复合材料的复合效应解析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/3,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/3,#,1,3.,复合材料的,复合效应,13. 复合材料的,2,3,复合材料的复合效应,3.1,材料的复合效应,掌握：复合效应的分类及其特点；,3.2,复合材料的结构与复合效果,3.3,复合材料的模型及性能的一般规律,3.4,复合材料的设计原理和复合理论,23 复合材料的复合效应3.1 材料的复合效应,3,3.1,材料的复合效应,复合效应,：,对于由,A,、,B,两种原材料复合而成的材料,C,，其性能既包含,A,、,B,两种原材料所固有的性能，又具有,A,、,B,两种原材料所不具备的新性能。,源于耦合,：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材料基础上的线性和非线性的综合。,33.1 材料的复合效应复合效应：源于耦合：不同性质材料之,4,复合材料的基本理论,材料的微观组织,形状、分散程度,体积分数,几何学特征,原材料的性能,力学性能,物理性能,界面的状态,复合材料的,基本理论,复合材料的,整体性能,复合材料理论与组织、性能之间的关系,构效关系,4复合材料的基本理论材料的微观组织原材料的性能复合材料的复合,5,3.1,材料的复合效应,就其产生复合效应的特征，分为两大类,：,一次函数,y=kx+b,叫线性函数,它的图象是,一条直线,。 非一次函数,(,如,y=x,2,y=k/x,y=sinx,.),都叫非线性函数,它们的图象都,不是直线,。,与一次函数相关的一次方程叫线性方程,一次方程组叫线性方程组。,线性指量与量之间成,正比,关系。,非线性指量与量之间成,曲线,关系 。,线性效应,非线性效应,53.1 材料的复合效应 一次函数y=kx+b 叫线,6,3.1,材料的复合效应,复合效应,线性效应,非线性效应,平均效应,相乘效应,平行效应,诱导效应,相补效应,共振效应,相抵效应,系统效应,不同复合效应的类别,复合材料的性质与增强组元（功能组元）的含量有线性关系,63.1 材料的复合效应复合效应线性效应非线性效应平均效应,7,3.1,材料的复合效应,1.,平均效应,：,表示为：,P,c,=P,m,V,m,+P,f,V,f,，,式中,P,为材料性能，,V,为材料体积含量，角标,c,、,m,、,f,分别表示复合材料、基体和增强体。,如复合材料的弹性模量，若用,混合率,来表示，则为：,E,c,=E,m,V,m,+E,f,V,f,是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。,73.1 材料的复合效应1.平均效应：是复合材料所显示的最,8,3.1,材料的复合效应,2.,平行效应,：,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。,对于增强体（如纤维）与基体,界面结合很弱,的复合材料所显示的复合效应，可以看作是,平行效应。,83.1 材料的复合效应2.平行效应：即组成复合材料的各组,9,3.1,材料的复合效应,3.,相补效应,：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。,对于,脆性的,高强度纤维增强体与,韧性,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，其力学性能显示为增强体与基体的互补。,93.1 材料的复合效应3. 相补效应：组成复合材料的基体,10,3.1,材料的复合效应,4.,相抵效应,：,基体与增强体组成复合材料时，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。,如，,脆性的,纤维增强体与,韧性,基体组成的复合材料，当两者间,界面结合很强,时，复合材料整体显示为,脆性断裂,。,103.1 材料的复合效应4. 相抵效应：基体与增强体组成,11,3.1,材料的复合效应,5.,相乘效应,：,两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应,。,电,磁,效应,磁,光,效应,=,电光,效应,。,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,Y/Z,复合起来，即：,X/YY/Z,X/Z,式中，,X,、,Y,、,Z,分别表示各种物理性能。,113.1 材料的复合效应 5.相乘效应：两种具有转换效,12,表,3.1,复合材料的乘积效应,A,相性质,X/Y,B,相性质,Y/Z,复合后的乘积性质,(X/Y)(Y/Z),X/Z,压磁效应,磁阻效应,压敏电阻效应,压磁效应,磁电效应,压电效应,压电效应,场致发光效应,压力发光效应,磁致伸缩效应,压阻效应,磁阻效应,光导效应,电致效应,光致伸缩,闪烁效应,光导效应,辐射诱导导电,热致变形效应,压敏电阻效应,热敏电阻效应,12表3.1 复合材料的乘积效应A相性质 X/YB相性质,13,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。,13 当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一,14,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,15,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 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可,16,3.1,材料的复合效应,6.,诱导效应,：,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改变，而改变整体性能或产生新的效应。,例如 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。,163.1 材料的复合效应6. 诱导效应：在一定条件下，复,17,纤维,/,树脂界面横晶形态：,A,碳纤维,/,聚苯硫醚,B,碳纤维,/,尼龙,66 C,石墨纤维,/,聚醚醚酮,17纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚,18,3.1,材料的复合效应,7.,共振效应,：,两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁共振。,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的。,183.1 材料的复合效应7.共振效应：两个相邻的材料在一,19,例如，有关领域,要求导热而不导电,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同时，抑制其导电性而获得的特殊功能材料。,共振效应在,阻尼减振和电磁波吸收复合材料,的研究和设计中获得利用。,共振效应，又称,强选择效应,19例如，有关领域要求导热而不导电的材料，就是通过选择组元和,20,8.,系统效应,：,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这种效应。,红,、,黄,、,蓝,三色组成的彩色世界,涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和,208.系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效,21,思考题：,材料复合效应的分类有哪些，并简单举例说明。,21思考题：,22,3.2,复合材料的结构与复合效果,复合材料的结构类型,材料的复合效果,掌握,0-3,、,1-3,、,2-2,、,2-3,、,3-3,型结构,掌握,组分效果、分布状态效果、尺度效果和界面效果；,理解,形状效果。,223.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构类型,23,材料的合成和制备、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。对复合材料来说，,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。,3.2.1,复合材料的结构类型,复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情况。,对不同类型的复合体系，需引入,“,连通性,”,的概念。,3.2,复合材料的结构与复合效果,23 材料的合成和制备、及材料的组成、结构与性能的关,24,3.2.1,复合材料的结构类型,连通性,：,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。,243.2.1 复合材料的结构类型 连通性：复合体系,25,3.2.1,复合材料的结构类型,任意弥散和孤立的颗粒的连通性为,0,，是零维（,0,维）,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,（三维）,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,，即二维材料,（,2,维）,。,253.2.1 复合材料的结构类型任意弥散和孤立的颗粒的连通,26,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的连通性，,可得到：对,两相,复合体系有,10,种,可能的连通性复合材料结构（,0-0,0-1,0-2,0-3,1-1,1-2,1-3,2-2,2-3,3-3,）,含有,n,个组分相时，按照不同的联结方式可能组成,C,n,种连通结构：,26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,27,可以得到：,1,）三个相组成的复合体系结构有,20,种可能存在的连通性；,2,）四个相时，它可能存在,35,种连通性。,27可以得到：,28,3.2.1,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 ：,283.2.1 复合材料的结构类型以下是两相复合材料的连通结,29,几种典型复合材料结构：,(1)0-3,型结构,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。,0-3,型,29几种典型复合材料结构：0-3型,30,(2)1-3,型结构,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材料。,1-3,型,各向同性,各向异性,30(2)1-3型结构 这种结构的基体仍为三维连续相，而增,31,(3)2-2,型结构,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。,2-2,型,31(3)2-2型结构 这是一种由两种组分材料呈层状叠合而,32,(4)2-3,型结构,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。,2-3,型,32(4)2-3型结构 在这类复合材料结构中，基体相仍为三,33,(5)3-3,型结构,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。,3-3,型,33(5)3-3型结构 这种结构的基体相为三维连续相，而增,34,a,ZrB,2,-SiC,b,c,Interface,Graphite,5 m,d,500 m,5 m,50 m,34a ZrB2-SiCbc InterfaceGrap,35,35,36,3.2.2,材料的复合效果,3.2.2.1,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，仅仅把,相对组成,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响时产生的效果称为组分效果。,加和特征：,复合材料的某一性能是各组分性能的按体积分数的平均值。,复合材料的某些基本物理参数，如密度、比热容，往往是近似具有加和作用的组分效果。,363.2.2 材料的复合效果3.2.2.1 组分效果 ：,37,体积分数与质量分数：,用密度计算体积分数与质量分数：,37体积分数与质量分数：用密度计算体积分数与质量分数：,38,复合材料单向板简化模型,（,a,）单向板；（,b,）单向纤维的六边形和正方形排布,纤维方向平行圆形截面理想分布,38复合材料单向板简化模型（a）单向板；（b）单向纤维的六,39,S,2R,2r,2R,S,2r,（六边形阵列）,(,正方形阵列）,(,六边形阵列）,(,正方形阵列）,39S2R2r2RS2r（六边形阵列） (正方形阵列） (六,40,推导：,纤维的面积为：,所以：,构成六边形，单位截面上，其面积,S,2R,2r,40推导：纤维的面积为：所以：构成六边形，单位截面上，其面积,41,体积分数：,纤维间距,41体积分数：,42,作业,1,：,请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即计算（,s/r,）在,V,f,=,0.3,、,0.4,、,0.5,及,0.6,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。,提示：横坐标：,V,f,，纵坐标：,s/r,42作业1：请描述纤维间距随体积分数的变化情况，即计算（s/,43,3.2.2,材料的复合效果,3.2.2.2,结构效果,：,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。,结构效果可分为以下几种类型 ：,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,0,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,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。,433.2.2 材料的复合效果3.2.2.2 结构效果 ：所,44,3.2.2,材料的复合效果,分布状态效果（取向效果）：,以,2-2,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力时，成为串联式结构，则弹性模量为：,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：,这里：,E,为弹性模量,443.2.2 材料的复合效果分布状态效果（取向效果）：以2,45,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，复合材料性能有着明显得差异，而对于,2-3,型和,2-2,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不同；,3-3,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。,对于,1-3,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剪切应力的影响，这个问题是材料流变学研究的 一个重要课题。,45对于1-3型、2-3型、2-2型、3-3型复合结构，增强,46,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。,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。,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。,46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,47,3.2.2,材料的复合效果,尺度效果,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,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面状态的改变,，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,473.2.2 材料的复合效果尺度效果 分散质尺度,48,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。,以黄金为例，金的熔点在一般情况下是1064，加工成10纳米左右的粉末之后，熔点降至940，如果将其加工至2纳米，金在330就能被熔化。,48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,49,3.2.2,材料的复合效果,3.2.2.3,界面,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。,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。,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变化都会有不同于其他组分相的作用。,493.2.2 材料的复合效果3.2.2.3 界面效果 ：复,50,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。,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成的。,50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,