一材料更优越的性能，如高强度、高刚度、低密度、较好的耐热性和耐腐蚀性等。
复合效应在复合材料中，复合效应是指由于不同材料的结合而导致的材料性能的改变。
复合效应包括增强效应和效应协调两种。
增强效应是指由于复合材料中的材料的性能优于单一材料的性能而导致整体材料的性能提高。
效应协调是指复合材料中的各个构件相互协同工作以实现更好的性能表现。
复合材料中的界面在复合材料中，界面是指两个不同材料之间的接触面。
界面具有很重要的作用，它影响着复合材料的强度、韧性、耐热性等性能。
在复合材料的界面上，通常存在着一些缺陷，如界面反应、界面应力、界面位移等。
这些缺陷会导致界面的破坏，进而影响整体材料的性能。
影响界面性能的因素界面性能受到多种因素的影响，包括界面分子结构、界面化学键、界面热力学等。
界面分子结构是指两个不同材料之间的分子结构特征，它影响着界面的稳定性和结合力。
界面化学键是指两个不同材料之间的化学键，它影响着界面的强度和稳定性。
界面热力学是指界面上的热力学性质，包括界面能量和界面位移等，它们直接影响着界面的稳定性和性能。
界面改性技术为了改善复合材料中界面的性能，人们开发出了一系列的界面改性技术。
这些技术包括界面改性剂的添加、界面修饰、界面增强等。
界面改性剂是指一种具有特殊功能的材料，它可以在两个不同材料之间形成一层保护膜，从而减少界面的缺陷和提高界面的性能。
界面修饰是指通过改变界面的化学结构和物理性质来改善界面的性能。
界面增强是指通过增加界面的表面积和接触面来增强界面的粘结力和力学性能。
《复合材料原理》PPT课件
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
复合材料八种复合效应
复合材料八种复合效应嘿，朋友！咱们今天来聊聊复合材料那神奇的八种复合效应。
先来说说乘积效应，这就好比你有一把锋利的刀，再配上一个坚固的刀柄，两者结合起来，战斗力可不是简单的相加，而是相乘啊！原本刀锋利能切割，刀柄结实能握住，它们组合在一起，威力那叫一个惊人。
还有协同效应，想象一下，一支篮球队里，有善于突破的前锋，有精准投篮的后卫，还有能掌控全场的中锋，大家各自发挥优势，相互配合，那可不是1+1=2 这么简单，而是产生远超个体能力总和的效果。
复合材料中的各种成分协同起来，也是这么牛！系统效应呢，就像一个复杂的机器，每个零件都有自己的作用，但只有所有零件完美配合，整个机器才能高效运转。
复合材料也是这样，各种成分形成一个系统，共同发挥作用。
诱导效应，打个比方，就像一个优秀的老师引导学生学习，让学生发挥出原本没有的潜力。
在复合材料里，一种成分能诱导另一种成分展现出更好的性能。
共振效应，这就像一群人合唱，声音在某个频率上产生共鸣，变得特别响亮动听。
复合材料在某些条件下也能产生这种神奇的共振效果。
界面效应，好比两个人合作，他们之间的沟通和理解至关重要。
复合材料中不同成分之间的界面，决定了它们能否完美结合，发挥出最大效能。
混杂效应，就像把不同颜色的颜料混在一起，会产生新的独特颜色。
复合材料把各种不同特性的材料混杂，也能带来全新的性能。
相补效应，就像拼图的各个板块，有的缺了一角，有的凸出来一块，正好相互弥补，拼成完整的图案。
复合材料的不同成分也能这样相互补充，达到完美的效果。
总之，这八种复合效应让复合材料变得无比神奇和强大。
它们就像魔法一样，能让材料拥有超乎想象的性能，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。
不是吗？咱们在很多领域都能看到复合材料的身影，从航空航天到日常用品，它们无处不在，这难道不令人惊叹吗？所以啊，好好了解这八种复合效应，能让我们更深刻地认识材料世界的奇妙之处！。
3(2).复合材料的复合效应解析
表3．3 单向复合材料模型的基本假设
名称
基本假设
单元体 宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性
增强体 匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续
基 体 匀质、各向同性、线弹性
界 面 粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调
11
3.3.1 复合材料的模型
根据复合材料组分之增强体（或功能体）和基体的几何形 态，常见的几何结构模型有以下几种。
Vm＝1－V f －Vi
注：对于非球形体微粒增强体，可以采用粒子的当
量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各 向同性材料。
13
作业２
假设2 wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍 （Ni）中， ThO2颗粒直径为100 nm， 已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/cm3，请计算每立方厘米的复合材料中 有多少个ThO2颗粒。（假设界面上没有反 应产物）
y
3GmGpbVp1 2 2d (1Vp )c
作用
响应 4
材料模型化的方法
连续介质理 论
待确定复合 模型化 材料的微观
体系性能
结构模型
相微观作用
O
（O）
1 V
OdV
场Ii,响应场Oi
给定宏观作 用场I
有效性能ε
O= ε(I)
宏观响应场 O
O表示宏观响应场，V表示单元体积
5
3.3.1 复合材料的模型
在研究材料复合的有关理论时，建立一个能包含主要 影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型 是十分重要的。
（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7035 –7039）
复合材料讲稿2
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：P c=P m V m+P f V f（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：E c=E m V m+E f V f（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。
2复合材料原理解析
(b) 20vol%PMN(×1000)
？
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
③2-2型结构：两种组分皆呈层状叠合而成的多层结构。
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
④ 2-3 型结构：基体为 3 维连续相，增强体或功能体为 2 维 结构的片状材料。增强体可随机，也可按一定方向取向分 布于基体中。
分散相一般是增强体或功能体。 连续相： 基体一般是连续相。
(d) 40vol%PMN(×1000)
(b) 20vol%PMN(×1000)
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
连通性的概念
①基本思想：复合体系中的任何相，在空间的 0 维、 1 维 、2维或3维方向上是相互连通的。 ② 弥散和孤立颗粒的连通性为 0 ，是 0 维材料；纤维状材 料的连通性为1，是1维材料；相应的片状材料连通性为 2，是2维材料；基体为网络状的3维连通，是3维材料。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
压电效应 在外加应力作用下，产生电荷，或在电场作用下产生形变 的一种功能材料。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
逆压电效应示意图
（实线－形变前，虚线－形变后）
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
很清楚，但在实际已发现这种效应的存在。
例：交替叠层膜的硬度大于原单一镀膜的硬度和按线性混 合率的估算值。
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
复合材料的结构类型
材料的复合效果
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的复合效应解析
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。
2021/2/11
13
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。
11
表3.1 复合材料的乘积效应
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
2021/2/11
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ຫໍສະໝຸດ 热敏电阻效应2021/2/11
10
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
复合材料的复合效应
7
表2．2
A相性质
压磁效应
复合材料的乘积效应
Y/Z 复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)＝X/Z
压敏电阻效应
X/Y
B相性质
磁阻效应
14
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。
0-3型
15
(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。
1-3型
种组分材料呈层状叠合而 成的多层结构复合材料。
6
两种具有转换效应的材料 复合在一起，有可能发生 相乘效应。
5）、相乘效应
Eg: 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／Y· Y／Z＝ X／Z
相补效应 相抵效应
3
现就这两大类效应中的各种效应分别加以叙述如下： 是复合材料所显 示的最典型的一 种复合效应。
1）、平均效应 表示为：
Pc＝PmVm+PfVf
Ec=EmVm+ EfVf
P—材料性能； V—为材料体积含量； c—复合材料；m—基体；f—增强体（功能体）
4
2)、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，均保留本身的既无制约，也无补偿。 Eg:
11
复合材料的复合效应
复合材料的复合效应材料在复合后所得到的复合材料，就其产生复合效应的特征可以分为两大类：一类复合效应为线性效应，另一类为非线性效应。
在这两类复合效应中，线性效应有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应；非线性效应有：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应、系统效应平均效应：是复合材料所显示的最典型的一种复合材料。
它可以表示为：Pc=Pm*Vm+Pf*Vf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，集体和增强体。
例如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为：Ec=Em*Vm+Ef*Vf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符合材料中，军博暗流本身的作用。
既无剩余也无补偿。
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，可以看做是平行效应。
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，则显示出相补效应。
对于脆性的高强度纤维增强体与韧性集体复合时，两者间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，起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的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。
在玻璃轻微增强塑料中，当玻璃纤维表面选用十一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以高出30%~40%，而且湿态强度保留率也明显提高。
但是这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低。
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：两种具有转换效益的材料复合在一起，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光电效应。
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和另外一种功能转换材料Y /Z复合起来，可以用下列通式来表示，即：X/Y*Y/Z=X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。
第二章 复合材料的复合效应
πr V 纤维的体积百分数: f = 4 R 纤维的体积百分数:
2
纤维间距 s
2 r
s = 2R 2r
12
π 又由上式得 R = 4 Vf
r
π 故 s = 2 4Vf
12
1r
(2)结构效果 ) 指复合材料性能用组分性能和组成来描述时, 指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, 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. 生的效果.
2R s 2R 2R 2r
π r 纤维的体积百分数: 纤维的体积百分数:Vf =
2 3 R
2
纤维间距
s = 2R 2r
π R = 2 3 Vf r
12
又由上式得
故
π s =2 2 3 f V
12
1r
对纤维单向排列的单向板复合材料( 对纤维单向排列的单向板复合材料(圆形纤维按 理想分布时): 理想分布时): 正方形模型: 正方形模型:
第二章 复合材料的复合效应
材料的复合效应, 材料的复合效应,结构与复合效果 复合材料的模型及性能的一般规律
材料的复合效应, §2.1材料的复合效应,结构与复合效果 材料的复合效应
一,材料的复合效应 1 复合效应的分类
复合效应
线形效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
非线形效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
物理模型建立的依据: 物理模型建立的依据: 以结构模型为依据, 以结构模型为依据,针对一物理性能和结构性能特 进行场量计算. 征,进行场量计算. ※界面是组分变化,性能变化的过渡区域,各场参数在 界面是组分变化,性能变化的过渡区域, 该区域中往往存在较大的梯度变化, 该区域中往往存在较大的梯度变化,极易产生各种损伤 和缺陷而影响复合材料的性能. 和缺陷而影响复合材料的性能.
复合效应
复合效应复合材料的复合效应是复合材料特有的一种效应，包括线性效应和非线性效应两类。
线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。
相补效应和相抵效应常常是共同存在的，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。
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、系统效应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这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。
所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。
复合材料的复合效应（Composition effect of Composite materials）是复合材料特有的一种效应，包括线性效应和非线性效应两类。
线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。
平均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：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（或功能体）。
复合材料的某些功能性质，例如电导、热导、密度和弹性模量等服从平均效应这一规律。
例如，复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为平行效应显示这一效应的复合材料，它的各组分材料在复合材料中，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，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。
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。
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。
但是，这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低。
因此，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。
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Vi
ri (ri 2r f ) (rm r f ri ) 2
Vm＝ 1 －V f －Vi
复合材料的同轴圆柱模型
16
作业3
纤维表面使用偶联剂处理后，产生了界面层，即表面 处的基体在一定范围内不同于基体材料的性能，称为 改性基体，其厚度为t，体积分数为Vt。已知纤维按六 边形阵列排布，其直径2r=10μm，当体积分数Vf为 0.4，t分别为0.2、0.5 μm时，改性基体间距和 Vt/Vm的值分别为多少？
3. 复合材料的 复合效应
1
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
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
2
3.3 复合材料的模型及性能的一般规律
本节重点： 1、材料模型化的方法； 2、建立材料模型包含的主要内容及应该 考虑的问题； 3、掌握同心球壳模型及同轴圆柱模型；
20
3.3 复合材料的模型及性能的一般规律
3.3.2 复合材料性质与一般规律
固有性质 传递性质
强度性质
转换性质
21
3.3.2 复合材料性质与一般规律
3.3.2.1 固有性质 指复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料 性质。这类性质往往是材料性质的直观表现，如材料 的密度、比热容。它们从本质上表示材料所含有的物 质量和能量的额度。
（0，0，0）
y
图3.4 纤维取向的坐标系表征
9
3.3.1 复合材料的模型
3.物理模型的确立往往以结构模型为依据，针对 某一物理性能和结构特征，进行场量计算。
注：建立模型时的简化假设是必要的，以单向复合材 料的细观力学分析模型为例，可以归结为四个方面， 基本假定见表3.3。
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表3．3
单向复合材料模型的基本假设
确立材料的结构模型时，主要以材料的相几何形态 和性能规律为依据： （1）模型中的相几何形态必须充分表达实际材料的 几何形态
（2）复合体系中组分的相含量，模型中组分的相含 量（体积分数）必须与实际材料组分的相含量相等
（3）复合体系中组分相的状态分布往往采用统计的 特征
8
z
（X2，Y2，Z2）
l β x α
1、同心球壳模型 该模型主要针对的是 0－3型复合材料，在该模型中， 把材料的微观结构看作是同心球壳组成。 其中增强体或功能体为不连续相，而基体为连续相。
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各组分的体积分数分别为：
r3 f Vf (rm r f ri ) 3
Vi ( ri r f ) 3 r 3 f ( ri r f rm ) 3
作用
响应
4
材料模型化的方法
连续介质理 论
1 V
待确定复合 体系性能
模型化
材料的微观 结构模型
O （O）
相微观作用 场Ii,响应场Oi
OdV
给定宏观作 用场I
有效性能ε O= ε(I)
宏观响应场 O
O表示宏观响应场，V表示单元体积
5
3.3.1 复合材料的模型
在研究材料复合的有关理论时，建立一个能包含主要 影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型 是十分重要的。 建立材料的微观模型往往包含两方面内容： 一是材料的几何结构模型；
Vm＝ 1 －V f －Vi
注：对于非球形体微粒增强体，可以采用粒子的当 量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各 向同性材料。
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作业２
假设2 wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍 （Ni）中， ThO2颗粒直径为100 nm， 已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/cm3，请计算每立方厘米的复合材料中 有多少个ThO2颗粒。（假设界面上没有反 应产物）
wt%: 质量分数。
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3.3.1 复合材料的模型
同轴圆柱模型
主要适合于 1 － 3 型复合 结构，特别是高取向度 （单向）复合材料。 该模型具有 xoy 面内各 向同性特点，也具有z轴 方向上的等径同轴圆柱 面内同性特征
z
y
x
15
3.3.1 复合材料的模型
在该模型中，各组分相的体积含量分 别为：
名称 单元体 增强体 基 界 体 面
基
本
假
设
宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性 匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续 匀质、各向同性、线弹性 粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调
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3.3.1 复合材料的模型
根据复合材料组分之增强体（或功能体）和基体的几何形 态，常见的几何结构模型有以下几种。
二是材料的物理模型，即计算场量的理论和方法。
6
3.3.1 复合材料的模型
在建立材料复合模型时需要注意以下几个问题： 1. 首先应确立坐标系和材料的主轴方向，往往以主 轴方向为参考坐标。 2. 材料的微观模型包括结构模型和物理模型两个系 统，有时两者是统一的，有时则并不统一。
7
3.3.1 复合材料的模型
根据作用场的方向可以得 到并联模型和串联模型。
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对于2－3型及镶嵌式3－3型复合结构，可以利用如图的 片状结构组合模型。设增强体几何结构为φ×λ×l 取 1 × 1 × l 的长方体模型，厚度 一致，此时二维简化基体m可以 分解为（1－ φ）×1的m0长方体 和 φ×（1－λ）的 m1 长方体两个 部分。在这种复合结构中， f 与 m两相当体积含量分别为： Vf=λ×φ Vm=1-λ×φ
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3.3.1 复合材料的模型
还有矩形截面纤维钻石模型（如图 a）、圆截面纤维矩形 阵排列模型（图b ）及圆截面纤维六角形阵排列模型（图 c）。
几种单向低纤维含量的复合材料模型
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3.3.1 复合材料的模型
片状模型 该模型主要适合于2－2、2－3型复合材料，镶嵌式 的3－3型复合结构也可选用类似的模型。 对于2-2型复合结构，可以取立方体，为研究方便，取边 长为单位1，则各组分相的厚度即为其体积分数（如图）
3
3.3
复合材料的模型及性能的一般规律
目的：预测和分析复合材料性能，为复合材料 性能的设计奠定基础。 基础：涉及不同学科的有关理论。 根据复合系统特点和性能，经过分析、抽象、 简化，建立分析性能的材料微观结构模型，再运用 连续介质的有关理论，确定在给定宏观作用场下， 组分相的微观作用场和响应场，进而得到宏观响应 场，这是材料科学中性能研究的一般方法。根据宏 观作用场和响应场的关系，即可确定复合材料的性 能。