2复合材料原理解析

81
78
预 处理 直 接共混
75
72
69 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
KH-550 含量/%
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
玻纤与基体结 合好，纤维拔 出较少
a玻纤增强PP（加入MPP相容剂）的冲击试样的断口扫描 电镜照片
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
1V1
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------组分效果
典型模型单向板的纤维分布
2R s 2r s 2R
2r
r 2 R r时，V f max＝ （ ） 2 3 R

2 R r时，V f max＝ （ ） 4 R
r
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
原理：利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷的正、逆压电效应，在压电 陶瓷加一电信号，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，作用于压电陶瓷时， 则有电信号输出，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。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应
复合效应
线性效应
非线性效应
平均效应 平行效应 互补效应 相抵效应
相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------平均效应
复合材料最典型的一种复合效应。
表示为：
Pc=PmVm+PfVf P-材料性能，V-材料体积含量 c-composite; m-matrix; f-filler 如： 弹性模量Ec=EmVm+EfVf
三、复合材料的模型及性能的一般规律
复合材料模型
建立材料模型注意的问题： 坐标系的确立 ，通常选材料的主轴方向 建立结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规 律为依据 模型中组分含量必须与实际材料组分含量相同 组分相的状态分布，往往采用统计的特征
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
A相性质 X/Y 压磁效应 压磁效应 B相性质 Y/Z 磁阻效应 磁电效应 复合后相乘性质 X/Y•Y/Z＝X/Z 压敏电阻效应 压电效应
压电效应
磁致伸缩 热致变形 光导效应
场致发光效应
压阻效应 压敏电阻效应 电致效应
压力发光效应
磁阻效应 热敏电阻效应 光致伸缩效应
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。
复合材料的复合效应------相补效应
基体与增强体在性能上互补。 复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自弱点，产生优 异的综合性能。 • C = A×B 例：脆性的高强度纤维增强体与韧性树脂基体若能得到适宜 的结合，复合材料性能表现为增强体与基体的互补。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相抵效应
大量玻纤从基体中拔 出，与基体的粘接性 较差，体系力学性能 不高。
（b）未加相容剂的玻纤增强体系
三、复合材料的模型及性能的一般规律
材料模型
根据复合系统特点，分析、抽象、简化，建立分析性能的材料 微观结构模型；运用连续介质有关理论，确定在给定宏观作用 场下，组分微观作用场和影响场，得到宏观响应场。是材料科 学性能研究的一般方法。根据宏观作用场和响应场的关系，可 确定复合材料的性能。
点燃煤气灶或热水器： 压电点火装置内，有一 块压电陶瓷，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，将电能引向燃 气出口放电，燃气被电 火花点燃。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
超声波传感器用作汽 车倒车防撞报警器装 置，也称为超声波倒 车雷达或倒车声纳系 统，用于加长型装载 汽车、载重大货车、 矿山汽车等大型车辆。
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
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。
界面处理与否对复合材料性能影响巨大 例: 金属基复合材料 水泥基复合材料 碳纤维树脂基复合材料
弯曲强度/MPa
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
例: 1维连通 2维连通 3维连通
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
两相复合体系
0－0,0－1,0－2,0－3,1－1,1－2,1－3,2－2,2－3,3－3
三相复合体系
0－0－1,0－1－1,1－2－3 …….20种
多相复合体系
C
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
• 压电阻尼效应
载荷
PMN粒子 炭黑 热能 环氧分子链
环氧树脂 压电陶瓷 导电通道
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------诱导效应
组分A通过诱导效应使组分B的结构改变而改变整体性能或产生 新的效应。 例：结晶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。
复合材料的复合效应
复合效应是组分材料及组分间界面相互作用、相互依存 、相互补充的结果。 复合效应使复合材料在保持原组分性能的基础上，还增
添了原组分没有的性能。
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。
复合效应有正有负，复合后某些性能抵消甚至降低的现
象是不可避免的。
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
复合材料连通性的概念
分散相：
以独立形态分布于整个连续相中的相称为分散相，组成分 散相的物质称为分散质。
复合材料原理
第2章
复合材料的复合效应
2011-9-23
提纲
一、 材料的复合效应 二、 复合材料的结构与复合效果 三、 复合材料的模型及性能的一般规律
一、材料的复合效应
• 复合材料的组成
基体
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
材料复合遵 循一定的共 同规律
一、材料的复合效应
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
• ②分布状态
玻璃钢 玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合 材料
玻璃纤维和树脂的性能
力学性能 玻璃纤维和树脂的用量 材料结合方式
玻璃纤维的不同排列方式
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
③尺度
从材料结构单元和尺度，增强颗粒尺度为1-50μ m的 叫颗粒增强复合材料，0.01~1 μ m尺度增强的叫分散强化 (弥散强化)复合材料。纳米级叫纳米复合材料，其强化原 理不同。
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。 ①几何形态（形状）：流动性与粘度 ②分布状态：纤维方向性与材料性能
③尺度：纳米复合材料
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
①几何形态（形状）
矿物纤维微观结构
矿物纤维
二、复合材料的结构与复合效果
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。
相对组成：体积分数或质量分数
例:密度、比热、导电性、吸波性、阻燃性
V1 ＝V1/VC， m1 ＝m1/mC
W1
V1＝
1
W1
1

W2
2

W3
3

, m1＝
1V1 1V2 3V3
基体与增强体性能相互制约，则复合后显示出相抵效应。其 性能低于混合物定律预测值。 Pc <ΣPiφi 例：纤维增强体经偶联剂处理后，拉伸强度可提高30-40％ ，表现为互补效应。但当两者界面结合很强时，复合材料 整体显示为脆性断裂。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起，可发生相乘效应。又 叫乘积效应/传递特性/交叉耦合效应。 例：对材料输入X时输出为Y，即转换功能材料Y/X(如磁场 ／压力的换能材料)；对第二种材料的输入Y，产生输出Z ，即为第二种换能材料Z／Y。两种材料复合得出新的机能 材料，即 Y／X•Z／Y＝Z／X。 乘积效应有助于开发新型功能材料，不仅可获得比单一材 料更强的性能，还可创造出任何单一材料都不存在的新的 功能效应。
材料的复合效果------结构效果
YNFWH101系列活性高长径比针状硅灰石（矿物纤维增强材 料）：以天然纤维状硅灰石矿石为原料，通过针状晶型保护技 术及纤维表面包覆技术制备，高长径比、高活性，与树脂相容 性好，在 PP、PA66、 PET、 ABS等热塑性塑料中有明显的 增强效果。 在PP中应用：加工中能保持针状晶型，用量达50％，性能介 于传统刚性粒子填料（碳酸钙、滑石粉等）与玻纤之间，类似 于短切玻纤。用于生产高填充PP、高模量PP及与玻纤掺混增 强PP，与玻纤掺混能解决玻纤取向性问题。 在挤出造粒过程 中流动性好，对设备的磨损小，挤出造粒及注射成型过程中加 工性能优良，制品表面光滑度好，可有效解决玻纤外露等问题。
(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。
密度ρc= ρmVm+ ρfVf
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------平行效应
各组分在复合材料中均保留自身的作用，既无制约，也无补
偿。
复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当 Kc ≌ Ki 如：增强体(如纤维)与基体界面结合很弱时，复合材料显示 平行效应。
一、材料的复合效应
• PP
PP-CaCO3
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------共振效应
由不同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。 例如:船体轴系减震
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------系统效应
这是一种材料的复杂效应，目前为止，这一效应机理尚不
3 n
( n 3)! n ！ 3 ！
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
典型两相复合材料结构
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
①0-3型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体以0维微粒 分布在基体中。
②1-3型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体为纤维状1 维材料。
三、复合材料的模型及性能的一般规律
复合材料模型
材料微观模型：几何结构模型、物理模型
常见几何模型： ①同心球壳模型：0-3型复合材料 ②同轴圆柱模型：1-3型复合材料 ③片状模型：2-2、2-3型复合材料 根据模型，可求出各组分体积分数Vf， Vi Vm f-filler, m-matrix,i-interface
⑤3-3型结构：基体相为3维连续相，增强体或功能体为3维 网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。 纤维的3维编织物与 基体形成的纤维复
合材料是典型3-3结
构。
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果
组分效果 Biblioteka Baidu构效果 界面效果
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------组分效果
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