天津大学材料学院功能与复合材料1第一讲绪论.ppt

功能与复合材料,刘恩佐,材料科学与工程学院金属材料系25-C806,2013.8,E-mail: ,课程内容及教学目的,教学内容：本课程系统讲述各种功能复合材料的基本概念、相关理论、应用技术、发展趋势以及功能与复合材料领域不断涌现出的各种新发现和新观点等。课程共分9部分讲解，内容分别是功能复合材料简介、磁功能、电功能、光功能、热功能、摩擦功能、阻尼功能、防弹功能、抗辐射功能等功能复合材料。,教学目的：通过本课程的学习，使学生对功能与复合材料的制备、功能评价、应用及研究现状有一定的了解和掌握。本课程的任务是激发学生对功能与复合材料的兴趣，扩展学生的知识面，为学生将来更加深入的学习研究做准备。,教材及参考书目,教材： 功能复合材料张佐光著；化学工业出版社，2004年。,参考书目： “Electronic Properties of Materials”Editor: Rolf E. Hummel, Spinger Verlag, 2003. 新型功能复合材料制备新技术童忠良主编；化学工业出版社，2010年。,考核办法,课堂表现（出勤、回答问题）20% 报告 40% 期末考试 40%,新材料研究领域，功能材料占85% 863，973，国家自然科学基金：70%,第一章 绪论,结构材料：能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料，具有优 良的力学性能。,功能材料：,具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学、 生物医学功能， 特殊的物理、化学、生物学效应 用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。,特点： 微观；聚集态和形态；元件为最终产品；利用现代科学技术、多学科交叉的知识密集型产物；制备技术,一、基本概念,第一节 概述,发现新的物质，测试新物质的结构和性能 由已知的物质，通过新的制备工艺，改善其显微结构，改善材料的性能 由已知的物质进行复合，制备出具有优良性能的复合材料,基体；功能体,应用面宽； 研制周期短； 附加值高； 小批量，多品种； 适于特殊用途,功能复合材料 结构复合材料,材料研究三个方向：,二、功能复合材料 除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料,1. 组成：,2. 特点：,3. 分类：,树脂基、金属基、陶瓷基、碳基,磁功能 电功能 光功能 热功能 摩擦 阻尼 防弹 抗辐射,功能：,基体：,三、功能复合效应,不是复合材料的特定性能，但是可通过复合材料的性能而反映。,加和效应、平均效应、相补效应、相抵效应,结构复合材料,功能复合材料：电导率、热导率,基体、纤维共同弹性变形 基体塑性屈服、纤维弹性变形 基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、纤维共同塑性变形 复合材料断裂,阶段1：,阶段2：,1. 线形效应：,弹性模量：,2. 非线性效应：乘积效应、系统效应、诱导效应及共振效应,乘积效应,耦合函数F:,四、功能复合材料结构与性能的关系,复合度（compositivity）： 复合材料中各组元所占的体积或质量分数。,联结型(connectivity) ： 在复合结构中，各组元在三维空间自身相互联结的方式。,对称性(symmetry)： 材料各组元内部结构及其在空间几何配置上的对称特征。,标度(scale)： 活性组分的线度大小。,周期性（periodieity）： 复合材料中组元几何分布的周期特征。,复合材料可靠性,制备技术,如何制备出单分散性良好且表面具有所需亲和性能的单一材料 如何将这种材料与基体材料进行均匀混合、分散均匀，使材料在基体中仍以单个粒子稳定地存在,原位复合技术；梯度复合技术等,材料特性知识的缺乏； 材料性能的分散性； 制备工艺的不稳定性； 试验方法的不完善； 统计数据不足； 对复合材料性能随时间变化的规律和知识掌握不够,五、存在的问题,一、界面效应,第二节 功能复合材料的界面,复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,传递效应 阻断效应 不连续效应 散射和吸收效应 诱导效应,二、复合材料界面作用机理,界面发挥作用的微观机理,1. 界面浸湿理论,机械黏附：机械铰合现象，树脂固化后，大分子物进入粉粒、纤维的孔隙和不平的凹陷之中形成机械铰链。 浸湿吸附：范德瓦耳斯力的作用，使两相间进行黏附。,用表面张力表征：,润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。,附着功示意图,润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿,三种润湿,动力学影响：黏度尽量低 热力学影响：固体的表面自由能略大于液体表面自由能,2. 化学键理论,要使两相之间实现有效的结合，两相表面应含有能相互发生化学反应的活性官能团，通过它们的反应以化学键结合形成界面。,硅烷偶联剂的发展；树脂/玻璃的界面黏附，黏附能15105MPa到58105MPa 对碳纤维、有机纤维的表面进行等离子、辐照等处理,3. 机械作用理论,4. 静电理论,由于表面粗糙不平而发生机械互锁,5. 物理吸附理论,6. 过渡层理论,增强体与基体之间结合属于机械咬合和基于次价键的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强体表面完全浸润。,基体和增强体的热膨胀系数相差较大，为了消除内应力，使基体和增强体之间的界面区存在一个过渡层，他可起到应力松弛的作用。增强体经表面处理后，在界面上形成一层塑性层，可以松弛并减少界面应力，这种理论叫变形层理论。,优先吸附理论和柔性层理论,石墨纤维增强聚合物复合材料,7. 拘束层理论,8. 扩散理论,界面区的弹性模量介于基体和增强体之间时，则可很均匀的传递应力。 吸附在硬质增强体上的聚合物基体比其本体更聚集紧密，聚集密度随离界面区的距离增大而减少。增强体和基体之间形成一个模量从高到低的梯度减小的过渡区。,复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，形成反应结合或扩散结合,9. 减弱界面局部应力作用理论,基体与增强体之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质的应力浸蚀使界面化学键断裂，而处理剂在应力作用下能沿增强体表面滑移，使已断裂的化学键重新结合。从而使应力得到松弛。,三、影响界面稳定性的因素,1. 物理方面的不稳定因素,高温条件下增强体与基体之间的熔融,钨丝增强镍合金材料 钨铼合金丝增强铌合金 碳纤维增强镍材料,2. 化学方面的不稳定性,与复合材料在加工使用过程中的界面化学反应有关,暂稳态界面变化,连续式界面反应,交换式界面反应,对复合材料力学性能的影响最大 生成的化合