材料科学基础-10复合效应与界面1

1、第十章 复合效应与界面Synergistic Effect and Interface主 讲：李 丽 副教授Telmail:polyliliChapter 101山东大学材料学院李丽编写10.1 材料复合、增强体及复合效应 Material Mixing , Reinforcements andSynergistic Effect10.1.1 复合材料(Composite) 复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。Chapte

2、r 102山东大学材料学院李丽编写复合材料的组成基体Matrix增强体Reinforcement界面InterfaceChapter 103山东大学材料学院李丽编写复合材料分类1.复合材料按用途结构复合材料和功能复合材料两大类。2.按基体类型分为树脂基复合材料RMC（Resin Matrix Composite）,也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics）金属基复合材料MMC （Metal Matrix Composite）陶瓷基复合材料CMC （Ceramic Matrix Composite）3.按增强体的形态与排布方式颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料、短

3、纤维或晶须增强纤维；单向纤维增强复合材料、二向纤维复合材料，三向及多向编织复合材料、混杂复合材料。Chapter 104山东大学材料学院李丽编写由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料Chapter 105山东大学材料学院李丽编写包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种

4、类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。 未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、天然复合材料等领域。功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。Chapter 106山东大学材料学院李丽编写a是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，（a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，( a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少.Chapter 107山东大学材料学院李丽编写（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出，而（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体

5、的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。Chapter 108山东大学材料学院李丽编写Figure Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting ( 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals In

6、c.)Chapter 109山东大学材料学院李丽编写试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像 1250目CaCO3粒子/PP2500目CaCO3粒子/PPChapter 1010山东大学材料学院李丽编写GF/CF不同的纤维种类Chapter 1011山东大学材料学院李丽编写Composite materials configurationsMaterials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resinsArchitecture: Unidirectional tapes, woven, braided, ch

7、opped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injection moulded/www.merl-ltd.co.uk/./ composites01.shtml Chapter 1012山东大学材料学院李丽编写Chapter 1013山东大学材料学院李丽编写Chapter 1014山东大学材料学院李丽编写复合材料的特点1.可设计性2.各相异性3.一次成型4.可制成各种形状5.能综合发挥各组分的优点，并具有多种性能。Chapter 1015山东大学材料学院李丽编写树脂基复合材料的性能特点树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独

8、立物理相，包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：（1）各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；（2）不均质（或结构组织质地的不连续性）；（3）呈粘弹性行为；（4）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能差异；（5）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。表征其复合后材料的性能。Chapter 1016山东大学材料学院李丽编写聚合物基复合材料的主要性能优点：1.比强度、比模量高2.耐疲劳性好3.减震性好4.过载时安全性好5.具有多种功能性 耐烧蚀性、耐腐蚀性好，高度的电绝缘，良好的摩擦性，特殊的光学、电性能6.良好的可加工性能缺点：1.使用温度低，耐高

9、温性能差（300度以下）2.材料强度一致性差3.耐老化性能差Chapter 1017山东大学材料学院李丽编写10.1.2 增强体的性能 增强体的种类繁多，表9-1列出了主要增强体的主要参数。 增强体的特点是高强度、高模量。增强体直径较小，含有缺陷的机率少，所以保持了高强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的复合材料的增强体密度一般都低。Chapter 1018山东大学材料学院李丽编写表10-1增强体的性能参数生产厂家 商品名及牌号直径 m 密度 g/cm3抗拉强度 MPa弹性模量GPaE玻璃纤维 915 2.6 3232 72日本东丽 T 300 碳纤维 7 1.763 500230日本东丽T

10、一1000 碳纤维5 1.827060294日本东丽M60J 碳纤维 51 9438205883M公司Nextel 480 A12O3纤维10-123.052275 224日本碳(株)Nicalon SiC 纤维10152.552450-2940167-176美AVCOSCS-6SiC 纤SNPEB4C 涂复钨芯硼纤维1402.53700400美Kevlar49 芳纶纤维121.44176062 (原)苏联 APMOC 芳纶纤维1.435000150W丝1319.44020407钢丝137.744120193- SiC晶须0.113.8570000 6000美杜邦公司

11、A12O3晶须203.95379Chapter 1019山东大学材料学院李丽编写基体材料的性能分类名称拉伸强度杨氏模量抗弯强度聚合物聚丙烯3341 MPa1.2-1.4 GPa41.455.1 MPa尼龙6681.3 MPa3.13.2 GPa98107.8 MPaABS16.662MPa0.72.8 GPa24.893 MPa聚碳酸酯65.7 MPa2.22.4 GPa96103.9 MPa金属08碳素钢325 MPa210 GPa铸铁HT15-33150 MPa150160 GPa330 MPa工业铝L4140 MPa69 GPa陶瓷Al2O399.9%300 MPa370 GPa碳化钛2

12、58 MPa450 GPa烧结SiC300 MPa410 GPaChapter 1020山东大学材料学院李丽编写10.1.3 复合效应 复合效应实质上是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。 复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。 它表现为树脂基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，性能的提高总是人们所期望的，但有进材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。 Chapter 1021山东大学材料学院李丽编写 线性效应非线性效应界面效应尺寸效应各向异性效应 复

13、合效应线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。 非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。Chapter 1022山东大学材料学院李丽编写1、线性效应（1）平均效应（混合效应） 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。可用混合物定律描述： Kc = Kii （并联模型） 1/Kc = i/Ki （串联模型）（2）平行效应 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 Chapter 1023山东大学材料学院李丽编写（3）相补效应 复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。 C = AB（4）相抵

14、效应 复合材料各组分之间出现性能相互制约，使其性能低于混合物定律预测值。 Kc KiiChapter 1024山东大学材料学院李丽编写以下举例对其中的重要效应简单作一说明。 平均效应又可称为加和效应(Mean Properties)，反映在复合材料的混合定则(Rule of Mixture)中。该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即式中 p某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等Pc复合材料的某一性质；Pi原始i材料的某一性质；体积分数；i N种原始材料中第i种材料体积分数N由实验确定，其范围为-1 n 1Chapter 1025山东大学材料学院李丽编写例题：p(PA6

15、6) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(CF)=35001= 0.7 , 2=0.3 n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91 (MPa)Chapter 1026山东大学材料学院李丽编写相补效应和相抵相应ABChapter 1027山东大学材料学院李丽编写非线性效应中，乘积效应(Product ProPcnMs又叫传递特性，交叉耦合效应。 例如对材料X输入时输出为Y，即一种转换功能材料Y/X(如磁场压力的换能材料)；而Y又作为另一种材料的第二次输入，产生输出Z，即为另一种换能材料ZY(如电

16、阻磁场转换材料)。两种材料复合得出一新的机能材料，即YXZYZX(即电阻压力转换构料)。 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。Chapter 1028山东大学材料学院李丽编写2、非线性效应相乘效应（X/Y）（Y/Z）=X/ZA组元性质X/YB组元性质Y/Z相乘性质X/Z压磁效应压磁效应磁致伸缩热致变形磁阻效应电磁效应压阻效应压敏效应压阻效应压电效应磁阻效应热敏效应Chapter 1029山东大学材料学院李丽编写 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。生产厂家在这类

17、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。 Chapter 1030山东大学材料学院李丽编写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

18、车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。 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。 Chapter 1031山东大学材料学院李丽编写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、

19、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。Chapter 1032山东大学材料学院李丽编写复合材料的界面效应 (1)阻断效应 (2)不连续效应 (3)散射和吸收效应 (4)感应效应 (5)界面结晶效应 (6)界面化学效应Chapter 1033山东大学材料学院李丽编写复合材料的界面效应(1)阻断效应 起到阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应用力集中等。(2)不连续效应 在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波

20、、冲击波等在界面产生的散射和吸收，加透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。(4)感应效应 在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变等。感应(或诱导)可以是一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构出了诱导作用而改变。(5)界面结晶效应 基体结晶时易在界面上形核，界面形核诱发了基体结晶。(6)界面化学效应 基体与增强材料间的化学反应，官能团、原于分子之间的作用。Chapter 1034山东大学材料学院李丽编写阻止裂纹的扩展Chapter 1035山东大学材料学院李丽编写不连续效应电阻R1电阻R1电

21、阻R2Chapter 1036山东大学材料学院李丽编写散射和吸收效应Chapter 1037山东大学材料学院李丽编写界面化学效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面Chapter 1038山东大学材料学院李丽编写丁达尔效应和光散射 1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。 散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质粒子太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。 散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，进行实验时，溶胶浓度不要太小。Chapter 1039山东大学材料学院李丽编写丁达尔效应Chapter 1040山