1、第十章 復(fù)合效應(yīng)與界面Synergistic Effect and Interface主 講：李 麗 副教授Telmail:polyliliChapter 101山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫10.1 材料復(fù)合、增強(qiáng)體及復(fù)合效應(yīng) Material Mixing , Reinforcements andSynergistic Effect10.1.1 復(fù)合材料(Composite) 復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料通過物理和化學(xué)復(fù)合，組成具有兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。該類材料不僅性能優(yōu)于組成中的任意一個(gè)單獨(dú)的材料，而且還可具有組分單獨(dú)不具有的獨(dú)特性能。Chapte

2、r 102山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料的組成基體Matrix增強(qiáng)體Reinforcement界面InterfaceChapter 103山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料分類1.復(fù)合材料按用途結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。2.按基體類型分為樹脂基復(fù)合材料RMC（Resin Matrix Composite）,也稱纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics）金屬基復(fù)合材料MMC （Metal Matrix Composite）陶瓷基復(fù)合材料CMC （Ceramic Matrix Composite）3.按增強(qiáng)體的形態(tài)與排布方式顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、短

3、纖維或晶須增強(qiáng)纖維；單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、二向纖維復(fù)合材料，三向及多向編織復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料。Chapter 104山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫由能承受載荷的增強(qiáng)體組元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等）與能聯(lián)結(jié)增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳力作用的基體組元（如樹脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）構(gòu)成。結(jié)構(gòu)材料通常按基體的不同分為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料Chapter 105山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫包括壓電、導(dǎo)電、雷達(dá)隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種

4、類繁多的復(fù)合材料，具有廣闊的發(fā)展前途。 未來的功能復(fù)合材料比重將超過結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。 未來復(fù)合材料的研究方向主要集中在納米復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料、和發(fā)展多功能、機(jī)敏、天然復(fù)合材料等領(lǐng)域。功能材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。Chapter 106山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫a是玻纖增強(qiáng)PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，（a）是加入MPP相容劑的玻纖增強(qiáng)體系，( a）中玻璃纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較少.Chapter 107山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫（b）是未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系。從中可以看出，而（b）中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體

5、的粘接性較差，因而體系的力學(xué)性能不高。Chapter 108山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Figure Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting ( 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals In

6、c.)Chapter 109山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫試樣的沖擊試樣的斷口掃描電鏡的背散射電子圖像 1250目CaCO3粒子/PP2500目CaCO3粒子/PPChapter 1010山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫GF/CF不同的纖維種類Chapter 1011山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Composite materials configurationsMaterials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resinsArchitecture: Unidirectional tapes, woven, braided, ch

7、opped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injection moulded/www.merl-ltd.co.uk/./ composites01.shtml Chapter 1012山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Chapter 1013山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫Chapter 1014山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料的特點(diǎn)1.可設(shè)計(jì)性2.各相異性3.一次成型4.可制成各種形狀5.能綜合發(fā)揮各組分的優(yōu)點(diǎn)，并具有多種性能。Chapter 1015山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫樹脂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)樹脂基復(fù)合材料作為一種復(fù)合材料，是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)

8、立物理相，包含基體材料（樹脂）和增強(qiáng)材料所組成的一種固體產(chǎn)物。樹脂基復(fù)合材料具有如下的特點(diǎn)：（1）各向異性（短切纖維復(fù)合材料等顯各向同性）；（2）不均質(zhì)（或結(jié)構(gòu)組織質(zhì)地的不連續(xù)性）；（3）呈粘彈性行為；（4）纖維（或樹脂）體積含量不同，材料的物理性能差異；（5）影響質(zhì)量因素多，材料性能多呈分散性。表征其復(fù)合后材料的性能。Chapter 1016山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫聚合物基復(fù)合材料的主要性能優(yōu)點(diǎn)：1.比強(qiáng)度、比模量高2.耐疲勞性好3.減震性好4.過載時(shí)安全性好5.具有多種功能性 耐燒蝕性、耐腐蝕性好，高度的電絕緣，良好的摩擦性，特殊的光學(xué)、電性能6.良好的可加工性能缺點(diǎn)：1.使用溫度低，耐高

9、溫性能差（300度以下）2.材料強(qiáng)度一致性差3.耐老化性能差Chapter 1017山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫10.1.2 增強(qiáng)體的性能 增強(qiáng)體的種類繁多，表9-1列出了主要增強(qiáng)體的主要參數(shù)。 增強(qiáng)體的特點(diǎn)是高強(qiáng)度、高模量。增強(qiáng)體直徑較小，含有缺陷的機(jī)率少，所以保持了高強(qiáng)度、高模量的特性。用于航天、航天結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的增強(qiáng)體密度一般都低。Chapter 1018山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫表10-1增強(qiáng)體的性能參數(shù)生產(chǎn)廠家 商品名及牌號(hào)直徑 m 密度 g/cm3抗拉強(qiáng)度 MPa彈性模量GPaE玻璃纖維 915 2.6 3232 72日本東麗 T 300 碳纖維 7 1.763 500230日本東麗T

10、一1000 碳纖維5 1.827060294日本東麗M60J 碳纖維 51 9438205883M公司Nextel 480 A12O3纖維10-123.052275 224日本碳(株)Nicalon SiC 纖維10152.552450-2940167-176美AVCOSCS-6SiC 纖SNPEB4C 涂復(fù)鎢芯硼纖維1402.53700400美Kevlar49 芳綸纖維121.44176062 (原)蘇聯(lián) APMOC 芳綸纖維1.435000150W絲1319.44020407鋼絲137.744120193- SiC晶須0.113.8570000 6000美杜邦公司

11、A12O3晶須203.95379Chapter 1019山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫基體材料的性能分類名稱拉伸強(qiáng)度楊氏模量抗彎強(qiáng)度聚合物聚丙烯3341 MPa1.2-1.4 GPa41.455.1 MPa尼龍6681.3 MPa3.13.2 GPa98107.8 MPaABS16.662MPa0.72.8 GPa24.893 MPa聚碳酸酯65.7 MPa2.22.4 GPa96103.9 MPa金屬08碳素鋼325 MPa210 GPa鑄鐵HT15-33150 MPa150160 GPa330 MPa工業(yè)鋁L4140 MPa69 GPa陶瓷Al2O399.9%300 MPa370 GPa碳化鈦2

12、58 MPa450 GPa燒結(jié)SiC300 MPa410 GPaChapter 1020山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫10.1.3 復(fù)合效應(yīng) 復(fù)合效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補(bǔ)充的結(jié)果。 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。 它表現(xiàn)為樹脂基復(fù)合材料的性能在其組分材料基礎(chǔ)上的線性和非線性的綜合。復(fù)合效應(yīng)有正有負(fù)，性能的提高總是人們所期望的，但有進(jìn)材料在復(fù)合之后某些方面的性能出現(xiàn)抵消甚至降低的現(xiàn)象是不可避免的。 Chapter 1021山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫 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) 復(fù)

13、合效應(yīng)線性效應(yīng)可細(xì)分為平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)。 非線性效應(yīng)可細(xì)分為乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)。Chapter 1022山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫1、線性效應(yīng)（1）平均效應(yīng)（混合效應(yīng)） 復(fù)合材料的某項(xiàng)性能等于各組分的該項(xiàng)性能乘以該組分體積分?jǐn)?shù)之加和。可用混合物定律描述： Kc = Kii （并聯(lián)模型） 1/Kc = i/Ki （串聯(lián)模型）（2）平行效應(yīng) 復(fù)合材料的某項(xiàng)性能與其中某一組分的該項(xiàng)性能基本相當(dāng)。 Kc Ki Chapter 1023山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫（3）相補(bǔ)效應(yīng) 復(fù)合材料各組分復(fù)合后相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)各自的弱點(diǎn)，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。 C = AB（4）相抵

14、效應(yīng) 復(fù)合材料各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，使其性能低于混合物定律預(yù)測值。 Kc KiiChapter 1024山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫以下舉例對(duì)其中的重要效應(yīng)簡單作一說明。 平均效應(yīng)又可稱為加和效應(yīng)(Mean Properties)，反映在復(fù)合材料的混合定則(Rule of Mixture)中。該定則通常用來計(jì)算增強(qiáng)材料和基體復(fù)合后對(duì)某一性質(zhì)產(chǎn)生的效果，即式中 p某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、模量、泊松比、熱導(dǎo)等Pc復(fù)合材料的某一性質(zhì)；Pi原始i材料的某一性質(zhì)；體積分?jǐn)?shù)；i N種原始材料中第i種材料體積分?jǐn)?shù)N由實(shí)驗(yàn)確定，其范圍為-1 n 1Chapter 1025山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫例題：p(PA6

15、6) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(CF)=35001= 0.7 , 2=0.3 n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91 (MPa)Chapter 1026山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫相補(bǔ)效應(yīng)和相抵相應(yīng)ABChapter 1027山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫非線性效應(yīng)中，乘積效應(yīng)(Product ProPcnMs又叫傳遞特性，交叉耦合效應(yīng)。 例如對(duì)材料X輸入時(shí)輸出為Y，即一種轉(zhuǎn)換功能材料Y/X(如磁場壓力的換能材料)；而Y又作為另一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出Z，即為另一種換能材料ZY(如電

16、阻磁場轉(zhuǎn)換材料)。兩種材料復(fù)合得出一新的機(jī)能材料，即YXZYZX(即電阻壓力轉(zhuǎn)換構(gòu)料)。 乘積效應(yīng)對(duì)開發(fā)新型功能材料指出了方向，因?yàn)檫@種效應(yīng)不僅僅比單一材料獲得很強(qiáng)的性能，甚至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應(yīng)。Chapter 1028山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫2、非線性效應(yīng)相乘效應(yīng)（X/Y）（Y/Z）=X/ZA組元性質(zhì)X/YB組元性質(zhì)Y/Z相乘性質(zhì)X/Z壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁致伸縮熱致變形磁阻效應(yīng)電磁效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓敏效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)磁阻效應(yīng)熱敏效應(yīng)Chapter 1029山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫 當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí)，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類

17、壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹姡谑牵細(xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，稱為逆壓電效應(yīng)。 Chapter 1030山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，既在壓電陶瓷加一電信號(hào)，便產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時(shí)，則會(huì)有電信號(hào)輸出，通過數(shù)據(jù)處理時(shí)間差測距，計(jì)算顯示車與障礙物的距離及危險(xiǎn)相撞時(shí)報(bào)警，可準(zhǔn)確無誤地探測汽

18、車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實(shí)用性相當(dāng)強(qiáng)。 超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警器裝置，也被稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。 Chapter 1031山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能（或機(jī)械位移信息或聲信息），相反也可以將機(jī)械能（或機(jī)械位移與信息）。轉(zhuǎn)換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、

19、微位移驅(qū)動(dòng)、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門、泵、波動(dòng)采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。Chapter 1032山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料的界面效應(yīng) (1)阻斷效應(yīng) (2)不連續(xù)效應(yīng) (3)散射和吸收效應(yīng) (4)感應(yīng)效應(yīng) (5)界面結(jié)晶效應(yīng) (6)界面化學(xué)效應(yīng)Chapter 1033山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫復(fù)合材料的界面效應(yīng)(1)阻斷效應(yīng) 起到阻止裂紋擴(kuò)展，中斷材料破壞，減緩應(yīng)用力集中等。(2)不連續(xù)效應(yīng) 在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等(3)散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波

20、、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收，加透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等。(4)感應(yīng)效應(yīng) 在界面產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)部應(yīng)力和由此而引起的現(xiàn)象，如彈性、熱膨脹性、抗沖擊性和耐熱性的改變等。感應(yīng)(或誘導(dǎo))可以是一種物質(zhì)(通常是增強(qiáng)物)的表面結(jié)構(gòu)使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)出了誘導(dǎo)作用而改變。(5)界面結(jié)晶效應(yīng) 基體結(jié)晶時(shí)易在界面上形核，界面形核誘發(fā)了基體結(jié)晶。(6)界面化學(xué)效應(yīng) 基體與增強(qiáng)材料間的化學(xué)反應(yīng)，官能團(tuán)、原于分子之間的作用。Chapter 1034山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫阻止裂紋的擴(kuò)展Chapter 1035山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫不連續(xù)效應(yīng)電阻R1電阻R1電

21、阻R2Chapter 1036山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫散射和吸收效應(yīng)Chapter 1037山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫界面化學(xué)效應(yīng)ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi無機(jī)表面聚合物表面Chapter 1038山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫丁達(dá)爾效應(yīng)和光散射 1869年，英國科學(xué)家丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)了丁達(dá)爾效應(yīng)。光射到粒子上可以發(fā)生兩種情況，一是當(dāng)粒子直徑大于入射光波長很多倍時(shí)，發(fā)生光的反射；二是當(dāng)粒子直徑小于入射光的波長時(shí)，發(fā)生光的散射，散射出來的光稱為乳光。 散射光的強(qiáng)度，隨著顆粒半徑增加而變化。懸（乳）濁液分散質(zhì)粒子直徑太大，對(duì)于入射光只有反射而不散射；溶液里溶質(zhì)粒子太小，對(duì)于入射光散射很微弱，觀察不到丁達(dá)爾效應(yīng)；只有溶膠才有比較明顯的乳光，這時(shí)粒子好像一個(gè)發(fā)光體，無數(shù)發(fā)光體散射的結(jié)果就形成了光的通路。 散射光的強(qiáng)度還隨著粒子濃度的增大而增加，因此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，溶膠濃度不要太小。Chapter 1039山東大學(xué)材料學(xué)院李麗編寫丁達(dá)爾效應(yīng)Chapter 1040山