2复合材料原理解析课件

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,*,第,2,章复合材料的复合效应,2011-9-23,复合材料原理,提 纲,一、 材料的复合效应,二、 复合材料的结构与复合效果,三、 复合材料的模型及性能的一般规律,一,、材料,的复合效应,复合材料的组成,基体,Matrix,增强体,Reinforcement,界面,Interface,材料复合遵循一定的共同规律,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,复合效应是组分材料及组分间界面,相互作用、相互依存、相互补充,的结果。,复合效应使复合材料在保持原组分性能的基础上，还增添了,原组分没有,的性能。,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,。,复合效应,有正有负,，复合后某些性能抵消甚至降低的现象是不可避免的。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,平均效应,复合材料最典型的一种复合效应。,表示为：,P,c,=P,m,V,m,+P,f,V,f,P-,材料性能，,V-,材料体积含量,c-composite; m-matrix; f-filler,如： 弹性模量,E,c,=E,m,V,m,+E,f,V,f,密度,c,=,m,V,m,+,f,V,f,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,平行效应,各组分在复合材料中均保留自身的作用，既无制约，也无补,偿。,复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当,Kc Ki,如：增强体,(,如纤维,),与基体界面结合很弱时，复合材料显示平行效应。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相补效应,基体与增强体在性能上互补。,复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自弱点，产生优异的综合性能。,C = A,B,例：脆性的高强度纤维增强体与韧性树脂基体若能得到,适宜的结合,，复合材料性能表现为增强体与基体的互补。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相抵效应,基体与增强体性能相互制约，则复合后显示出相抵效应。,其,性能低于混合物定律预测值。,Pc P,i,i,例：,纤维增强体经偶联剂处理后，拉伸强度可提高,30-40,，表现为互补效应。,但当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,两种具有转换效应的材料复合在一起，可发生相乘效应。,又,叫乘积效应,/,传递特性,/,交叉耦合效应。,例：对材料输入,X,时输出为,Y,，即转换功能材料,Y/X(,如磁场压力的换能材料,),；对第二种材料的输入,Y,，产生输出,Z,，即为第二种换能材料,Z,Y,。两种材料复合得出新的机能材料，即,Y,X,Z,Y,Z,X,。,乘积效应有助于开发新型功能材料，不仅可获得比单一材料更强的性能，还可创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,A,相性质,X/Y,B,相性质,Y/Z,复合后相乘性质,X/Y,Y/Z,X/Z,压磁效应,压磁效应,压电效应,磁致伸缩,热致变形,光导效应,磁阻效应,磁电效应,场致发光效应,压阻效应,压敏电阻效应,电致效应,压敏电阻效应,压电效应,压力发光效应,磁阻效应,热敏电阻效应,光致伸缩效应,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,压电效应,在外加应力作用下，产生电荷，或在电场作用下产生形变的一种功能材料。, , , , ,极化方向,正压电效应示意图,F,逆压电效应示意图,（实线形变前，虚线形变后）,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,点燃煤气灶或热水器：压电点火装置内，有一块压电陶瓷，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，将电能引向燃气出口放电，燃气被电火花点燃。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,超声波传感器,用作汽车倒车防撞报警器装置，也称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。,原理：利用锆钛酸铅,PZT,压电陶瓷的正、逆压电效应，在压电陶瓷加一电信号，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，作用于压电陶瓷时，则有电信号输出，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。,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,相乘效应,压电阻尼效应,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,诱导效应,组分,A,通过诱导效应使组分,B,的结构改变而改变整体性能或产生,新的效应。,例：结晶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。,PP,PP-CaCO3,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,共振效应,由不同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,。,例如,:,船体轴系减震,一,、材料,的复合效应,复合材料的复合效应,-,系统效应,这是一种材料的复杂效应，目前为止，这一效应机理尚不,很清楚，但在实际已发现这种效应的存在。,例：交替叠层膜的硬度大于原单一镀膜的硬度和按线性混,合率的估算值。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料连通性的概念,复合材料的结构类型,材料的复合效果,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料连通性的概念,分散相,：,以独立形态分布于整个连续相中的相称为分散相，组成分散相的物质称为分散质。,分散相一般是增强体或功能体。,连续相,：,基体一般是连续相。,(d) 40vol%PMN(1000),(b) 20vol%PMN(1000),二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料连通性的概念,连通性的概念,基本思想：复合体系中的任何相，在空间的,0,维、,1,维、,2,维或,3,维方向上是相互连通的。,弥散和孤立颗粒的连通性为,0,，是,0,维材料；纤维状材料的连通性为,1,，是,1,维材料；相应的片状材料连通性为,2,，是,2,维材料；基体为网络状的,3,维连通，是,3,维材料。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料连通性的概念,例,:,1,维连通,2,维连通,3,维连通,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料的结构类型,两相复合体系,0,0,0,1,0,2,0,3,1,1,1,2,1,3,2,2,2,3,3,3,三相复合体系,0,0,1,0,1,1,1,2,3,.20,种,多相复合体系,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料的结构类型,典型两相复合材料结构,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料的结构类型,0-3,型结构：基体为,3,维连续相，增强体或功能体以,0,维微粒分布在基体中。,1-3,型结构：基体为,3,维连续相，增强体或功能体为纤维状,1,维材料。,(b) 20vol%PMN(1000),？,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料的结构类型,2-2,型结构：两种组分皆呈层状叠合而成的多层结构。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,复合材料的结构类型,2-3,型结构：基体为,3,维连续相，增强体或功能体为,2,维结构的片状材料。增强体可随机，也可按一定方向取向分布于基体中。,3-3,型结构：基体相为,3,维连续相，增强体或功能体为,3,维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中。,纤维的,3,维编织物与基体形成的纤维复合材料是典型,3-3,结构。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,组分效果,结构效果,界面效果,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,组分效果,组分效果,只把,组分的相对组成作为变量，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,。,相对组成：体积分数或质量分数,V,1,/V,C,， ,m,1,/m,C,例,:,密度、比热、导电性、吸波性、阻燃性,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,组分效果,典型模型单向板的纤维分布,2r,2R,2r,s,2R,s,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,结构效果,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。,几何形态（形状）：流动性与粘度,分布状态：纤维方向性与材料性能,尺度：纳米复合材料,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,结构效果,几何形态（形状）,矿物纤维微观结构,矿物纤维,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,结构效果,YNFWH101,系列活性高长径比针状硅灰石（矿物纤维增强材料）：以天然纤维状硅灰石矿石为原料，通过针状晶型保护技术及纤维表面包覆技术制备，高长径比、高活性，与树脂相容性好，在,PP,、,PA66,、,PET,、,ABS,等热塑性塑料中有明显的增强效果。在,PP,中应用：加工中能保持针状晶型，用量达,50,，性能介于传统刚性粒子填料（碳酸钙、滑石粉等）与玻纤之间，类似于短切玻纤。用于生产高填充,PP,、高模量,PP,及与玻纤掺混增强,PP,，与玻纤掺混能解决玻纤取向性问题。在挤出造粒过程中流动性好，对设备的磨损小，挤出造粒及注射成型过程中加工性能优良，制品表面光滑度好，可有效解决玻纤外露等问题。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,结构效果,分布状态,玻璃钢,玻璃纤维的不同排列方式,玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合材料,力学性能,玻璃纤维和树脂的性能,玻璃纤维和树脂的用量,材料结合方式,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,结构效果,尺度,从材料结构单元和尺度，增强颗粒尺度为,1-50m,的叫颗粒增强复合材料，,0.011 m,尺度增强的叫分散强化,(,弥散强化,),复合材料。纳米级叫纳米复合材料，其强化原理不同。,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,界面效果,界面效果,界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。界面结构,(,物理和化学结构,),的变化会引起复合材料性能的明显变化。,界面处理与否对复合材料性能影响巨大,例,:,金属基复合材料,水泥基复合材料,碳纤维树脂基复合材料,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,界面效果,玻纤与基体结合好，纤维拔出较少,a,玻纤增强,PP,（加入,MPP,相容剂）的冲击试样的断口扫描电镜照片,二,、,复合,材料,的结构与复合效果,材料的复合效果,-,界面效果,大量玻纤从基体中拔出，与基体的粘接性较差，体系力学性能不高。,（,b,）未加相容剂的玻纤增强体系,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,材料模型,根据复合系统特点，,分析、抽象、简化，建立分析性能的材料微观结构模型,；运用连续介质有关理论，确定在给定宏观作用场下，组分微观作用场和影响场，得到宏观响应场。是材料科学性能研究的一般方法。根据宏观作用场和响应场的关系，可确定复合材料的性能。,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料模型,材料微观模型：,几何结构模型、物理模型,常见几何模型,：,同心球壳模型：,0-3,型复合材料,同轴圆柱模型：,1-3,型复合材料,片状模型：,2-2,、,2-3,型复合材料,根据模型，可求出各组分体积分数,V,f,，,V,i,V,m,f-,filler, m-matrix,i-interface,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料模型,建立材料模型注意的问题：,坐标系的确立 ，通常选材料的主轴方向,建立结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规律为依据,模型中组分含量必须与实际材料组分含量相同,组分相的状态分布，往往采用统计的特征,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料性质与一般规律,从材料宏观性能，可将材料性质分成：,固有性质,传递性质,强度性质,转换性质,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料性质与一般规律,固有性质 材料性质的直观表现,复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料性质，如密度，比热。,本质：所含有的物质量和能量额度。,复合材料表现出性质的加和效应。,只与组分含量有关。,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料性质与一般规律,传递性质,材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻力大小的物理量，诸如导热（导热系数）、导电（电阻率）等等,本质：材料中微粒子的运动状态及通过运动传递能量、物质的能力。,传递方式：串联和并联。,与组分含量、几何形状及分布、尺寸均有关。,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料性质与一般规律,强度性质,材料承受外作用场极限能力的表征，如力学强度、电击穿强度等。,不是各相性能的简单叠加，除与组分含量、几何形状及分布、尺寸有关，还与外场分布、界面有关。,三,、,复合,材料,的模型及性能的一般规律,复合材料性质与一般规律,转换性质,材料在一种外场作用下，转换产生另一种新场量。如材料在电场作用下产生热，在热作用下产生光，等等。,影响因素较多，除了前述因素外，还与各组分之间的相互作用有关。,第,2,章 习 题,1,简述复合效应。,2,介绍几种常见两相复合材料的连通情 况。,3,列举并简述结构效果的几种类型。,