31复合材料的复合效应详解
复合材料的性能PPT课件
3. 复合材料的疲劳性能
疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（ 或次数）都会破坏失效。 疲劳过程—→内部损伤（或疲劳裂纹）—→内部损伤累积至一定程度—→材料突然破坏失 效
四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂 疲劳S-N曲线见图4-121，4-122，4-123，复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性 能。
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6-2-2 复合材料的力学性能（mechanical propSeecrtitoines15o.5f
composites)
1.单向板的强度与模量（strength and modulus of an aligned fiber-reinforced composites)
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C = m(1Vf) + fVf CC = Cm(1Vf) + CfVf
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(2) 几何尺寸效应 复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形状、尺寸、排布
与分布状态。 复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，见图4-106
、4-107，表4-40。 临界长度lc和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-41
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不同材料的 lc
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纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某
一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、 热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性 。具有显著的量子尺寸效应。
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《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
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
复合材料的复合效应
平行效应
➢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，即无制约也无补偿。
➢例如：增强体(纤维)＋基体界面很弱的复
合材料。
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
Mc 代表复合材料的模量,ξ取决于增强材料特征。
二、单向复合材料强度的预测
I L
Vf f
Vm m
(4)面内剪切弹性模量
G
I LT
f12 m12 12
f m
b 12
f V f b f 12
m Vmb m12
12
12
GLT
,
f12
f12
Gf
,
m12
m12
Gm
1 GI
LT
Vf Gf
Vm Gm
或
GI
GmGf
LT VmGf Vf Gm
2、 并联模型的弹性常数
的复合材料
材料的拉伸强度高出30％～40
％，而且湿态强度保留率也明显提高。
➢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
➢两种具有转换效应的材料复合在一起，即可
发生相乘效应。这样的组合可以非常广泛， 已被用于设计功能复合材料。
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 而避免材料在工作时引起的破坏。
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=
+。
复合材料的复合效应
2-3型 型
19
(5)3-3型结构 这种结构的基体相为三维连续相，而增强 这种结构的基体相为三维连续相， 体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。 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 型
20
2．2．2 材料的复合效果 对于不同组分形成的复合材料， 对于不同组分形成的复合材料，根据组分特点和复合特 对材料有着不同的复合效果， 点，对材料有着不同的复合效果，可以大致归结为以下几个 方面。 方面。 2．2．2．1 组分效果 在复合材料的基体和增强体(或功能体) 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， 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、 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。 组分效果。 复合材料中的相对组成， 复合材料中的相对组成，通常用到体积分数和质量分数 等。 加和特征： 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。 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 复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容， 是近似具有加和作用的组分效果。 是近似具有加和作用的组分效果。
21
体积分数与质量分数： 体积分数与质量分数：
V1 = V 1 / Vc
W1 = W 1 / W c
用密度计算体积分数与质量分数： 用密度计算体积分数与质量分数：
W1 V1 =
ρ1
W1
ρ1
+
W2
ρ2
+
W3
ρ3
+
W1 =
ρ1V1 + ρ 2V2 + ρ 3V3 +
复合材料
这类效果往往可以用数学关系描述。
几何形态效果(形状效果) 分布状态效果(取向效果) 尺度效果
结构效果
28
1）、几何形态效果(形状效果) 该效果也可表示出相的连续和不连续效果。对于结构 效果，其决定因素是组成中的连续相。 对于0维分散质，Vf 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。 对于1维连续相时，可能会显示出对复合材料性能的支配作 用。
式中， X、Y、Z 分别表示各种物理性能。上式符合乘积 表达式，所以称之为相乘效应。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2.2。
8
表2．2
A相性质 X/Y
压磁效应
复合材料的乘积效应
复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)＝X/Z
压敏电阻效应
B相性质 Y/Z
磁阻效应
4
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）
5
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:
21
体积分数与质量分数：
V1 V 1 / Vc
W1 W 1 / W c
用密度计算体积分数与质量分数：
W1 V1
1
W1
1
W2
2
W3
3
W1
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）
复合材料界面效应
复合材料界面效应
界面效应界面是复合材料的特征，复合材料界面几种效应介绍如下：
1、传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
2、阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
3、不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
4、散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
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
材料科学基础之复合效应与界面
材料科学根底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根本概念，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，如界面反响、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外表积和接触面来增强界面的粘结力和力学性能。
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.
材料科学基础之复合效应与界面(ppt 51页)
第九章 复合效应与界面
• 9.1 材料复合、增强体及复合效应
• 9.1.1 复合材料概念、分类及特点：由两种 以上在物理和化学上不同的物质组合起来 而得到的一种多相固体材料叫复合材料。
• 通常由基体、增强体及两者的界面组成。
• 复合材料的三种分类方法：
• １按复合效果分为结构复合材料和功能复 合材料；
错运动不能绕过时，将发生位错受阻塞积，
限制基体变形，同时在界面处产生应力集
中，领先位错受力σi为:
• σi=nσ
(9-9)
• 式中σ为平均应力；n为塞积位错数。
• 根据位错理论
• n=σ2Dp/Gmb Dp为粒子剪切弹性模量。
(9-10)
• 设粒子理论破坏应力为Dp/30，当粒子破坏 时位错得以运动，此时应力应为材料屈服
• 诱导效应指增强体晶形会诱导基体结构改 变形成界面层相，使增强体与基体结合更 为牢固。
• 复合材料的界面效应可归纳为6种：
• 1 阻断效应：阻止裂纹扩展，减缓应力集中，中 断材料破坏等。
• 2 不连续效应：物理性能在界面处发生突变。
• 3 散射和吸收效应：界面对各种波传递的散射和 吸收。
• 4 感应效应：一种物质的表现结构使与之接触的 另一种物质的结构发生改变。
方面来考虑设计，使换能器达到宽带窄脉 冲，高灵敏度，高分辨力等性能指标。
通过分析换能器的暂态特性，可以从理论 上计算出，压电晶片、背衬和前匹配层(增 透膜)的性能参数。选择适合的压电材料， 来保证换能器的高灵敏度和宽带，选取适
合的背衬以及声阻抗相近的前匹配层来保 证换能器的窄脉冲，以获得高的分辨率。
• 5 界面结晶效应：材料固化时，容易在界面形核 结晶。
• 6 界面化学效应：官能团、原子间发生化学反应。
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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。
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
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。
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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
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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
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3.1 材料的复合效应
一.复合效应：
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，又具有A、B两种原材料所不具备的新 性能。
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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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。
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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
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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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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
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
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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。
1.平均效应：
是复合材料所显 示的最典型的一 种复合效应。
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
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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。
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
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
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
不同复合效应的类别
复合效应 非线性效应 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
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3.1 材料的复合效应
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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,
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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 晶形纤维/聚苯硫醚
B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
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。
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复合材料的基本理论
构效关系
材料的微观组织
形状、分散程度 体积分数 几何学特征
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
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