復(fù)合效應(yīng)與界面課件

1第九章復(fù)合效應(yīng)與界面美國科羅拉多州Fiberforge公司研制的下一代汽車車身效果。采用了碳/碳復(fù)合材料取代鋼鐵，重量輕、安全性能好

華碩筆記本機(jī)身的鋁合金金外殼變成更具美感的碳纖維外殼。采用碳纖維材質(zhì)的面板的耐磨性會大大提高Compositematerialcrutches1第九章復(fù)合效應(yīng)與界面美國科羅拉多州Fiberforge2C/C復(fù)合材料剎車副2C/C復(fù)合材料剎車副3第一節(jié)材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)一、復(fù)合材料(compositematerials)概念、分類及特點(diǎn)1復(fù)合材料的概念和歷史定義1：為由有兩種或兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料。（廣義定義）定義2：經(jīng)過選擇的、含有一定數(shù)量比的兩種或者兩種以上的組分，通過人工復(fù)合制備的由多相組成、形成良好結(jié)合且各相之間有明顯界面的具有特殊性能的材料。3第一節(jié)材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)4含義：（1）復(fù)合材料的組分和相對含量由人工選擇或者設(shè)計(jì)（2）復(fù)合材料是人工制造而非天然形成（區(qū)別于具有復(fù)合材料特征的天然物質(zhì)）（3）組成復(fù)合材料的組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理化學(xué)性質(zhì)。（區(qū)別于化合物和合金）（4）復(fù)合材料的性能取決于其各個(gè)組成相的協(xié)同。（5）復(fù)合材料的各組分之間有明顯的界面。4含義：5早期復(fù)合材料稻草強(qiáng)化土坯，混凝土，竹制品等數(shù)千年前20世紀(jì)40年代第一代現(xiàn)代復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)材料（玻璃鋼）GERP第二代現(xiàn)代復(fù)合材料第三代現(xiàn)代復(fù)合材料20世紀(jì)50/60年代起碳纖維、硼纖維、碳纖維增強(qiáng)樹脂等金屬基、陶瓷基、混雜復(fù)合材料、功能復(fù)合材料，梯度、機(jī)敏等20世紀(jì)70年代天然纖維復(fù)合材料利用天然材料為原料人工設(shè)計(jì)加工而成的復(fù)合材料。不包括自然界中的天然材料如竹子、貝殼等基體：天然材料現(xiàn)代復(fù)合材料基體：合成材料當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料大量使用：如梯度、機(jī)敏、智能復(fù)合復(fù)合材料?？紤]環(huán)境協(xié)調(diào)性要求。5早期復(fù)合材料稻草強(qiáng)化土坯，數(shù)千年前20世紀(jì)40年代第一代現(xiàn)6亞麻襯墊轎車車門護(hù)板發(fā)動機(jī)隔音罩汽車裝飾板天然纖維復(fù)合材料制品6亞麻襯墊轎車車門護(hù)板發(fā)動機(jī)隔音罩汽車裝飾板天然纖維復(fù)合材料72復(fù)合材料的基本構(gòu)成復(fù)合材料增強(qiáng)體基體基體/增強(qiáng)體界面基體的類型：聚合物、陶瓷、金屬玻璃等。基體的作用：1）將纖維連接成整體并按主要應(yīng)力方向排列。2）避免纖維的相互接觸。3）保護(hù)增強(qiáng)體免受機(jī)械損傷和環(huán)境侵蝕。增強(qiáng)體的形態(tài)：纖維，顆粒，板片等形態(tài)。增強(qiáng)體的作用使得復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度的特征。（為陶瓷基體復(fù)合材料提供韌性）典型的增強(qiáng)體：玻璃纖維，碳纖維，SiC纖維，氧化鋁纖維等復(fù)合材料中相與相之間的界面對于復(fù)合材料的性能具有關(guān)鍵的作用。界面決定基體和增強(qiáng)體之間的應(yīng)力傳遞方式；決定復(fù)合材料具有的物理化學(xué)性能。對裂紋的擴(kuò)展有重要影響。72復(fù)合材料的基本構(gòu)成復(fù)合材料增強(qiáng)體基體基體/增強(qiáng)體界面基83復(fù)合材料的分類1）按照復(fù)合材料的復(fù)合效果分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料2）按基體類型分為樹脂基或聚合基復(fù)合材料RMC(ResinMatrixComposite)/PMC（聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)得到廣泛發(fā)展及應(yīng)用，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GERP,俗稱玻璃鋼）。常見的聚合物基主要分為熱固性樹脂（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯等）和熱塑性樹脂（聚酰胺，聚碳酸脂，聚砜等）金屬基復(fù)合材料MMC(MetalMatrixComposite)83復(fù)合材料的分類9陶瓷基復(fù)合材料等CMC(CeramicMatrixComposite)。（陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體一般用于改善其韌性，降低其缺口敏感性）3）按增強(qiáng)體的形態(tài)與排布方式分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)材料、短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、單向纖維復(fù)合材料、二向織物層復(fù)合材料、三向及多向編織復(fù)合材料等。9陶瓷基復(fù)合材料等CMC(CeramicMatrixCo10金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)體陶瓷基體碳纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維氮化硅纖維碳、碳化硅氧化鋁、氧化鋯玻璃水泥碳纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維陶瓷顆粒增強(qiáng)體金屬基體增強(qiáng)體聚合物基體鋁、鎂銀、鋅等鈦銅碳纖維硼纖維開芙拉纖維玻璃纖維熱固性樹脂（環(huán)氧、酚醛、聚酯）熱塑性樹脂（聚苯硫醚、聚醚醚酮）與未增強(qiáng)金屬基體相比與未增強(qiáng)陶瓷基體相比與未增強(qiáng)樹脂基體相比高強(qiáng)度、高模量、高耐熱、高抗疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)熱高硬度、高耐磨、高耐熱、高抗蠕變、高尺寸穩(wěn)定性、低熱膨脹高強(qiáng)度、高模量、高耐腐蝕性、加工成型性好、低成本宇航軍事航空太空公共工程船舶艦艇電子電機(jī)產(chǎn)業(yè)環(huán)保建筑環(huán)保運(yùn)動休閑10金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)體陶瓷基114復(fù)合材料的特征具有材料性能的可設(shè)計(jì)性、各向異性及材料和結(jié)構(gòu)一次成型性。二、復(fù)合材料的命名（1）以基體為主來命名：如“顆粒強(qiáng)化AL2O3基復(fù)合材料”，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。（2）以增強(qiáng)材料為主命名：如“碳纖維復(fù)合材料”、“SiC增強(qiáng)復(fù)合材料”114復(fù)合材料的特征12（3）基體與增強(qiáng)材料并用(常見的命名方式)采用“增強(qiáng)材料簡寫/基體材料簡寫＋復(fù)合材料”的形式：C/AL復(fù)合材料。采用“增強(qiáng)材料＋基體材料＋復(fù)合材料”的形式：玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。（4）商業(yè)名稱或者代號命名如“玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料”寫為“玻璃鋼”玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯——代號：FR-PP12（3）基體與增強(qiáng)材料并用(常見的命名方式)13三、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料具有特殊的復(fù)合效應(yīng)，使得復(fù)合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。復(fù)合效應(yīng)：將A、B兩種組分復(fù)合起來，得到既具有A組分的性能特征又具有B組分的性能特征的復(fù)合效果。復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各向異性效應(yīng)平均效應(yīng)平行效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)相抵效應(yīng)乘積效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)共振效應(yīng)13三、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各141線形效應(yīng)(復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能有相應(yīng)的（線性）關(guān)系)1）平均效應(yīng)又可稱為加和效應(yīng)（混合效應(yīng)）(MeanProperties)復(fù)合材料的某項(xiàng)性能等于復(fù)合材料的各組分的性能與其體積分?jǐn)?shù)的乘積加和。該效應(yīng)采用復(fù)合材料的混合定則(RuleofMixture)描述，P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、模量、泊松比、熱導(dǎo)、電導(dǎo)等；φi——N種原始材料中第i種材料的體積分?jǐn)?shù);n——由試驗(yàn)確定的常數(shù)，取值－1～1并聯(lián)模型混合效應(yīng)適用于復(fù)合材料的密度、單向纖維復(fù)合材料的縱向（平行于纖維方向）的楊氏模量等串聯(lián)模型混合效應(yīng)適用于單向纖維復(fù)合材料的橫向（垂直于纖維方向）的楊氏模量、縱向剪切模量等141線形效應(yīng)(復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能有相應(yīng)的（152)相補(bǔ)效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)）復(fù)合材料的各個(gè)組分混合之后，可以互相彌補(bǔ)自己的弱點(diǎn)，獲得優(yōu)異性能的復(fù)合效應(yīng)。AB優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)?ШIVII設(shè)復(fù)合材料的某項(xiàng)性能為C，則C取決于其組元A、B中該項(xiàng)性能。C=A×BA、B組元的該項(xiàng)性能均具優(yōu)勢時(shí)，出現(xiàn)相補(bǔ)效應(yīng)。設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)希望盡可能得到相補(bǔ)的情況I3)相抵效應(yīng)（不協(xié)同效應(yīng)）復(fù)合材料各組分性能相互制約，使得復(fù)合材料的性能低于混合定則預(yù)測值的負(fù)的復(fù)合效應(yīng)。復(fù)合狀態(tài)不佳時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)常出現(xiàn)相抵效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)152)相補(bǔ)效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)）AB優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)?ШIVII164）混雜效應(yīng)混雜復(fù)合材料：混雜復(fù)合材料是由兩種（或者兩種以上）纖維增強(qiáng)同一基體（或兩種相容的基體混雜)復(fù)合而成的材料。混雜類型：兩種纖維增強(qiáng)體同一基體

顆粒和纖維增強(qiáng)同一基體

長纖維和短纖維增強(qiáng)基體

混雜效應(yīng)：混雜復(fù)合材料的某些性能偏離按混合定則計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)象。164）混雜效應(yīng)混雜效應(yīng)：混雜復(fù)合材料的某些性能偏離按混合定17實(shí)際混雜效應(yīng)的特點(diǎn)：不可能全部是正混雜效應(yīng)/負(fù)混雜效應(yīng).通常是某些性能出現(xiàn)正混雜效應(yīng)，另一些性能出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)?；祀s效應(yīng)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的原則：得到正混雜效應(yīng)同時(shí)負(fù)混雜效應(yīng)在允許范圍，則設(shè)計(jì)成功?；祀s效應(yīng)正混雜效應(yīng)負(fù)混雜效應(yīng)向增加方向（性能改善）偏離的效應(yīng)向減少方向（性能惡化）偏離的效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)相抵效應(yīng)不協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)17實(shí)際混雜效應(yīng)的特點(diǎn)：不可能全部是正混雜效應(yīng)/負(fù)混雜效應(yīng).182非線性效應(yīng)復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能沒有相應(yīng)的（線性）關(guān)系的效應(yīng)1）乘積效應(yīng)(ProductProperties)傳遞特性、交叉耦合效應(yīng)。定義：將兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復(fù)合起來，使其相同的功能得到復(fù)合，不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換的效應(yīng)。常用于功能復(fù)合材料。乘積效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示：（Y/X）(Z/Y)=(Z/X)Y/XZ/YX輸入Y輸出Y輸入Z輸出復(fù)合Z/XX輸入Z輸出磁場/壓力換能電阻/磁場換能電阻/壓力換能182非線性效應(yīng)Y/XZ/YX輸入Y輸出Y輸入Z輸出復(fù)Z/19表9－2復(fù)合材料傳遞特性實(shí)例Y/X（狀態(tài)1）Z/Y(狀態(tài)2)傳遞特性（Z/X）磁場/壓力電阻變化/磁場壓力電阻效應(yīng)電場/壓力發(fā)光/電場（電光亮度）壓力光亮度應(yīng)變/磁場電場/應(yīng)變磁電效應(yīng)應(yīng)變/磁場電阻變化/應(yīng)變磁電阻效應(yīng)應(yīng)變/磁場復(fù)折射/應(yīng)變磁感應(yīng)折射應(yīng)變/電場磁場/應(yīng)變電磁效應(yīng)磁場/光應(yīng)變/磁場應(yīng)變/光電場/光應(yīng)變/電場應(yīng)變/光電場/光光/電場波長變換同位素導(dǎo)電性/光放射線誘起電導(dǎo)19表9－2復(fù)合材料傳遞特性實(shí)例Y/X（狀態(tài)1）Z/Y(狀202）系統(tǒng)效應(yīng)不具備某種效應(yīng)的各種組分通過特定的復(fù)合狀態(tài)復(fù)合后形成的復(fù)合材料具有了單個(gè)組分都不具有的新性能的效應(yīng)。舉例：由紅、黃、藍(lán)三種感光層復(fù)合的感光膠片。3）誘導(dǎo)效應(yīng)復(fù)合材料中的兩個(gè)組元界面上，一相對另一相在一定條件下產(chǎn)生誘導(dǎo)作用使之形成新的界面層的過程。4）共振效應(yīng)（強(qiáng)選擇效應(yīng)）具有多種性能的某一組分A在與B復(fù)合后其大部分性能受到了很大的抑止而使得其某種性能在復(fù)合材料中充分發(fā)揮的效應(yīng)。202）系統(tǒng)效應(yīng)213界面效應(yīng)界面效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)感應(yīng)效應(yīng)界面結(jié)晶效應(yīng)界面化學(xué)效應(yīng)阻止例裂紋擴(kuò)展，中止材料破壞界面物理化學(xué)性能不連續(xù)等基體與增強(qiáng)體在界面上的化學(xué)反應(yīng)光波、聲波、沖擊波在界面產(chǎn)生散射和吸收基體易于在界面被誘導(dǎo)結(jié)晶增強(qiáng)體的表現(xiàn)使得與之接觸的另一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)而改變213界面效應(yīng)界面效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)感應(yīng)224尺寸效應(yīng)及各向異性效應(yīng)1）尺寸效應(yīng)依據(jù)復(fù)合材料增強(qiáng)體尺寸對復(fù)合材料進(jìn)行分類。增強(qiáng)顆粒尺度為1～50的稱為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料0.01～1um尺度增強(qiáng)復(fù)合材料的稱為分散強(qiáng)化復(fù)合材料亞微米至原子級的增強(qiáng)體稱為精細(xì)復(fù)合材料尺寸效應(yīng)：不同尺寸的增強(qiáng)體其強(qiáng)化原理各不相同。2）各向異性效應(yīng)224尺寸效應(yīng)及各向異性效應(yīng)23例題：一根鋼絲（直徑D1）包裹一層銅(總直徑D2)的復(fù)合材料，已知鋼的彈性模量Est,銅的彈性模量Ecu,鋼的熱膨脹系數(shù)a1,銅的熱膨脹系數(shù)a2，求復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。23例題：一根鋼絲（直徑D1）包裹一層銅(總直徑D2)的復(fù)合24第二節(jié)復(fù)合材料增強(qiáng)原理復(fù)合材料的性能預(yù)測、設(shè)計(jì)、使用都需要了解復(fù)合材料的增強(qiáng)原理。一、復(fù)合思想1仿生思想傳統(tǒng)復(fù)合材料中的難題：連續(xù)纖維的脆性和其界面設(shè)計(jì)困難；纖維容易由基體拔出導(dǎo)致時(shí)效；陶瓷基復(fù)合材料的增韌；復(fù)合材料損傷性能的恢復(fù)和內(nèi)部裂紋的愈合；24第二節(jié)復(fù)合材料增強(qiáng)原理25生物材料的特點(diǎn)：具有復(fù)合特性、功能適應(yīng)性、自愈合性。材料仿生：biomimetics－模仿生物，通常認(rèn)為：材料仿生應(yīng)當(dāng)模仿生物材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。2綠色材料思想25生物材料的特點(diǎn)：具有復(fù)合特性、功能適應(yīng)性、自愈合性。2263充分利用協(xié)同效應(yīng)思想復(fù)合材料設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)遵循協(xié)同效應(yīng)（SynergeticEffect）或正混雜效應(yīng)（PositiveHybridEffect）的思想。4智能材料思想（IntelligentMaterials）263充分利用協(xié)同效應(yīng)思想27二、復(fù)合材料增強(qiáng)原理復(fù)合材料增強(qiáng)體的形態(tài)以增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料薄片增強(qiáng)復(fù)合材料疊層增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彌散增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒直徑:0.01~0.1um顆粒間距:0.01~0.3um顆粒直徑:1~50um顆粒間距:1~25um晶須和短切纖維單向纖維（一維）、二維織物層合、多向編織復(fù)合27二、復(fù)合材料增強(qiáng)原理以增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材281彌散增強(qiáng)型彌散增強(qiáng)主要是針對金屬基體。外部加入顆粒尺寸小，而不是脫熔沉淀出的第二相。顆粒增強(qiáng)體的增韌機(jī)制相變增韌改變裂紋的擴(kuò)展路徑，實(shí)現(xiàn)增韌混合增韌281彌散增強(qiáng)型顆粒增強(qiáng)體的增韌機(jī)制相變增韌改變裂紋的擴(kuò)展29增強(qiáng)作用：彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯(cuò)的運(yùn)動，起到顯著強(qiáng)化作用。強(qiáng)化機(jī)理：類似于脫溶或沉淀析出造成強(qiáng)化。特點(diǎn)：增強(qiáng)效果在高溫仍能保持較長的時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能，持久性能明顯優(yōu)于基體合金。1）增強(qiáng)體的間距的影響。類似于位錯(cuò)繞過機(jī)制。間距上下限分別為0.3um～0.01um。（簡要推導(dǎo)過程：質(zhì)點(diǎn)間距為D，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，承受剪切應(yīng)力為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度：29增強(qiáng)作用：彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯(cuò)的30Gm——基體剪切模量b——柏氏矢量的模質(zhì)點(diǎn)直徑為dp,體積分?jǐn)?shù)為φp，質(zhì)點(diǎn)均勻分布，則有：

2）彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為：3）典型的彌散增強(qiáng)復(fù)合材料30Gm——基體剪切模量質(zhì)點(diǎn)直徑為dp,體積分?jǐn)?shù)為φp，質(zhì)點(diǎn)312粒子增強(qiáng)型在金屬基體中加入粒子進(jìn)行增強(qiáng)特點(diǎn)：與彌散強(qiáng)化的最大不同點(diǎn)是粒子的尺寸。強(qiáng)化機(jī)理：基本承擔(dān)主要載荷，粒子約束基體變形達(dá)到強(qiáng)化的目的。密度:混合混合定則描述ρc,ρp,ρm——分別表示復(fù)合材料、粒子和基體的密度；

——分別表示復(fù)合材料中粒子和基體的體積分?jǐn)?shù)

312粒子增強(qiáng)型密度:混合混合定則描述ρc,ρp,ρm32彈性模量上限值

下限值粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的E受增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)影響特點(diǎn)：二者為非線性關(guān)系強(qiáng)度基體為晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)粒子理論破壞的應(yīng)力為Gp/30,Gp為剪切彈性模量，則有32彈性模量上限值下限值粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的E受增強(qiáng)體的體33基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度界面無結(jié)合或結(jié)合較差基體與粒子界面結(jié)合較好粒子的尺寸、分布和數(shù)量對復(fù)合材料性能的影響：粒子尺寸必須適度，不能過大、過小，與基體粉料直徑匹配。粒子的分布要均勻粒子的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最優(yōu)配合比。33基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度界面無結(jié)合或結(jié)合較差343纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料中的主要增強(qiáng)體是纖維狀的，其特點(diǎn)如下：（1）與同樣質(zhì)地的塊狀增強(qiáng)材料相比，強(qiáng)度高。通常纖維狀比塊狀提高10～60倍。（2）纖維材料具有良好的柔曲性。（3）纖維狀材料的長徑比大（L/D），更容易發(fā)揮固有的強(qiáng)度。纖維增強(qiáng)體的作用：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，纖維主要用于承載。（2）功能復(fù)合材料中，纖維用于吸波、隱身、防熱、耐磨、耐蝕、抗熱震，同時(shí)為基體提供基本的結(jié)構(gòu)性能。343纖維增強(qiáng)型351）連續(xù)纖維增強(qiáng)原理纖維在材料中呈現(xiàn)單向均勻排列時(shí)，纖維方向的復(fù)合材料的性能用混合定則表示：P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、密度、導(dǎo)熱性、應(yīng)力、導(dǎo)磁率、比熱等。351）連續(xù)纖維增強(qiáng)原理P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、彈性模36纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量纖維平行于外加載荷方向：復(fù)合材料中存在纖維的部分損傷、排列方向性不理想等情況，復(fù)合材料纖維方向的彈性模量修正為：K為常數(shù)，取值0.9～1.0，材料理想，取值為1?；w發(fā)生塑性變形以后，基體對復(fù)合材料的影響忽略不計(jì)。36纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量復(fù)合材料中存在纖維的部分損傷、37外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維方向，其彈性模量E符合倒數(shù)混合定律：混雜復(fù)合材料的彈性模量：單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度：37外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維方向，其彈性模量E38少量纖維的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體纖維和基體的變形彼此相互限制復(fù)合材料強(qiáng)化臨界纖維體積分?jǐn)?shù)：基體真正得到增強(qiáng)時(shí)的加入纖維的最小體積分?jǐn)?shù)。纖維最小體積分?jǐn)?shù)是不是對應(yīng)于纖維含量最小？38少量纖維的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體纖維和基體的變形彼此相互392）短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料與連續(xù)纖維復(fù)合材料相比較，短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度都不如前者。但生產(chǎn)成本低，材料具有各向異性。392）短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料40埋入基體中的短纖維模型通常，Ef>Em,基體變形>纖維基體對纖維變形形成限制，界面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力分配于基體和纖維上，纖維受到的更大的拉應(yīng)力，造成材料強(qiáng)化。40埋入基體中的短纖維模型41以纖維上的dz微元體進(jìn)行分析：因?yàn)樵摖顟B(tài)是平衡狀態(tài)：σf——纖維軸向應(yīng)力τ——基體－纖維界面上的剪切應(yīng)力rf——纖維半徑41以纖維上的dz微元體進(jìn)行分析：σf——纖維軸向應(yīng)力42工程實(shí)踐中，纖維的選擇標(biāo)準(zhǔn)：Lc/df=σfu/2τy實(shí)際情況下的纖維應(yīng)力分布不均勻，纖維應(yīng)力取平均值，則有當(dāng)L>Lc，纖維中部區(qū)域達(dá)到纖維強(qiáng)度σfu，則纖維平均應(yīng)力表示為：復(fù)合材料的強(qiáng)度：σm*——纖維斷裂時(shí)的基體應(yīng)力Lc——纖維臨界長度，L——纖維長度42工程實(shí)踐中，纖維的選擇標(biāo)準(zhǔn)：Lc/df=σfu/2τy實(shí)43設(shè)：剪切應(yīng)力沿界面均勻分布，其大小等于剪切屈服強(qiáng)度，τy,纖維末端不傳遞應(yīng)力，根據(jù)對稱條件，在L/2處，纖維剪應(yīng)力為0。此處纖維受到的正應(yīng)力最大。

Z=L/2(σf)max=σfu時(shí),纖維斷裂，此時(shí)纖維長度為臨界長度。纖維長度的選擇：L>Lc,纖維先斷裂，纖維充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。43設(shè)：剪切應(yīng)力沿界面均勻分布，其大小等于剪切屈服強(qiáng)度，τy44短纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)：因?yàn)槎汤w維的臨界體積分?jǐn)?shù)>連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維的增強(qiáng)能力>短纖維的增強(qiáng)能力44短纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)：因?yàn)槎汤w維的臨45第三節(jié)復(fù)合材料的界面界面：一般把基體和增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的構(gòu)成彼此結(jié)合的、能傳遞載荷作用的區(qū)域。界面包括：基體和增強(qiáng)體的原始接觸表面基體和增強(qiáng)體相互作用形成的產(chǎn)物或固溶產(chǎn)物產(chǎn)物與基體的接觸面增強(qiáng)體上的表面涂層基體和增強(qiáng)體表明的氧化物及反應(yīng)產(chǎn)物界面的機(jī)能：傳遞效應(yīng)、阻斷效應(yīng)、不連續(xù)效應(yīng)、散熱和吸收效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)。45第三節(jié)復(fù)合材料的界面46復(fù)合材料的界面不是一個(gè)單純的幾何面，而是一個(gè)多層的過渡區(qū)域，增強(qiáng)體內(nèi)性質(zhì)不同的點(diǎn)基體內(nèi)性質(zhì)一致的點(diǎn)

因?yàn)榻缑鎯?nèi)的結(jié)構(gòu)和性能不同于任一組分材料，故該區(qū)域?yàn)榻缑嫦啵↖nterphase）或者界面層（Interlayer）厚度：幾個(gè)nm～幾百nm46復(fù)合材料的界面不是一個(gè)單純的幾何面，而是一個(gè)多層的過渡區(qū)47界面特性：界面區(qū)域由于增強(qiáng)體細(xì)小所占面積比例很大，因此界面的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、完整性對復(fù)合材料性能影響很大47界面特性：界面區(qū)域由于增強(qiáng)體細(xì)小所占面積比例很大，因此界48一、復(fù)合材料的界面結(jié)合類型1金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類型48一、復(fù)合材料的界面結(jié)合類型492)溶解和浸潤結(jié)合基體能潤濕增強(qiáng)體，相互之間發(fā)生擴(kuò)散和熔解形成結(jié)合特點(diǎn)：作用力是短程的，只有幾個(gè)原子間距1)機(jī)械結(jié)合依靠粗糙表面機(jī)械結(jié)合和依靠基體復(fù)合中的收縮應(yīng)力包緊增強(qiáng)體的摩擦結(jié)合。492)溶解和浸潤結(jié)合1)機(jī)械結(jié)合503)反應(yīng)結(jié)合基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物而形成的結(jié)合。復(fù)雜的有時(shí)會產(chǎn)生交換反應(yīng)結(jié)合，即發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)情況下隨反應(yīng)程度增加其結(jié)合強(qiáng)度亦隨之增加，(4)氧化結(jié)合增強(qiáng)體表面吸附空氣帶來的氧化作用形成氧化物而形成的結(jié)合503)反應(yīng)結(jié)合51(5)混合結(jié)合上述幾種結(jié)合方式的組合而形成的較普通、最重要的一種結(jié)合方式。2樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合類型1）化學(xué)鍵合基體表面上的官能團(tuán)與增強(qiáng)物表面上的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成共價(jià)鍵結(jié)合的界面區(qū)而形成的結(jié)合。無機(jī)基質(zhì)Si-R-有機(jī)高聚物基體

51(5)混合結(jié)合無機(jī)基質(zhì)Si-R-有機(jī)高聚物基體522）浸潤-浸吸附結(jié)合增強(qiáng)材料被基體浸潤，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。3）擴(kuò)散結(jié)合界面擴(kuò)散作用使原有平衡的狀態(tài)破壞，形成界面模糊區(qū)而形成的結(jié)合。522）浸潤-浸吸附結(jié)合3）擴(kuò)散結(jié)合534）機(jī)械結(jié)合類似于前述金屬基復(fù)合材料5）靜電結(jié)合兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時(shí)（如金屬與聚合物），在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢并形成雙電層，靜電吸引力是產(chǎn)生界面結(jié)合力的直接原因之一。氫鍵可看做是一種靜電作用。6）實(shí)際界面結(jié)合特點(diǎn)：結(jié)合方式不是單一的，往往是以上幾種結(jié)合的組合，因此還是混合結(jié)合。534）機(jī)械結(jié)合54二、界面改善極其對性能的影響1復(fù)合材料對界面的要求纖維與基體結(jié)合既不太弱，又不太強(qiáng)太弱界面強(qiáng)度不夠，承載能力不高；界面的G太低，使得韌性下降太強(qiáng)纖維不易脫黏和拔出，造成界面脆性增加，材料的韌性下降。采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，改善界面特性，提高?fù)合材料的性能54二、界面改善極其對性能的影響纖維與基體結(jié)合既不太弱，又552金屬基和陶瓷基材料界面注意的問題1）物理不穩(wěn)定性物理不穩(wěn)定性表現(xiàn)在高溫下增強(qiáng)體與基體存在化學(xué)位梯度，纖維有可能向基體不斷熔解和擴(kuò)散，造成界面不穩(wěn)定、纖維損傷，復(fù)合材料強(qiáng)度降低2）化學(xué)不穩(wěn)定性化學(xué)不穩(wěn)定性主要指復(fù)合材料制造和使用中界面通過擴(kuò)散產(chǎn)生基體與增強(qiáng)體的化學(xué)反應(yīng)，生成不希望得到的脆性化合物。反應(yīng)層厚度的估算：552金屬基和陶瓷基材料界面注意的問題563改善復(fù)合材料界面的措施1）降低界面殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力的形成：復(fù)合材料制作工藝都要加熱和冷卻；增強(qiáng)體誘導(dǎo)基體結(jié)晶；基體相變；偏析。殘余應(yīng)力的危害：容易引發(fā)裂紋，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。容易引起界面受環(huán)境作用，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕疲勞破壞。殘余應(yīng)力的特點(diǎn)：不能消除，只能減少。563改善復(fù)合材料界面的措施57降低殘余應(yīng)力的措施：選擇纖維的熱膨脹系數(shù)稍大于基體，使得基體受壓，減少基體產(chǎn)生裂紋；選擇混雜纖維。裂紋擴(kuò)展時(shí)穿過不同的材料，而不同材料的斷裂韌性不同可以有效抑制裂紋的擴(kuò)展。改善材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。添加吸收能量的物質(zhì)，改善性能。57降低殘余應(yīng)力的措施：582）基體改性3）纖維表面改性纖維表面處理和涂層可改善纖維表面的性能，增加基體的浸潤性，防止界面不良的反應(yīng)，改善界面結(jié)合。4）選擇合理的工藝和條件582）基體改性595960第九章復(fù)合效應(yīng)與界面美國科羅拉多州Fiberforge公司研制的下一代汽車車身效果。采用了碳/碳復(fù)合材料取代鋼鐵，重量輕、安全性能好

華碩筆記本機(jī)身的鋁合金金外殼變成更具美感的碳纖維外殼。采用碳纖維材質(zhì)的面板的耐磨性會大大提高Compositematerialcrutches1第九章復(fù)合效應(yīng)與界面美國科羅拉多州Fiberforge61C/C復(fù)合材料剎車副2C/C復(fù)合材料剎車副62第一節(jié)材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)一、復(fù)合材料(compositematerials)概念、分類及特點(diǎn)1復(fù)合材料的概念和歷史定義1：為由有兩種或兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料。（廣義定義）定義2：經(jīng)過選擇的、含有一定數(shù)量比的兩種或者兩種以上的組分，通過人工復(fù)合制備的由多相組成、形成良好結(jié)合且各相之間有明顯界面的具有特殊性能的材料。3第一節(jié)材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng)63含義：（1）復(fù)合材料的組分和相對含量由人工選擇或者設(shè)計(jì)（2）復(fù)合材料是人工制造而非天然形成（區(qū)別于具有復(fù)合材料特征的天然物質(zhì)）（3）組成復(fù)合材料的組分在復(fù)合后仍然保持其固有的物理化學(xué)性質(zhì)。（區(qū)別于化合物和合金）（4）復(fù)合材料的性能取決于其各個(gè)組成相的協(xié)同。（5）復(fù)合材料的各組分之間有明顯的界面。4含義：64早期復(fù)合材料稻草強(qiáng)化土坯，混凝土，竹制品等數(shù)千年前20世紀(jì)40年代第一代現(xiàn)代復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)材料（玻璃鋼）GERP第二代現(xiàn)代復(fù)合材料第三代現(xiàn)代復(fù)合材料20世紀(jì)50/60年代起碳纖維、硼纖維、碳纖維增強(qiáng)樹脂等金屬基、陶瓷基、混雜復(fù)合材料、功能復(fù)合材料，梯度、機(jī)敏等20世紀(jì)70年代天然纖維復(fù)合材料利用天然材料為原料人工設(shè)計(jì)加工而成的復(fù)合材料。不包括自然界中的天然材料如竹子、貝殼等基體：天然材料現(xiàn)代復(fù)合材料基體：合成材料當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料大量使用：如梯度、機(jī)敏、智能復(fù)合復(fù)合材料?？紤]環(huán)境協(xié)調(diào)性要求。5早期復(fù)合材料稻草強(qiáng)化土坯，數(shù)千年前20世紀(jì)40年代第一代現(xiàn)65亞麻襯墊轎車車門護(hù)板發(fā)動機(jī)隔音罩汽車裝飾板天然纖維復(fù)合材料制品6亞麻襯墊轎車車門護(hù)板發(fā)動機(jī)隔音罩汽車裝飾板天然纖維復(fù)合材料662復(fù)合材料的基本構(gòu)成復(fù)合材料增強(qiáng)體基體基體/增強(qiáng)體界面基體的類型：聚合物、陶瓷、金屬玻璃等?；w的作用：1）將纖維連接成整體并按主要應(yīng)力方向排列。2）避免纖維的相互接觸。3）保護(hù)增強(qiáng)體免受機(jī)械損傷和環(huán)境侵蝕。增強(qiáng)體的形態(tài)：纖維，顆粒，板片等形態(tài)。增強(qiáng)體的作用使得復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度的特征。（為陶瓷基體復(fù)合材料提供韌性）典型的增強(qiáng)體：玻璃纖維，碳纖維，SiC纖維，氧化鋁纖維等復(fù)合材料中相與相之間的界面對于復(fù)合材料的性能具有關(guān)鍵的作用。界面決定基體和增強(qiáng)體之間的應(yīng)力傳遞方式；決定復(fù)合材料具有的物理化學(xué)性能。對裂紋的擴(kuò)展有重要影響。72復(fù)合材料的基本構(gòu)成復(fù)合材料增強(qiáng)體基體基體/增強(qiáng)體界面基673復(fù)合材料的分類1）按照復(fù)合材料的復(fù)合效果分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料2）按基體類型分為樹脂基或聚合基復(fù)合材料RMC(ResinMatrixComposite)/PMC（聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)得到廣泛發(fā)展及應(yīng)用，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GERP,俗稱玻璃鋼）。常見的聚合物基主要分為熱固性樹脂（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯等）和熱塑性樹脂（聚酰胺，聚碳酸脂，聚砜等）金屬基復(fù)合材料MMC(MetalMatrixComposite)83復(fù)合材料的分類68陶瓷基復(fù)合材料等CMC(CeramicMatrixComposite)。（陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體一般用于改善其韌性，降低其缺口敏感性）3）按增強(qiáng)體的形態(tài)與排布方式分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)材料、短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、單向纖維復(fù)合材料、二向織物層復(fù)合材料、三向及多向編織復(fù)合材料等。9陶瓷基復(fù)合材料等CMC(CeramicMatrixCo69金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)體陶瓷基體碳纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維氮化硅纖維碳、碳化硅氧化鋁、氧化鋯玻璃水泥碳纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維陶瓷顆粒增強(qiáng)體金屬基體增強(qiáng)體聚合物基體鋁、鎂銀、鋅等鈦銅碳纖維硼纖維開芙拉纖維玻璃纖維熱固性樹脂（環(huán)氧、酚醛、聚酯）熱塑性樹脂（聚苯硫醚、聚醚醚酮）與未增強(qiáng)金屬基體相比與未增強(qiáng)陶瓷基體相比與未增強(qiáng)樹脂基體相比高強(qiáng)度、高模量、高耐熱、高抗疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)熱高硬度、高耐磨、高耐熱、高抗蠕變、高尺寸穩(wěn)定性、低熱膨脹高強(qiáng)度、高模量、高耐腐蝕性、加工成型性好、低成本宇航軍事航空太空公共工程船舶艦艇電子電機(jī)產(chǎn)業(yè)環(huán)保建筑環(huán)保運(yùn)動休閑10金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料增強(qiáng)體陶瓷基704復(fù)合材料的特征具有材料性能的可設(shè)計(jì)性、各向異性及材料和結(jié)構(gòu)一次成型性。二、復(fù)合材料的命名（1）以基體為主來命名：如“顆粒強(qiáng)化AL2O3基復(fù)合材料”，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。（2）以增強(qiáng)材料為主命名：如“碳纖維復(fù)合材料”、“SiC增強(qiáng)復(fù)合材料”114復(fù)合材料的特征71（3）基體與增強(qiáng)材料并用(常見的命名方式)采用“增強(qiáng)材料簡寫/基體材料簡寫＋復(fù)合材料”的形式：C/AL復(fù)合材料。采用“增強(qiáng)材料＋基體材料＋復(fù)合材料”的形式：玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。（4）商業(yè)名稱或者代號命名如“玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料”寫為“玻璃鋼”玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯——代號：FR-PP12（3）基體與增強(qiáng)材料并用(常見的命名方式)72三、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料具有特殊的復(fù)合效應(yīng)，使得復(fù)合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。復(fù)合效應(yīng)：將A、B兩種組分復(fù)合起來，得到既具有A組分的性能特征又具有B組分的性能特征的復(fù)合效果。復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各向異性效應(yīng)平均效應(yīng)平行效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)相抵效應(yīng)乘積效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)共振效應(yīng)13三、復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各731線形效應(yīng)(復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能有相應(yīng)的（線性）關(guān)系)1）平均效應(yīng)又可稱為加和效應(yīng)（混合效應(yīng)）(MeanProperties)復(fù)合材料的某項(xiàng)性能等于復(fù)合材料的各組分的性能與其體積分?jǐn)?shù)的乘積加和。該效應(yīng)采用復(fù)合材料的混合定則(RuleofMixture)描述，P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、模量、泊松比、熱導(dǎo)、電導(dǎo)等；φi——N種原始材料中第i種材料的體積分?jǐn)?shù);n——由試驗(yàn)確定的常數(shù)，取值－1～1并聯(lián)模型混合效應(yīng)適用于復(fù)合材料的密度、單向纖維復(fù)合材料的縱向（平行于纖維方向）的楊氏模量等串聯(lián)模型混合效應(yīng)適用于單向纖維復(fù)合材料的橫向（垂直于纖維方向）的楊氏模量、縱向剪切模量等141線形效應(yīng)(復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能有相應(yīng)的（742)相補(bǔ)效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)）復(fù)合材料的各個(gè)組分混合之后，可以互相彌補(bǔ)自己的弱點(diǎn)，獲得優(yōu)異性能的復(fù)合效應(yīng)。AB優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)?ШIVII設(shè)復(fù)合材料的某項(xiàng)性能為C，則C取決于其組元A、B中該項(xiàng)性能。C=A×BA、B組元的該項(xiàng)性能均具優(yōu)勢時(shí)，出現(xiàn)相補(bǔ)效應(yīng)。設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)希望盡可能得到相補(bǔ)的情況I3)相抵效應(yīng)（不協(xié)同效應(yīng)）復(fù)合材料各組分性能相互制約，使得復(fù)合材料的性能低于混合定則預(yù)測值的負(fù)的復(fù)合效應(yīng)。復(fù)合狀態(tài)不佳時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)常出現(xiàn)相抵效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)152)相補(bǔ)效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)）AB優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)?ШIVII754）混雜效應(yīng)混雜復(fù)合材料：混雜復(fù)合材料是由兩種（或者兩種以上）纖維增強(qiáng)同一基體（或兩種相容的基體混雜)復(fù)合而成的材料?；祀s類型：兩種纖維增強(qiáng)體同一基體

顆粒和纖維增強(qiáng)同一基體

長纖維和短纖維增強(qiáng)基體

混雜效應(yīng)：混雜復(fù)合材料的某些性能偏離按混合定則計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)象。164）混雜效應(yīng)混雜效應(yīng)：混雜復(fù)合材料的某些性能偏離按混合定76實(shí)際混雜效應(yīng)的特點(diǎn)：不可能全部是正混雜效應(yīng)/負(fù)混雜效應(yīng).通常是某些性能出現(xiàn)正混雜效應(yīng)，另一些性能出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)?；祀s效應(yīng)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的原則：得到正混雜效應(yīng)同時(shí)負(fù)混雜效應(yīng)在允許范圍，則設(shè)計(jì)成功?；祀s效應(yīng)正混雜效應(yīng)負(fù)混雜效應(yīng)向增加方向（性能改善）偏離的效應(yīng)向減少方向（性能惡化）偏離的效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)相抵效應(yīng)不協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)17實(shí)際混雜效應(yīng)的特點(diǎn)：不可能全部是正混雜效應(yīng)/負(fù)混雜效應(yīng).772非線性效應(yīng)復(fù)合材料的性能和其組元的對應(yīng)性能沒有相應(yīng)的（線性）關(guān)系的效應(yīng)1）乘積效應(yīng)(ProductProperties)傳遞特性、交叉耦合效應(yīng)。定義：將兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復(fù)合起來，使其相同的功能得到復(fù)合，不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換的效應(yīng)。常用于功能復(fù)合材料。乘積效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示：（Y/X）(Z/Y)=(Z/X)Y/XZ/YX輸入Y輸出Y輸入Z輸出復(fù)合Z/XX輸入Z輸出磁場/壓力換能電阻/磁場換能電阻/壓力換能182非線性效應(yīng)Y/XZ/YX輸入Y輸出Y輸入Z輸出復(fù)Z/78表9－2復(fù)合材料傳遞特性實(shí)例Y/X（狀態(tài)1）Z/Y(狀態(tài)2)傳遞特性（Z/X）磁場/壓力電阻變化/磁場壓力電阻效應(yīng)電場/壓力發(fā)光/電場（電光亮度）壓力光亮度應(yīng)變/磁場電場/應(yīng)變磁電效應(yīng)應(yīng)變/磁場電阻變化/應(yīng)變磁電阻效應(yīng)應(yīng)變/磁場復(fù)折射/應(yīng)變磁感應(yīng)折射應(yīng)變/電場磁場/應(yīng)變電磁效應(yīng)磁場/光應(yīng)變/磁場應(yīng)變/光電場/光應(yīng)變/電場應(yīng)變/光電場/光光/電場波長變換同位素導(dǎo)電性/光放射線誘起電導(dǎo)19表9－2復(fù)合材料傳遞特性實(shí)例Y/X（狀態(tài)1）Z/Y(狀792）系統(tǒng)效應(yīng)不具備某種效應(yīng)的各種組分通過特定的復(fù)合狀態(tài)復(fù)合后形成的復(fù)合材料具有了單個(gè)組分都不具有的新性能的效應(yīng)。舉例：由紅、黃、藍(lán)三種感光層復(fù)合的感光膠片。3）誘導(dǎo)效應(yīng)復(fù)合材料中的兩個(gè)組元界面上，一相對另一相在一定條件下產(chǎn)生誘導(dǎo)作用使之形成新的界面層的過程。4）共振效應(yīng)（強(qiáng)選擇效應(yīng)）具有多種性能的某一組分A在與B復(fù)合后其大部分性能受到了很大的抑止而使得其某種性能在復(fù)合材料中充分發(fā)揮的效應(yīng)。202）系統(tǒng)效應(yīng)803界面效應(yīng)界面效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)感應(yīng)效應(yīng)界面結(jié)晶效應(yīng)界面化學(xué)效應(yīng)阻止例裂紋擴(kuò)展，中止材料破壞界面物理化學(xué)性能不連續(xù)等基體與增強(qiáng)體在界面上的化學(xué)反應(yīng)光波、聲波、沖擊波在界面產(chǎn)生散射和吸收基體易于在界面被誘導(dǎo)結(jié)晶增強(qiáng)體的表現(xiàn)使得與之接觸的另一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)而改變213界面效應(yīng)界面效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)感應(yīng)814尺寸效應(yīng)及各向異性效應(yīng)1）尺寸效應(yīng)依據(jù)復(fù)合材料增強(qiáng)體尺寸對復(fù)合材料進(jìn)行分類。增強(qiáng)顆粒尺度為1～50的稱為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料0.01～1um尺度增強(qiáng)復(fù)合材料的稱為分散強(qiáng)化復(fù)合材料亞微米至原子級的增強(qiáng)體稱為精細(xì)復(fù)合材料尺寸效應(yīng)：不同尺寸的增強(qiáng)體其強(qiáng)化原理各不相同。2）各向異性效應(yīng)224尺寸效應(yīng)及各向異性效應(yīng)82例題：一根鋼絲（直徑D1）包裹一層銅(總直徑D2)的復(fù)合材料，已知鋼的彈性模量Est,銅的彈性模量Ecu,鋼的熱膨脹系數(shù)a1,銅的熱膨脹系數(shù)a2，求復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。23例題：一根鋼絲（直徑D1）包裹一層銅(總直徑D2)的復(fù)合83第二節(jié)復(fù)合材料增強(qiáng)原理復(fù)合材料的性能預(yù)測、設(shè)計(jì)、使用都需要了解復(fù)合材料的增強(qiáng)原理。一、復(fù)合思想1仿生思想傳統(tǒng)復(fù)合材料中的難題：連續(xù)纖維的脆性和其界面設(shè)計(jì)困難；纖維容易由基體拔出導(dǎo)致時(shí)效；陶瓷基復(fù)合材料的增韌；復(fù)合材料損傷性能的恢復(fù)和內(nèi)部裂紋的愈合；24第二節(jié)復(fù)合材料增強(qiáng)原理84生物材料的特點(diǎn)：具有復(fù)合特性、功能適應(yīng)性、自愈合性。材料仿生：biomimetics－模仿生物，通常認(rèn)為：材料仿生應(yīng)當(dāng)模仿生物材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。2綠色材料思想25生物材料的特點(diǎn)：具有復(fù)合特性、功能適應(yīng)性、自愈合性。2853充分利用協(xié)同效應(yīng)思想復(fù)合材料設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)遵循協(xié)同效應(yīng)（SynergeticEffect）或正混雜效應(yīng)（PositiveHybridEffect）的思想。4智能材料思想（IntelligentMaterials）263充分利用協(xié)同效應(yīng)思想86二、復(fù)合材料增強(qiáng)原理復(fù)合材料增強(qiáng)體的形態(tài)以增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料薄片增強(qiáng)復(fù)合材料疊層增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彌散增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒直徑:0.01~0.1um顆粒間距:0.01~0.3um顆粒直徑:1~50um顆粒間距:1~25um晶須和短切纖維單向纖維（一維）、二維織物層合、多向編織復(fù)合27二、復(fù)合材料增強(qiáng)原理以增強(qiáng)體的幾何形態(tài)分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材871彌散增強(qiáng)型彌散增強(qiáng)主要是針對金屬基體。外部加入顆粒尺寸小，而不是脫熔沉淀出的第二相。顆粒增強(qiáng)體的增韌機(jī)制相變增韌改變裂紋的擴(kuò)展路徑，實(shí)現(xiàn)增韌混合增韌281彌散增強(qiáng)型顆粒增強(qiáng)體的增韌機(jī)制相變增韌改變裂紋的擴(kuò)展88增強(qiáng)作用：彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯(cuò)的運(yùn)動，起到顯著強(qiáng)化作用。強(qiáng)化機(jī)理：類似于脫溶或沉淀析出造成強(qiáng)化。特點(diǎn)：增強(qiáng)效果在高溫仍能保持較長的時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能，持久性能明顯優(yōu)于基體合金。1）增強(qiáng)體的間距的影響。類似于位錯(cuò)繞過機(jī)制。間距上下限分別為0.3um～0.01um。（簡要推導(dǎo)過程：質(zhì)點(diǎn)間距為D，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，承受剪切應(yīng)力為復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度：29增強(qiáng)作用：彌散于金屬或合金中的顆粒，可以有效的阻止位錯(cuò)的89Gm——基體剪切模量b——柏氏矢量的模質(zhì)點(diǎn)直徑為dp,體積分?jǐn)?shù)為φp，質(zhì)點(diǎn)均勻分布，則有：

2）彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為：3）典型的彌散增強(qiáng)復(fù)合材料30Gm——基體剪切模量質(zhì)點(diǎn)直徑為dp,體積分?jǐn)?shù)為φp，質(zhì)點(diǎn)902粒子增強(qiáng)型在金屬基體中加入粒子進(jìn)行增強(qiáng)特點(diǎn)：與彌散強(qiáng)化的最大不同點(diǎn)是粒子的尺寸。強(qiáng)化機(jī)理：基本承擔(dān)主要載荷，粒子約束基體變形達(dá)到強(qiáng)化的目的。密度:混合混合定則描述ρc,ρp,ρm——分別表示復(fù)合材料、粒子和基體的密度；

——分別表示復(fù)合材料中粒子和基體的體積分?jǐn)?shù)

312粒子增強(qiáng)型密度:混合混合定則描述ρc,ρp,ρm91彈性模量上限值

下限值粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的E受增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)影響特點(diǎn)：二者為非線性關(guān)系強(qiáng)度基體為晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)粒子理論破壞的應(yīng)力為Gp/30,Gp為剪切彈性模量，則有32彈性模量上限值下限值粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的E受增強(qiáng)體的體92基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度界面無結(jié)合或結(jié)合較差基體與粒子界面結(jié)合較好粒子的尺寸、分布和數(shù)量對復(fù)合材料性能的影響：粒子尺寸必須適度，不能過大、過小，與基體粉料直徑匹配。粒子的分布要均勻粒子的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最優(yōu)配合比。33基體是非晶體或晶體的復(fù)合材料的強(qiáng)度界面無結(jié)合或結(jié)合較差933纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料中的主要增強(qiáng)體是纖維狀的，其特點(diǎn)如下：（1）與同樣質(zhì)地的塊狀增強(qiáng)材料相比，強(qiáng)度高。通常纖維狀比塊狀提高10～60倍。（2）纖維材料具有良好的柔曲性。（3）纖維狀材料的長徑比大（L/D），更容易發(fā)揮固有的強(qiáng)度。纖維增強(qiáng)體的作用：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，纖維主要用于承載。（2）功能復(fù)合材料中，纖維用于吸波、隱身、防熱、耐磨、耐蝕、抗熱震，同時(shí)為基體提供基本的結(jié)構(gòu)性能。343纖維增強(qiáng)型941）連續(xù)纖維增強(qiáng)原理纖維在材料中呈現(xiàn)單向均勻排列時(shí)，纖維方向的復(fù)合材料的性能用混合定則表示：P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、密度、導(dǎo)熱性、應(yīng)力、導(dǎo)磁率、比熱等。351）連續(xù)纖維增強(qiáng)原理P——某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、彈性模95纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量纖維平行于外加載荷方向：復(fù)合材料中存在纖維的部分損傷、排列方向性不理想等情況，復(fù)合材料纖維方向的彈性模量修正為：K為常數(shù)，取值0.9～1.0，材料理想，取值為1?；w發(fā)生塑性變形以后，基體對復(fù)合材料的影響忽略不計(jì)。36纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量復(fù)合材料中存在纖維的部分損傷、96外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維方向，其彈性模量E符合倒數(shù)混合定律：混雜復(fù)合材料的彈性模量：單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度：37外載荷垂直于單向連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維方向，其彈性模量E97少量纖維的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體纖維和基體的變形彼此相互限制復(fù)合材料強(qiáng)化臨界纖維體積分?jǐn)?shù)：基體真正得到增強(qiáng)時(shí)的加入纖維的最小體積分?jǐn)?shù)。纖維最小體積分?jǐn)?shù)是不是對應(yīng)于纖維含量最?。?8少量纖維的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體纖維和基體的變形彼此相互982）短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料與連續(xù)纖維復(fù)合材料相比較，短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度都不如前者。但生產(chǎn)成本低，材料具有各向異性。392）短纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料99埋入基體中的短纖維模型通常，Ef>Em,基體變形>纖維基體對纖維變形形成限制，界面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力分配于基體和纖維上，纖維受到的更大的拉應(yīng)力，造成材料強(qiáng)化。40埋入基體中的短纖維模型100以纖維上的dz微元體進(jìn)行分析：因?yàn)樵摖顟B(tài)是平衡狀態(tài)：σf——纖維軸向應(yīng)力τ——基體－纖維界面上的剪切應(yīng)力rf——纖維半徑41以纖維上的dz微元體進(jìn)行分析：σf——纖維軸向應(yīng)力101工程實(shí)踐中，纖維的選擇標(biāo)準(zhǔn)：Lc/df=σfu/2τy實(shí)際情況下的纖維應(yīng)力分布不均勻，纖維應(yīng)力取平均值，則有當(dāng)L>Lc，纖維中部區(qū)域達(dá)到纖維強(qiáng)度σfu，則纖維平均應(yīng)力表示為：復(fù)合材料的強(qiáng)度：σm*——纖維斷裂時(shí)的基體應(yīng)力Lc——纖維臨界長度，L——纖維長度42工程實(shí)踐中，纖維的選擇標(biāo)準(zhǔn)：Lc/df=σfu/2τy實(shí)102設(shè)：剪切應(yīng)力沿界面均勻分布，其大小等于剪切屈服強(qiáng)度，τy,纖維末端不傳遞應(yīng)力，根據(jù)對稱條件，在L/2處，纖維剪應(yīng)力為0。此處纖維受到的正應(yīng)力最大。

Z=L/2(σf)max=σfu時(shí),纖維斷裂，此時(shí)纖維長度為臨界長度。纖維長度的選擇：L>Lc,纖維先斷裂，纖維充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。43設(shè)：剪切應(yīng)力沿界面均勻分布，其大小等于剪切屈服強(qiáng)度，τy103短纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)：因?yàn)槎汤w維的臨界體積分?jǐn)?shù)>連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維的