复合材料复合效应(精品).ppt
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1、2 2复合材料的复合效应复合材料的复合效应本章主要内容:将对材料复合的一般规律作简要的讨论本章主要内容:将对材料复合的一般规律作简要的讨论 1本节内容:本节内容:掌握:掌握:1 1)复合效应的分类及其特点;)复合效应的分类及其特点;2 2)0-30-3、1-31-3、2-22-2、2-32-3、3-33-3型结构。型结构。理解:理解:复合材料的结构。复合材料的结构。22 21 1 材料的复合效应材料的复合效应 就其产生复合效应的特征,分为两大类就其产生复合效应的特征,分为两大类:一一次次函函数数y=kx+b 叫叫线线性性函函数数,它它的的图图象象是是一一条条直直线线。非非一一次次函函数数(如如
2、y=x2,y=k/x,y=sinx.).)都都叫叫非非线线性性函函数数,它们的图象都它们的图象都不是直线不是直线。与与一一次次函函数数相相关关的的一一次次方方程程叫叫线线性性方方程程,一一次次方方程程组组叫叫线性方程组。线性方程组。线性指量与量之线性指量与量之间成间成正比正比正比正比关系。关系。非线性指量与量非线性指量与量之间成之间成曲线曲线曲线曲线关系关系。线性效应线性效应 非线性效应非线性效应 3表表2 21 1 不同复合效应的类别不同复合效应的类别线性效线性效应应非线性非线性效应效应平均效平均效应应相乘效相乘效应应平行效平行效应应诱导效诱导效应应相补效相补效应应共振效共振效应应相抵效相抵
3、效应应系统效系统效应应线性线性线性线性效应效应非线性非线性非线性非线性效应效应4现就这两大类效应中的各种效应分别加以叙述如下:现就这两大类效应中的各种效应分别加以叙述如下:1 1)、平均效应)、平均效应 表示为:表示为:是复合材料所显是复合材料所显示的最典型的一示的最典型的一种复合效应。种复合效应。PcPmVm+PfVfEc=EmVm+EfVfP P材料性能;材料性能;V V为材料体积含量;为材料体积含量;c c复合材料;复合材料;m m基体;基体;f f增强体(功能体)增强体(功能体)52)2)、平行效应、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显示这一效应的复合材料,其组成复
4、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。分在复合材料中,均保留本身的既无制约,也无补偿。EgEg:增强体增强体(如纤维如纤维)与基体与基体界面结合很弱的复合材界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应,料所显示的复合效应,可以看作是平行效应。可以看作是平行效应。63)3)、相补效应、相补效应 组组成成复复合合材材料料的的基基体体与与增增强强体体,在在性性能能上上能能互互补补,从从而提高了综合性能,则显示出相补效应。而提高了综合性能,则显示出相补效应。EgEg:对对于于脆脆性性的的高高强强度度纤纤维维增增强强体体与与韧韧性性基基体体复复合合时时,两两相相间间若若能能得得到到适适宜
5、宜的的结结合合而而形形成成的的复复合合材材料料,其其性性能能显显示为增强体与基体的互补。示为增强体与基体的互补。4 4)、相抵效应)、相抵效应 基基体体与与增增强强体体组组成成复复合合材材料料时时,若若组组分分间间性性能能相相互互制制约,限制了整体性能提高,则复合后显示出相抵效应。约,限制了整体性能提高,则复合后显示出相抵效应。EgEg:脆脆性性的的纤纤维维增增强强体体与与韧韧性性基基体体组组成成的的复复合合材材料料,当两者界面结合很强时,复合材料整体显示为脆性断裂。当两者界面结合很强时,复合材料整体显示为脆性断裂。75 5)、相乘效应)、相乘效应 EgEg:把把具具有有电电磁磁效效应应的的材
6、材料料与与具具有有磁磁光光效效应应的的材材料料复复合合时时,将将可可能能产产生生复复合合材材料料的的电电光光效效应应。因因此此,通通常常可可以以将将一一种种具具有有两两种种性性能能互互相相转转换换的的功功能能材材料料X XY Y和和另另一一种种换换能能材材料料Y YZ Z复合起来,可用下列通式来表示,即:复合起来,可用下列通式来表示,即:XYYZ XZ 式式中中,X X、Y Y、Z Z分分别别表表示示各各种种物物理理性性能能。上上式式符符合合乘乘积积表表达达式式,所所以以称称之之为为相相乘乘效效应应。这这样样的的组组合合可可以以非非常常广广泛泛,已已被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见
7、表被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见表2.22.2。两种具有转换效应的材料两种具有转换效应的材料复合在一起,有可能发生复合在一起,有可能发生相乘效应。相乘效应。8表表2 22 2 复合材料的乘积效应复合材料的乘积效应A A相性质相性质 X/YX/YB B相性质相性质 Y/ZY/Z复合后的乘积性质复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)(X/Y)(Y/Z)X/ZX/Z压磁效应压磁效应磁阻效应磁阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压磁效应压磁效应磁电效应磁电效应压电效应压电效应压电效应压电效应场致发光效应场致发光效应压力发光效应压力发光效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应压阻效应压阻效应磁阻效应磁阻效应光
8、导效应光导效应电致效应电致效应光致伸缩光致伸缩闪烁效应闪烁效应光导效应光导效应辐射诱导导电辐射诱导导电热致变形效应热致变形效应压敏电阻效应压敏电阻效应热敏电阻效应热敏电阻效应9 6 6)、诱导效应)、诱导效应 在在一一定定条条件件下下,复复合合材材料料中中的的一一组组分分材材料料可可以以通通过过诱诱导导作作用用使使另另一一组组分分材材料料的的结结构构改改变变而而改改变变整整体体性性能能或或产产生生新新的的效效应应。这这种种诱诱导导行行为为已已在在很很多多实实验验中中发发现现,同同时时也也在在复复合合材材料料界界面面的的两侧发现。两侧发现。EgEg:结结晶晶的的纤纤维维增增强强体体对对非非晶晶基
9、基体体的的诱诱导导结结晶晶或或晶晶形形基基体体的晶形取向作用。的晶形取向作用。107 7)、共振效应)、共振效应 两两相相邻邻的的材材料料在在一一定定条条件件下下,会会产产生生机机械械的的或或电电、磁磁的共振。的共振。EgEg:a a、复复合合材材料料其其固固有有频频率率不不同同于于原原组组分分的的固固有有频频率率,当当复复合合材材料料中中某某一一部部位位的的结结构构发发生生变变化化时时,复复合合材材料料的的固固有频率也会发生改变有频率也会发生改变 。b b、吸波材料、吸波材料 8 8)、系统效应)、系统效应 这这是是一一种种材材料料的的复复杂杂效效应应,至至目目前前为为止止,这这一一效效应应
10、的的机理尚不很清楚。机理尚不很清楚。EgEg:交替叠层镀膜的硬度。:交替叠层镀膜的硬度。作业:作业:材料复合效应的分类?材料复合效应的分类?112.2 2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 材材料料的的合合成成和和制制备备及及材材料料的的组组成成、结结构构与与性性能能的的关关系系,是是材材料料科科学学讨讨论论的的主主要要内内容容。对对复复合合材材料料来来说说,复复合合材材料料的结构和复合效果也是复合材料科学的主要研究内容。的结构和复合效果也是复合材料科学的主要研究内容。2.2.1 2.2.1 复合材料的结构类型复合材料的结构类型 复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情
11、况。复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情况。对不同类型的复合体系,需引入对不同类型的复合体系,需引入“连通性连通性”的概念。的概念。12基本思想:基本思想:复复合合体体系系中中的的任任何何相相,在在空空间间的的零零维维、一一维维、二二维维或或三三维维方方向向上上是是相相互互连连通通的的,因因而而任任意意弥弥散散和和孤孤立立的的颗颗粒粒的的连连通通性性为为0 0,是是零零维维材材料料(0(0维维),而而包包围围它它们们的的介介质质是是网网络络体体状状的的连连续续材材料料,连连通通性性为为3 3,即即是是三三维维材材料料(3(3维维);纤纤维维状状材材料料的的连连通通性性为为1 1,是是一
12、一维维材材料料(1(1维维);相相应应的的片片状状材材料料连连通通性性为为2 2,即即二二维维材材料料(2(2维维)。13可以得到:可以得到:1 1)、两两相相复复合合体体系系有有l0l0种种可可能能的的连连通通性性复复合合材材料料结结构构(0-00-0、0-10-1、0-20-2、0-30-3、1-11-1、1-21-2、1-31-3、2-22-2、2-32-3、3-33-3);2 2)、三个相组成的复合体系结构有)、三个相组成的复合体系结构有2020种可能存在的连通性;种可能存在的连通性;3 3)、四个相时,它可能存在)、四个相时,它可能存在3535种连通性。种连通性。14归归纳纳:复复合
13、合材材料料中中含含有有几几个个组组分分相相时时,按按照照不不同同的的联联结结方式可能组成方式可能组成C C种连通结构:种连通结构:15几种典型复合材料结构:几种典型复合材料结构:(1)0-3(1)0-3型结构型结构 这是基体为三维连续相,而增强体或功能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。体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。0-3型型16(2)1-3(2)1-3型型结结构构 这这种种结结构构的的基基体体仍仍为为三三维维连连续续相相,而而增增强强体则为纤维状一维材料。体则为纤维状一维材料。1-3型型17(3)2-2(3)2-2型结构型结构 这是一
14、种由两种组分材料呈层状叠合而这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。成的多层结构复合材料。2-2型型18(4)2-3(4)2-3型结构型结构 在这类复合材料结构中,基体相仍为三在这类复合材料结构中,基体相仍为三维连续相,而增强体或功能体为二维结构的片状材料。维连续相,而增强体或功能体为二维结构的片状材料。2-3型型19(5)3-3(5)3-3型型结结构构 这这种种结结构构的的基基体体相相为为三三维维连连续续相相,而而增增强强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202 22 22 2 材料的复合效果材料的复
15、合效果 对于不同组分形成的复合材料,根据组分特点和复合特对于不同组分形成的复合材料,根据组分特点和复合特点,对材料有着不同的复合效果,可以大致归结为以下几个点,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 22 22 21 1 组分效果组分效果 在复合材料的基体和增强体在复合材料的基体和增强体(或功能体或功能体)的物理机械性能的物理机械性能确定的情况下,仅仅把相对组成作为变量,不考虑组分的几确定的情况下,仅仅把相对组成作为变量,不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果称为何形态、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
16、相对组成,通常用到体积分数和质量分数复合材料中的相对组成,通常用到体积分数和质量分数等。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,往往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: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:22S2R2r2RS2r(六边形阵列)(六边形阵列)(正方形阵列)正方形阵列)(六边形阵列)六边形阵列)(正方形阵列)正方形
17、阵列)23 在复合材料单向板中,所有纤维都互相平行排列,对在复合材料单向板中,所有纤维都互相平行排列,对于圆形纤维间按理想分布时,纤维的体积百分数与纤维半于圆形纤维间按理想分布时,纤维的体积百分数与纤维半径有何关系,并推导。径有何关系,并推导。推导:推导:纤维的面积为:纤维的面积为:所以:所以:构成六边形,单位截面上,其面积构成六边形,单位截面上,其面积S2R2r24S2R2r由于由于S2R2r得:得:由:由:所以:所以:25对于纤维相互接触时,即对于纤维相互接触时,即r rR R时,时,V Vf f达到最大值。达到最大值。对于六边形阵列:对于六边形阵列:V Vfmaxfmax0.9070.9
18、07对于正方形阵列:对于正方形阵列:V Vfmaxfmax0.7850.78526结构效果结构效果本节要点:本节要点:1 1)、掌握形态效果、尺度效果;)、掌握形态效果、尺度效果;2 2)、掌握界面效果;)、掌握界面效果;3 3)、理解形状效果。)、理解形状效果。272 22 22 22 2 结构效果结构效果 所所谓谓结结构构效效果果是是复复合合材材料料性性能能用用组组分分性性能能和和组组成成来来描描述述时时,必必须须考考虑虑组组分分的的几几何何形形态态、分分布布状状态态和和尺尺度度等等可可变变因素产生的效果。因素产生的效果。这类效果往往可以用数学关系描述。这类效果往往可以用数学关系描述。几何
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