1、3.3.复合材料的复合材料的复合效应复合效应掌握：复合效应的分类及其特点；掌握：复合效应的分类及其特点；一.一.复合效应复合效应：二.二.对于由对于由A、B两种原材料复合而成的材两种原材料复合而成的材料料C，其性能既包含，其性能既包含A、B两种原材料所固有两种原材料所固有的性能，又具有的性能，又具有A、B两种原材料所不具备的两种原材料所不具备的新性能。新性能。源于耦合源于耦合：不同性质材料之间的相互作用：不同性质材料之间的相互作用 注：复合效应表现为复合材料的性能在其组分注：复合效应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的综合。材料基础上的线性和非线性的综合。材料的微观组织材料的
2、微观组织v 形状、分散程度形状、分散程度v 体积分数体积分数v 几何学特征几何学特征原材料的性能原材料的性能v力学性能力学性能v 物理性能物理性能v 界面的状态界面的状态复合材料的复合材料的基本理论基本理论复合材料的复合材料的整体性能整体性能 复合材料理论与组织、性能之间的关系复合材料理论与组织、性能之间的关系构效关系构效关系3.1 材料的复合效应材料的复合效应 就其产生复合效应的特征，分为两大类就其产生复合效应的特征，分为两大类：一次函数一次函数y=kx+b 叫线性函数叫线性函数,它的图象是它的图象是一条直线一条直线。非一次函数非一次函数(如如y=x2,y=k/x,y=sinx.).)都叫非
3、线性函数都叫非线性函数,它们的图象都它们的图象都不是直线不是直线。与一次函数相关的一次方程叫线性方程与一次函数相关的一次方程叫线性方程,一次方程组叫线一次方程组叫线性方程组。性方程组。线性指量与量之线性指量与量之间成间成关系。关系。非线性指量与量之非线性指量与量之间成间成关系关系。线性效应线性效应 非线性效应非线性效应 5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不同复合效应的类别不同复合效应的类别复合材料的性质复合材料的性质与增强组元（功与增强组元（功能组元）的含量能组元）的含量有线性关系有线性关系表示为：
4、表示为：Pc=PmVm+PfVf，式中式中P为材料性能，为材料性能，V为材料体积含量，角标为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、分别表示复合材料、基体和增强体。基体和增强体。如复合材料的弹性模量，若用如复合材料的弹性模量，若用混合率混合率来表示，来表示，则为：则为：Ec=EmVm+EfVf是复合材料所显是复合材料所显示的最典型的一示的最典型的一种复合效应。种复合效应。即组成复合材料的各组分在复合材料即组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约也无补偿。中，均保留本身的作用，既无制约也无补偿。对于增强体（如纤维）与基体对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱界面结合很弱
5、的复的复合材料所显示的复合效应，可以看作是合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。平行效应。3.相补效应相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。对于对于脆性的脆性的高强度纤维增强体与高强度纤维增强体与韧性韧性基体复合基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其力学性能显示为增强体与基体的互补。其力学性能显示为增强体与基体的互补。基体与增强体组成复合材料时，基体与增强体组成复合材料时，若组分间能相互制
6、约，限制了整体性能提高，若组分间能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。则复合后显示出相抵效应。如，如，脆性的脆性的纤维增强体与纤维增强体与韧性韧性基体组成的复合材料，基体组成的复合材料，当两者间当两者间界面结合很强界面结合很强时，复合材料整体显示为时，复合材料整体显示为脆性脆性断裂断裂。相乘效应相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应可发生相乘效应。电电磁磁效应效应磁磁光光效应效应=电光电光效应效应。通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料和另一种换能
7、材料Y/Z复合起来，即：复合起来，即：X/YY/ZX/Z式中，式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。分别表示各种物理性能。表表3.1 复合材料的乘积效应复合材料的乘积效应A A相性质相性质 X/YX/YB B相性质相性质 Y/ZY/Z复合后的乘积性质复合后的乘积性质(X/Y)(Y/Z)(X/Y)(Y/Z)X/ZX/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
8、烁效应光导效应光导效应辐射诱导导电辐射诱导导电热致变形效应热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12 当你在点燃煤气灶或热水器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时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用置内，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，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，能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被
9、电火花点燃了。压电陶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。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，反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。称为逆压电效应。13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
10、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。14 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、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。15在一定条件下，
11、复合材料中的一组分在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构发生材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构发生改变，而改变整体性能或产生新的效应。改变，而改变整体性能或产生新的效应。例如例如 结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或结晶的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。晶形基体的晶形取向作用。纤维纤维/树脂界面横晶形态：树脂界面横晶形态：A碳纤维碳纤维/聚苯硫醚聚苯硫醚 B 碳纤维碳纤维/尼龙尼龙66 C 石墨纤维石墨纤维/聚醚醚酮聚醚醚酮两个相邻的材料在一定条件下，会产生两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁共振。机械的或电、磁共振
12、。由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同由不同材料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于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。利用该效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率利用该效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到吸收外来波的目外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到吸收外来波的
13、目的。的。o 例如，有关领域例如，有关领域要求导热而不导电要求导热而不导电的材料，就是通的材料，就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导热性的过选择组元和复合状态，在保留导体组元导热性的同时，抑制其导电性而获得的特殊功能材料。同时，抑制其导电性而获得的特殊功能材料。o 共振效应在共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究的研究和设计中获得利用。和设计中获得利用。共振效应，又称共振效应，又称强选择效应强选择效应这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不清楚，但在实际现象中存在着应的机理尚不清楚，但在实际现象中
14、存在着这种效应。这种效应。o 红红、黄黄、蓝蓝三色组成的彩色世界三色组成的彩色世界o 涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和思考题：思考题：o 材料复合效应的分类有哪些，并简单举材料复合效应的分类有哪些，并简单举例说明。例说明。o 复合材料的结构类型复合材料的结构类型o 材料的复合效果材料的复合效果o 掌握掌握0-30-3、1-31-3、2-22-2、2-32-3、3-33-3型结构型结构o 掌握掌握组分效果、分布状态效果、尺度效果和界面组分效果、分布状态效果、尺度效果和界面效果；效果；o 理解理解 形状效果。形状效果。材料的合成和制备、及材料的组成、结构与材料的合成
15、和制备、及材料的组成、结构与性能的关系，是材料科学讨论的主要内容。对复合性能的关系，是材料科学讨论的主要内容。对复合材料来说，材料来说，复合材料的结构和复合效果也是复合材复合材料的结构和复合效果也是复合材料科学的主要研究内容。料科学的主要研究内容。3.2.1 3.2.1 复合材料的结构类型复合材料的结构类型 复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情况。布情况。对不同类型的复合体系，需引入对不同类型的复合体系，需引入“连通性连通性”的的概念。概念。3.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果3.2.1 复合材料的结构类型复合材料的结构类型：
16、复合体系中的任何相，在空间的零维、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。一维、二维或三维方向上是相互连通的。3.2.1 复合材料的结构类型复合材料的结构类型p任意弥散和孤立的颗粒的连通性为任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维（，是零维（0维）维）p而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为而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，即是三维材料（三维）（三维）p纤维状材料的连通性为纤维状材料的连通性为1，是一维材料，是一维材料（1维）维）p相应的片状材料连通性为相应的片状材料连通性为2，即二维材料，即二维材料（2维）维）。连通结构数与
17、组分相之间的关系：连通结构数与组分相之间的关系：根据增强体或功能体和基体以不同联结方式复合时所得到根据增强体或功能体和基体以不同联结方式复合时所得到的连通性，的连通性，可得到：对可得到：对两相两相复合体系有复合体系有10种种可能的连通可能的连通性复合材料结构（性复合材料结构（0-0,0-1,0-2,0-3,1-1,1-2,1-3,2-2,2-3,3-3）含有含有n个组分相时，按照不同的联结方式可能组成个组分相时，按照不同的联结方式可能组成Cn种连种连通结构：通结构：!3!)!3(nnCn可以得到：可以得到：1 1）三个相组成的复合体系结构有）三个相组成的复合体系结构有2020种可能存在的连通性
18、；种可能存在的连通性；2 2）四个相时，它可能存在）四个相时，它可能存在3535种连通性。种连通性。3.2.1 复合材料的结构类型复合材料的结构类型以下是两相复合材料的连通结构形态图以下是两相复合材料的连通结构形态图：几种典型复合材料结构：几种典型复合材料结构：(1)0-3(1)0-3型结构型结构 这是基体为三维连续相，而增强体或功能这是基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。0-3型型29(2)1-3(2)1-3型结构型结构 这种结构的基体仍为三维连续相，而增强这种结构的基体仍为三维连续相，而增强体则为纤维状一维
19、材料。体则为纤维状一维材料。1-3型型各向同各向同性性各向异各向异性性(3)2-2(3)2-2型结构型结构 这是一种由两种组分材料呈层状叠合而这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。成的多层结构复合材料。2-2型型(4)2-3(4)2-3型结构型结构 在这类复合材料结构中，基体相仍为三在这类复合材料结构中，基体相仍为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。2-3型型(5)3-3(5)3-3型结构型结构 这种结构的基体相为三维连续相，而增强这种结构的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
20、。体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。3-3型型a ZrB2-SiCbc InterfaceGraphite5 m d 500 m 5 m 50 m 3.2.2 材料的复合效果材料的复合效果：在复合材料的基体和增强体（或功能体）的物理机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，仅仅把械性能确定的情况下，仅仅把相对组成相对组成作为变量，不作为变量，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称为组分效果。响时产生的效果称为组分效果。加和特征：加和特征：复合材料的某一性能是各组分性能的按体复合材料的
21、某一性能是各组分性能的按体积分数的平均值。积分数的平均值。复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，往往是近似具有加和作用的组分效果。往往是近似具有加和作用的组分效果。cVVV/11cWWW/11 332211111WWWWV 332211111VVVVW体积分数与质量分数：体积分数与质量分数：用密度计算体积分数与质量分数：用密度计算体积分数与质量分数：复合材料单向板复合材料单向板简化模型简化模型（a）单向板；（）单向板；（b）单向纤维的六边形和正方形排布）单向纤维的六边形和正方形排布纤维方向平行纤维方向平行圆形截面圆形截面理想分布理想分布S2R2
22、r2RS2r232RrVf（六边形阵列）（六边形阵列）24RrVf(正方形阵列）正方形阵列）rVsf132221(六边形阵列）六边形阵列）rVsf12142(正方形阵列）正方形阵列）推导：推导：23660sin22216RRRS纤维的面积为：纤维的面积为：232RrVf所以：所以：构成六边形，单位截面上，其面积构成六边形，单位截面上，其面积222336rrrSS2R2ro 体积分数：o 纤维间距0.785)()(40.907)()(32max2max2ffffVRrRrVVRrRrV时，正方形阵列时，六边形阵列)(1)4(2)(1)32(22/12/1正方形阵列六边形阵列rVsrVsff作业作
23、业1：o 请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即计算（计算（s/r）在）在Vf=0.3、0.4、0.5及及0.6时的值，并采用画图的方式做出说明，其中时的值，并采用画图的方式做出说明，其中纤维排布方式：六边形。纤维排布方式：六边形。o 提示：横坐标：提示：横坐标：Vf，纵坐标：，纵坐标：s/r3.2.2 材料的复合效果材料的复合效果：所谓结构效果是复合材料性能用组分性能和组成来描所谓结构效果是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。可变因素产生的效果。几
24、何形态效果（形状效果）几何形态效果（形状效果）:对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相。对于对于结构效果，其决定因素是组成中的连续相。对于0维分散物质，若为大小相等的球状微粒，则在复合材料维分散物质，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中最紧密填充时的体积分数为0.74，此时复合材料的性，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）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。的性质。3.2.2 材料的复合效果材料的复合效果以以2-2型复合结构的材料而言，在增强体所在平面的垂直型复合结构的材料而言，在增强体所在平面的垂直方向上施加外
25、力时，成为串联式结构，则弹性模量为：方向上施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：ffmmcEVEVE1而在平行于增强体平面方向上施加外力时，则成为而在平行于增强体平面方向上施加外力时，则成为并联结构，此时的弹性模量为：并联结构，此时的弹性模量为：ffmmcVEVEE这里：这里：E为弹性模量为弹性模量o 对于对于1-3型、型、2-3型、型、2-2型、型、3-3型复合结构，增强体或功型复合结构，增强体或功能体的几何取向对复合材料性能有着明显得影响。对于能体的几何取向对复合材料性能有着明显得影响。对于1-3型的结构，在增强体的轴向与径向，复合材料性能有着型的结构，在增强体的轴向与径向，复合材料性
26、能有着明显得差异，而对于明显得差异，而对于2-3型和型和2-2型结构的复合材料，在增型结构的复合材料，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；不同；3-3型的复合材料，主要根据增强体本身在不同方型的复合材料，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。向上的特性，可显示出取向效果。o 对于对于1-3型结构复合材料，短纤维状的增强体在复合材料型结构复合材料，短纤维状的增强体在复合材料中的分散状态（取向状态），往往受到复合材料成型过程中的分散状态（取向状态），往往受到复合材料成型过程中的剪切应力的影响，这个问题是材料
27、流变学研究的中的剪切应力的影响，这个问题是材料流变学研究的 一一个重要课题。个重要课题。o 在分布状态效果，上面提到的是结合状态分布，即几在分布状态效果，上面提到的是结合状态分布，即几何体的取向。何体的取向。o 此外还存在一种物理性能的取向，同样对复合材料的此外还存在一种物理性能的取向，同样对复合材料的性能有很大的影响，特别是功能复合材料。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。向，将显著导致磁性复合材料磁性的各向异性。3.2.2 材料的复合效果材料的复合效果 分散质尺度
28、大小的变化，会导致其表面物理化分散质尺度大小的变化，会导致其表面物理化学性能的变化，诸如学性能的变化，诸如比表面积、表面自由能的变比表面积、表面自由能的变化以及它们在复合材料中的表面应力的分布和界化以及它们在复合材料中的表面应力的分布和界面状态的改变面状态的改变，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。纳米材料的尺寸效应、表面效应纳米材料的尺寸效应、表面效应o 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性能的变化质变，由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性能的变化称之为小尺寸效应。对于纳米
29、颗粒而言尺寸变小，其比称之为小尺寸效应。对于纳米颗粒而言尺寸变小，其比表面积会显著增加，从而产生一系列新奇的性质，如金表面积会显著增加，从而产生一系列新奇的性质，如金属纳米颗粒对光的吸收显著增加，与大尺寸固态物质相属纳米颗粒对光的吸收显著增加，与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降。比纳米颗粒的熔点会显著下降。o 以黄金为例，金的熔点在一般情况下是以黄金为例，金的熔点在一般情况下是1064，加工，加工成成10纳米左右的粉末之后，熔点降至纳米左右的粉末之后，熔点降至940，如果将，如果将其加工至其加工至2纳米，金在纳米，金在330就能被熔化。就能被熔化。3.2.2 材料的复合效果材料的复合
30、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。果的主要因素。界面结构（物理结构和化学结构）的界面结构（物理结构和化学结构）的变化会引起复合材料性能的明显变化。变化会引起复合材料性能的明显变化。界面除了可以作为复合材料的一个组分对材料有各种界面除了可以作为复合材料的一个组分对材料有各种物理性能影响外，其物理结构、化学结构及其尺度的物理性能影响外，其物理结构、化学结构及其尺度的变化都会有不同于其他组分相的作用。变化都会有不同于其他组分相的作用。o 只有界面效果的存在，才能充分地显示复合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。材料的各种优越性能。例如：纳米材料具有非常大的界面，界例如：纳米材料具有非常大的界面，界面的原子排序是相当混乱的，原子在外力变面的原子排序是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性和一定的延展性，使材料具有新奇的界韧性和一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应。研究表明，人的牙齿之所以具有很面效应。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度是因为它是由磷酸钙等纳米材料构高的强度是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。成的。
