13.复合材料的复合效应23复合材料的复合效应3.1材料的复合效应掌握:复合效应的分类及其特点;3.2复合材料的结构与复合效果3.3复合材料的模型及性能的一般规律3.4复合材料的设计原理和复合理论3本节重点:1、材料模型化的方法;2、建立材料模型包含的主要内容及应该考虑的问题;3、掌握同心球壳模型及同轴圆柱模型;3.3复合材料的模型及性能的一般规律43.3复合材料的模型及性能的一般规律目的:预测和分析复合材料性能,为复合材料性能的设计奠定基础。基础:涉及不同学科的有关理论。根据复合系统特点和性能,经过分析、抽象、简化,建立分析性能的材料微观结构模型,再运用连续介质的有关理论,确定在给定宏观作用场下,组分相的微观作用场和响应场,进而得到宏观响应场,这是材料科学中性能研究的一般方法。根据宏观作用场和响应场的关系,即可确定复合材料的性能。作用响应5材料模型化的方法待确定复合体系性能材料的微观结构模型相微观作用场Ii,响应场Oi连续介质理论给定宏观作用场I有效性能εO=ε(I)宏观响应场O模型化OdVVOO1)(O表示宏观响应场,V表示单元体积63.3.1复合材料的模型在研究材料复合的有关理论时,建立一个能包含主要影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型是十分重要的。建立材料的微观模型往往包含两方面内容:一是材料的几何结构模型;二是材料的物理模型,即计算场量的理论和方法。7在建立材料复合模型时需要注意以下几个问题:3.3.1复合材料的模型1.首先应确立坐标系和材料的主轴方向,往往以主轴方向为参考坐标。2.材料的微观模型包括结构模型和物理模型两个系统,有时两者是统一的,有时则并不统一。8确立材料的结构模型时,主要以材料的相几何形态和性能规律为依据:(1)模型中的相几何形态必须充分表达实际材料的几何形态(2)复合体系中组分的相含量,模型中组分的相含量(体积分数)必须与实际材料组分的相含量相等(3)复合体系中组分相的状态分布往往采用统计的特征3.3.1复合材料的模型9(X2,Y2,Z2)lβα(0,0,0)xyz图3.4纤维取向的坐标系表征103.物理模型的确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。注: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,基本假定见表3.3。3.3.1复合材料的模型11表3.3单向复合材料模型的基本假设名称基本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12根据复合材料组分之增强体(或功能体)和基体的几何形态,常见的几何结构模型有以下几种。1、同心球壳模型该模型主要针对的是0-3型复合材料,在该模型中,把材料的微观结构看作是同心球壳组成。其中增强体或功能体为不连续相,而基体为连续相。3.3.1复合材料的模型1333)(ifmffrrrrV3mfif33fiirrrrrrV)()(ifmVVV--=1注:对于非球形体微粒增强体,可以采用粒子的当量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各向同性材料。各组分的体积分数分别为:14作业2假设2wt%二氧化钍(ThO2)加入到镍(Ni)中,ThO2颗粒直径为100nm,已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9g/cm3,请计算每立方厘米的复合材料中有多少个ThO2颗粒。(假设界面上没有反应产物)wt%:质量分数。153.3.1复合材料的模型同轴圆柱模型主要适合于1-3型复合结构,特别是高取向度(单向)复合材料。该模型具有xoy面内各向同性特点,也具有z轴方向上的等径同轴圆柱面内同性特征xyz163.3.1复合材料的模型复合材料的同轴圆柱模型在该模型中,各组分相的体积含量分别为:22)(ifmffrrrrV2)()2(ifmfiiirrrrrrVifmVVV--=117作业3纤维表面使用偶联剂处理后,产生了界面层,即表面处的基体在一定范围内不同于基体材料的性能,称为改性基体,其厚度为t,体积分数为Vt。已知纤维按六边形阵列排布,其直径2r=10μm,当体积分数Vf为0.4,t分别为0.2、0.5μm时,改性基体间距和Vt/Vm的值分别为多少?18还有矩形截面纤维钻石模型(如图a)、圆截面纤维矩形阵排列模型(图b)及圆截面纤维六角形阵排列模型(图c)。几种单向低纤维含量的复合材料模型3.3.1复合材料的模型19片状模型3.3.1复合材料的模型该模型主要适合于2-2、2-3型复合材料,镶嵌式的3-3型复合结构也可选用类似的模型。对于2-2型复合结构,可以取立方体,为研究方便,取边长为单位1,则各组分相的厚度即为其体积分数(如图)根据作用场的方向可以得到并联模型和串联模型。20对于2-3型及镶嵌式3-3型复合结构,可以利用如图的片状结构组合模型。设增强体几何结构为φ×λ×l取1×1×l的长方体模型,厚度一致,此时二维简化基体m可以分解为(1-φ)×1的m0长方体和φ×(1-λ)的m1长方体两个部分。在这种复合结构中,f与m两相当体积含量分别为:Vf=λ×φVm=1-λ×φ213.3.2复合材料性质与一般规律3.3复合材料的模型及性能的一般规律固有性质传递性质强度性质转换性质223.3.2复合材料性质与一般规律3.3.2.1固有性质指复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材料性质。这类性质往往是材料性质的直观表现,如材料的密度、比热容。它们从本质上表示材料所含有的物质量和能量的额度。注:复合材料的固有性质在组分复合前后,其物质量和能量的总含量不会变化(包括复合过程中的能量变化量)。此时,复合材料的性质是各相组分按含量的加和性,而与各相的几何状态、分布状态无关。233.3.2复合材料性质与一般规律设复合体系的某一性能为ρ,对任意一相所具有的性能和体积分数分别为ρi和Vi,则有:iiV=上式即为混合律,对复合材料而言,属于固有性质的物理量,都应服从混合律。24作业4银-钨复合材料可作为电触头材料,先由粉末冶金方法制备得到多孔钨,再将纯银浸透到孔洞内制备得到复合材料。已知浸渗之前多孔钨的密度是14.5g/cm3,计算孔所占的体积分数及浸渗后银在复合材料中的质量分数。纯银和纯钨的密度分别为:10.49g/cm3和19.3g/cm3。253.3.2复合材料性质与一般规律3.3.2.2传递性质•材料的传递性质是材料在外作用场作用时,表征某通量通过材料阻力大小的物理量,诸如导热性质(导热系数)、导电性质(电阻率)等等。该类性质上表征材料微粒子的运动状态及通过运动传递能量、物质的能力。•材料传递时的阻力系数α26iVI出I入1l(1)并联传递形式1l27设外作用场强度I入,经均质材料响应后,传递输出强度为I出,则材料总传递动力为:出入-IIIlI1q=-)(iicVlqq材料传递时的阻力系数为α则传递通量:对于并联型复合结构,相间无能量交换,则系统的总通量为各组分相同量之和----(1)----(2)----(3)式(2)代入式(3),得iiiiclIVq1由于组分相传递推动力梯度相等,故有:lIVqiic)1(lc1iicV11281lI入iVI出(2)串联传递形式1l29串联:ciqqiiiiqVicciicqV)(iicV30ici11iiVVc并联模型: 串联模型: 材料传递时的阻力系数α313.3.2复合材料性质与一般规律3.3.2.3强度性质材料的强度特性是材料承受外作用场极限能力的表征,材料的力学强度是材料承受外力的极限能力,如拉伸强度、冲击强度等;材料对电场承受能力,则为电击穿强度。对于非均质的复合材料,材料对外作用场的承载能力不是各组分相承载能力的叠加,而与外作用场的分布、各组分相之间的相互作用有关,也与组分相的含量、几何状态、分布状态及各相的失效过程有关。对材料强度性能的预测和设计时,必须弄清与上述因子的函数关系和失效模式。323.3.2复合材料性质与一般规律3.3.2.4转换性质指材料在一种外场作用下,转换产生另一种新场量。表征两种常量的相互关系则称为转换关系。如材料在电场作用下产生热量,在热作用下产生光,在应力作用下发生变化,都是材料的转换性质。转换性质表征材料的微观结构在外作用场下的变化。材料的转换型性质通常是张量。注:复合材料的转换性质主要取决于各组分相的微观结构和各组分相间的相互作用。33十二烷基胺DDA巯基葵酰基偶氮苯-MUA十二烷基胺DDA反式异构体顺式异构体紫外光可见光/加热/时间34WritingSelf-ErasingImagesusingMetastableNanoparticle“Inks”(Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,7035–7039)35小结3.1材料的复合效应线性和非线性3.2复合材料的结构与复合效果连通性,组分效果、结构效果(几何形状、取向和尺度)和界面效果3.3复合材料的模型及性能的一般规律几何模型和物理模型的建立,复合材料性质36思考题:1.复合效应包括哪两大类?各有几种效应?简述各种效应的意义。2.材料的复合效果包括哪些方面?简述其意义。3.复合材料的性质包括哪些方面?373.4复合材料的设计原理和复合理论复合材料增强理论物理性能复合法则38一、复合材料增强机制弥散增强颗粒增强连续纤维增强短纤维增强39弥散增强型50x50μm颗粒增强型50x50μm40纳米碳管纤维41弥散增强原理硬质颗粒如Al2O3,TiC,SiC阻碍基体中的位错运动(金属基)或分子链运动(高聚物基)。增强机理可用位错绕过理论解释。载荷主要由基体承担,弥散微粒阻碍基体的位错运动。(1)弥散增强42主要由基体承担载荷弥散质点(微粒)阻碍基体中的位错运动或分子链运动阻碍能力越大,强化效果越好条件:质点是弥散于基体中且均匀分布的球形粒子d为微粒直径Vp为体积分数Gm为基体的切变模量b为柏氏矢量τy为复合材料的屈服强度ymppGbdVV231212(1)弥散增强43复合材料的屈服强度弥散质点的尺寸越小,体积分数越大,强化效果越好。一般Vp=0.01~0.15,dp=0.001μm~0.1μm;基体发生位错运动时,复合材料产生塑性变形,此时剪切应力τy即为复合材料的屈服强度。)1()32(G212mpppyVVdb4408537.416.70.058878.017.30.109408.518.00.2010557.621.0不同体积分数纳米粒子SiC(0.07μm)增强Si3N4(0.5μm)的性能45(2)颗粒增强cVdbVGGpppmy)1(2321颗粒的尺寸越小,体积分数越大,强化效果越好。一般在颗粒增强复合材料中,颗粒直径为1~50μm,颗粒间距为1~25μm,颗粒的体积分数为0.05~0.5。颗粒的尺寸较大(1μm)基体承担主要的载荷颗粒也承担载荷颗粒阻止位错的运动,并约束基体的变形σy为复合材料的屈服强度Gp为颗粒的切变模量C为常数b为柏氏矢量46用金属或高分子聚合物作粘接剂,把具有耐热性好、硬度高、但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成,既具有陶瓷的高硬度及耐热性,又具有脆性小、耐冲击等优点。颗粒增强复合主要是为了改善材料的耐磨性或综合的力学性能。颗粒增强复合材料:47位错在晶面上滑移(a)和在TiC颗粒前位错的塞积(b)48(3)连续纤维增强通常根据纤维形态可以分为:连续纤维、非连续纤维(短纤维)或晶须(长度约为100--1000μm、直径约为1--10μm的单晶体)两类.其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷基体只是作为传递和分散载荷的媒介。M为基体F为纤维49串联模型并联模型基