1、南京工业大学Nanjing University of Technology材料复合原理材料复合原理陆春华陆春华E-mail:chhlu2019hotmailTel:13951739343第一章第一章 绪论绪论a)a)什么是复合材料什么是复合材料?b)b)为何要进行多种材料的复合？为何要进行多种材料的复合？c)c)复合材料发展需求体现？复合材料发展需求体现？d)d)复合材料具体有哪些类型？复合材料具体有哪些类型？1.1 有关复合材料的几个基本问题有关复合材料的几个基本问题第一章第一章 绪论绪论(1)(1)什么是复合材料什么是复合材料?国际标准化组织的定义国际标准化组织的定义:复合材料是由两种或
2、两种以上物理和化复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成而成的一种多种固体学性质不同的物质组成而成的一种多种固体材料。材料。第一章第一章 绪论绪论(2)(2)为何要进行多种材料的复合？有什么好处？为何要进行多种材料的复合？有什么好处？各个组分取长补短、各个组分取长补短、刚柔相济刚柔相济，发挥协同作用，使，发挥协同作用，使材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。三峡大坝三峡大坝长江二桥长江二桥第一章第一章 绪论绪论(2)(2)为何要进行多种材料的复合？有什么好处？为何要进行多种材料的复合？有什么好处？各个组分取长补短，各个组分取长
3、补短，功能互补功能互补，发挥协同作用，使，发挥协同作用，使材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。材料综合性能优于原组成材料而满足各种不同要求。纳米石墨烯纳米石墨烯石墨烯导电薄膜石墨烯导电薄膜(3)(3)复合材料发展需求体现？复合材料发展需求体现？衣、食、住、行等生存的根本需求衣、食、住、行等生存的根本需求 科学技术发展的内在需求科学技术发展的内在需求 探索大自然与宇宙的重要需求探索大自然与宇宙的重要需求第一章第一章 绪论绪论1、生活领域2、资源、能源领域3、信息领域4、国防安全与空间技术（1 1）生活领域）生活领域a.a.复合材料轻质高强、隔音隔热、减振降噪，复合材料轻质高强、隔音隔热
4、、减振降噪，可提高生活舒适性；可提高生活舒适性；b.b.复合材料抗冲击与吸收冲击能量好，可用复合材料抗冲击与吸收冲击能量好，可用于航空、交通、抗震等领域，保障安全性；于航空、交通、抗震等领域，保障安全性；c.c.新型生物功能材料、人造器官可延长寿命，新型生物功能材料、人造器官可延长寿命，提高健康水平。提高健康水平。第一章第一章 绪论绪论(4)(4)复合材料具体有哪些类型？复合材料具体有哪些类型？四大基本材料：四大基本材料：第一章第一章 绪论绪论无机材料（水泥,玻璃,陶瓷）有机材料金属材料碳材料 无机非金属基复合材料（无机非金属基复合材料（陶瓷、水泥，等）陶瓷、水泥，等）聚合物基复合材料（树脂、
5、橡胶，等）聚合物基复合材料（树脂、橡胶，等）金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等）金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等）碳炭复合材料碳炭复合材料第一章第一章 绪论绪论(4)(4)复合材料具体有哪些类型？复合材料具体有哪些类型？结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、金属、颗粒）金属、颗粒）功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声学、生物、仿生，等等）学、生物、仿生，等等）第一章第一章 绪论绪论(4)(4)复合材料具体有哪
6、些类型？复合材料具体有哪些类型？1.2 复合材料未来发展新领域复合材料未来发展新领域2 2）纳米复合材料）纳米复合材料3 3）仿生复合材料）仿生复合材料1 1）多功能，机敏、智敏复合材料）多功能，机敏、智敏复合材料第一章第一章 绪论绪论l 多功能，机敏、智敏复合材料多功能，机敏、智敏复合材料1.2 复合材料发展新领域复合材料发展新领域智能服装智能服装:随心情起伏而变色随心情起伏而变色变色机器人，变色机器人，30秒伪装秒伪装 第一章第一章 绪论绪论l 多功能，机敏、智敏复合材料多功能，机敏、智敏复合材料新型的可变色的聚合物基复合材料新型的可变色的聚合物基复合材料（聚丁二炔脂质体（聚丁二炔脂质体/
7、两亲性聚合物两亲性聚合物)第一章第一章 绪论绪论1.2 复合材料发展新领域复合材料发展新领域1.3 基础理论、设计以及制备方法发展基础理论、设计以及制备方法发展(1)(1)复合材料基础理论复合材料基础理论 包括：材料界面研究、材料可靠性研究包括：材料界面研究、材料可靠性研究 (2)复合材料新的设计和制备方法复合材料新的设计和制备方法 包括：新设计方法，如虚拟设计；包括：新设计方法，如虚拟设计；新制备方法，如梯度复合、仿生制备等。新制备方法，如梯度复合、仿生制备等。第一章第一章 绪论绪论本课程考核方法：本课程考核方法：l 学习环节：平时学习环节：平时 测验测验 +期末考试期末考试平时测验：平时测
8、验：1次次/4周，总共周，总共4次次 计计入总成绩入总成绩占占20%期末考试：开卷期末考试：开卷 +闭卷，闭卷，计入总成绩占计入总成绩占70%l 实践环节：期末专题实践环节：期末专题PPT报告报告 计入总成绩占计入总成绩占10%第一章第一章 绪论绪论1、材料复合内涵与需求、材料复合内涵与需求2、复合材料分类、复合材料分类3、复合材料应用领域、复合材料应用领域简要回顾简要回顾:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理基本要求基本要求:了解：了解：复合材料性质与一般规律。熟悉：材料的复合复合材料性质与一般规律。熟悉：材料的复合效应，材料的复合效果，复合材料的结构类型，复效应，材料的复合效果，复合
9、材料的结构类型，复合材料的模型。合材料的模型。重点重点:复合效应，复合材料结构类型，复合效果。复合效应，复合材料结构类型，复合效果。难点难点:复合材料性质与一般规律，复合材料的结构类型复合材料性质与一般规律，复合材料的结构类型。1、什么是复合效果？、什么是复合效果？2、复合效应的本质是什么？、复合效应的本质是什么？3、复合效应有哪些具体的类型？、复合效应有哪些具体的类型？需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理1、什么是复合效果？将将A、B两种材料复合起来，既能得到两种材料复合起来，既能得到A组组分的性能特征，又具有分的性能特征，又具有B组分的性能特征
10、这样组分的性能特征这样的一种效果，称为复合效果。的一种效果，称为复合效果。需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理1、什么是复合效果？需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理纳米石墨烯导电、纳米石墨烯导电、无法自支撑无法自支撑透明导电薄膜透明导电薄膜塑料薄膜透明、塑料薄膜透明、不导电不导电1、什么是复合效果？需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理玻纤柔韧、强度高玻纤柔韧、强度高玻璃钢缠绕管道：玻璃钢缠绕管道：轻质、高强轻质、高强2、复合效应的本质是什么？复合效应本质上
11、是复合效应本质上是组分组分A A、B B的性能，及两的性能，及两者间形成的界面性能，相互作用、相互补充者间形成的界面性能，相互作用、相互补充，使得复合材料使得复合材料在其组分材料性能的基础上在其组分材料性能的基础上产生产生线性和非线性线性和非线性的特性的特性。需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2、复合效应的本质是什么？复合效应复合效应有正、有负有正、有负，即不同组分复合后，即不同组分复合后，有些性能得到提高，有些性能则可能出现降低有些性能得到提高，有些性能则可能出现降低甚至抵消的现象。甚至抵消的现象。需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：第二章
12、第二章 材料的复合原理材料的复合原理3、复合效应有哪些类型？需要了解的基本概念：需要了解的基本概念：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相乘效应相乘效应平行效应平行效应诱导效应诱导效应相补效应相补效应共振效应共振效应相抵效应相抵效应系统效应系统效应第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）平均效应（加合效应、混合效应）iiCPPiiCPP/1（并联模型）（并联模型）（串联模型）（串联模型）其中：其中：PC为复合材料的某项性能；为复合材料的某项性能；i i为组分为组分i的体积分数；
13、的体积分数；Pi为组分为组分i与对应的性能。与对应的性能。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：iiCPP（并联模型）（并联模型）适用对象适用对象:复合材料的复合材料的密度密度、单向纤维复合材料的、单向纤维复合材料的纵向杨氏模纵向杨氏模量、纵向泊松比量、纵向泊松比等等。等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、线性效应一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）平均效应（加合效应、混合效应）iiCPP/1（串联模型）（串联模型）适用对象：适用对象：串联模型适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量和串联模型适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量
14、和横向泊松比和纵向剪切模量等等。横向泊松比和纵向剪切模量等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）平均效应（加合效应、混合效应）iiCnnPP其中：当其中：当n介于介于1，-1之间时，可以用来描述复合材料的某项之间时，可以用来描述复合材料的某项性能（如介电常数、热传导率等等）随体积分数变化的规律。性能（如介电常数、热传导率等等）随体积分数变化的规律。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（1）平均效应（加合效应、混合效应）
15、平均效应（加合效应、混合效应）最简单的线性效应，主要是指最简单的线性效应，主要是指复合材料的某项复合材料的某项性能与其中某一组分的性能基本相当性能与其中某一组分的性能基本相当。iCPP 举例：举例：玻纤增强环氧树脂复合材料玻纤增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当。蚀性能基本相当。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（2）平行效应）平行效应玻璃钢玻璃钢防腐管道防腐管道材料各组份复合后，在性能上相互补充，从而材料各组份复合后，在性能上相互补充，从而提高了复合材料的整体性能。提
16、高了复合材料的整体性能。其中：C为复合材料某项性能，其主要取决于组分A和组分B的该项性能。当组分A和组分B的该项性能均具有优势时，则在复合材料中获得相互补充。BAC举例举例：脆性的高强度纤维增强体脆性的高强度纤维增强体与与韧性基体韧性基体通过适当的复合，通过适当的复合，复合材料的性能就表现为两者的互补。复合材料的性能就表现为两者的互补。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（3）相补效应）相补效应基体与增强体组成复合材料后，组分之间在基体与增强体组成复合材料后，组分之间在性性能上相互制约能上相互制约，限制了整体性能的提高限制了
17、整体性能的提高。举例：举例：脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过强界面复合后，脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过强界面复合后，复合材料的性能就表现为脆性断裂。复合材料的性能就表现为脆性断裂。iiCPP第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：一、线性效应一、线性效应（3）相抵效应）相抵效应二、非线性效应二、非线性效应（1）相乘效应）相乘效应基本原理：基本原理：具有转换效应具有转换效应X/Y的材料的材料A，与具有转换效应，与具有转换效应Y/Z的材料的材料B复合后，复合后，由于由于A，B组份间的组份间的协同作用就会具有就会具有X/Z效应效应。ZXZYYX第
18、二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。生相乘效应。二、非线性效应（1）相乘效应）相乘效应 相乘效应存在一个相乘效应存在一个耦合函数耦合函数F，即，即 其中：fA、fB、fC 分别为X/Y、Y/Z以及X/Z的换能效率。CBAffFf F=1F=1时，表示完全耦合；时，表示完全耦合；由于耦合作用受到复合材料相组成以及相界面的传递效率等因素影由于耦合作用受到复合材料相组成以及相界面的传递效率等因素影响，实际耦合因子响，实际耦合因子F F往往小于往往小于1 1。第二章第
19、二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：二、非线性效应二、非线性效应（1）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复合后的性质复合后的性质X/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熱熱致变形效应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第二
20、章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：二、非线性效应二、非线性效应（2）诱导效应）诱导效应 在一定条件下，复合材料两个组分的界面上，某一组分通过诱导作在一定条件下，复合材料两个组分的界面上，某一组分通过诱导作用使得另一组分的结构发生改变，因而改变材料整体性能或产生新的效用使得另一组分的结构发生改变，因而改变材料整体性能或产生新的效应。应。典型案例：结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或使得基体的晶形发生取向作用。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：二、非线性效应二、非线性效应（3）共振效应（强选择效应）共振效
21、应（强选择效应）某材料组分具有一系列性能，当与另一组分复合后，该组分的某一性某材料组分具有一系列性能，当与另一组分复合后，该组分的某一性能得到突出发挥，而其他性能受到很大抑制。能得到突出发挥，而其他性能受到很大抑制。适用范围：适用范围：复合材料固有频率不同于原组分固有频率，复合材料固有频率不同于原组分固有频率，当复合材料的结构产生变化时，材料固有频当复合材料的结构产生变化时，材料固有频率也会产生相应变化。率也会产生相应变化。利用这种效应可以通利用这种效应可以通过改变复合材料的结构避免共振现象对材料过改变复合材料的结构避免共振现象对材料的破坏作用或者实现对特定波长的吸收。的破坏作用或者实现对特定
22、波长的吸收。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：二、非线性效应二、非线性效应（4）系统效应）系统效应 多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。举例：举例：（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光材）彩色胶片是以红黄蓝三色感光材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜色，料膜组成的一个系统，能显示出各种颜色，单独存在则无此效应。单独存在则无此效应。（2）交替层叠镀膜的硬度大于原来各）交替层叠镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。第二章第二章
23、 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应：材料的复合效应：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 n 基体（聚合物、金属、无机非金属）：基体（聚合物、金属、无机非金属）：力学性能较弱和物理功能相对单一，需要改善与提高，这主要依赖于引入的增强体和功能体。n 增强体：增强体：强度、模量通常高于基体相，分散相的加入往往使复合材料的力学性能高于基体相。n 功能体：功能体：在材料中赋予复合材料以特殊的化学或物理机械功能。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复合材料
24、的结构类型 复合材料主要由复合材料主要由基体、增强体或功能体基体、增强体或功能体等共同组成。等共同组成。由于他们由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根，因此根据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。基体基体通常是通常是三维连续的物质三维连续的物质，也就是将不同组分相形，也就是将不同组分相形成整体材料的物质。成整体材料的物质。功能体或增强体功能体或增强体则以则以独立的形态独立的形态分布于整个连续相中，分布于整个连续相中，构成所谓的构成所谓的分散相分散相。2.2 复
25、合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理“连通性连通性”的概念：的概念：复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的。因而：任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料(0维)；纤维状材料的连通性为1，是一维材料(1维)；相应的片状材料连通性为2。包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3，即是三维材料(3维)；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 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复
26、合材料的结构类型 根据增强体或功能体和基体的连通性以及联结方式，复合材料组成相有二个相时，可形成(0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)等10种可能连通结构；复合材料组成相有三个相时，组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性。复合材料组成相有四个相时，它可能存在35种连通性。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 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复合材料的结构类型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
27、 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理(1)0-3型结构型结构 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。例如：例如：一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构 目前研究得比较多的纳米/有机无机复合材料。钙塑材料、部分粘结磁铁(磁性复合材料)、PbTiO3型压电复合材料、部分导电复合材料等都是这类复合结构。(2)1-3型结构型结构 基体为三维连续相，增强体为纤维状一维材料。当长度有限的短纤维状增强体随机分布在基体中时，复合材料性能呈各向同性；当增强体呈一定取向分布时，复合材料性能呈各
28、向异性。例如：例如：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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 一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构 常见的短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料均属此类结构。聚合物分子复合材料在微观或亚微观结构上也是此类结构。(3)2-2型结构型结构 两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。其最大特点：无一组分呈三维连续相状态。例如：由多层金属和聚合物复合而成的薄板状导电玻璃材料。在这种均为二维连续相组成的材料中，垂直于组分相和平行于组分相的方向上有机无机镀
29、膜复合功能玻璃材料等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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 一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构(4)2-3型结构型结构 这类复合材料结构中，基体相为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。后者可以随机分布于基体中，也可以以一定的取向方向分布于基体中。例如：由云母和聚合物构成的复合材料是典型的23型结构。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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 一、复合材料的结构类型及其典型结
30、构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构(5)3-3型结构型结构 基体相为三维连续相，而增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。块状结构镶嵌于基体中时，增强体或功能体仍为不连续相。例如例如:纤维的三维编织物与基体形成的纤维复合材料是典型的3-3型复合材料。聚合物互穿网络结构材料(1PN)在微观上也可视为这类复合材料。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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 一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的
31、典型结构二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果 随着构成复合材料的组成与结构的变化，复合材料的在性能上也各有千秋。影响材料复合效果的因素主要有：组组 分分 因因 素素 结结 构构 因因 素素 界界 面面 因因 素素第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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 1、组分效果、组分效果 在复合材料的基体和增强体(或功能体)的物理机械性能确定的情况下。l 仅考虑组成含量对复合材料复合效果的影响。l 不考虑组分几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响。不考虑组分几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2
32、.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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果1、组分效果、组分效果 通常用通常用体积分数和质量分数体积分数和质量分数NIIIWWV1111niiiVVW1111其中：其中：i,Wi,.Vi分别为组分分别为组分I的密度、质量分数和体积分数。的密度、质量分数和体积分数。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果24RrVfrVsf 132 22/1232RrVfrVsf 14 22/1增强体体积分数：增强体体积分数：R=r时，时，Vf=0.785
33、纤维间距：纤维间距：R=r时，时，Vf=0.907纤维间距：纤维间距：增强体体积分数：增强体体积分数：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果1、组分效果、组分效果2、结构效果、结构效果 结构效果是复合材料性能用组分性能和组成来描述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。这类效果往往可以用数学关系描述，结构效果可以分为以下几种类型：（1）几何形态效果(形状效果)（2）分布状态效果(取向效果)（3）尺度效果第二章第二
34、章 材料的复合原理材料的复合原理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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果2、结构效果、结构效果（1）几何形态效果）几何形态效果(形状效果形状效果)该效果也可表示出相的连续和不连续效果该效果也可表示出相的连续和不连续效果。对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相决定因素是组成中的连续相。对于0维分散质，若为大小相等的球状微粒，则在复合材料中最紧密填充时的体积分数为0.74，此时复合材料的性能在不考虑界面效果的情况下，仍决定于连续相(基体)的性质。当分散质为一维连续相时，若其性质与基体有较大差异时，分散质性能可能会显示出对复合材料性能的支
35、配作用。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果2、结构效果、结构效果（2）分布状态效果）分布状态效果(取向效果取向效果)对于1-3型、2-3型、2-2型、3-3型复合结构，增强体或功能体的几何取向对复合材料性能有着明显影响。1-3型结构，增强体轴向与径向，复合性能有明显差异；2-3型、2-2型结构，在增强体或功能体的平面平行方向和平面垂直方向其性能截然不同；3-3型复合材料，主要根据增强体本身在不同方向上的特性，可显示出取向效果。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.2 复合材料的结
36、构与复合效果复合材料的结构与复合效果二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果以以2-2型复合结构的材料为例：型复合结构的材料为例：n 在增强体所在平面的垂直方向上施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：n 在增强体所在平面的平行方向上施加外力时，成为并联式结构，则弹性模量为：FFMMCEVEVE1FFMMCVEVEE注：上两式中，注：上两式中，E为弹性模量，为弹性模量，V为组分的体积分数，角标为组分的体积分数，角标m、f、c分别表示基分别表示基体、增强体和复合材料。体、增强体和复合材料。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2、结构效果、结构效果（2）分布状态效果）分布状态效果(取向
37、效果取向效果)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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果 在分布状态效果中，除几何状态分布，即几何体的取向外，还存在物理性能的取向；物理性能的取向对复合材料的性能有很大的影响，特别是功能复合材料。例如，磁性复合材料中，磁轴在外加磁场下的取向，将显著导致磁性复合材料磁性的各向异性。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2、结构效果、结构效果（2）分布状态效果）分布状态效果(取向效果取向效果)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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果 复合材料中增强或功能物质的复合材料中增强或功
38、能物质的尺度大小变化尺度大小变化，会导致，会导致其其表面物理化学性能的变化表面物理化学性能的变化，诸如，诸如比比表面积表面积、表面自由能表面自由能的变化的变化以及它们在复合材料中的以及它们在复合材料中的表面应力的分布表面应力的分布和和界面状界面状态的改变态的改变，从而使复合材料性能发生变化。，从而使复合材料性能发生变化。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2、结构效果、结构效果（3）尺度效果）尺度效果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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果SiO2/PMMA复合材料复合材料：通常情况下，粉末经硅烷偶联剂处理后所得材料的强度要大通
39、常情况下，粉末经硅烷偶联剂处理后所得材料的强度要大于相同体积含量下的未处理粉末体系。于相同体积含量下的未处理粉末体系。当当SiO2粉末微粒尺度降低到一定尺度时粉末微粒尺度降低到一定尺度时(约约500nm以下以下)，硅，硅烷偶联剂的处理反而会导致材料强度的下降。这是因为烷偶联剂的处理反而会导致材料强度的下降。这是因为SiO2粒度粒度降到一定尺度后，由于降到一定尺度后，由于比表面积和表面能的显著提高比表面积和表面能的显著提高，增大了表，增大了表面活性，使之与基体的结合强于硅烷偶联剂对基体和面活性，使之与基体的结合强于硅烷偶联剂对基体和SiO2的结合。的结合。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原
40、理2、结构效果、结构效果（3）尺度效果）尺度效果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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果 复合材料的界面效果是基体与增强体或功能体复合效果复合材料的界面效果是基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种优越性能优越性能。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理3、界面效果、界面效果 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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果（1）界面结构(物理/化学结构)界面物理和化学结构
41、的变化会引起复合材料性能的明显变化。例如：在玻璃纤维增强不饱和聚酯塑料中的玻璃纤维，用不同的处在玻璃纤维增强不饱和聚酯塑料中的玻璃纤维，用不同的处理剂处理时，材料在相同应力条件下，导致纤维承受不同的应力，理剂处理时，材料在相同应力条件下，导致纤维承受不同的应力，显示出界面层的不同应力传递能力和界面层的不同应力梯度显示出界面层的不同应力传递能力和界面层的不同应力梯度(图图2.3,P12 )。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理3、界面效果、界面效果 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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果（2）界面(物理化学结构)尺度的变化 界面
42、物理、化学结构尺度的变化会有不同于其他组分相的作用。例如：金属复合材料中，当不同相晶界出现位错时，复合材料的内金属复合材料中，当不同相晶界出现位错时，复合材料的内耗就会明显表示出来。碳纤维增强的水泥中，当碳纤维经过热碱处耗就会明显表示出来。碳纤维增强的水泥中，当碳纤维经过热碱处理后，其表面富集了理后，其表面富集了Ca2+致使复合材料的强度、浆体的流变特性致使复合材料的强度、浆体的流变特性发生了改变。发生了改变。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理3、界面效果、界面效果 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二、复合材料的复合效果二、复合材料的复合效果2.3 复合材料的模
43、型及性能的一般规律复合材料的模型及性能的一般规律 为了预测和分析复合材料性能，除掌握基本的复合材料复合原理外，还必须进行必要的理论计算，才能进行真正的材料性能设计。其中：O表示宏观响应场，V表示单元体积。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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一、复合材料的模型一、复合材料的模型 对材料性能进行准确的分析和计算，是材料复合研究的重要内容，它可以为复合材料的材料设计提供充足依据。因此，材料复合理论模型的建立具有非常重要的地位与意义。实际复合材料性能影响因素相当多，如基体和增强体、功能体缺陷，界面缺陷，等等。但是，在模型建立过程
44、中我们只能考虑主要因素，然后再根据实际情况进行逐步地修正、完善。材料微观模型的建立，主要包含：材料的几何结构模型和材料的物理模型。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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一、复合材料的模型一、复合材料的模型模型建立，必须注意：模型建立，必须注意：1.首先要确定好坐标系坐标系和材料的主轴方向主轴方向；2.模型中组份含量必须与实际材料组份含量一致含量一致；3.组分相的分布相的分布往往采用统计分布状态统计分布状态。除了以上三个因素之外，还必须考虑相之间的作相之间的作用用等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 复合材
45、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一、复合材料的模型一、复合材料的模型 单向复合材料细观力学模型建立，主要考虑四个方面：单元体 增强体 基 体 增强体与基体形成的界面第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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一、复合材料的模型一、复合材料的模型常见结构模型：常见结构模型：1、0-3型（颗粒增强或功能复合材料）型（颗粒增强或功能复合材料）33)(fimffrrrrV333)()(fimffirrrrrrVi3/1)/75.0(fdVr Vm=1-Vi-Vf当增强体非球形，粒子当量半径：当增强体非球形，粒子当量
46、半径：第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理常见结构模型：常见结构模型：2、1-3型（纤维、晶须增强或功能复合材料）型（纤维、晶须增强或功能复合材料）22)(fimffrrrrV2)()2(fimfiifrrrrrrVVm=1-Vi-Vf第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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一、复合材料的模型一、复合材料的模型2.3 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二、复合材料的性质与一般规律二、复合材料的性质与一般规律1、复合材料的固有性质复合材料的固有性质 组成复合材料的各个组成所独立表现出来的材料性质
47、各个组成所独立表现出来的材料性质，如材料的密度、比热等等；这些性质符合复合材料的混合定律符合复合材料的混合定律。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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二、复合材料的性质与一般规律二、复合材料的性质与一般规律2、复合材料的传递性质、复合材料的传递性质 在在外场作用外场作用下，表征材料对通过其内部的某种下，表征材料对通过其内部的某种通量阻力大小通量阻力大小的一种物理量。如的一种物理量。如导热性质、导电性质导热性质、导电性质等等。等等。根据传递方式的不同，复合材料的性质也有所不同：根据传
48、递方式的不同，复合材料的性质也有所不同：在在并联情况并联情况下，表征材料的性质下，表征材料的性质参数的倒数参数的倒数符合符合加合规律加合规律；在在串联情况串联情况下，表征材料的性质下，表征材料的性质参数参数符合符合加合规律加合规律。3、复合材料的强度性质、复合材料的强度性质 材料的强度是材料材料的强度是材料承受外场极限作用承受外场极限作用能力的一种表征。能力的一种表征。这里的外场包括电场、作用力等等。这里的外场包括电场、作用力等等。对于非均质复合材料，复合材料的在外场下的极限承受对于非均质复合材料，复合材料的在外场下的极限承受能力与能力与外场的分布外场的分布、复合材料的、复合材料的组成含量组成
49、含量以及不同以及不同组份间组份间的相互作用的相互作用均有密切的关系，均有密切的关系，不存在简单的加合规律不存在简单的加合规律。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.3 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二、复合材料的性质与一般规律二、复合材料的性质与一般规律2.3 复合材料的模型及性能的一般规律二、复合材料的性质与一般规律4、复合材料的转换性质 材料在一种场的作用下产生了另外一种新的场，那么表征这两种场之间的关系的特性参数，就称为转换关系。这种转换性质表征了材料的微观结构在外场作用下的变化特点，除了与材料的微观结构有关以外，还与材料各组份之间的相互作用有密切的
50、关系。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理第三章第三章复合材料力学性能复合材料力学性能的复合规律的复合规律邮箱：邮箱：fuhecailiao2019163密码：密码：20192019课件及作业下载：课件及作业下载：1、复合材料的复合效应、复合材料的复合效应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3、模型与性能的一般规律、模型与性能的一般规律简要回顾简要回顾:第第3 3章章 复合材料力学性能的复合规律复合材料力学性能的复合规律基本要求基本要求:了了 解：解：复合材料物理和化学性能的复合规律复合材料物理和化学性能的复合规律 超细粒子对复合材料力学性能的影响超细粒子对复合材料力学
