复合材料原理课件.ppt
复合材料的复合效应,复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后材料性能优于每个单独组分的性能）使复合材料具备新的特殊性质。这种不同性质的材料之间的耦合作用是理解复合材料多性能的基础。本章将对材料复合的一般规律做简要阐述。,2.1 材料的复合效应复合效应可以分为两大类:线性效应和非线性效应.这两类效应又可以分为不同的类别:1.线性效应:1)平均效应 2)平行效应 3)相补效应 4)相抵效应2.非线性效应:1)相乘效应 2)诱导效应 3)共振效应 4)系统效应,一、平均效应:是复合材料最典型的一种效应.可以表示为:Pc=PmVm+PfVf 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（或功能体）.例如复合材料的弹性模量E,若用此混合率表示,则为:E=EmVm+EfVf 二、平行效应:组成复合材料的各组分在复合后均保留原来本身的特性作用,既无制约,也无补偿.对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出现平行效应.三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提高.对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时可以产生相补效应.,四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约,限制了整体性能的提高.如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时,则材料整体容易脆性断裂.五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合即可产生相乘效应.如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合,即可产生电光效应.通常可以把一种具有性能转换效应的功能材料X/Y与另外一种换能材料Y/Z复合,得到新的功能材料.用下式可以表示之:X/YY/Z=X/Z,六、诱导效应:在一定条件下,复合材料的一个组分可以通过诱导作用使另一组分的结构改变从而改变整体材料的性能.如结晶的纤维对非晶基体有诱导结晶作用.七、共振效应:两个相邻材料在一定条件下会产生机械的或电的磁的共振.因此,复合材料的固有频率会不同于原组分的固有频率.利用这种效应,可以根据外来的工作频率,改变复合材料的固有频率,达到避免破坏或吸波的目的.八、系统效应:这是材料中的一种复杂效应,机理尚不很清楚,由多种原因形成.如交替叠层镀膜的硬度大于各单一镀膜的硬度.,2.2 复合材料的结构与复合效果2.2.1 复合材料的结构类型复合材料是由两种或两种以上的组分相组成,组分相由其性质、形态和分布状态的不同,可以形成不同的结构类型.对于不同类型复合体系,需要首先引入连通性的概念: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,纤维的连通性为1,是一维材料,片状材料为二维,连通的基体为三维.,根据增强体和基体以不同连接方式复合所得到的连通性,可以得到如下结果: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).由三个相组成的复合体系,有20种连通性.四个相时可能存在35种连通性.复合材料含有n个组分相时,可能的连通结构种类数为:Cn=(n+3)!/n!3!,2.2.2 材料的复合效果,对于不同组分形成的复合材料,根据组分本身的特点和复合特点,对材料产生不同的复合效果,大致可以归结为以下几个方面:2.2.2.1 组分效果:在组分的物理性能确定的情况下,仅仅把相对组成作为变量,不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等因素的影响.复合材料的相对组成,通常用到体积分数和质量分数等.平均效应就是组分效果的一级近似.即复合材料的某一性能是各组分性能按体积分数的平均值.复合材料的密度和比热容等往往是符合组分效果.,2.2.2.2 结构效果:是指复合材料性能用组分性能描述时,同时考虑组分的几何形态、分布状态和尺度的因素.结构效果可以分为以下几种类型;1)几何形态效果(形状效果)该效果也可以表示出相的连续和不连续效果.对于结果效果,起决定作用的因素是连续相.2)分布状态效果(取向效果)不仅包括几何体取向,有时还要考虑到物理性能的取向.3)尺度效果 分散相尺度的变化会导致其表面性能的变化,从而使复合材料的性能发生变化.2.2.2.3 界面效果 界面效果是主要的复合效果,只有好的界面效果存在,才能充分发挥复合的优越性.界面结构的变化会引起复合材料性能的变化.,例如：在玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂中，当玻璃纤维用不同处理剂处理时，复合材料在承受相同应力下，其中的玻璃纤维承受的应力却不同。这说明，不同的界面传递应力的能力不同。,2.3 复合材料的模型及性能的一般规律2.3.1 复合材料模型材料模型的建立,对材料性能分析和材料设计有重要作用,根据复合系统的特点,经过分析抽象,建立材料的微观结构模型,通过影响因素分析,可以总结确定材料的性能.所以，建立一个能包含主要影响因素，显示材料真实性能、容易得到确定结果的材料模型对材料性能分析和材料设计是非常重要的.,建立材料的微观模型包含两个方面：一是材料的几何模型；二是材料的物理模型，即计算场量的理论和方法.建立材料复合模型时需要注意的问题:首先,适当考虑复合材料的各向异性,利用材料的对称性,确立坐标系和主轴方向,在该主轴方向,性能表达最简单,最易求解.其次,确立结构模型时,主要以材料的相几何形态和性能规律为依据,相几何形态必须充分表达实际材料的几何形态,组分含量必须与实际相同,组分相的状态分布采用统计特征.有时还要考虑相间作用因素.,物理模型的建立,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.在讨论物理模型时,重要的是利用相结构的对称性等特征进行简化;利用组分物理性能差异进行简化,如纤维轴向强度显著大于基体强度而可以忽视基体强度;根据物理性质特点进行简化,如有时界面对某种性能作用不显著时,可以忽略.建立模型时的简化假设是必要的,以单向复合材料的细观力学分析模型为例,可以归结为四个方面,即单元体,增强体,基体和复合界面.对这四个方面的基本假定如下,根据分析需要,还可增加简化假设.,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.根据复合材料中组分的几何形态,常见几何结构模型有:2.3.1.1 同心球壳模型 主要针对0-3型复合材料,增强体为不连续相,基体为连续相.此种材料具有各向同性的特点.2.3.1.2 同轴圆柱模型 适合于1-3型复合材料2.3.1.3 片状模型 适合于2-2,2-3型复合材料,以及镶嵌式的3-3型复合材料.,2.3.2 复合材料性质对于宏观性能,可以将性质分为以下类别:2.3.2.1 固有性质是指复合材料在各相之间不互相作用所表现出来的性质.这类性质往往是材料性质的直观表现,如密度等.固有性质在复合前后,其物质量和能量的总量不变.此时,复合材料的性质是各组分按含量的加和,符合混合率.2.3.2.2 传递性质 指材料在外作用场作用时,表征某通量通过材料的阻力大小的物理量.如导热系数等.,最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有多种组合方式.2.3.2.3 强度性质 是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含量,几何状态等因素有关.2.3.2.4 转换性质 是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场量.如电-热,热-光等.相乘效应是典型的转换性质体现.转换性质比较复杂,要综合分析.,3.5 增强体表面特性 及对复合材料界面结合的影响复合材料中，增强体表面特性是影响复合材料界面特性和材料总体性能的重要因素，它通常指两个方面，即增强体表面的物理特性和增强体表面的化学特性,3.5.1 增强体表面的物理特性与界面结合增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和表面能。3.5.1.1 比表面积及多孔性增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的界面存在并引起界面效应的根本所在。增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。,在常见的增强体中，玻璃纤维表面光滑，相对粗糙度小，横截面为对称圆形；硼纤维有类似玉米棒表面状态的结构，表面相对光滑，比表面积较小，纤维的横截面为复合结构碳化硅钨丝表面呈凹谷状，但还平滑，有较大的纤维直径，较小的比表面积，横截面为规则圆形，内芯为钨丝，外圆为碳化硅；以粘胶丝基的碳纤维，表面光滑，有直沟槽的纤维状结构，横截面为不规则的几何形状；以聚丙烯腈基的碳纤维，表面沟槽没有前者明显，较为平滑规整，横截面也较为规整。在复合材料制备过程中，增强体的比表面积大对粘接强度是有好的作用的。,一般地，增强体比表面积越大，增强体与基体粘接的物理界面越大，粘结强度高。同时，增强体表面形态影响到浸润速度，从而影响到复合材料的性能。玻璃纤维表面光滑，不利于和树脂结合，但易被树脂浸透，能使纤维间的空隙被树脂填充的较为密实.而粗糙的表面虽然能与树脂有较好的机械结合，但高粘度的基体有时很难完全浸润其表面，形成很多空隙，成为应力传递的薄弱环节。碳纤维复合材料的界面粘接强度随纤维表面晶体尺寸的增大而下降，其原因是，随着纤维石墨化程度提高，晶体晶面增大导致表面更光滑、惰性增加，表面与树脂粘附性差，界面粘接强度下降.,3.5.1.2 增强体表面的极性、均一性、结晶特性及 表面能 增强体表面的极性取决于本身的分子结构、物质结构及外场的作用。通常，极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面结合强度。同样，极性的增强体为极性基体浸润时，也就可能产生较大的浸润热。增强体表面的均一性实质上是指增强体表面的活性点分布的均一性。这类活性点的分布影响到增强体表面与基体的结合效果。增强体表面的结晶特性包括表面的结晶程度及晶体分布状态，都会影响到界面作用和整体性能。,晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意，对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有相反表现。3.5.2 增强体表面的化学特性与界面结合增强体表面的化学特性对复合材料的界面粘接效果起着更为重要的作用。增强体表面的化学特性包括化学组成和结构、表面的反应特性等，其中增强体的表面反应特性是最重要的，它关系到增强体是否要进行表面处理、与基体能否形成化学结合、是否容易与环境接触反应而影响整体性能的稳定性。,纤维表面还可能有吸水现象，玻璃纤维增强复合材料中，一旦水侵入界面，会破坏界面粘接，导致材料性能下降；另外，由于吸附水的作用，使纤维表面带有活性基团，有助于进行表面改性处理，以改善界面粘接性能。对于加入偶联剂的体系，粘结强度主要取决于增强体表面的偶联反应性，所以，增强体表面的反应性是对界面结合强度有重要作用的因素。因此，对增强体表面改性（增加反应性）是复合材料获得良好性能的重要手段。,增强体表面处理或涂层要考虑改善浸润性和防止或控制界面反应的作用，最好选择一种对两相起隔离并对两相均有良好相容性的梯度涂层。合金化也可以提供一个良好的界面效果，有防止反应或作韧性层的作用。4.6 界面分析技术简介复合材料的性质与界面性质密切相关，而界面性质又取决于界面的结合状态、微观结构特征以及应力状态。因而全面确切地表征界面，了解界面性质并进而控制、设计界面是改善复合材料性能的最重要的工作之一。,近代众多先进的微区形貌、结构和成分分析手段可用于复合材料界面分析，诸如分析电镜（AEM）、红外光谱（IR）、X衍射（XRD）、X-荧光分析（XFA）、光电子能谱（ESCA）等方法都得到了广泛的应用。它们对表征偶联剂的作用机理、界面层厚度、界面化学组成及化学结构、微观材料结构、界面反应、微区形貌及破坏机理分析等可以提供大量有价值的信息。此外，一些常规的分析也对复合材料的认识有重要作用。评价复合材料界面的粘接强度、应力分布状态、应力传递、微区应力分布的宏观方法有单丝拔脱试验、层间剪切强度试验和弯曲强度试验等。,对于透明的树脂基复合材料，也可以采用光弹性应力分析法、激光微传感技术等进行观测。拔脱试验,顶出试验,临界纤维长度试验适于热塑性基体或延伸率较高的基体,界面粘结能测试在浇注体中间开一1.5mm小孔，使其恰好穿过纤维，再对浇注体施压，使纤维在孔处脱粘，记下此时载荷。然后计算此时的界面粘结能。,
