最新复合材料原理幻灯片.ppt
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1、第一章第一章 绪论绪论什么是复合材料什么是复合材料? ?为何要进行多种材料的复合?为何要进行多种材料的复合?复合材料发展需求体现?复合材料发展需求体现?复合材料具体有哪些类型?复合材料具体有哪些类型?1.1 有关复合材料的几个基本问题有关复合材料的几个基本问题 无机非金属基复合材料(无机非金属基复合材料( 陶瓷、水泥,等)陶瓷、水泥,等) 聚合物基复合材料(树脂、橡胶,等)聚合物基复合材料(树脂、橡胶,等) 金属基复合材料(铝、镁、铜、钛及其合金,等)金属基复合材料(铝、镁、铜、钛及其合金,等) 碳炭复合材料碳炭复合材料第一章第一章 绪论绪论(4)(4)复合材料具体有哪些类型?复合材料具体有哪
2、些类型? 结构功能复合材料(增强材料:玻璃纤维、碳结构功能复合材料(增强材料:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、金属、颗粒)金属、颗粒) 功能复合材料(光学、电学、磁学、热学、声功能复合材料(光学、电学、磁学、热学、声学、生物、仿生,等等)学、生物、仿生,等等)第一章第一章 绪论绪论(4)(4)复合材料具体有哪些类型?复合材料具体有哪些类型?1.2 复合材料未来发展新领域复合材料未来发展新领域2 2)纳米复合材料)纳米复合材料3 3)仿生复合材料)仿生复合材料1 1)多功能,机敏、智敏复合材料)多功能,机敏、智敏复合材料第一章第一章
3、 绪论绪论l 多功能,机敏、智敏复合材料多功能,机敏、智敏复合材料1.2 复合材料发展新领域复合材料发展新领域智能服装智能服装:随心情起伏而变色随心情起伏而变色变色机器人,变色机器人, 30秒伪装秒伪装 第一章第一章 绪论绪论l 多功能,机敏、智敏复合材料多功能,机敏、智敏复合材料新型的可变色的聚合物基复合材料新型的可变色的聚合物基复合材料(聚丁二炔脂质体(聚丁二炔脂质体/两亲性聚合物两亲性聚合物 )第一章第一章 绪论绪论1.2 复合材料发展新领域复合材料发展新领域1.3 基础理论、设计以及制备方法发展基础理论、设计以及制备方法发展 (1) (1)复合材料基础理论复合材料基础理论 包括:材料界
4、面研究、材料可靠性研究包括:材料界面研究、材料可靠性研究 (2)复合材料新的设计和制备方法复合材料新的设计和制备方法 包括:新设计方法,如虚拟设计;包括:新设计方法,如虚拟设计; 新制备方法,如梯度复合、仿生制备等。新制备方法,如梯度复合、仿生制备等。第一章第一章 绪论绪论本课程考核方法:本课程考核方法:l 学习环节:平时学习环节:平时 测验测验 + 期末考试期末考试平时测验:平时测验:1次次/4周,总共周,总共4次次 计入总成绩占计入总成绩占20%期末考试:开卷期末考试:开卷 + 闭卷,闭卷, 计入总成绩占计入总成绩占70%l 实践环节:期末专题实践环节:期末专题PPT报告报告 计入总成绩占
5、计入总成绩占10%第一章第一章 绪论绪论1、材料复合内涵与需求、材料复合内涵与需求2、复合材料分类、复合材料分类3、复合材料应用领域、复合材料应用领域简要回顾简要回顾:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理基本要求基本要求: :了解:了解: 复合材料性质与一般规律。熟悉:材料的复合复合材料性质与一般规律。熟悉:材料的复合效应,材料的复合效果,复合材料的结构类型,复效应,材料的复合效果,复合材料的结构类型,复合材料的模型。合材料的模型。重点重点: : 复合效应,复合材料结构类型,复合效果。复合效应,复合材料结构类型,复合效果。难点难点: : 复合材料性质与一般规律,复合材料的结构类型复合材料
6、性质与一般规律,复合材料的结构类型。1、什么是复合效果?、什么是复合效果?2、复合效应的本质是什么?、复合效应的本质是什么?3、复合效应有哪些具体的类型?、复合效应有哪些具体的类型? 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理1、什么是复合效果? 将将A、B两种材料复合起来,既能得到两种材料复合起来,既能得到A组组分的性能特征,又具有分的性能特征,又具有B组分的性能特征这样组分的性能特征这样的一种效果,称为复合效果。的一种效果,称为复合效果。 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理1、什么是复合效果? 需要了解
7、的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理纳米石墨烯导电、纳米石墨烯导电、无法自支撑无法自支撑透明导电薄膜透明导电薄膜塑料薄膜透明、塑料薄膜透明、不导电不导电1、什么是复合效果? 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理玻纤柔韧、强度高玻纤柔韧、强度高玻璃钢缠绕管道:玻璃钢缠绕管道:轻质、高强轻质、高强2、复合效应的本质是什么? 复合效应本质上是复合效应本质上是组分组分A A、B B的性能,及两的性能,及两者间形成的界面性能,相互作用、相互补充者间形成的界面性能,相互作用、相互补充,使得复合材料使得复合材料在其组分材料性
8、能的基础上在其组分材料性能的基础上产生产生线性和非线性线性和非线性的特性的特性。 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2、复合效应的本质是什么? 复合效应复合效应有正、有负有正、有负,即不同组分复合后,即不同组分复合后,有些性能得到提高,有些性能则可能出现降低有些性能得到提高,有些性能则可能出现降低甚至抵消的现象。甚至抵消的现象。 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理3、复合效应有哪些类型? 需要了解的基本概念:需要了解的基本概念:线性效应线性效应非线性效应非线性效应平均效应平均效应相乘效应相乘效应平行
9、效应平行效应诱导效应诱导效应相补效应相补效应共振效应共振效应相抵效应相抵效应系统效应系统效应第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效应一、线性效应(1)平均效应(加合效应、混合效应)平均效应(加合效应、混合效应)iiCPPiiCPP/1 (并联模型)(并联模型) (串联模型)(串联模型) 其中:其中:PC为复合材料的某项性能;为复合材料的某项性能;i i为组分为组分i的体积分数;的体积分数;Pi为组分为组分i与对应的性能。与对应的性能。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:iiCPP (并联模型)(
10、并联模型) 适用对象适用对象: 复合材料的复合材料的密度密度、单向纤维复合材料的、单向纤维复合材料的纵向杨氏模纵向杨氏模量、纵向泊松比量、纵向泊松比等等。等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、线性效应一、线性效应(1)平均效应(加合效应、混合效应)平均效应(加合效应、混合效应)iiCPP/1 (串联模型)(串联模型) 适用对象:适用对象: 串联模型适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量和串联模型适用于单向纤维复合材料的横向杨氏模量和横向泊松比和纵向剪切模量等等。横向泊松比和纵向剪切模量等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效
11、应一、线性效应(1)平均效应(加合效应、混合效应)平均效应(加合效应、混合效应)iiCnnPP其中:当其中:当n介于介于1,-1之间时,可以用来描述复合材料的某项之间时,可以用来描述复合材料的某项性能(如介电常数、热传导率等等)随体积分数变化的规律。性能(如介电常数、热传导率等等)随体积分数变化的规律。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效应一、线性效应(1)平均效应(加合效应、混合效应)平均效应(加合效应、混合效应)最简单的线性效应,主要是指最简单的线性效应,主要是指复合材料的某项复合材料的某项性能与其中某一组分的性能基本相当性能与其中某
12、一组分的性能基本相当。iCPP 举例:举例: 玻纤增强环氧树脂复合材料玻纤增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当。蚀性能基本相当。 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效应一、线性效应(2)平行效应)平行效应玻璃钢玻璃钢防腐管道防腐管道材料各组份复合后,在性能上相互补充,从而材料各组份复合后,在性能上相互补充,从而提高了复合材料的整体性能。提高了复合材料的整体性能。 其中:C为复合材料某项性能,其主要取决于组分A和组分B的该项性能。当组分A和组分B的该项性能均具有优势时,则在复合材料中获得
13、相互补充。BAC举例举例: 脆性的高强度纤维增强体脆性的高强度纤维增强体与与韧性基体韧性基体通过适当的复合,通过适当的复合,复合材料的性能就表现为两者的互补。复合材料的性能就表现为两者的互补。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效应一、线性效应(3)相补效应)相补效应基体与增强体组成复合材料后,组分之间在基体与增强体组成复合材料后,组分之间在性性能上相互制约能上相互制约,限制了整体性能的提高限制了整体性能的提高。 举例:举例: 脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过强界面复合后,脆性的高强度纤维增强体与韧性基体通过强界面复合后,复合材料的性能
14、就表现为脆性断裂。复合材料的性能就表现为脆性断裂。 iiCPP第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:一、线性效应一、线性效应(3)相抵效应)相抵效应二、非线性效应二、非线性效应(1)相乘效应)相乘效应基本原理:基本原理: 具有转换效应具有转换效应X/Y的材料的材料A,与具有转换效应,与具有转换效应Y/Z的材料的材料B复合后,复合后,由于由于A,B组份间的组份间的协同作用就会具有就会具有X/Z效应效应。 ZXZYYX第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应: 两种具有转换效应的材料复合在一起,即可发两种具有转换效
15、应的材料复合在一起,即可发生相乘效应。生相乘效应。二、非线性效应(1)相乘效应)相乘效应 相乘效应存在一个相乘效应存在一个耦合函数耦合函数F,即,即 其中:fA 、fB 、fC 分别为X/Y、Y/Z以及X/Z的换能效率 。CBAffFf F=1F=1时,表示完全耦合;时,表示完全耦合; 由于耦合作用受到复合材料相组成以及相界面的传递效率等因素影由于耦合作用受到复合材料相组成以及相界面的传递效率等因素影响,实际耦合因子响,实际耦合因子F F往往小于往往小于1 1。 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:二、非线性效应二、非线性效应(1)相乘效应)相乘效
16、应A相性质相性质X/YB相性质相性质Y/Z复合后的性质复合后的性质X/Z压磁效应压磁效应磁阻效应磁阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压磁效应压磁效应磁电效应磁电效应压电效应压电效应压电效应压电效应场致发光效应场致发光效应压力发光效应压力发光效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应压阻效应压阻效应磁阻效应磁阻效应光导效应光导效应电致效应电致效应光致伸缩光致伸缩闪烁效应闪烁效应光导效应光导效应辐射诱导导电辐射诱导导电熱熱致变形效应致变形效应压敏电阻效应压敏电阻效应热敏电阻效应热敏电阻效应第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:二、非线性效应二、非线性效应(2)诱导效应)诱
17、导效应 在一定条件下,复合材料两个组分的界面上,某一组分通过诱导作在一定条件下,复合材料两个组分的界面上,某一组分通过诱导作用使得另一组分的结构发生改变,因而改变材料整体性能或产生新的效用使得另一组分的结构发生改变,因而改变材料整体性能或产生新的效应。应。典型案例: 结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或使得基体的晶形发生取向作用。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:二、非线性效应二、非线性效应(3)共振效应(强选择效应)共振效应(强选择效应) 某材料组分具有一系列性能,当与另一组分复合后,该组分的某一性某材料组分具有一系列性能,当与另一组分复合后
18、,该组分的某一性能得到突出发挥,而其他性能受到很大抑制。能得到突出发挥,而其他性能受到很大抑制。适用范围:适用范围: 复合材料固有频率不同于原组分固有频率,复合材料固有频率不同于原组分固有频率,当复合材料的结构产生变化时,材料固有频当复合材料的结构产生变化时,材料固有频率也会产生相应变化。率也会产生相应变化。 利用这种效应可以通利用这种效应可以通过改变复合材料的结构避免共振现象对材料过改变复合材料的结构避免共振现象对材料的破坏作用或者实现对特定波长的吸收。的破坏作用或者实现对特定波长的吸收。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:二、非线性效应二、非线
19、性效应(4)系统效应)系统效应 多种组分复合后,复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。多种组分复合后,复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。举例:举例: (1)彩色胶片是以红黄蓝三色感光材)彩色胶片是以红黄蓝三色感光材料膜组成的一个系统,能显示出各种颜色,料膜组成的一个系统,能显示出各种颜色,单独存在则无此效应。单独存在则无此效应。 (2)交替层叠镀膜的硬度大于原来各)交替层叠镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.1 材料的复合效应:材料的复合效应:2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的
20、结构与复合效果 n 基体(聚合物、金属、无机非金属):基体(聚合物、金属、无机非金属):力学性能较弱和物理功能相对单一,需要改善与提高,这主要依赖于引入的增强体和功能体。n 增强体:增强体:强度、模量通常高于基体相,分散相的加入往往使复合材料的力学性能高于基体相。n 功能体:功能体:在材料中赋予复合材料以特殊的化学或物理机械功能。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复合材料的结构类型 复合材料主要由复合材料主要由基体、增强体或功能体基体、增强体或功能体等共同组成。等共同组成。由于他们
21、由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同,因此根,因此根据不同的性质或形态,他们可形成多种不同结构类型的复合材料。据不同的性质或形态,他们可形成多种不同结构类型的复合材料。 基体基体通常是通常是三维连续的物质三维连续的物质,也就是将不同组分相形,也就是将不同组分相形成整体材料的物质。成整体材料的物质。 功能体或增强体功能体或增强体则以则以独立的形态独立的形态分布于整个连续相中,分布于整个连续相中,构成所谓的构成所谓的分散相分散相。2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理 “连通性连通性”
22、的概念: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(0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。 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);2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复合材料的结构类型u 根据增强体或功能体和基体的连通性以及联结方式,复合材料组成相有二个相时,可形
23、成(0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)等10种可能连通结构;u 复合材料组成相有三个相时,组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性。u 复合材料组成相有四个相时,它可能存在35种连通性。2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型、复合材料的结构类型2.2 复合材料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理 (1) 0-3型结构型结构 基体为三维连
24、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。例如:例如: 一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构 目前研究得比较多的纳米/有机无机复合材料。钙塑材料、部分粘结磁铁(磁性复合材料)、PbTiO3型压电复合材料、部分导电复合材料等都是这类复合结构。 (2) 1-3型结构型结构 基体为三维连续相,增强体为纤维状一维材料。当长度有限的短纤维状增强体随机分布在基体中时,复合材料性能呈各向同性;当增强体呈一定取向分布时,复合材料性能呈各向异性。例如:例如:第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.2 复合材
25、料的结构与复合效果复合材料的结构与复合效果 一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点一、复合材料的结构类型及其典型结构的特点 2、复合材料的典型结构、复合材料的典型结构 常见的短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料均属此类结构。聚合物分子复合材料在微观或亚微观结构上也是此类结构。(3) 2-2型结构型结构 两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。其最大特点:无一组分呈三维连续相状态。例如: 由多层金属和聚合物复合而成的薄板状导电玻璃材料。在这种均为二维连续相组成的材料中,垂直于组分相和平行于组分相的方向上有机无机镀膜复合功能玻璃材料等等。第二章第二章 材料的复合原理材料的复合原理2.2
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