聚合物复合材料(第四章结构与性能)

B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮
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横晶
球晶
涤纶纤维增强聚丙烯复合材料
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复合材料的复合效应
非线性效应
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
源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互
依存、相互补充的结果。
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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复合材料的性质 与增强组元（功 能组元）的含量 有线性关系
复合材料的复合效应
不同复合效应的类别
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复合材料的复合效应
符合混合规则 负效应
正效应
突变
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复合材料的复合效应
三维正交非织造的纤维结构
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构
(a)
(b)
(c)
厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度
管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型
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夹层结构一般都是由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的 一种结构材料。
夹层 结构
由于芯材的容重 小，用它制成的 夹层结构，能在 同样承载能力下 ，大大减轻结构 的自重。
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混杂复 合材料 的混杂 类型
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2 聚合物基复合材料的基本性能
➢ 与传统的均质材料相比，聚合物复合材料具有许多优异 的性能： 1、设计制造方法有许多优点：投资少、上马快、设计 自由度大、成型简单、制品尺寸不限、着色自由等； 2、具有优异的基本性能：比强度和比刚度高、电性能 和热性能良好、耐化学腐蚀性良好、耐水性优异、耐候 性和耐紫外线性良好、阻燃性和半透明、透明等特点。
上影响复合材料的性能。
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基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。
纵向拉伸强度 纵向压缩强度 横向拉伸强度 横向压缩强度 边缘剪切强度 层间剪切强度 弯曲强度
弱 强 强 弱 强 很强 弱、强
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2 聚合物基复合材料的基本性能
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。
线性效应 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。 Kc ≌ Ki
➢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。
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。C = A×B
线性效应 1.平均效应：复合材料的某项性能等于各组分的该项性
能乘以该组分体积分数之加和。
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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复合材料的复合效应
聚合物复合材料(第四章结构与性能)
1 聚合物基复合材料的结构
➢聚合物基复合材料由聚合物与粒子填料或纤维状填料组 成，通常形成聚合物为连续相，填料、纤维为分散相，个 别的形成两相共连续结构
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1 聚合物基复合材料的结构
颗粒填充聚合物复合材料：无机粒子为分散相、聚合物为 连续相
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1 聚合物基复合材料的结构
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2 聚合物基复合材料的基本性能
➢ 影响复合材料性能的因素： ✓ 增强材料的强度及弹性模量、基体材料的强度及化学
稳定性等是决定复合材料性能的最主要因素； ✓ 原材料选定，增强材料的含量及其排布方式与方向又
跃居重要地位； ✓ 此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异； ✓ 最后，增强纤维与基体树脂的界面粘结状况很大程度
➢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，其性能显示为增强体与基体的互补23。
复合材料的复合效应
线性效应 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。Kc <ΣKiφi ➢比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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1 聚合物基复合材料的结构
按照连通性，理论上可以把复合材料划分为以下几种 结构：
各向同 性
各向异 性
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1 聚合物基复合材料的结构
增强体的排 列方式
①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、 晶须、短纤维） ②连续长纤单向增强结构（单向板） ③层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层 ，每层不同) ④三维编织体增强结构 ⑤夹层结构（蜂窝夹层等） ⑥混杂结构
➢有机热敏电阻：温度/体积·体积/电阻 25
复合材料的复合效应
非线性效应
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结晶基 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的晶形取向作用。
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纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚
纤维增强聚合物基复合材料：纤维为分散相、聚合物为连续 相
各向异性
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1 聚合物基复合材料的结构
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。
➢任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料（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（3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）
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弥散结构
颗粒增强
短纤维增强
片状物增强 10
单向板结构
单向连续纤维增强复合材料示意图
连续纤维在基体中呈同向平行排列 的复合材料叫单向连续纤维增强复合
材料（单向板）。
沿纤维方向具有较高的强度，与纤维
任意夹角方向的强度明显下降。
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层合（板）结构
正交织物增强（双向板）
层向强度最差
双向板
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多向板
三维编织纤维结构
➢比如CF/GF混杂复合材料，强度不高、韧性差。
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复合材料的复合效应
非线性效应
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。