復(fù)合材料原理

第2章復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)

2011-9-23復(fù)合材料原理提綱一、材料的復(fù)合效應(yīng)二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果三、復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的組成基體Matrix增強(qiáng)體Reinforcement界面Interface材料復(fù)合遵循一定的共同規(guī)律一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)是組分材料及組分間界面相互作用、相互依存、相互補(bǔ)充的結(jié)果。復(fù)合效應(yīng)使復(fù)合材料在保持原組分性能的基礎(chǔ)上，還增添了原組分沒有的性能。表現(xiàn)為復(fù)合材料的性能在其組分材料基礎(chǔ)上的線性和非線性的綜合。復(fù)合效應(yīng)有正有負(fù)，復(fù)合后某些性能抵消甚至降低的現(xiàn)象是不可避免的。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------平均效應(yīng)復(fù)合材料最典型的一種復(fù)合效應(yīng)。表示為：

Pc=PmVm+PfVfP-材料性能，V-材料體積含量

c-composite;m-matrix;f-filler

如：彈性模量Ec=EmVm+EfVf

密度ρc=ρmVm+ρfVf一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------平行效應(yīng)各組分在復(fù)合材料中均保留自身的作用，既無制約，也無補(bǔ)償。復(fù)合材料的某項(xiàng)性能與其中某一組分的該項(xiàng)性能基本相當(dāng)

Kc≌Ki

如：增強(qiáng)體(如纖維)與基體界面結(jié)合很弱時(shí)，復(fù)合材料顯示平行效應(yīng)。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相補(bǔ)效應(yīng)基體與增強(qiáng)體在性能上互補(bǔ)。復(fù)合材料各組分復(fù)合后相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)各自弱點(diǎn)，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。C=A×B例：脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性樹脂基體若能得到適宜的結(jié)合，復(fù)合材料性能表現(xiàn)為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相抵效應(yīng)基體與增強(qiáng)體性能相互制約，則復(fù)合后顯示出相抵效應(yīng)。其性能低于混合物定律預(yù)測值。

Pc<ΣPiφi

例：纖維增強(qiáng)體經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，拉伸強(qiáng)度可提高30-40％，表現(xiàn)為互補(bǔ)效應(yīng)。但當(dāng)兩者界面結(jié)合很強(qiáng)時(shí)，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合在一起，可發(fā)生相乘效應(yīng)。又叫乘積效應(yīng)/傳遞特性/交叉耦合效應(yīng)。例：對材料輸入X時(shí)輸出為Y，即轉(zhuǎn)換功能材料Y/X(如磁場／壓力的換能材料)；對第二種材料的輸入Y，產(chǎn)生輸出Z，即為第二種換能材料Z／Y。兩種材料復(fù)合得出新的機(jī)能材料，即Y／X?Z／Y＝Z／X。乘積效應(yīng)有助于開發(fā)新型功能材料，不僅可獲得比單一材料更強(qiáng)的性能，還可創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應(yīng)。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)A相性質(zhì)X/YB相性質(zhì)Y/Z復(fù)合后相乘性質(zhì)X/Y?Y/Z＝X/Z壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)壓電效應(yīng)磁致伸縮熱致變形光導(dǎo)效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁電效應(yīng)場致發(fā)光效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)電致效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓電效應(yīng)壓力發(fā)光效應(yīng)磁阻效應(yīng)熱敏電阻效應(yīng)光致伸縮效應(yīng)一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)壓電效應(yīng)在外加應(yīng)力作用下，產(chǎn)生電荷，或在電場作用下產(chǎn)生形變的一種功能材料。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖F－＋逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線－形變前，虛線－形變后）一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)

點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器：壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，有一塊壓電陶瓷，按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，將電能引向燃?xì)獬隹诜烹?，燃?xì)獗浑娀鸹c(diǎn)燃。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警器裝置，也稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。原理：利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷加一電信號，產(chǎn)生機(jī)械振動而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于壓電陶瓷時(shí)，則有電信號輸出，通過數(shù)據(jù)處理時(shí)間差測距，計(jì)算顯示車與障礙物的距離及危險(xiǎn)相撞時(shí)報(bào)警，可準(zhǔn)確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實(shí)用性相當(dāng)強(qiáng)。一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------相乘效應(yīng)壓電阻尼效應(yīng)一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------誘導(dǎo)效應(yīng)組分A通過誘導(dǎo)效應(yīng)使組分B的結(jié)構(gòu)改變而改變整體性能或產(chǎn)生新的效應(yīng)。例：結(jié)晶纖維增強(qiáng)體對非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基體的晶形取向作用。PPPP-CaCO3一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------共振效應(yīng)由不同組分組成的復(fù)合材料，其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當(dāng)復(fù)合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，復(fù)合材料的固有頻率也會發(fā)生改變。例如:船體軸系減震

一、材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)------系統(tǒng)效應(yīng)這是一種材料的復(fù)雜效應(yīng)，目前為止，這一效應(yīng)機(jī)理尚不很清楚，但在實(shí)際已發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的存在。

例：交替疊層膜的硬度大于原單一鍍膜的硬度和按線性混合率的估算值。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料連通性的概念復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型材料的復(fù)合效果二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料連通性的概念分散相：以獨(dú)立形態(tài)分布于整個(gè)連續(xù)相中的相稱為分散相，組成分散相的物質(zhì)稱為分散質(zhì)。分散相一般是增強(qiáng)體或功能體。連續(xù)相：基體一般是連續(xù)相。(d)40vol%PMN(×1000)(b)20vol%PMN(×1000)二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料連通性的概念連通性的概念①基本思想：復(fù)合體系中的任何相，在空間的0維、1維、2維或3維方向上是相互連通的。

②彌散和孤立顆粒的連通性為0，是0維材料；纖維狀材料的連通性為1，是1維材料；相應(yīng)的片狀材料連通性為2，是2維材料；基體為網(wǎng)絡(luò)狀的3維連通，是3維材料。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料連通性的概念例:1維連通2維連通3維連通二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型兩相復(fù)合體系0－0,0－1,0－2,0－3,1－1,1－2,1－3,2－2,2－3,3－3三相復(fù)合體系

0－0－1,0－1－1,1－2－3…….20種多相復(fù)合體系二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型典型兩相復(fù)合材料結(jié)構(gòu)二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型①0-3型結(jié)構(gòu)：基體為3維連續(xù)相，增強(qiáng)體或功能體以0維微粒分布在基體中。②1-3型結(jié)構(gòu)：基體為3維連續(xù)相，增強(qiáng)體或功能體為纖維狀1維材料。(b)20vol%PMN(×1000)？二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型③2-2型結(jié)構(gòu)：兩種組分皆呈層狀疊合而成的多層結(jié)構(gòu)。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型④2-3型結(jié)構(gòu)：基體為3維連續(xù)相，增強(qiáng)體或功能體為2維結(jié)構(gòu)的片狀材料。增強(qiáng)體可隨機(jī)，也可按一定方向取向分布于基體中。⑤3-3型結(jié)構(gòu)：基體相為3維連續(xù)相，增強(qiáng)體或功能體為3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)鑲嵌在基體之中。纖維的3維編織物與基體形成的纖維復(fù)合材料是典型3-3結(jié)構(gòu)。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果組分效果結(jié)構(gòu)效果界面效果

二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------組分效果組分效果只把組分的相對組成作為變量，不考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等復(fù)雜變量影響時(shí)產(chǎn)生的效果。相對組成：體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝V1/VC，＝m1/mC

例:密度、比熱、導(dǎo)電性、吸波性、阻燃性

二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------組分效果典型模型單向板的纖維分布

2r2R2rs2Rs二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------結(jié)構(gòu)效果復(fù)合材料性能用組分性能和組成來描述時(shí)，必須考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等可變因素產(chǎn)生的效果。

①幾何形態(tài)（形狀）：流動性與粘度

②分布狀態(tài)：纖維方向性與材料性能

③尺度：納米復(fù)合材料

二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------結(jié)構(gòu)效果

①幾何形態(tài)（形狀）礦物纖維微觀結(jié)構(gòu)礦物纖維二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------結(jié)構(gòu)效果YNFWH101系列活性高長徑比針狀硅灰石（礦物纖維增強(qiáng)材料）：以天然纖維狀硅灰石礦石為原料，通過針狀晶型保護(hù)技術(shù)及纖維表面包覆技術(shù)制備，高長徑比、高活性，與樹脂相容性好，在

PP、PA66、

PET、

ABS等熱塑性塑料中有明顯的增強(qiáng)效果。

在PP中應(yīng)用：加工中能保持針狀晶型，用量達(dá)50％，性能介于傳統(tǒng)剛性粒子填料（碳酸鈣、滑石粉等）與玻纖之間，類似于短切玻纖。用于生產(chǎn)高填充PP、高模量PP及與玻纖摻混增強(qiáng)PP，與玻纖摻混能解決玻纖取向性問題。

在擠出造粒過程中流動性好，對設(shè)備的磨損小，擠出造粒及注射成型過程中加工性能優(yōu)良，制品表面光滑度好，可有效解決玻纖外露等問題。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------結(jié)構(gòu)效果②分布狀態(tài)玻璃鋼玻璃纖維的不同排列方式玻璃纖維與熱固性樹脂粘合而成的復(fù)合材料力學(xué)性能玻璃纖維和樹脂的性能玻璃纖維和樹脂的用量材料結(jié)合方式二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------結(jié)構(gòu)效果③尺度從材料結(jié)構(gòu)單元和尺度，增強(qiáng)顆粒尺度為1-50μm的叫顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，0.01~1μm尺度增強(qiáng)的叫分散強(qiáng)化(彌散強(qiáng)化)復(fù)合材料。納米級叫納米復(fù)合材料，其強(qiáng)化原理不同。二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------界面效果界面效果界面是影響基體與增強(qiáng)體或功能體復(fù)合效果的主要因素。界面結(jié)構(gòu)(物理和化學(xué)結(jié)構(gòu))的變化會引起復(fù)合材料性能的明顯變化。

界面處理與否對復(fù)合材料性能影響巨大例:金屬基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料碳纖維樹脂基復(fù)合材料二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------界面效果玻纖與基體結(jié)合好，纖維拔出較少a玻纖增強(qiáng)PP（加入MPP相容劑）的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片二、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果材料的復(fù)合效果------界面效果大量玻纖從基體中拔出，與基體的粘接性較差，體系力學(xué)性能不高。（b）未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系三、復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律材料模型

根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)特點(diǎn)，分析、抽象、簡化，建立分析性能的材料微觀結(jié)構(gòu)模型；運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)有關(guān)理論，確定在給定宏觀作用場下，組分微觀作用場和影響場，得到宏觀響應(yīng)場。是材料科學(xué)性能研究的一般方法。根據(jù)宏觀作用場和響應(yīng)場的關(guān)系，可確定復(fù)合材料的性能。三、復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律復(fù)合材料模型材料微觀模型：幾何結(jié)構(gòu)模型、物理模型

常見幾何模型：

①同心球殼模型：0-3型復(fù)合材料

②同軸圓柱模型：1-3型復(fù)合材料③片狀模型：2-2、2-3型復(fù)合材料根據(jù)模型，可求出各組分體積分?jǐn)?shù)Vf，ViVmf-filler,m-matrix,i-interface三、復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律復(fù)合材料模型建立材料模型注意的問題：坐標(biāo)系的確立，通常選材料的主軸方向建立結(jié)構(gòu)模型時(shí)，主要以材料的相幾何形態(tài)和性能規(guī)律為依據(jù)模型中組分含量必須與實(shí)際材料組分含量相同組分相的狀態(tài)分布，往往采用統(tǒng)計(jì)的特征三、復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律復(fù)合材料性質(zhì)與一般規(guī)律

從材料宏觀性能，可將材料性質(zhì)分成：

①固有性質(zhì)

②傳遞性質(zhì)