2复合材料原理

1、提提 纲纲一、一、 材料的复合效应材料的复合效应二、二、 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果三、三、 复合材料的模型及性能的一般规律复合材料的模型及性能的一般规律 复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interface材料复合遵材料复合遵循一定的共循一定的共同规律同规律复合材料的复合效应复合材料的复合效应 复合效应是组分材料及组分间界面复合效应是组分材料及组分间界面相互作用、相互依存相互作用、相互依存、相互补充、相互补充的结果。的结果。 复合效应使复合材料在保持原组分性能的基础上，还增复合效应使复合材料在保持原组分性能的基

2、础上，还增添了添了原组分没有原组分没有的性能。的性能。 表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的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和非线性的综合线性的综合。 复合效应复合效应有正有负有正有负，复合后某些性能抵消甚至降低的现，复合后某些性能抵消甚至降低的现象是不可避免的。象是不可避免的。复合材料的复合效应复合材料的复合效应复合效应复合效应线性效应线性效应非线性效应非线性效应平均效应平均效应 平行效应平行效应 互补效应互补效应 相抵效应相抵效应相乘效应相乘效应 诱导效应诱导效应共振效应共振效应 系统效应系统效应复合材料的复合效应复合材料的复合效应-平均效应平均效应复合材料最典型的

3、一种复合效应。复合材料最典型的一种复合效应。表示为：表示为： Pc=PmVm+PfVf P-材料性能，材料性能，V-材料体积含量材料体积含量 c-composite; m-matrix; f-filler 如：如： 弹性模量弹性模量Ec=EmVm+EfVf 密度密度c= mVm+ fVf复合材料的复合效应复合材料的复合效应-平行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。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 Kc Ki 如：增强体如：增强

4、体( (如纤维如纤维) )与基体界面结合很弱时，复合材料显示与基体界面结合很弱时，复合材料显示平行效应。平行效应。复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相补效应相补效应基体与增强体在性能上互补。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。异的综合性能。 C = AC = AB B例：脆性的高强度纤维增强体与韧性树脂基体若能得到例：脆性的高强度纤维增强体与韧性树脂基体若能得到适宜适宜的结合的结合，复合材料性能表现为增强体与基体的互补。，复合材料性能表现为增强体与基体的互补。复合材料的复合效应复合材料

5、的复合效应-相抵效应相抵效应基体与增强体性能相互制约，则复合后显示出相抵效应。基体与增强体性能相互制约，则复合后显示出相抵效应。其其性能低于混合物定律预测值。性能低于混合物定律预测值。 Pc Pii 例：例：纤维增强体经偶联剂处理后，拉伸强度可提高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。，表现为互补效应。但当两者界面结合很强时，复合材料但当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。整体显示为脆性断裂。 复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相乘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。两种具有转换效应的材料复合在一起，可发生相乘效应。又又叫

6、乘积效应叫乘积效应/ /传递特性传递特性/ /交叉耦合效应。交叉耦合效应。 例：对材料输入例：对材料输入X X时输出为时输出为Y Y，即转换功能材料，即转换功能材料Y/X(Y/X(如磁场如磁场压力的换能材料压力的换能材料) )；对第二种材料的输入；对第二种材料的输入Y Y，产生输出，产生输出Z Z，即为第二种换能材料，即为第二种换能材料Z ZY Y。两种材料复合得出新的机能。两种材料复合得出新的机能材料，即材料，即 Y YXZXZY YZ ZX 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

7、的新的料更强的性能，还可创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。功能效应。复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相乘效应相乘效应A相性质相性质X/YB相性质相性质Y/Z复合后相乘性质复合后相乘性质X/YY/ZX/Z压磁效应压磁效应压磁效应压磁效应压电效应压电效应磁致伸缩磁致伸缩热致变形热致变形光导效应光导效应磁阻效应磁阻效应磁电效应磁电效应场致发光效应场致发光效应压阻效应压阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应电致效应电致效应压敏电阻效应压敏电阻效应压电效应压电效应压力发光效应压力发光效应磁阻效应磁阻效应热敏电阻效应热敏电阻效应光致伸缩效应光致伸缩效应复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相乘效应相

8、乘效应压电效应压电效应 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。的一种功能材料。 极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图F逆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）（实线形变前，虚线形变后）复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相乘效应相乘效应 点燃煤气灶或热水器：点燃煤气灶或热水器：压电点火装置内，有一压电点火装置内，有一块压电陶瓷，按下点火块压电陶瓷，按下点火装置的弹簧时，传动装装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高陶瓷上，使它产生很高的电压，将电能引向燃

9、的电压，将电能引向燃气出口放电，燃气被电气出口放电，燃气被电火花点燃。火花点燃。复合材料的复合效应复合材料的复合效应-相乘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。 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。 复合材料的复合效应复

10、合材料的复合效应-相乘效应相乘效应 压电阻尼效应压电阻尼效应复合材料的复合效应复合材料的复合效应-诱导效应诱导效应组分组分A A通过诱导效应使组分通过诱导效应使组分B B的结构改变而改变整体性能或产生的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。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。形取向作用。 PPl PP-CaCO3复合材料的复合效应复合材料的复合效应-共振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组分的固

11、有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变复合材料的固有频率也会发生改变。例如:船体轴系减震 复合材料的复合效应复合材料的复合效应-系统效应系统效应这是一种材料的复杂效应，目前为止，这一效应机理尚不这是一种材料的复杂效应，目前为止，这一效应机理尚不很清楚，但在实际已发现这种效应的存在。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。合率的估算值。n 复合材料连通性的概念复合材料连通性的概念n 复合材料的结构类型复合材料的结构类型n 材料的复合效果

12、材料的复合效果复合材料连通性的概念复合材料连通性的概念 分散相分散相： 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。散相的物质称为分散质。 分散相一般是增强体或功能体。分散相一般是增强体或功能体。 连续相连续相： 基体一般是连续相。基体一般是连续相。(d) 40vol%PMN(1000)(b) 20vol%PMN(1000)复合材料连通性的概念复合材料连通性的概念 连通性的概念连通性的概念 基本思想：复合体系中的任何相，在空间的基本思想：复合体系中的任何相，在空间的0 0维、维、1 1维维、2 2维或维或3 3维方向

13、上是相互连通的。维方向上是相互连通的。 弥散和孤立颗粒的连通性为弥散和孤立颗粒的连通性为0 0，是，是0 0维材料；纤维状材维材料；纤维状材料的连通性为料的连通性为1 1，是，是1 1维材料；相应的片状材料连通性为维材料；相应的片状材料连通性为2 2，是，是2 2维材料；基体为网络状的维材料；基体为网络状的3 3维连通，是维连通，是3 3维材料。维材料。复合材料连通性的概念复合材料连通性的概念例例: :1 1维连通维连通2 2维连通维连通3 3维连通维连通复合材料的结构类型复合材料的结构类型两相复合体系两相复合体系0 00,00,01,01,02,02,03,13,11,11,12,12,13

14、,23,22,22,23,33,33 3三相复合体系三相复合体系 0 00 01,01,01 11,11,12 23 3 .20.20种种 多相复合体系多相复合体系3(3) !3nnCn！复合材料的结构类型复合材料的结构类型典型两相复合材料结构典型两相复合材料结构复合材料的结构类型复合材料的结构类型0-3型结构：基体为型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体以维连续相，增强体或功能体以0维微粒维微粒分布在基体中。分布在基体中。1-3型结构：基体为型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体为纤维状维连续相，增强体或功能体为纤维状1维材料。维材料。(b) 20vol%PMN(1000)？复合材料的结

15、构类型复合材料的结构类型2-2型结构：两种组分皆呈层状叠合而成的多层结构。型结构：两种组分皆呈层状叠合而成的多层结构。复合材料的结构类型复合材料的结构类型 2-3型结构：基体为型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体为维连续相，增强体或功能体为2维维结构的片状材料。增强体可随机，也可按一定方向取向分结构的片状材料。增强体可随机，也可按一定方向取向分布于基体中。布于基体中。 3-3型结构：基体相为型结构：基体相为3维连续相，增强体或功能体为维连续相，增强体或功能体为3维维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。纤维的纤维的3维编织物与维编织物与基体形成的纤维复基体形成

16、的纤维复合材料是典型合材料是典型3-3结结构。构。材料的复合效果材料的复合效果 组分效果组分效果 结构效果结构效果 界面效果界面效果 材料的复合效果材料的复合效果-组分效果组分效果 组分效果组分效果 只把只把组分的相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态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、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相对组成：体积分数或质量分数 V1/VC， m1/mC 例例:密度、比热、导电性、吸波性、阻燃性密度、比热、导电性、吸波性、阻燃性 1V1m111111312111233123,WVVmW

17、WWVVV材料的复合效果材料的复合效果-组分效果组分效果 典型模型单向板的纤维分布典型模型单向板的纤维分布 maxfrRrVR2时，（）2 3maxfrRrVR2时， （）42r2R2rs2Rs材料的复合效果材料的复合效果-结构效果结构效果 复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分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。的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。 几何形态（形状）：流动性与粘度几何形态（形状）：流动性与粘度 分布状态：纤维方向性与材料性能分布状态：纤维方向性与材料性能 尺度：纳米复合材料尺度：纳米复合材料

18、 材料的复合效果材料的复合效果-结构效果结构效果 几何形态（形状）几何形态（形状）矿物纤维微观结构矿物纤维微观结构矿物纤维矿物纤维材料的复合效果材料的复合效果-结构效果结构效果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，在性好，在 PP、PA66、 PET、 ABS等热塑性塑料中有明显的等热塑性塑料中有明显的增强效果。增

19、强效果。 在在PP中应用：加工中能保持针状晶型，用量达中应用：加工中能保持针状晶型，用量达50，性能介，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。用于生产高填充于短切玻纤。用于生产高填充PP、高模量、高模量PP及与玻纤掺混增及与玻纤掺混增强强PP，与玻纤掺混能解决玻纤取向性问题。，与玻纤掺混能解决玻纤取向性问题。 在挤出造粒过程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。工性能优

20、良，制品表面光滑度好，可有效解决玻纤外露等问题。 材料的复合效果材料的复合效果-结构效果结构效果 分布状态分布状态玻璃钢玻璃钢玻璃纤维的不同排列方式玻璃纤维的不同排列方式玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合材料材料力学性能力学性能玻璃纤维和树脂的性能玻璃纤维和树脂的性能玻璃纤维和树脂的用量玻璃纤维和树脂的用量材料结合方式材料结合方式材料的复合效果材料的复合效果-结构效果结构效果尺度尺度 从材料结构单元和尺度，增强颗粒尺度为从材料结构单元和尺度，增强颗粒尺度为1-50m1-50m的叫的叫颗粒增强复合材料，颗粒增强复合材料，0.011 m0.011 m尺度增强的叫分

21、散强化尺度增强的叫分散强化( (弥弥散强化散强化) )复合材料。纳米级叫纳米复合材料，其强化原理不复合材料。纳米级叫纳米复合材料，其强化原理不同。同。 材料的复合效果材料的复合效果-界面效果界面效果 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。界面结构界面结构(物理和化学结构物理和化学结构)的变化会引起复合材料性能的的变化会引起复合材料性能的明显变化。明显变化。 界面处理与否对复合材料性能影响巨大界面处理与否对复合材料性能影响巨大 例例: 金属基复合材料金属基复合材料 水泥基复合材料水泥基复合材料 碳纤维树脂基复合材料碳

22、纤维树脂基复合材料0.00.51.01.52.06972757881 弯曲强度/MPaKH-550 含量/% 预 处理 直 接共混 材料的复合效果材料的复合效果-界面效果界面效果玻纤与基体结玻纤与基体结合好，纤维拔合好，纤维拔出较少出较少a玻纤增强玻纤增强PP（加入（加入MPP相容剂）的冲击试样的断口扫描相容剂）的冲击试样的断口扫描电镜照片电镜照片材料的复合效果材料的复合效果-界面效果界面效果大量玻纤从基体中拔大量玻纤从基体中拔出，与基体的粘接性出，与基体的粘接性较差，体系力学性能较差，体系力学性能不高。不高。（b）未加相容剂的玻纤增强体系）未加相容剂的玻纤增强体系材料模型材料模型 根据复合系

23、统特点，根据复合系统特点，分析、抽象、简化，建立分析性能的材料分析、抽象、简化，建立分析性能的材料微观结构模型微观结构模型；运用连续介质有关理论，确定在给定宏观作用；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。确定复合材料的性能。复合材料模型复合材料模型材料微观模型：材料微观模型：几何结构模型、物理模型几何结构模型、物理模型 常见几何模型常见几何模型： 同心球壳模型

24、：同心球壳模型：0-3型复合材料型复合材料 同轴圆柱模型：同轴圆柱模型：1-3型复合材料型复合材料 片状模型：片状模型：2-2、2-3型复合材料型复合材料根据模型，可求出各组分体积分数根据模型，可求出各组分体积分数Vf， Vi Vmf-filler, m-matrix,i-interface复合材料模型复合材料模型建立材料模型注意的问题：建立材料模型注意的问题：n坐标系的确立坐标系的确立 ，通常选材料的主轴方向，通常选材料的主轴方向n建立结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规建立结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规律为依据律为依据n模型中组分含量必须与实际材料组分含量相同模型中组分含量必须与实际材料组分含量相同n组分相的状态分布，往往采用统计的特征组分相的状态分布，往往采用统计的特征复合材料性质与一般规律复合材料性质与一般规律 从材料宏观性能，可将材料性质分成：从材料宏观性能，可将材料性质分成： 固有性质固有性质 传递性质传递性质 强度性质强度性质 转换性质转换性质复合材料性质与一般规律复合材料性质与一般规律固有性质固有性质 材料性质的直观表现材料性质的直观表现 复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料性质复合材料在各