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復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合原理是研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性、開拓新材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)。復(fù)合材料性能與結(jié)構(gòu)的協(xié)同相長特性(即復(fù)合后材料性能優(yōu)于每個單獨組分的性能)使復(fù)合材料具備新的特殊性質(zhì)。這種不同性質(zhì)的材料之間的耦合作用是理解復(fù)合材料多性能的基礎(chǔ)。本章將對材料復(fù)合的一般規(guī)律做簡要闡述。復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合原理是研究復(fù)合材料2.1材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)可以分為兩大類:線性效應(yīng)和非線性效應(yīng).這兩類效應(yīng)又可以分為不同的類別:1.線性效應(yīng):1)平均效應(yīng)

2)平行效應(yīng)

3)相補(bǔ)效應(yīng)

4)相抵效應(yīng)2.非線性效應(yīng):1)相乘效應(yīng)

2)誘導(dǎo)效應(yīng)

3)共振效應(yīng)

4)系統(tǒng)效應(yīng)2.1材料的復(fù)合效應(yīng)一、平均效應(yīng):是復(fù)合材料最典型的一種效應(yīng).可以表示為:Pc=PmVm+PfVf式中,P為材料性能,V為材料體積含量,角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體(或功能體).例如復(fù)合材料的彈性模量E,若用此混合率表示,則為:E=EmVm+EfVf二、平行效應(yīng):組成復(fù)合材料的各組分在復(fù)合后均保留原來本身的特性作用,既無制約,也無補(bǔ)償.對于增強(qiáng)體與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料,可以出現(xiàn)平行效應(yīng).三、相補(bǔ)效應(yīng):基體和增強(qiáng)體性能互補(bǔ),整體性能提高.對于脆性的高強(qiáng)度纖維與韌性基體復(fù)合,結(jié)合適宜時可以產(chǎn)生相補(bǔ)效應(yīng).一、平均效應(yīng):是復(fù)合材料最典型的一種效應(yīng).可以表示為:四、相抵效應(yīng):基體與增強(qiáng)體性能相互制約,限制了整體性能的提高.如脆性的纖維與韌性基體復(fù)合當(dāng)結(jié)合很強(qiáng)時,則材料整體容易脆性斷裂.五、相乘效應(yīng):兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合即可產(chǎn)生相乘效應(yīng).如把具有電磁效應(yīng)的材料與具有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合,即可產(chǎn)生電光效應(yīng).通??梢园岩环N具有性能轉(zhuǎn)換效應(yīng)的功能材料X/Y與另外一種換能材料Y/Z復(fù)合,得到新的功能材料.用下式可以表示之:

X/Y·Y/Z=X/Z四、相抵效應(yīng):基體與增強(qiáng)體性能相互制約,限制了整體性能的提高復(fù)合材料原理3課件六、誘導(dǎo)效應(yīng):在一定條件下,復(fù)合材料的一個組分可以通過誘導(dǎo)作用使另一組分的結(jié)構(gòu)改變從而改變整體材料的性能.如結(jié)晶的纖維對非晶基體有誘導(dǎo)結(jié)晶作用.七、共振效應(yīng):兩個相鄰材料在一定條件下會產(chǎn)生機(jī)械的或電的磁的共振.因此,復(fù)合材料的固有頻率會不同于原組分的固有頻率.利用這種效應(yīng),可以根據(jù)外來的工作頻率,改變復(fù)合材料的固有頻率,達(dá)到避免破壞或吸波的目的.八、系統(tǒng)效應(yīng):這是材料中的一種復(fù)雜效應(yīng),機(jī)理尚不很清楚,由多種原因形成.如交替疊層鍍膜的硬度大于各單一鍍膜的硬度.六、誘導(dǎo)效應(yīng):在一定條件下,復(fù)合材料的一個組分可以通過誘導(dǎo)作2.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果2.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分相組成,組分相由其性質(zhì)、形態(tài)和分布狀態(tài)的不同,可以形成不同的結(jié)構(gòu)類型.對于不同類型復(fù)合體系,需要首先引入連通性的概念:復(fù)合體系中的任何相,在空間的零維、一維、二維或三維方向上是相互連通的,因而任意彌散和孤立的顆粒的連通性為0,是零維材料,纖維的連通性為1,是一維材料,片狀材料為二維,連通的基體為三維.2.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果根據(jù)增強(qiáng)體和基體以不同連接方式復(fù)合所得到的連通性,可以得到如下結(jié)果:對兩相復(fù)合體系,有10種可能的連通性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(0-0,0-1,0-2,0-3,1-1,1-2,1-3,2-2,2-3,3-3).由三個相組成的復(fù)合體系,有20種連通性.四個相時可能存在35種連通性.復(fù)合材料含有n個組分相時,可能的連通結(jié)構(gòu)種類數(shù)為:

Cn=(n+3)!/n!3!根據(jù)增強(qiáng)體和基體以不同連接方式復(fù)合所得到的連通性,可以得到如復(fù)合材料原理3課件2.2.2材料的復(fù)合效果對于不同組分形成的復(fù)合材料,根據(jù)組分本身的特點和復(fù)合特點,對材料產(chǎn)生不同的復(fù)合效果,大致可以歸結(jié)為以下幾個方面:2.2.2.1組分效果:在組分的物理性能確定的情況下,僅僅把相對組成作為變量,不考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等因素的影響.復(fù)合材料的相對組成,通常用到體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等.平均效應(yīng)就是組分效果的一級近似.即復(fù)合材料的某一性能是各組分性能按體積分?jǐn)?shù)的平均值.復(fù)合材料的密度和比熱容等往往是符合組分效果.2.2.2材料的復(fù)合效果對于不同組分形成的復(fù)合材料,根據(jù)組2.2.2.2結(jié)構(gòu)效果:是指復(fù)合材料性能用組分性能描述時,同時考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度的因素.結(jié)構(gòu)效果可以分為以下幾種類型;1)幾何形態(tài)效果(形狀效果)該效果也可以表示出相的連續(xù)和不連續(xù)效果.對于結(jié)果效果,起決定作用的因素是連續(xù)相.2)分布狀態(tài)效果(取向效果)

不僅包括幾何體取向,有時還要考慮到物理性能的取向.3)尺度效果分散相尺度的變化會導(dǎo)致其表面性能的變化,從而使復(fù)合材料的性能發(fā)生變化.2.2.2.3界面效果

界面效果是主要的復(fù)合效果,只有好的界面效果存在,才能充分發(fā)揮復(fù)合的優(yōu)越性.界面結(jié)構(gòu)的變化會引起復(fù)合材料性能的變化.2.2.2.2結(jié)構(gòu)效果:是指復(fù)合材料性能用組分性能描述時,例如:在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂中,當(dāng)玻璃纖維用不同處理劑處理時,復(fù)合材料在承受相同應(yīng)力下,其中的玻璃纖維承受的應(yīng)力卻不同。這說明,不同的界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力不同。例如:在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂中,當(dāng)玻璃纖維用不同處理劑2.3復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律2.3.1復(fù)合材料模型材料模型的建立,對材料性能分析和材料設(shè)計有重要作用,根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)的特點,經(jīng)過分析抽象,建立材料的微觀結(jié)構(gòu)模型,通過影響因素分析,可以總結(jié)確定材料的性能.所以,建立一個能包含主要影響因素,顯示材料真實性能、容易得到確定結(jié)果的材料模型對材料性能分析和材料設(shè)計是非常重要的.復(fù)合材料原理3課件建立材料的微觀模型包含兩個方面:一是材料的幾何模型;二是材料的物理模型,即計算場量的理論和方法.建立材料復(fù)合模型時需要注意的問題:首先,適當(dāng)考慮復(fù)合材料的各向異性,利用材料的對稱性,確立坐標(biāo)系和主軸方向,在該主軸方向,性能表達(dá)最簡單,最易求解.其次,確立結(jié)構(gòu)模型時,主要以材料的相幾何形態(tài)和性能規(guī)律為依據(jù),相幾何形態(tài)必須充分表達(dá)實際材料的幾何形態(tài),組分含量必須與實際相同,組分相的狀態(tài)分布采用統(tǒng)計特征.有時還要考慮相間作用因素.建立材料的微觀模型包含兩個方面:物理模型的建立,往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù),針對某一物理性能和結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行場量計算.在討論物理模型時,重要的是利用相結(jié)構(gòu)的對稱性等特征進(jìn)行簡化;利用組分物理性能差異進(jìn)行簡化,如纖維軸向強(qiáng)度顯著大于基體強(qiáng)度而可以忽視基體強(qiáng)度;根據(jù)物理性質(zhì)特點進(jìn)行簡化,如有時界面對某種性能作用不顯著時,可以忽略.建立模型時的簡化假設(shè)是必要的,以單向復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析模型為例,可以歸結(jié)為四個方面,即單元體,增強(qiáng)體,基體和復(fù)合界面.對這四個方面的基本假定如下,根據(jù)分析需要,還可增加簡化假設(shè).物理模型的建立,往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù),針對某一物理性能和結(jié)構(gòu)

單元體:宏觀均勻,無缺陷,增強(qiáng)體與基體性能恒定,

線彈性.

增強(qiáng)體:勻質(zhì),各向同性,線彈性,定向排列,連續(xù).

基體:勻質(zhì),各向同性,線彈性.

界面:粘結(jié)完好(無孔隙,滑移,脫粘等),變形協(xié)調(diào).根據(jù)復(fù)合材料中組分的幾何形態(tài),常見幾何結(jié)構(gòu)模型有:2.3.1.1同心球殼模型主要針對0-3型復(fù)合材料,增強(qiáng)體為不連續(xù)相,基體為連續(xù)相.此種材料具有各向同性的特點.2.3.1.2同軸圓柱模型適合于1-3型復(fù)合材料2.3.1.3片狀模型適合于2-2,2-3型復(fù)合材料,以及鑲嵌式的3-3型復(fù)合材料.單元體:宏觀均勻,無缺陷,增強(qiáng)體與基體性能恒定,

2.3.2復(fù)合材料性質(zhì)對于宏觀性能,可以將性質(zhì)分為以下類別:2.3.2.1固有性質(zhì)是指復(fù)合材料在各相之間不互相作用所表現(xiàn)出來的性質(zhì).這類性質(zhì)往往是材料性質(zhì)的直觀表現(xiàn),如密度等.

固有性質(zhì)在復(fù)合前后,其物質(zhì)量和能量的總量不變.此時,復(fù)合材料的性質(zhì)是各組分按含量的加和,符合混合率.2.3.2.2傳遞性質(zhì)

指材料在外作用場作用時,表征某通量通過材料的阻力大小的物理量.如導(dǎo)熱系數(shù)等.2.3.2復(fù)合材料性質(zhì)

最簡單的傳遞方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,復(fù)雜的可能有多種組合方式.2.3.2.3強(qiáng)度性質(zhì)是材料承受外作用場極限能力的表征.如機(jī)械強(qiáng)度等.

對于非勻質(zhì)的復(fù)合材料,材料的承載能力不是各組分承載能力的疊加,而與外場的分布,組分間作用,相含量,幾何狀態(tài)等因素有關(guān).2.3.2.4轉(zhuǎn)換性質(zhì)是指材料在一種外場的作用下,轉(zhuǎn)換產(chǎn)生另一種新場量.如電-熱,熱-光等.

相乘效應(yīng)是典型的轉(zhuǎn)換性質(zhì)體現(xiàn).轉(zhuǎn)換性質(zhì)比較復(fù)雜,要綜合分析.最簡單的傳遞方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,復(fù)雜的可能有多種組3.5增強(qiáng)體表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響復(fù)合材料中,增強(qiáng)體表面特性是影響復(fù)合材料界面特性和材料總體性能的重要因素,它通常指兩個方面,即增強(qiáng)體表面的物理特性和增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性3.5增強(qiáng)體表面特性3.5.1增強(qiáng)體表面的物理特性與界面結(jié)合增強(qiáng)體表面的物理特性主要是指其比表面積及表面形態(tài)結(jié)構(gòu)及表面能,通常涉及比表面積、多孔性、表面極性、表面結(jié)構(gòu)的均一性,表面的結(jié)晶特性和表面能。

3.5.1.1比表面積及多孔性增強(qiáng)體的巨大的比表面積是導(dǎo)致復(fù)合材料中巨大的界面存在并引起界面效應(yīng)的根本所在。增強(qiáng)體表面存在部分孔隙,孔隙中存在氣體,復(fù)合時部分孔隙被基體填充,呈機(jī)械鑲嵌的結(jié)合狀態(tài)。復(fù)合材料原理3課件在常見的增強(qiáng)體中,玻璃纖維表面光滑,相對粗糙度小,橫截面為對稱圓形;硼纖維有類似玉米棒表面狀態(tài)的結(jié)構(gòu),表面相對光滑,比表面積較小,纖維的橫截面為復(fù)合結(jié)構(gòu)碳化硅鎢絲表面呈凹谷狀,但還平滑,有較大的纖維直徑,較小的比表面積,橫截面為規(guī)則圓形,內(nèi)芯為鎢絲,外圓為碳化硅;以粘膠絲基的碳纖維,表面光滑,有直溝槽的纖維狀結(jié)構(gòu),橫截面為不規(guī)則的幾何形狀;以聚丙烯腈基的碳纖維,表面溝槽沒有前者明顯,較為平滑規(guī)整,橫截面也較為規(guī)整。在復(fù)合材料制備過程中,增強(qiáng)體的比表面積大對粘接強(qiáng)度是有好的作用的。在常見的增強(qiáng)體中,玻璃纖維表面光滑,相對粗糙度小,橫截面為對一般地,增強(qiáng)體比表面積越大,增強(qiáng)體與基體粘接的物理界面越大,粘結(jié)強(qiáng)度高。同時,增強(qiáng)體表面形態(tài)影響到浸潤速度,從而影響到復(fù)合材料的性能。玻璃纖維表面光滑,不利于和樹脂結(jié)合,但易被樹脂浸透,能使纖維間的空隙被樹脂填充的較為密實.而粗糙的表面雖然能與樹脂有較好的機(jī)械結(jié)合,但高粘度的基體有時很難完全浸潤其表面,形成很多空隙,成為應(yīng)力傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。碳纖維復(fù)合材料的界面粘接強(qiáng)度隨纖維表面晶體尺寸的增大而下降,其原因是,隨著纖維石墨化程度提高,晶體晶面增大導(dǎo)致表面更光滑、惰性增加,表面與樹脂粘附性差,界面粘接強(qiáng)度下降.一般地,增強(qiáng)體比表面積越大,增強(qiáng)體與基體粘接的物理界面越大,3.5.1.2增強(qiáng)體表面的極性、均一性、結(jié)晶特性及表面能

增強(qiáng)體表面的極性取決于本身的分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及外場的作用。通常,極性的基體與極性的增強(qiáng)體有較強(qiáng)的界面結(jié)合,因而也就有較強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。同樣,極性的增強(qiáng)體為極性基體浸潤時,也就可能產(chǎn)生較大的浸潤熱。

增強(qiáng)體表面的均一性實質(zhì)上是指增強(qiáng)體表面的活性點分布的均一性。這類活性點的分布影響到增強(qiáng)體表面與基體的結(jié)合效果。

增強(qiáng)體表面的結(jié)晶特性包括表面的結(jié)晶程度及晶體分布狀態(tài),都會影響到界面作用和整體性能。3.5.1.2增強(qiáng)體表面的極性、均一性、結(jié)晶特性及晶體越小,比表面積越大,對與基體結(jié)合有利的的晶棱數(shù)目就越多;同時,也增大了粘接面積。以上特性同時會影響到增強(qiáng)體的表面能,高表面能的增強(qiáng)體與基體形成較強(qiáng)的界面結(jié)合。但應(yīng)注意,對于超微細(xì)粉末填料,超過某一細(xì)度時,可能會有相反表現(xiàn)。

3.5.2增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性與界面結(jié)合增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性對復(fù)合材料的界面粘接效果起著更為重要的作用。增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性包括化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、表面的反應(yīng)特性等,其中增強(qiáng)體的表面反應(yīng)特性是最重要的,它關(guān)系到增強(qiáng)體是否要進(jìn)行表面處理、與基體能否形成化學(xué)結(jié)合、是否容易與環(huán)境接觸反應(yīng)而影響整體性能的穩(wěn)定性。晶體越小,比表面積越大,對與基體結(jié)合有利的的晶棱數(shù)目就越多;纖維表面還可能有吸水現(xiàn)象,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,一旦水侵入界面,會破壞界面粘接,導(dǎo)致材料性能下降;另外,由于吸附水的作用,使纖維表面帶有活性基團(tuán),有助于進(jìn)行表面改性處理,以改善界面粘接性能。對于加入偶聯(lián)劑的體系,粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于增強(qiáng)體表面的偶聯(lián)反應(yīng)性,所以,增強(qiáng)體表面的反應(yīng)性是對界面結(jié)合強(qiáng)度有重要作用的因素。因此,對增強(qiáng)體表面改性(增加反應(yīng)性)是復(fù)合材料獲得良好性能的重要手段。纖維表面還可能有吸水現(xiàn)象,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,一旦水侵入增強(qiáng)體表面處理或涂層要考慮改善浸潤性和防止或控制界面反應(yīng)的作用,最好選擇一種對兩相起隔離并對兩相均有良好相容性的梯度涂層。合金化也可以提供一個良好的界面效果,有防止反應(yīng)或作韌性層的作用。

4.6界面分析技術(shù)簡介復(fù)合材料的性質(zhì)與界面性質(zhì)密切相關(guān),而界面性質(zhì)又取決于界面的結(jié)合狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力狀態(tài)。因而全面確切地表征界面,了解界面性質(zhì)并進(jìn)而控制、設(shè)計界面是改善復(fù)合材料性能的最重要的工作之一。增強(qiáng)體表面處理或涂層要考慮改善浸潤性和防止或控制界面反應(yīng)的作近代眾多先進(jìn)的微區(qū)形貌、結(jié)構(gòu)和成分分析手段可用于復(fù)合材料界面分析,諸如分析電鏡(AEM)、紅外光譜(IR)、X衍射(XRD)、X-熒光分析(XFA)、光電子能譜(ESCA)等方法都得到了廣泛的應(yīng)用。它們對表征偶聯(lián)劑的作用機(jī)理、界面層厚度、界面化學(xué)組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀材料結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)、微區(qū)形貌及破壞機(jī)理分析等可以提供大量有價值的信息。此外,一些常規(guī)的分析也對復(fù)合材料的認(rèn)識有重要作用。評價復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度、應(yīng)力分布狀態(tài)、應(yīng)力傳遞、微區(qū)應(yīng)力分布的宏觀方法有單絲拔脫試驗、層間剪切強(qiáng)度試驗和彎曲強(qiáng)度試驗等。近代眾多先進(jìn)的微區(qū)形貌、結(jié)構(gòu)和成分分析手段可用于復(fù)合材料界面對于透明的樹脂基復(fù)合材料,也可以采用光彈性應(yīng)力分析法、激光微傳感技術(shù)等進(jìn)行觀測。拔脫試驗對于透明的樹脂基復(fù)合材料,也可以采用光彈性應(yīng)力分析法、激光微頂出試驗頂出試驗臨界纖維長度試驗適于熱塑性基體或延伸率較高的基體臨界纖維長度試驗適于熱塑性基體或延伸率較高的基體界面粘結(jié)能測試在澆注體中間開一1.5mm小孔,使其恰好穿過纖維,再對澆注體施壓,使纖維在孔處脫粘,記下此時載荷。然后計算此時的界面粘結(jié)能。界面粘結(jié)能測試

復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合原理是研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性、開拓新材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)。復(fù)合材料性能與結(jié)構(gòu)的協(xié)同相長特性(即復(fù)合后材料性能優(yōu)于每個單獨組分的性能)使復(fù)合材料具備新的特殊性質(zhì)。這種不同性質(zhì)的材料之間的耦合作用是理解復(fù)合材料多性能的基礎(chǔ)。本章將對材料復(fù)合的一般規(guī)律做簡要闡述。復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合原理是研究復(fù)合材料2.1材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)可以分為兩大類:線性效應(yīng)和非線性效應(yīng).這兩類效應(yīng)又可以分為不同的類別:1.線性效應(yīng):1)平均效應(yīng)

2)平行效應(yīng)

3)相補(bǔ)效應(yīng)

4)相抵效應(yīng)2.非線性效應(yīng):1)相乘效應(yīng)

2)誘導(dǎo)效應(yīng)

3)共振效應(yīng)

4)系統(tǒng)效應(yīng)2.1材料的復(fù)合效應(yīng)一、平均效應(yīng):是復(fù)合材料最典型的一種效應(yīng).可以表示為:Pc=PmVm+PfVf式中,P為材料性能,V為材料體積含量,角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體(或功能體).例如復(fù)合材料的彈性模量E,若用此混合率表示,則為:E=EmVm+EfVf二、平行效應(yīng):組成復(fù)合材料的各組分在復(fù)合后均保留原來本身的特性作用,既無制約,也無補(bǔ)償.對于增強(qiáng)體與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料,可以出現(xiàn)平行效應(yīng).三、相補(bǔ)效應(yīng):基體和增強(qiáng)體性能互補(bǔ),整體性能提高.對于脆性的高強(qiáng)度纖維與韌性基體復(fù)合,結(jié)合適宜時可以產(chǎn)生相補(bǔ)效應(yīng).一、平均效應(yīng):是復(fù)合材料最典型的一種效應(yīng).可以表示為:四、相抵效應(yīng):基體與增強(qiáng)體性能相互制約,限制了整體性能的提高.如脆性的纖維與韌性基體復(fù)合當(dāng)結(jié)合很強(qiáng)時,則材料整體容易脆性斷裂.五、相乘效應(yīng):兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合即可產(chǎn)生相乘效應(yīng).如把具有電磁效應(yīng)的材料與具有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合,即可產(chǎn)生電光效應(yīng).通??梢园岩环N具有性能轉(zhuǎn)換效應(yīng)的功能材料X/Y與另外一種換能材料Y/Z復(fù)合,得到新的功能材料.用下式可以表示之:

X/Y·Y/Z=X/Z四、相抵效應(yīng):基體與增強(qiáng)體性能相互制約,限制了整體性能的提高復(fù)合材料原理3課件六、誘導(dǎo)效應(yīng):在一定條件下,復(fù)合材料的一個組分可以通過誘導(dǎo)作用使另一組分的結(jié)構(gòu)改變從而改變整體材料的性能.如結(jié)晶的纖維對非晶基體有誘導(dǎo)結(jié)晶作用.七、共振效應(yīng):兩個相鄰材料在一定條件下會產(chǎn)生機(jī)械的或電的磁的共振.因此,復(fù)合材料的固有頻率會不同于原組分的固有頻率.利用這種效應(yīng),可以根據(jù)外來的工作頻率,改變復(fù)合材料的固有頻率,達(dá)到避免破壞或吸波的目的.八、系統(tǒng)效應(yīng):這是材料中的一種復(fù)雜效應(yīng),機(jī)理尚不很清楚,由多種原因形成.如交替疊層鍍膜的硬度大于各單一鍍膜的硬度.六、誘導(dǎo)效應(yīng):在一定條件下,復(fù)合材料的一個組分可以通過誘導(dǎo)作2.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果2.2.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分相組成,組分相由其性質(zhì)、形態(tài)和分布狀態(tài)的不同,可以形成不同的結(jié)構(gòu)類型.對于不同類型復(fù)合體系,需要首先引入連通性的概念:復(fù)合體系中的任何相,在空間的零維、一維、二維或三維方向上是相互連通的,因而任意彌散和孤立的顆粒的連通性為0,是零維材料,纖維的連通性為1,是一維材料,片狀材料為二維,連通的基體為三維.2.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果根據(jù)增強(qiáng)體和基體以不同連接方式復(fù)合所得到的連通性,可以得到如下結(jié)果:對兩相復(fù)合體系,有10種可能的連通性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(0-0,0-1,0-2,0-3,1-1,1-2,1-3,2-2,2-3,3-3).由三個相組成的復(fù)合體系,有20種連通性.四個相時可能存在35種連通性.復(fù)合材料含有n個組分相時,可能的連通結(jié)構(gòu)種類數(shù)為:

Cn=(n+3)!/n!3!根據(jù)增強(qiáng)體和基體以不同連接方式復(fù)合所得到的連通性,可以得到如復(fù)合材料原理3課件2.2.2材料的復(fù)合效果對于不同組分形成的復(fù)合材料,根據(jù)組分本身的特點和復(fù)合特點,對材料產(chǎn)生不同的復(fù)合效果,大致可以歸結(jié)為以下幾個方面:2.2.2.1組分效果:在組分的物理性能確定的情況下,僅僅把相對組成作為變量,不考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等因素的影響.復(fù)合材料的相對組成,通常用到體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等.平均效應(yīng)就是組分效果的一級近似.即復(fù)合材料的某一性能是各組分性能按體積分?jǐn)?shù)的平均值.復(fù)合材料的密度和比熱容等往往是符合組分效果.2.2.2材料的復(fù)合效果對于不同組分形成的復(fù)合材料,根據(jù)組2.2.2.2結(jié)構(gòu)效果:是指復(fù)合材料性能用組分性能描述時,同時考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度的因素.結(jié)構(gòu)效果可以分為以下幾種類型;1)幾何形態(tài)效果(形狀效果)該效果也可以表示出相的連續(xù)和不連續(xù)效果.對于結(jié)果效果,起決定作用的因素是連續(xù)相.2)分布狀態(tài)效果(取向效果)

不僅包括幾何體取向,有時還要考慮到物理性能的取向.3)尺度效果分散相尺度的變化會導(dǎo)致其表面性能的變化,從而使復(fù)合材料的性能發(fā)生變化.2.2.2.3界面效果

界面效果是主要的復(fù)合效果,只有好的界面效果存在,才能充分發(fā)揮復(fù)合的優(yōu)越性.界面結(jié)構(gòu)的變化會引起復(fù)合材料性能的變化.2.2.2.2結(jié)構(gòu)效果:是指復(fù)合材料性能用組分性能描述時,例如:在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂中,當(dāng)玻璃纖維用不同處理劑處理時,復(fù)合材料在承受相同應(yīng)力下,其中的玻璃纖維承受的應(yīng)力卻不同。這說明,不同的界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力不同。例如:在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂中,當(dāng)玻璃纖維用不同處理劑2.3復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律2.3.1復(fù)合材料模型材料模型的建立,對材料性能分析和材料設(shè)計有重要作用,根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)的特點,經(jīng)過分析抽象,建立材料的微觀結(jié)構(gòu)模型,通過影響因素分析,可以總結(jié)確定材料的性能.所以,建立一個能包含主要影響因素,顯示材料真實性能、容易得到確定結(jié)果的材料模型對材料性能分析和材料設(shè)計是非常重要的.復(fù)合材料原理3課件建立材料的微觀模型包含兩個方面:一是材料的幾何模型;二是材料的物理模型,即計算場量的理論和方法.建立材料復(fù)合模型時需要注意的問題:首先,適當(dāng)考慮復(fù)合材料的各向異性,利用材料的對稱性,確立坐標(biāo)系和主軸方向,在該主軸方向,性能表達(dá)最簡單,最易求解.其次,確立結(jié)構(gòu)模型時,主要以材料的相幾何形態(tài)和性能規(guī)律為依據(jù),相幾何形態(tài)必須充分表達(dá)實際材料的幾何形態(tài),組分含量必須與實際相同,組分相的狀態(tài)分布采用統(tǒng)計特征.有時還要考慮相間作用因素.建立材料的微觀模型包含兩個方面:物理模型的建立,往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù),針對某一物理性能和結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行場量計算.在討論物理模型時,重要的是利用相結(jié)構(gòu)的對稱性等特征進(jìn)行簡化;利用組分物理性能差異進(jìn)行簡化,如纖維軸向強(qiáng)度顯著大于基體強(qiáng)度而可以忽視基體強(qiáng)度;根據(jù)物理性質(zhì)特點進(jìn)行簡化,如有時界面對某種性能作用不顯著時,可以忽略.建立模型時的簡化假設(shè)是必要的,以單向復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析模型為例,可以歸結(jié)為四個方面,即單元體,增強(qiáng)體,基體和復(fù)合界面.對這四個方面的基本假定如下,根據(jù)分析需要,還可增加簡化假設(shè).物理模型的建立,往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù),針對某一物理性能和結(jié)構(gòu)

單元體:宏觀均勻,無缺陷,增強(qiáng)體與基體性能恒定,

線彈性.

增強(qiáng)體:勻質(zhì),各向同性,線彈性,定向排列,連續(xù).

基體:勻質(zhì),各向同性,線彈性.

界面:粘結(jié)完好(無孔隙,滑移,脫粘等),變形協(xié)調(diào).根據(jù)復(fù)合材料中組分的幾何形態(tài),常見幾何結(jié)構(gòu)模型有:2.3.1.1同心球殼模型主要針對0-3型復(fù)合材料,增強(qiáng)體為不連續(xù)相,基體為連續(xù)相.此種材料具有各向同性的特點.2.3.1.2同軸圓柱模型適合于1-3型復(fù)合材料2.3.1.3片狀模型適合于2-2,2-3型復(fù)合材料,以及鑲嵌式的3-3型復(fù)合材料.單元體:宏觀均勻,無缺陷,增強(qiáng)體與基體性能恒定,

2.3.2復(fù)合材料性質(zhì)對于宏觀性能,可以將性質(zhì)分為以下類別:2.3.2.1固有性質(zhì)是指復(fù)合材料在各相之間不互相作用所表現(xiàn)出來的性質(zhì).這類性質(zhì)往往是材料性質(zhì)的直觀表現(xiàn),如密度等.

固有性質(zhì)在復(fù)合前后,其物質(zhì)量和能量的總量不變.此時,復(fù)合材料的性質(zhì)是各組分按含量的加和,符合混合率.2.3.2.2傳遞性質(zhì)

指材料在外作用場作用時,表征某通量通過材料的阻力大小的物理量.如導(dǎo)熱系數(shù)等.2.3.2復(fù)合材料性質(zhì)

最簡單的傳遞方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,復(fù)雜的可能有多種組合方式.2.3.2.3強(qiáng)度性質(zhì)是材料承受外作用場極限能力的表征.如機(jī)械強(qiáng)度等.

對于非勻質(zhì)的復(fù)合材料,材料的承載能力不是各組分承載能力的疊加,而與外場的分布,組分間作用,相含量,幾何狀態(tài)等因素有關(guān).2.3.2.4轉(zhuǎn)換性質(zhì)是指材料在一種外場的作用下,轉(zhuǎn)換產(chǎn)生另一種新場量.如電-熱,熱-光等.

相乘效應(yīng)是典型的轉(zhuǎn)換性質(zhì)體現(xiàn).轉(zhuǎn)換性質(zhì)比較復(fù)雜,要綜合分析.最簡單的傳遞方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,復(fù)雜的可能有多種組3.5增強(qiáng)體表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響復(fù)合材料中,增強(qiáng)體表面特性是影響復(fù)合材料界面特性和材料總體性能的重要因素,它通常指兩個方面,即增強(qiáng)體表面的物理特性和增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性3.5增強(qiáng)體表面特性3.5.1增強(qiáng)體表面的物理特性與界面結(jié)合增強(qiáng)體表面的物理特性主要是指其比表面積及表面形態(tài)結(jié)構(gòu)及表面能,通常涉及比表面積、多孔性、表面極性、表面結(jié)構(gòu)的均一性,表面的結(jié)晶特性和表面能。

3.5.1.1比表面積及多孔性增強(qiáng)體的巨大的比表面積是導(dǎo)致復(fù)合材料中巨大的界面存在并引起界面效應(yīng)的根本所在。增強(qiáng)體表面存在部分孔隙,孔隙中存在氣體,復(fù)合時部分孔隙被基體填充,呈機(jī)械鑲嵌的結(jié)合狀態(tài)。復(fù)合材料原理3課件在常見的增強(qiáng)體中,玻璃纖維表面光滑,相對粗糙度小,橫截面為對稱圓形;硼纖維有類似玉米棒表面狀態(tài)的結(jié)構(gòu),表面相對光滑,比表面積較小,纖維的橫截面為復(fù)合結(jié)構(gòu)碳化硅鎢絲表面呈凹谷狀,但還平滑,有較大的纖維直徑,較小的比表面積,橫截面為規(guī)則圓形,內(nèi)芯為鎢絲,外圓為碳化硅;以粘膠絲基的碳纖維,表面光滑,有直溝槽的纖維狀結(jié)構(gòu),橫截面為不規(guī)則的幾何形狀;以聚丙烯腈基的碳纖維,表面溝槽沒有前者明顯,較為平滑規(guī)整,橫截面也較為規(guī)整。在復(fù)合材料制備過程中,增強(qiáng)體的比表面積大對粘接強(qiáng)度是有好的作用的。在常見的增強(qiáng)體中,玻璃纖維表面光滑,相對粗糙度小,橫截面為對一般地,增強(qiáng)體比表面積越大,增強(qiáng)體與基體粘接的物理界面越大,粘結(jié)強(qiáng)度高。同時,增強(qiáng)體表面形態(tài)影響到浸潤速度,從而影響到復(fù)合材料的性能。玻璃纖維表面光滑,不利于和樹脂結(jié)合,但易被樹脂浸透,能使纖維間的空隙被樹脂填充的較為密實.而粗糙的表面雖然能與樹脂有較好的機(jī)械結(jié)合,但高粘度的基體有時很難完全浸潤其表面,形成很多空隙,成為應(yīng)力傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。碳纖維復(fù)合材料的界面粘接強(qiáng)度隨纖維表面晶體尺寸的增大而下降,其原因是,隨著纖維石墨化程度提高,晶體晶面增大導(dǎo)致表面更光滑、惰性增加,表面與樹脂粘附性差,界面粘接強(qiáng)度下降.一般地,增強(qiáng)體比表面積越大,增強(qiáng)體與基體粘接的物理界面越大,3.5.1.2增強(qiáng)體表面的極性、均一性、結(jié)晶特性及表面能

增強(qiáng)體表面的極性取決于本身的分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及外場的作用。通常,極性的基體與極性的增強(qiáng)體有較強(qiáng)的界面結(jié)合,因而也就有較強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。同樣,極性的增強(qiáng)體為極性基體浸潤時,也就可能產(chǎn)生較大的浸潤熱。

增強(qiáng)體表面的均一性實質(zhì)上是指增強(qiáng)體表面的活性點分布的均一性。這類活性點的分布影響到增強(qiáng)體表面與基體的結(jié)合效果。

增強(qiáng)體表面的結(jié)晶特性

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