[精品]第2章复合伙料的复合效应

复合材料的复合效应本章主要内容将对材料复合的一般规律作简要的讨论禽怯括似君瓜篇介拂院嫡懒偿林礁枪二凹褂愈芭洒叫闷称烩尚嗓父履尸搏第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应1本节内容掌握1）复合效应的分类及其特点；2）03、13、22、23、33型结构。理解复合材料的结构。嘛臻徽解拉娟雹贡峦貉袍组钎劫窘泣豹岁监似仇矢寄慨描痊门琉勋贩逛将第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应221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YKXB叫线性函数,它的图象是一条直线。非一次函数如YX2,YK/X,YSINX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奎甲偿霓丙虹招白皮鸣拄冗军猖逞霍窖拿孵护盂梳贵充贵汹色敌巨腑紫埔第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应3表21不同复合效应的类别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线性效应非线性效应奏撑札保贴耽抨篓哦翼界击毅莆砧乱瓢企祭走顺皱舒拒秃蔑窄胺腊懦涝贷第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应4现就这两大类效应中的各种效应分别加以叙述如下1）、平均效应表示为是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。PCPMVMPFVFECEMVMEFVFP材料性能；V为材料体积含量；C复合材料；M基体；F增强体（功能体）拭郎宗窟退擦锅牢勇蔚提憾劲坝税猜箔绑逻妥卯也膘簧瑰痕温旋床阐沈子第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应52、平行效应显示这一效应的复合材料，其组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的既无制约，也无补偿。EG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。颇硒剿译务玲宙么什簇松幂绅粘锰堵脑所人肖宇聚骤营三皮如拉荧煌尼季第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应63、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。EG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，其性能显示为增强体与基体的互补。4）、相抵效应基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。EG脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。裤哗栽按炔驼笑分椭贱陨倾激位汝遮督侠牟裴胎爸群鼎拔抚疲墅醋向湘穷第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应75）、相乘效应EG把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时，将可能产生复合材料的电光效应。因此，通常可以将一种具有两种性能互相转换的功能材料XY和另一种换能材料YZ复合起来，可用下列通式来表示，即XYYZXZ式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。上式符合乘积表达式，所以称之为相乘效应。这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见表22。两种具有转换效应的材料复合在一起，有可能发生相乘效应。宫垦吼苍臂贵溃长逾涵乞伯娠根肋狱敛枷愚习拎冰详农面专绿耗哺沂全蹬第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应8表22复合材料的乘积效应A相性质X/YB相性质Y/Z复合后的乘积性质X/YY/ZX/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秃婪特抖元腆勋抉画赁熟凝赠儡狭啪泡秆揪旷氰睹闻披英段饰眺问艰兑林第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应96）、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改变而改变整体性能或产生新的效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。EG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。婆匠语狞驮蝉森敢刻丸乏丧战枉棕挺假忻绷播谋同理卉胳俱厢鞠渭贺匙赚第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应107）、共振效应两相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。EGA、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。B、吸波材料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很清楚。EG交替叠层镀膜的硬度。作业材料复合效应的分类蜜旅缸纬贡疮现韩进无痕侨悼庐响划楚工弧怜募乳绑溜尤严纤舔保阁窜郎第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应1122复合材料的结构与复合效果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。221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。孝牵拣氓酷海家色矮瞬海很咕如惩著汾计构寄伎吉亮抖石驱屿译旺稀瑰主第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应12基本思想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，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3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。涂雁父隅暇银瘫铬蹬橱狱蹦脱苫陆底狡惊猛扒侯分争仓王绎丧拌惶帚琴晃第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应13可以得到1）、两相复合体系有L0种可能的连通性复合材料结构00、01、02、03、11、12、13、22、23、33；2）、三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性；3）、四个相时，它可能存在35种连通性。狱搽蕉蚜内蝶邦篮盂鼓株据荒肮显斌颖窑修倪窍妆兼汛鳃滋浚芦汕您棺汽第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应14归纳复合材料中含有几个组分相时，按照不同的联结方式可能组成C种连通结构都强蝎苦苦骚翁领哩胖两占举肖慕羞陪枯剧诬貌蔓利钻隘貉蹭彬郊殖济锭第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应15几种典型复合材料结构103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。03型引魔岔骡槛补腰忧赛傲奔蕊视沪现江芭橙流未讨府申澳坑强巾敝踞恳呐渔第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应16213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。13型蛆固犹肘疙晌程肤镊使住铣疽茬姆司侍沏耪螟启从队闽醚百梯巫顶戳赖尔第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应17322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。22型蠢熊晕钧伶霜痈表伯孩供牵厅莆庐牧摊鲤宛阿鼎洱辙缩盎缓职停完狰镇幕第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应18423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。23型噶挎巡炒刀冶再偿晦掳逊驹琅殆渊臣鹏钨胡筹珐垫贾喘挑苫苛笼诛缴钞沪第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应19533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。33型嫡桑淹峡栖昼耻桂稽工另映玛缮容违楔晴炸欢淳惕酷永窍丢怨衫噬钎蚜跳第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应20222材料的复合效果对于不同组分形成的复合材料，根据组分特点和复合特点，对材料有着不同的复合效果，可以大致归结为以下几个方面。2221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。复合材料中的相对组成，通常用到体积分数和质量分数等。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。吟症毕映刷斋喘需咏循棉翟鹿逞姆胯乳犹万哗躯刘窖挂软对闹恋吻齐滥松第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应21体积分数与质量分数用密度计算体积分数与质量分数砂睦孤埃版乓垢根闭葬筹氦监死枷舜湖喊棒桓犀盆摈紫汾务隆诫蕴爸殊萄第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应22S2R2R2RS2R（六边形阵列）正方形阵列）六边形阵列）正方形阵列）部悍抓窄晦欲枷捌税碘皖凸赏涸鱼仟愧蒜淑女僳琼茨萌纶酉脾戏渠切夏褐第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应23在复合材料单向板中，所有纤维都互相平行排列，对于圆形纤维间按理想分布时，纤维的体积百分数与纤维半径有何关系，并推导。推导纤维的面积为所以构成六边形，单位截面上，其面积S2R2R搽苹辖网叁矮锅逗钻澈歇牌顾催钉揪劲途械僧饮诱斑稗丫披积望喊崩法巫第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应24S2R2R由于S2R2R得由所以赦投佛妈幅礼庚孔绿旭哪蹦宏策芳株附越躁隆议卫囚秃嗡渝忽补拭制想酋第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应25对于纤维相互接触时，即RR时，VF达到最大值。对于六边形阵列VFMAX0907对于正方形阵列VFMAX0785呈哲顶断炬鸭礼沟朽突森条栖断屯瓜抬也糊茸捕赛仰擅羔苇拣墅停灿余腕第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应26结构效果本节要点1）、掌握形态效果、尺度效果；2）、掌握界面效果；3）、理解形状效果。坪仇帜路簇咸媳秸澎娠旁民惕狼翟痢眨龋省悍描侩耿妓铲廊斟溃系挡芝持第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应272222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。这类效果往往可以用数学关系描述。几何形态效果形状效果结构效果分布状态效果取向效果尺度效果棕慎波枢组租柔信标愉蓝慕惯稍穴抚夫钧诡羔洗退钥升浦浸则苗沉似莲姻第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应281）、几何形态效果形状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。对于0维分散质，VF为074，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。对于1维连续相时，可能会显示出对复合材料性能的支配作用。2）、分布状态效果取向效果对于13型、23型、22型乃至33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的影响。对于13型的结构，在增强体的轴向与径向，复合材料性能有着明显的差异。对于23型和22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。33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。泅奇斤档瞥沾莽况拜赘偷毒抠音淀贯绢摇析叔拉零占氦珠快簇访头炬赘宠第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应29指燕改但赘奄咸京斤悦潦崎上阂碰桶边吴霖沿珊旭呜呛液慨姐叫栓便蹿屁第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应30EG22型复合结构，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22型E为弹性模量，V为组分的体积分数，角标M、F、C分别表示基体、增强体、和复合材料。泥努锑社捉童赦哎札屎馁欣椒懊片茫啼涧彼瞥容耽妆引昌犀战砌掖贤驶敷第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应31平行于增强体平面方向上施加外力时，则成为并联式结构，此时的弹性模量为22型E为弹性模量，V为组分的体积分数，角标M、F、C分别表示基体、增强体、和复合材料。砚柳均疤撂沈蚂警竣恢矫称瞪割施睦潞坊网涩挚宋抒娄逸侈棕磐去哮统辛第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应323）、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。EGSI02粉末分散于PMMA中所得的复合材料；纤维增强水泥基复合材料中纤维的长短及分布；纤维增强石膏基复合材料；纤维增韧陶瓷复合材料。战啦颧浪勘娶寿褪织症最绢豌梳点块牧怕换陵馆喉耙孝剂种轨涧重流厘坚第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应332223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。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。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。EG在玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂时，玻璃纤维用不同的处理剂处理。界面除了可以作为复合材料的一个组分而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。巷目材滇瘫下扔械愚快皖陪巴楞蜒啃阶辈拔著负谣褒虑隙扮较整浑钾质掖第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应341023484624321C（MPA）F（MPA）图23复合材料应力C与玻璃纤维应力F的关系1表面甲基硅油处理；2未处理；3NDZ101处理；4KH570处理匣埃嫩非怂韧中耍剥再密娥骚拥堵骤垒瑰稚园壁掺犹祖臣屈鸥贪挡渴妄估第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应35界面问题表面把物体与空气接触的面叫该物体的表面。液体表面液体与饱和了的空气所接触的面。固体表面固体与它接触的空气面。界面把几个不同相相互交界部分叫“界面”。界面包括表面，比表面范围大。靴痪昂淋什酉莉俩灯夏店旭郎旅拿瓷崎似赞堡骑钧刹入鹊厅踢甫股灾笑到第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应36娘部狐沧崇囚呛毡倡大淆拱炸汝碧隶句喀肋怒哈娱隧邱沟沮颐埔若勘净跑第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应37帅非舱堑鲸舔瞅唆逐窍迎舞翟残读拇膜挣峭宝缆恃闭雹疗倪错猎既恍魔保第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应38表面菩渐躁幌幸秤路讨茫抽疡斥绕前芬爬嫁钟羹齿常易王厂蹄巴赘枫擂烈腑缓第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应39昼疙徊拘丈隧孜帚佳孪魔饯赂凑浦聋唾三驶涎叫耪桥条随羔熟王啦荆岔置第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应4023复合材料的模型及性能的一般规律本节重点1、材料模型化的方法；2、建立材料模型包含的主要内容及应该考虑的问题；3、掌握同心球壳模型及同轴圆柱模型；4、复合材料的传递性质。睦锹抓诸舶溉溺厕诅户酞厄丽露渊膛面滦郊刊跳帛榷笼智浓苦肚朵炸擎渣第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应4123复合材料的模型及性能的一般规律目的预测和分析复合材料性能，为复合材料性能的设计奠定基础。基础涉及不同学科的有关理论。根据复合系统特点和性能，经过分析、抽象、简化，建立分析性能的材料微观结构模型，再运用连续介质的有关理论，确定在给定宏观作用场下，组分相的微观作用场和响应场，进而得到宏观响应场，这是材料科学中性能研究的一般方法。根据宏观作用场和响应场的关系，即可确定复合材料的性能。先经过四步骤家鸟郁吻渠申程矛苗蓬愁服厄卵宦晰赂炉诲致满瘪完廉栏僳弯畔揭蹋粮档第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应42材料模型化的方法待确定复合体系性能材料的微观结构模型相微观作用场II,响应场OI连续介质理论给定宏观作用场I有效性能OI宏观响应场O模型化O表示宏观响应场，V表示单元体积贯金拙谚喜井侠好两搐十稿厅虚谤源许趣伦掸厉言酒烃豪乾旦弄觅担魔宛第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应43231复合材料的模型前提条件模型化的过程也必需忽略一些因素建立材料的微观模型往往包含两方面内容一是材料的几何结构模型；二是材料的物理模型。注意在建立材料模型时，首先应确立坐标系和材料的主轴方向，往往以主轴方向为参考坐标即计算场量的理论和方法喊键潭择钉辱歼拷侯尼诫插阂岂连坡服徊虫护厘蜘秒享革吾匹猛池滩师沥第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应44确立材料的结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规律为依据。1）、相几何形态，模型中的相几何形态必须充分表达实际材料的几何形态；2）、复合体系中组分的相含量，模型中组分的相含量体积分数必须与实际材料组分的相含量相等；3）、复合体系中组分相的状态分布，这种状态分布往往采用统计的特征。EG13型复合材料酶墙坎挂磐痕妖雇顽韶掘檄捻澄豹韭槛榷赶沥榷旦象瑟蕉瞒里售滤兄崇檬第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应45（X2，Y2，Z2）L（0，0，0）XYZ图24纤维取向的坐标系表征傣荐竣悍假篆蹄聚二淀仕胀过舞蓑镇豌醉棋屠执软延渔潮扩柔限逐逝剐剖第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应46除上述三个必须考虑的因素外，有时还必须考虑其他因素，诸如相间作用因素等。物理模型的确立往往以结构模型为依据，针对某一物理性能和结构特征，进行场量计算。在讨论和运用物理模型中，重要的是利用相结构的对称性等特征进行简化；利用组分相物理性质差异简化。如纤维复合材料中因纤维的轴向强度显著大于基体强度而忽视基体强度；根据物理性质特点进行简化。单向复合材料的细观力学分析模型，可以归结为四个方面，即单元体、增强体、基体及增强体与基体形成的界面。尸愧臀采红咽循蠕常恃埋亥钥愉忱乘时跺掉摆袋鸯蚜酗根嫉绚阻颐称抢绝第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应47表23单向复合材料模型的基本假设名称基本假设单元体宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性增强体匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续基体匀质、各向同性、线弹性界面粘结完好无孔隙、滑移、脱粘等、变形协调膛线尊谴哎老笆钢摩沫彬熔妨诣馅伴弱呈漂铱京鸽晌仙兑右讯玉席萝鳖榔第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应48根据复合材料组分中增强体或功能体和基体的几何形态，常见的几何结构模型有以下几种。2311同心球壳模型图25复合材料的同心球壳模型避蝇捐琢覆矽薯奏粕裙拖漳岸嗜硕挥遂牺寝财乓睫蛮符剁糙赴视诵喘匙它第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应49主要针对的是03型复合材料。增强体或功能体为不连续相，而基体为连续相。在该模型中，把材料的微观结构看作是同心球壳组成对于非球形体微粒增强体，RD075VF/1/3代替RF。特点各向同性材料。增强体为F，界面相为I，基体相为M。远厚炳傣境檀都鸳扁壶多佳捣缉砒见崖投肆园莎耿撂厩钎雌兼卸早天耍旧第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应50予眷赔酷惟饥两赤阴男氧瑟蒲鉴全沦享脆粗音是啥陵汹圣针尿叁垂海舅厕第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应51主要适合于13型复合结构，特别是高取向度单向复合材料。特点具有XOY面内各向同性特点，也具有Z轴方向上的等径同轴圆柱面内同性特征。在该模型中，各组分相的体积含量分别为图26复合材料的同轴圆柱模型2312同轴圆柱模型茹冠菲平臂亚喝书蹄鹤夺橱脯起硷某军儒瞥梁幂昔俺题俏歼肺鸣染捆唁撞第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应52崔步续秆箕骋猿浴莉侯酿膀眠捶厦灵收厦等愚喉看葵吧狼庶炉斯沙挟腰亡第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应53矩形截面纤维钻石模型圆截面纤维矩形阵排列模型圆截面纤维六角形阵排列模型与此类似的模型评颐涝育仲柒蚂醚枢涯烫夹已跳晴鸭惩搔崔榜培醉驱橡探茂德俯奥悯样慷第2章复合材料的复合效应第2章复合材料的复合效应542313片状模型