復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)

1、1 復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)本章主要內(nèi)容：將對材料復(fù)合的一般規(guī)律作簡要的討論本章主要內(nèi)容：將對材料復(fù)合的一般規(guī)律作簡要的討論 2 本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容： 掌握：掌握：1 1）復(fù)合效應(yīng)的分類及其特點(diǎn)；）復(fù)合效應(yīng)的分類及其特點(diǎn)； 2 2）0-30-3、1-31-3、2-22-2、2-32-3、3-33-3型結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)。 理解：理解：復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。32 21 1 材料的復(fù)合效應(yīng)材料的復(fù)合效應(yīng) 就其產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的特征，分為兩大類就其產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的特征，分為兩大類： 一次函數(shù)一次函數(shù)y=kx+b 叫線性函數(shù)叫線性函數(shù), ,它的圖象是它的圖象是一條直線一條直線。 非一次函數(shù)非

2、一次函數(shù)( (如如y=x2, , y=k/x, , y=sinx.).)都叫非線性函都叫非線性函數(shù)數(shù), ,它們的圖象都它們的圖象都不是直線不是直線。 與一次函數(shù)相關(guān)的一次方程叫線性方程與一次函數(shù)相關(guān)的一次方程叫線性方程, ,一次方程組叫一次方程組叫線性方程組。線性方程組。 線性指量與量之線性指量與量之間成間成關(guān)系。關(guān)系。非線性指量與量非線性指量與量之間成之間成關(guān)系關(guān)系 。線性效應(yīng)線性效應(yīng) 非線性效應(yīng)非線性效應(yīng) 4表表2 21 1 不同復(fù)合效應(yīng)的類別不同復(fù)合效應(yīng)的類別線性效線性效應(yīng)應(yīng)非線性非線性效應(yīng)效應(yīng)平均效平均效應(yīng)應(yīng)相乘效相乘效應(yīng)應(yīng)平行效平行效應(yīng)應(yīng)誘導(dǎo)效誘導(dǎo)效應(yīng)應(yīng)相補(bǔ)效相補(bǔ)效應(yīng)應(yīng)共振效共振效應(yīng)

3、應(yīng)相抵效相抵效應(yīng)應(yīng)系統(tǒng)效系統(tǒng)效應(yīng)應(yīng)效應(yīng)效應(yīng)效應(yīng)效應(yīng)5現(xiàn)就這兩大類效應(yīng)中的各種效應(yīng)分別加以敘述如下：現(xiàn)就這兩大類效應(yīng)中的各種效應(yīng)分別加以敘述如下：1 1）、平均效應(yīng)）、平均效應(yīng) 表示為：表示為：是復(fù)合材料所顯是復(fù)合材料所顯示的最典型的一示的最典型的一種復(fù)合效應(yīng)。種復(fù)合效應(yīng)。PcPmVm+PfVfEc=EmVm+ EfVfP P材料性能；材料性能；V V為材料體積含量；為材料體積含量；c c復(fù)合材料；復(fù)合材料；m m基體；基體；f f增強(qiáng)體（功能體）增強(qiáng)體（功能體）62)2)、平行效應(yīng)、平行效應(yīng) 顯示這一效應(yīng)的復(fù)合材料，其組成復(fù)合材料的各組顯示這一效應(yīng)的復(fù)合材料，其組成復(fù)合材料的各組分在復(fù)合材料中

4、，均保留本身的既無制約，也無補(bǔ)償。分在復(fù)合材料中，均保留本身的既無制約，也無補(bǔ)償。 Eg: Eg:增強(qiáng)體增強(qiáng)體( (如纖維如纖維) )與基體與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料所顯示的復(fù)合效應(yīng)，料所顯示的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)?？梢钥醋魇瞧叫行?yīng)。73)3)、相補(bǔ)效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng) 組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上能互補(bǔ)，從組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上能互補(bǔ)，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。 EgEg：對于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時，對于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時，兩相間若能得到適宜的結(jié)合而形成的復(fù)合材

5、料，其性能顯兩相間若能得到適宜的結(jié)合而形成的復(fù)合材料，其性能顯示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。4 4）、相抵效應(yīng)）、相抵效應(yīng) 基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時，若組分間性能相互制基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時，若組分間性能相互制約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵效應(yīng)。約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵效應(yīng)。 Eg:Eg:脆性的纖維增強(qiáng)體與韌性基體組成的復(fù)合材料，脆性的纖維增強(qiáng)體與韌性基體組成的復(fù)合材料，當(dāng)兩者界面結(jié)合很強(qiáng)時，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。當(dāng)兩者界面結(jié)合很強(qiáng)時，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。 85 5）、相乘效應(yīng)）、相乘效應(yīng) Eg:Eg:把具有電磁效應(yīng)的材料與具

6、有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合時，把具有電磁效應(yīng)的材料與具有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合時，將可能產(chǎn)生復(fù)合材料的電光效應(yīng)。因此，通常可以將一種具將可能產(chǎn)生復(fù)合材料的電光效應(yīng)。因此，通?？梢詫⒁环N具有兩種性能互相轉(zhuǎn)換的功能材料有兩種性能互相轉(zhuǎn)換的功能材料X XY Y和另一種換能材料和另一種換能材料Y YZ Z復(fù)合起來，可用下列通式來表示，即：復(fù)合起來，可用下列通式來表示，即：XYYZ XZ 式中，式中，X X、Y Y、Z Z分別表示各種物理性能。上式符合乘積表分別表示各種物理性能。上式符合乘積表達(dá)式，所以稱之為相乘效應(yīng)。這樣的組合可以非常廣泛，已達(dá)式，所以稱之為相乘效應(yīng)。這樣的組合可以非常廣泛，已被用于設(shè)計(jì)功能復(fù)合

7、材料。常用的物理乘積效應(yīng)見表被用于設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料。常用的物理乘積效應(yīng)見表2.22.2。 兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合在一起，有可能發(fā)生復(fù)合在一起，有可能發(fā)生相乘效應(yīng)。相乘效應(yīng)。9表表2 22 2 復(fù)合材料的乘積效應(yīng)復(fù)合材料的乘積效應(yīng)A A相性質(zhì)相性質(zhì) X/YX/YB B相性質(zhì)相性質(zhì) Y/ZY/Z復(fù)合后的乘積性質(zhì)復(fù)合后的乘積性質(zhì)(X/Y)(Y/Z)(X/Y)(Y/Z)X/ZX/Z壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁電效應(yīng)磁電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)場致發(fā)光效應(yīng)場致發(fā)光效應(yīng)壓力發(fā)光效應(yīng)壓力發(fā)光效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)壓阻效

8、應(yīng)壓阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)電致效應(yīng)電致效應(yīng)光致伸縮光致伸縮閃爍效應(yīng)閃爍效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)輻射誘導(dǎo)導(dǎo)電輻射誘導(dǎo)導(dǎo)電熱致變形效應(yīng)熱致變形效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)熱敏電阻效應(yīng)熱敏電阻效應(yīng)10 6 6）、誘導(dǎo)效應(yīng)）、誘導(dǎo)效應(yīng) 在一定條件下，復(fù)合材料中的一組分材料可以通過誘導(dǎo)在一定條件下，復(fù)合材料中的一組分材料可以通過誘導(dǎo)作用使另一組分材料的結(jié)構(gòu)改變而改變整體性能或產(chǎn)生新的作用使另一組分材料的結(jié)構(gòu)改變而改變整體性能或產(chǎn)生新的效應(yīng)。這種誘導(dǎo)行為已在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時也在復(fù)合材效應(yīng)。這種誘導(dǎo)行為已在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時也在復(fù)合材料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)。料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)。 EgEg：結(jié)晶的纖

9、維增強(qiáng)體對非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基結(jié)晶的纖維增強(qiáng)體對非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基體的晶形取向作用。體的晶形取向作用。117 7）、共振效應(yīng)）、共振效應(yīng) 兩相鄰的材料在一定條件下，會產(chǎn)生機(jī)械的或電、磁兩相鄰的材料在一定條件下，會產(chǎn)生機(jī)械的或電、磁的共振。的共振。 Eg Eg：a a、復(fù)合材料其固有頻率不同于原組分的固有頻率，、復(fù)合材料其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當(dāng)復(fù)合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，復(fù)合材料的固當(dāng)復(fù)合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，復(fù)合材料的固有頻率也會發(fā)生改變有頻率也會發(fā)生改變 。 b b、吸波材料、吸波材料 8 8）、系統(tǒng)效應(yīng)）、系統(tǒng)效應(yīng) 這是一種材料的復(fù)雜效應(yīng)，至目前

10、為止，這一效應(yīng)的這是一種材料的復(fù)雜效應(yīng)，至目前為止，這一效應(yīng)的機(jī)理尚不很清楚。機(jī)理尚不很清楚。EgEg：交替疊層鍍膜的硬度。：交替疊層鍍膜的硬度。 作業(yè)：作業(yè)： 材料復(fù)合效應(yīng)的分類？材料復(fù)合效應(yīng)的分類？122.2 2.2 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與復(fù)合效果 材料的合成和制備及材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，材料的合成和制備及材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，是材料科學(xué)討論的主要內(nèi)容。對復(fù)合材料來說，復(fù)合材料是材料科學(xué)討論的主要內(nèi)容。對復(fù)合材料來說，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和復(fù)合效果也是復(fù)合材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容。的結(jié)構(gòu)和復(fù)合效果也是復(fù)合材料科學(xué)的主要研究內(nèi)容。 2.2.1 2.2.1 復(fù)合材料的

11、結(jié)構(gòu)類型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型 復(fù)合材料的性質(zhì)取決于各組分特性、含量和分布情況。復(fù)合材料的性質(zhì)取決于各組分特性、含量和分布情況。 對不同類型的復(fù)合體系，需引入對不同類型的復(fù)合體系，需引入“連通性連通性”的概念。的概念。 13基本思想：基本思想： 復(fù)合體系中的任何相，在空間的零維、一維、二維或三復(fù)合體系中的任何相，在空間的零維、一維、二維或三維方向上是相互連通的，因而任意彌散和孤立的顆粒的連通維方向上是相互連通的，因而任意彌散和孤立的顆粒的連通性為性為0 0，是零維材料，是零維材料(0(0維維) )，而包圍它們的介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)體狀的，而包圍它們的介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)體狀的連續(xù)材料，連通性為連續(xù)材料，連通性為3 3

12、，即是三維材料，即是三維材料(3(3維維) )；纖維狀材料的；纖維狀材料的連通性為連通性為1 1，是一維材料，是一維材料(1(1維維) )；相應(yīng)的片狀材料連通性為；相應(yīng)的片狀材料連通性為2 2，即二維材料即二維材料(2(2維維) )。 14可以得到：可以得到： 1 1）、兩相復(fù)合體系有）、兩相復(fù)合體系有l(wèi)0l0種可能的連通性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)種可能的連通性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)( (0-00-0、0-10-1、0-20-2、0-30-3、1-11-1、1-21-2、1-31-3、2-22-2、2-32-3、3-33-3) )；2 2）、三個相組成的復(fù)合體系結(jié)構(gòu)有）、三個相組成的復(fù)合體系結(jié)構(gòu)有2020種可能存在

13、的連通性；種可能存在的連通性；3 3）、四個相時，它可能存在）、四個相時，它可能存在3535種連通性。種連通性。 15歸納：歸納：復(fù)合材料中含有幾個組分相時，按照不同的聯(lián)結(jié)復(fù)合材料中含有幾個組分相時，按照不同的聯(lián)結(jié)方式可能組成方式可能組成C C種連通結(jié)構(gòu)：種連通結(jié)構(gòu)：！3n)3n(Cn16幾種典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)：幾種典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)：(1)0-3(1)0-3型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這是基體為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)體或功能這是基體為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)體或功能體以不連續(xù)相的微粒狀分布在基體中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。體以不連續(xù)相的微粒狀分布在基體中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。0-3型型17(2)1-3(2)1-3型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的基體仍

14、為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)這種結(jié)構(gòu)的基體仍為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)體則為纖維狀一維材料。體則為纖維狀一維材料。 1-3型型18(3)2-2(3)2-2型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這是一種由兩種組分材料呈層狀疊合而這是一種由兩種組分材料呈層狀疊合而成的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。成的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。2-2型型19(4)2-3(4)2-3型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 在這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，基體相仍為三在這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，基體相仍為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)體或功能體為二維結(jié)構(gòu)的片狀材料。維連續(xù)相，而增強(qiáng)體或功能體為二維結(jié)構(gòu)的片狀材料。2-3型型20(5)3-3(5)3-3型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的基體相為三維連續(xù)相，而增強(qiáng)這種結(jié)構(gòu)的基體相為三維連續(xù)相，

15、而增強(qiáng)體或功能體為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)鑲嵌在基體之中。體或功能體為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)鑲嵌在基體之中。3-3型型212 22 22 2 材料的復(fù)合效果材料的復(fù)合效果 對于不同組分形成的復(fù)合材料，根據(jù)組分特點(diǎn)和復(fù)合特對于不同組分形成的復(fù)合材料，根據(jù)組分特點(diǎn)和復(fù)合特點(diǎn)，對材料有著不同的復(fù)合效果，可以大致歸結(jié)為以下幾個點(diǎn)，對材料有著不同的復(fù)合效果，可以大致歸結(jié)為以下幾個方面。方面。2 22 22 21 1 組分效果組分效果 在復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體在復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體( (或功能體或功能體) )的物理機(jī)械性能的物理機(jī)械性能確定的情況下，僅僅把相對組成作為變量，不考慮組分的幾確定的情況下，僅僅

16、把相對組成作為變量，不考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等復(fù)雜變量影響時產(chǎn)生的效果稱為何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等復(fù)雜變量影響時產(chǎn)生的效果稱為組分效果。組分效果。 復(fù)合材料中的相對組成，通常用到體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)合材料中的相對組成，通常用到體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。等。加和特征：加和特征：復(fù)合材料的某一性能是各組分性能的按體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的某一性能是各組分性能的按體積分?jǐn)?shù)的平均值。的平均值。 復(fù)合材料的某些基本物理參數(shù)，如密度、比熱容，往往復(fù)合材料的某些基本物理參數(shù)，如密度、比熱容，往往是近似具有加和作用的組分效果。是近似具有加和作用的組分效果。 22cVVV/11cWWW/11 332211111

17、WWWWV 332211111VVVVW體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)：體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)：用密度計(jì)算體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)：用密度計(jì)算體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)：23S2R2r2RS2r232RrVf（六邊形陣列）（六邊形陣列） 24RrVf( (正方形陣列）正方形陣列） rVsf132221( (六邊形陣列）六邊形陣列） rVsf12142( (正方形陣列）正方形陣列） 24 在復(fù)合材料單向板中，所有纖維都互相平行排列，對在復(fù)合材料單向板中，所有纖維都互相平行排列，對于圓形纖維間按理想分布時，纖維的體積百分?jǐn)?shù)與纖維半于圓形纖維間按理想分布時，纖維的體積百分?jǐn)?shù)與纖維半徑有何關(guān)系，并推導(dǎo)。徑有何關(guān)系，并推導(dǎo)。232R

18、rVf推導(dǎo)：推導(dǎo)：23660sin22216RRRS纖維的面積為：纖維的面積為：232RrVf所以：所以：構(gòu)成六邊形，單位截面上，其面積構(gòu)成六邊形，單位截面上，其面積222336rrrSS2R2r25S2R2r由于由于S2R2r232RrVf得：得：rVRf21)32(rVsf132221由：由：所以：所以：26對于纖維相互接觸時，即對于纖維相互接觸時，即r rR R時，時，V Vf f達(dá)到最大值。達(dá)到最大值。對于六邊形陣列：對于六邊形陣列：V Vfmaxfmax0.9070.907對于正方形陣列：對于正方形陣列：V Vfmaxfmax0.7850.78527結(jié)構(gòu)效果結(jié)構(gòu)效果本節(jié)要點(diǎn)：本節(jié)要點(diǎn)

19、：1 1）、掌握形態(tài)效果、尺度效果；）、掌握形態(tài)效果、尺度效果；2 2）、掌握界面效果；）、掌握界面效果；3 3）、理解形狀效果。）、理解形狀效果。282 22 22 22 2 結(jié)構(gòu)效果結(jié)構(gòu)效果 所謂結(jié)構(gòu)效果是復(fù)合材料性能用組分性能和組成來描所謂結(jié)構(gòu)效果是復(fù)合材料性能用組分性能和組成來描述時，必須考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等可變述時，必須考慮組分的幾何形態(tài)、分布狀態(tài)和尺度等可變因素產(chǎn)生的效果。因素產(chǎn)生的效果。 這類效果往往可以用數(shù)學(xué)關(guān)系描述。這類效果往往可以用數(shù)學(xué)關(guān)系描述。 幾何形態(tài)效果幾何形態(tài)效果( (形狀效果形狀效果) ) 結(jié)構(gòu)效果結(jié)構(gòu)效果 分布狀態(tài)效果分布狀態(tài)效果( (取向效果取

20、向效果) ) 尺度效果尺度效果 291 1）、幾何形態(tài)效果）、幾何形態(tài)效果( (形狀效果形狀效果) ) 該效果也可表示出相的連續(xù)和不連續(xù)效果。對于結(jié)構(gòu)該效果也可表示出相的連續(xù)和不連續(xù)效果。對于結(jié)構(gòu)效果，其決定因素是組成中的連續(xù)相。效果，其決定因素是組成中的連續(xù)相。 對于對于0 0維分散質(zhì)維分散質(zhì)，V Vf f為為0.740.74，此時復(fù)合材料的性能在不，此時復(fù)合材料的性能在不考慮界面效果的情況下，仍決定于連續(xù)相考慮界面效果的情況下，仍決定于連續(xù)相( (基體基體) )的性質(zhì)。的性質(zhì)。對于對于1 1維連續(xù)相時，可能會顯示出對復(fù)合材料性能的支配作維連續(xù)相時，可能會顯示出對復(fù)合材料性能的支配作用。用。

21、2 2）、分布狀態(tài)效果）、分布狀態(tài)效果( (取向效果取向效果) ) 對于對于1-31-3型、型、2-32-3型、型、2-22-2型乃至型乃至3-33-3型復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體或功能體的幾何取向?qū)?fù)合材料性能有著明顯的影響。體或功能體的幾何取向?qū)?fù)合材料性能有著明顯的影響。 對于對于1-31-3型的結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)體的軸向與徑向，復(fù)合材料型的結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)體的軸向與徑向，復(fù)合材料性能有著明顯的差異。性能有著明顯的差異。 對于對于2-32-3型和型和2-22-2型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，在增強(qiáng)體或功能型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，在增強(qiáng)體或功能體的平面平行方向和平面垂直方向其性能截然不同。體的平面平行方向和平面

22、垂直方向其性能截然不同。 3-3 3-3型的復(fù)合材料，主要根據(jù)增強(qiáng)體本身在不同方向上型的復(fù)合材料，主要根據(jù)增強(qiáng)體本身在不同方向上的特性，可顯示出取向效果。的特性，可顯示出取向效果。3031EgEg：2-22-2型復(fù)合結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)體所在平面的垂直方向上型復(fù)合結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)體所在平面的垂直方向上施加外力時，成為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，則彈性模量為：施加外力時，成為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，則彈性模量為：ffmmcEVEVE12-2型型 E為彈性模量，為彈性模量，V為組分的體積分?jǐn)?shù)，角為組分的體積分?jǐn)?shù)，角標(biāo)標(biāo)m、f、c分別表示基體、增強(qiáng)體、和復(fù)合分別表示基體、增強(qiáng)體、和復(fù)合材料。材料。32ffmmcEEVEE平行于增強(qiáng)體平面方

23、向上施加外力時，則成為并聯(lián)式結(jié)平行于增強(qiáng)體平面方向上施加外力時，則成為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，此時的彈性模量為：構(gòu)，此時的彈性模量為：2-2型型 E為彈性模量，為彈性模量，V為組分的體積分?jǐn)?shù)，角為組分的體積分?jǐn)?shù)，角標(biāo)標(biāo)m、f、c分別表示基體、增強(qiáng)體、和復(fù)合分別表示基體、增強(qiáng)體、和復(fù)合材料。材料。33 3 3）、尺度效果）、尺度效果 分散質(zhì)尺度大小的變化，會導(dǎo)致其表面物理化學(xué)性能分散質(zhì)尺度大小的變化，會導(dǎo)致其表面物理化學(xué)性能的變化，諸如比表面積、表面自由能的變化以及它們在復(fù)的變化，諸如比表面積、表面自由能的變化以及它們在復(fù)合材料中的表面應(yīng)力的分布和界面狀態(tài)的改變，從而使復(fù)合材料中的表面應(yīng)力的分布和界面狀態(tài)的

24、改變，從而使復(fù)合材料性能發(fā)生變化。合材料性能發(fā)生變化。 EgEg：Si0Si02 2粉末分散于粉末分散于PMMAPMMA中所得的復(fù)合材料；中所得的復(fù)合材料； 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中纖維的長短及分布；纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中纖維的長短及分布； 纖維增強(qiáng)石膏基復(fù)合材料；纖維增強(qiáng)石膏基復(fù)合材料； 纖維增韌陶瓷復(fù)合材料。纖維增韌陶瓷復(fù)合材料。 342 22 22 23 3 界面效果界面效果 復(fù)合材料的界面效果是基體與增強(qiáng)體或功能體復(fù)合效復(fù)合材料的界面效果是基體與增強(qiáng)體或功能體復(fù)合效果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地顯示復(fù)果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地顯示復(fù)合材料的各種優(yōu)越性能

25、。界面結(jié)構(gòu)合材料的各種優(yōu)越性能。界面結(jié)構(gòu)( (物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)) )的變化會引起復(fù)合材料性能的明顯變化。的變化會引起復(fù)合材料性能的明顯變化。 EgEg：在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂時，玻璃纖維用在玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂時，玻璃纖維用不同的處理劑處理。不同的處理劑處理。 界面除了可以作為復(fù)合材料的一個組分而對材料有各界面除了可以作為復(fù)合材料的一個組分而對材料有各種物理性能影響外，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其尺度的變種物理性能影響外，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其尺度的變化都會有不同于其他組分相的作用。化都會有不同于其他組分相的作用。 351023484624321c（MPa）f（M

26、Pa）圖圖2-3 2-3 復(fù)合材料應(yīng)力復(fù)合材料應(yīng)力c c 與玻璃纖維應(yīng)力與玻璃纖維應(yīng)力f f的關(guān)系的關(guān)系1-1-表面甲基硅油處理；表面甲基硅油處理；2-2-未處理；未處理；3-NDZ-1013-NDZ-101處理；處理；4-KH-5704-KH-570處理處理36界面問題界面問題表面：表面：把物體與空氣接觸的面叫該物體的表面。把物體與空氣接觸的面叫該物體的表面。液體表面液體表面液體與飽和了的空氣所接觸的面。液體與飽和了的空氣所接觸的面。固體表面固體表面固體與它接觸的空氣面。固體與它接觸的空氣面。界面：界面：把幾個不同相相互交界部分叫把幾個不同相相互交界部分叫“界面界面”。 界面包括表面，比表面

27、范圍大。界面包括表面，比表面范圍大。37聚 苯 板聚 和 物 砂 漿聚 苯 板3839表面？表面？40412.3 2.3 復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律本節(jié)重點(diǎn)：本節(jié)重點(diǎn)：1 1、材料模型化的方法；、材料模型化的方法；2 2、建立材料模型包含的主要內(nèi)容及應(yīng)該考慮的問題；、建立材料模型包含的主要內(nèi)容及應(yīng)該考慮的問題；3 3、掌握同心球殼模型及同軸圓柱模型；、掌握同心球殼模型及同軸圓柱模型；4 4、復(fù)合材料的傳遞性質(zhì)。、復(fù)合材料的傳遞性質(zhì)。422.3 2.3 復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律復(fù)合材料的模型及性能的一般規(guī)律 目的：目的：預(yù)測和分析復(fù)合材料性能，為復(fù)合材料性

28、能的預(yù)測和分析復(fù)合材料性能，為復(fù)合材料性能的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 基礎(chǔ)：基礎(chǔ)：涉及不同學(xué)科的有關(guān)理論。涉及不同學(xué)科的有關(guān)理論。 根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)特點(diǎn)和性能，經(jīng)過分析、抽象、簡化，根據(jù)復(fù)合系統(tǒng)特點(diǎn)和性能，經(jīng)過分析、抽象、簡化，建立分析性能的材料微觀結(jié)構(gòu)模型，再運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)的有建立分析性能的材料微觀結(jié)構(gòu)模型，再運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)的有關(guān)理論，確定在給定宏觀作用場下，組分相的微觀作用場關(guān)理論，確定在給定宏觀作用場下，組分相的微觀作用場和響應(yīng)場，進(jìn)而得到宏觀響應(yīng)場，這是材料科學(xué)中性能研和響應(yīng)場，進(jìn)而得到宏觀響應(yīng)場，這是材料科學(xué)中性能研究的一般方法。根據(jù)宏觀作用場和響應(yīng)場的關(guān)系，即可確究的一般方法。根據(jù)宏觀

29、作用場和響應(yīng)場的關(guān)系，即可確定復(fù)合材料的性能。定復(fù)合材料的性能。 先經(jīng)過先經(jīng)過四步驟四步驟43材料模型化的方法材料模型化的方法 待確定復(fù)合待確定復(fù)合體系性能體系性能材料的微觀材料的微觀結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型相微觀作用相微觀作用場場Ii,響應(yīng)場響應(yīng)場Oi連續(xù)介質(zhì)理連續(xù)介質(zhì)理論論給定宏觀作給定宏觀作用場用場I有效性能有效性能O= (I)宏觀響應(yīng)場宏觀響應(yīng)場O模型化模型化OdVVOO1）（O表示宏觀響應(yīng)場，表示宏觀響應(yīng)場，V表示單元體積表示單元體積44 2 23 31 1 復(fù)合材料的模型復(fù)合材料的模型前提條件：前提條件：模型化的過程也必需忽略一些因素模型化的過程也必需忽略一些因素建立材料的微觀模型往往包含

30、兩方面內(nèi)容：建立材料的微觀模型往往包含兩方面內(nèi)容：一是材料的幾何結(jié)構(gòu)模型；一是材料的幾何結(jié)構(gòu)模型；二是材料的物理模型。二是材料的物理模型。 注意：注意：在建立材料模型時，首先應(yīng)確立坐標(biāo)系和材料在建立材料模型時，首先應(yīng)確立坐標(biāo)系和材料的主軸方向，往往以主軸方向?yàn)閰⒖甲鴺?biāo)的主軸方向，往往以主軸方向?yàn)閰⒖甲鴺?biāo) 即計(jì)算場量的即計(jì)算場量的理論和方法理論和方法45 確立材料的確立材料的結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型時，主要以時，主要以材料的相幾何形態(tài)材料的相幾何形態(tài)和和性能規(guī)律性能規(guī)律為依據(jù)。為依據(jù)。1 1）、相幾何形態(tài)，模型中的相幾何形態(tài)必須充分表達(dá)實(shí)）、相幾何形態(tài)，模型中的相幾何形態(tài)必須充分表達(dá)實(shí)際材料的幾何形態(tài)；

31、際材料的幾何形態(tài)； 2 2）、復(fù)合體系中組分的相含量，模型中組分的相含量）、復(fù)合體系中組分的相含量，模型中組分的相含量( (體體積分?jǐn)?shù)積分?jǐn)?shù)) )必須與實(shí)際材料組分的相含量相等；必須與實(shí)際材料組分的相含量相等；3 3）、復(fù)合體系中組分相的狀態(tài)分布，這種狀態(tài)分布往往）、復(fù)合體系中組分相的狀態(tài)分布，這種狀態(tài)分布往往采用統(tǒng)計(jì)的特征。采用統(tǒng)計(jì)的特征。 EgEg：1-31-3型復(fù)合材料：型復(fù)合材料： 46（X2，Y2，Z2）l（0，0，0）xyz圖圖2.4 纖維取向的坐標(biāo)系表征纖維取向的坐標(biāo)系表征47 除上述三個必須考慮的因素外，有時還必須考慮其除上述三個必須考慮的因素外，有時還必須考慮其他因素，諸如相

32、間作用因素等。他因素，諸如相間作用因素等。 物理模型物理模型的確立往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，針對某一的確立往往以結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，針對某一物理性能和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行場量計(jì)算。在討論和運(yùn)用物物理性能和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行場量計(jì)算。在討論和運(yùn)用物理模型中，重要的是利用相結(jié)構(gòu)的對稱性等特征進(jìn)行簡理模型中，重要的是利用相結(jié)構(gòu)的對稱性等特征進(jìn)行簡化；利用組分相物理性質(zhì)差異簡化。化；利用組分相物理性質(zhì)差異簡化。 如纖維復(fù)合材料中因纖維的軸向強(qiáng)度顯著大于基體如纖維復(fù)合材料中因纖維的軸向強(qiáng)度顯著大于基體強(qiáng)度而忽視基體強(qiáng)度；根據(jù)物理性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行簡化。強(qiáng)度而忽視基體強(qiáng)度；根據(jù)物理性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行簡化。 單向復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析模

33、型，可以歸結(jié)為四單向復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析模型，可以歸結(jié)為四個方面，即單元體、增強(qiáng)體、基體及增強(qiáng)體與基體形成個方面，即單元體、增強(qiáng)體、基體及增強(qiáng)體與基體形成的界面。的界面。 48表表2 23 3 單向復(fù)合材料模型的基本假設(shè)單向復(fù)合材料模型的基本假設(shè)名稱名稱基基 本本 假假 設(shè)設(shè)單元體單元體宏觀均勻、無缺陷、增強(qiáng)體與基體性能恒定、線彈性宏觀均勻、無缺陷、增強(qiáng)體與基體性能恒定、線彈性增強(qiáng)體增強(qiáng)體勻質(zhì)、各向同性、線彈性、定向排列、連續(xù)勻質(zhì)、各向同性、線彈性、定向排列、連續(xù)基基 體體勻質(zhì)、各向同性、線彈性勻質(zhì)、各向同性、線彈性界界 面面粘結(jié)完好粘結(jié)完好( (無孔隙、滑移、脫粘等無孔隙、滑移、脫粘等)

34、)、變形協(xié)調(diào)、變形協(xié)調(diào)49 根據(jù)復(fù)合材料組分中增強(qiáng)體根據(jù)復(fù)合材料組分中增強(qiáng)體(或功能體或功能體)和基體的幾何和基體的幾何形態(tài)，常見的幾何結(jié)構(gòu)模型有以下幾種。形態(tài)，常見的幾何結(jié)構(gòu)模型有以下幾種。 2311 同心球殼模型同心球殼模型圖圖2.5 復(fù)合材料的同心球殼模型復(fù)合材料的同心球殼模型50 主要針對的是主要針對的是0-3型復(fù)合材料。增強(qiáng)體或功能體為不型復(fù)合材料。增強(qiáng)體或功能體為不連續(xù)相，而基體為連續(xù)相。連續(xù)相，而基體為連續(xù)相。 在該模型中，把材料的微觀結(jié)構(gòu)看作是同心球殼組成在該模型中，把材料的微觀結(jié)構(gòu)看作是同心球殼組成 33)(ifmffrrrrV333)()(mfiffiirrrrrrVifm

35、VVV1對于非球形體微粒增強(qiáng)體，對于非球形體微粒增強(qiáng)體，rd(0.75Vf/)1/3代替代替rf。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：各向同性材料。各向同性材料。增強(qiáng)體為增強(qiáng)體為f，界面相為界面相為i，基體相為基體相為m。5152 主要適合于主要適合于1-3型復(fù)合型復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是高取向度結(jié)構(gòu)，特別是高取向度(單向單向)復(fù)合材料。復(fù)合材料。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有具有xoy面內(nèi)各向面內(nèi)各向同性特點(diǎn)，也具有同性特點(diǎn)，也具有z軸方向軸方向上的等徑同軸圓柱面內(nèi)同性上的等徑同軸圓柱面內(nèi)同性特征。特征。 在該模型中，各組分相的在該模型中，各組分相的體積含量分別為：體積含量分別為： 圖圖2.6 復(fù)合材料的同軸圓柱模型復(fù)合材料的同軸圓柱模型2312 同