功能復(fù)合材料緒論課件

1、功 能 復(fù) 合 材 料授課教師: 許紅亮10/12/20222功能復(fù)合材料復(fù)合材料按使用目的可分為兩類:結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料1. 緒論10/12/20223功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指除力學(xué)性能以外而提供其他物理性能（并包括部分化學(xué)和生物性能）的復(fù)合材料，如導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防熱、隔熱等功能復(fù)合材料。1. 1 功能復(fù)合材料概述10/12/20224功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料主要由一種或多種功能體和基體組成。1. 2 功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)1.2.1 功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則柔韌性磁體：磁粉 功能體橡膠和塑料 基體 黏結(jié)和賦形作用，并同時(shí)改善材料的物

2、理機(jī)械性能10/12/20225功能復(fù)合材料在單一功能體的復(fù)合材料中，其功能性質(zhì)雖然由功能體提供，但基體不僅起到粘結(jié)和賦形作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)復(fù)合材料整體的物理性能有影響。10/12/20226功能復(fù)合材料多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能，同時(shí)還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。因此，多功能復(fù)合材料成為功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。10/12/20227功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料的主要設(shè)計(jì)原則：（1）首先考慮關(guān)鍵的、主要的性能；（2）兼顧其它性能；（3）選擇性能分散性小的原材料;（4）采取的成型工藝盡可能簡(jiǎn)單、方便；（5）經(jīng)濟(jì)性合理。10/12/20228功能復(fù)合材料復(fù)合材料設(shè)計(jì)的目的：提高材料的

3、綜合性能,也就是材料的優(yōu)值。材料的優(yōu)值：是由幾個(gè)物理量綜合起來(lái)對(duì)材料的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的量。 復(fù)合材料有很多途徑以達(dá)到高優(yōu)值，即按照要求調(diào)整其特有的參數(shù)，經(jīng)設(shè)計(jì)來(lái)滿足材料有關(guān)的物理量組元。也可通過(guò)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)設(shè)計(jì)制造各種功能復(fù)合材料。10/12/20229功能復(fù)合材料1.2.2 功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)特點(diǎn)復(fù)合材料的最大特點(diǎn)在于它的可設(shè)計(jì)性。因此，在給定的性能要求、使用環(huán)境及經(jīng)濟(jì)條件限制的前提下，從材料的選擇途徑和工藝結(jié)構(gòu)途徑上進(jìn)行設(shè)計(jì)。10/12/202210功能復(fù)合材料1）具有提高材料優(yōu)值的廣泛途徑和自由度調(diào)整復(fù)合度 復(fù)合度是參與復(fù)合各組分的體積（質(zhì)量）分?jǐn)?shù)。調(diào)整聯(lián)接方式 復(fù)合材料中各組分

4、在三維空間中互相連接的形式可任意調(diào)整。調(diào)整對(duì)稱性 對(duì)稱性是功能復(fù)合材料組分在空間幾何布局上的特征。不同功能復(fù)合材料的對(duì)稱性須選用不同的描述方法。如，0-3型（球形顆粒分散在基體中）復(fù)合材料各向同性；1-3型（針行顆粒按一定方向排列）產(chǎn)生雙折射行為；2-2型（片狀顆粒分散在基體中）則出現(xiàn)負(fù)光性。調(diào)整尺寸 當(dāng)功能體尺寸從微米、亞微米減小到納米時(shí)，原有的宏觀物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。這是由于物體尺寸減小時(shí)表面原子數(shù)增多引起的。調(diào)整周期性 10/12/202211功能復(fù)合材料2）可利用復(fù)合效應(yīng)創(chuàng)造新型復(fù)合功能材料例如，利用線性效應(yīng)的混合法則，通過(guò)合理鋪設(shè)可以設(shè)計(jì)出某一溫度區(qū)間膨脹系數(shù)為零或接近于零的構(gòu)件。又

5、如XY平面是壓電，XZ平面呈電致發(fā)光性，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)可以得到Y(jié)Z平面壓致發(fā)光的復(fù)合材料。模仿生物體中的纖維和基體的合理分布，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可望設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的仿生功能材料。10/12/202212功能復(fù)合材料材料在復(fù)合后所得的復(fù)合材料，依據(jù)其產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的特征，可分為兩大類：一類復(fù)合效應(yīng)為線性效應(yīng)；另一類則為非線性效應(yīng)。在這兩類復(fù)合效應(yīng)中，又可以顯示出不同的特征。1. 3 功能復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)10/12/202213功能復(fù)合材料平均效應(yīng)相乘效應(yīng)平行效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)共振效應(yīng)相抵效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)線性效應(yīng)非線性效應(yīng)復(fù) 合 效 應(yīng)不同復(fù)合效應(yīng)的類別下表列出了不同復(fù)合效應(yīng)的類別。10/12

6、/202214功能復(fù)合材料平均效應(yīng)是復(fù)合材料所顯示的最典型的一種復(fù)合效應(yīng)。它可以表示為：式中，為材料性能，為材料體積含量，角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體（或功能體）。10/12/202215功能復(fù)合材料復(fù)合材料的某些功能性質(zhì)，例如電導(dǎo)、熱導(dǎo)、密度和彈性模量等服從平均效應(yīng)這一規(guī)律。例如，復(fù)合材料的彈性模量，若用混合率來(lái)表示，則為10/12/202216功能復(fù)合材料平行效應(yīng)顯示這一效應(yīng)的復(fù)合材料，它的各組分材料在復(fù)合材料中，均保留本身的作用，既無(wú)制約，也無(wú)補(bǔ)償。10/12/202217功能復(fù)合材料對(duì)于增強(qiáng)體（如纖維）與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料，所顯示的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)。

7、10/12/202218功能復(fù)合材料相補(bǔ)效應(yīng)組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上相互補(bǔ)充，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。10/12/202219功能復(fù)合材料對(duì)于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時(shí)，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)。10/12/202220功能復(fù)合材料相抵效應(yīng)基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時(shí)，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)。10/12/202221功能復(fù)合材料例如，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(shí)，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。10/12/202222功能復(fù)合材料在玻璃纖維

8、增強(qiáng)塑料中，當(dāng)玻璃纖維表面選用適宜的硅烷偶聯(lián)劑處理后，與樹脂基體組成的復(fù)合材料，由于強(qiáng)化了界面的結(jié)合，故致使材料的拉伸強(qiáng)度比未處理纖維組成的復(fù)合材料可高出30-40%，而且濕態(tài)強(qiáng)度保留率也明顯提高。10/12/202223功能復(fù)合材料但是，這種強(qiáng)結(jié)合的界面同時(shí)卻導(dǎo)致了復(fù)合材料沖擊性能的降低。因此，在金屬基、陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料中，過(guò)強(qiáng)的界面結(jié)合不一定是最適宜的。10/12/202224功能復(fù)合材料相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng)常常是共同存在的。顯然，相補(bǔ)效應(yīng)是希望得到的，而相抵效應(yīng)要盡量能夠避免。所有這些，可通過(guò)相應(yīng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。10/12/202225功能復(fù)合材料乘積效應(yīng)兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料

9、復(fù)合在一起，即可發(fā)生乘積效應(yīng)。 乘積效應(yīng)是在復(fù)合材料兩組分之間產(chǎn)生可用乘積關(guān)系表達(dá)的協(xié)同作用。例如，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(shí)，將可能產(chǎn)生具有電光效應(yīng)的復(fù)合材料。10/12/202226功能復(fù)合材料因此，通?？梢詫⒁环N具有兩種性能相互轉(zhuǎn)換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復(fù)合起來(lái)，可用下列通式來(lái)表示，即：式中，、分別表示各種物理性能。上式符合乘積表達(dá)式，所以稱之為乘積效應(yīng)。10/12/202227功能復(fù)合材料相乘效應(yīng)的組合可以非常廣泛，已被用于設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料。常用的物理乘積效應(yīng)見(jiàn)下表所示：熱-形變材料（X/Y）與另一種形變-電導(dǎo)材料（Y/Z）復(fù)合，其效果就是 即由于兩

10、組分的協(xié)同作用得到一種新的熱-電導(dǎo)功能復(fù)合材料。10/12/202228功能復(fù)合材料復(fù)合材料的乘積效應(yīng)相性質(zhì)相性質(zhì)復(fù)合后的乘積性質(zhì)（）（）壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)壓電效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)閃爍效應(yīng)熱致變形效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁電效應(yīng)場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)壓阻效應(yīng)電致效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)壓電效應(yīng)壓力發(fā)光效應(yīng)磁阻效應(yīng)光致伸縮輻射誘導(dǎo)導(dǎo)電熱敏電阻效應(yīng)10/12/202229功能復(fù)合材料誘導(dǎo)效應(yīng)在一定條件下，復(fù)合材料中的一個(gè)組分材料可以通過(guò)誘導(dǎo)作用使另一個(gè)組分材料的結(jié)構(gòu)改變，從而改變整體性能或產(chǎn)生新效應(yīng)。這種誘導(dǎo)行為已在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也在復(fù)合材料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)。10/12/202230功能復(fù)合材料例如，

11、結(jié)晶的纖維增強(qiáng)體對(duì)非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基體的晶形取向產(chǎn)生作用。在碳纖維增強(qiáng)尼龍或聚丙烯中，由于碳纖維表面對(duì)基體的誘導(dǎo)作用，致使界面上的結(jié)晶狀態(tài)與數(shù)量發(fā)生了改變，如出現(xiàn)橫向穿晶等，這種效應(yīng)對(duì)尼龍或聚丙烯起著特殊的作用。10/12/202231功能復(fù)合材料共振效應(yīng)兩個(gè)相鄰的材料在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械的或電、磁的共振。由不同材料組成的復(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(shí)，復(fù)合材料的固有頻率也會(huì)發(fā)生改變。10/12/202232功能復(fù)合材料利用共振效應(yīng)，可以根據(jù)外來(lái)的工作頻率，改變復(fù)合材料固有頻率而避免材料在工作時(shí)引起的破壞。對(duì)于吸波材料，同樣可以根據(jù)

12、外來(lái)波長(zhǎng)的頻率特征，調(diào)整復(fù)合頻率，達(dá)到吸收外來(lái)波的目的。10/12/202233功能復(fù)合材料系統(tǒng)效應(yīng)這是材料的一種復(fù)雜效應(yīng)，至目前為止，這一效應(yīng)的機(jī)理尚不很清楚，但在實(shí)際現(xiàn)象中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的存在。10/12/202234功能復(fù)合材料例如，交替疊層鍍膜的硬度大于原來(lái)各單一鍍膜的硬度和按線性混合率估算值，說(shuō)明組成了復(fù)合系統(tǒng)才能出現(xiàn)的現(xiàn)象。 彩色膠片是以紅、藍(lán)、黃三色感光材料膜組成一個(gè)系統(tǒng)，能顯示出各種色彩，單獨(dú)存在即無(wú)此作用。這也是系統(tǒng)效應(yīng)的例子。10/12/202235功能復(fù)合材料平均效應(yīng)、乘積效應(yīng)、平行效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、共振效應(yīng)、相抵效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)等各種復(fù)合效應(yīng)，都是復(fù)合材料科學(xué)所

13、研究的對(duì)象和重要內(nèi)容，這也是開(kāi)拓新型復(fù)合材料，特別是功能型復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。10/12/202236功能復(fù)合材料1. 4 功能復(fù)合材料分類10/12/202237功能復(fù)合材料1. 5 功能復(fù)合材料制造方法 傳統(tǒng)的方法與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型方法基本相同，主要取決于基體。新興的制備技術(shù)：（1）以材料合成過(guò)程中于基體中產(chǎn)生彌散相且與母體有良好相容性、無(wú)重復(fù)污染為特色的原位復(fù)合技術(shù)；（2）以自放熱、自潔凈和高活性、亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)物為特色的自蔓延復(fù)合技術(shù)；（3）以組分、結(jié)構(gòu)及性能漸變?yōu)樘攸c(diǎn)的梯度復(fù)合技術(shù)；（4）以攜帶電荷基體通過(guò)交替的靜電引力來(lái)形成層狀高密度、納米級(jí)均勻分散材料為特點(diǎn)的分子自組裝技術(shù)；仿生

14、技術(shù)、凝膠澆注技術(shù)、微波合成與燒成技術(shù)10/12/202238功能復(fù)合材料1.6 功能特性的可靠性控制可靠性控制的難度和復(fù)雜性非常高，原因：（1）組分材料的多重性；（2）材料-結(jié)構(gòu)工藝的同步性。復(fù)合材料可靠性目前存在的問(wèn)題：（1）材料特性知識(shí)的缺乏；（2）材料性能的分散性；（3）制備工藝的不穩(wěn)定性；（4）試驗(yàn)方法的不完善；（5）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足；（6）對(duì)復(fù)合材料性能隨時(shí)間變化的規(guī)律和知識(shí)掌握不夠。10/12/202239功能復(fù)合材料1.7 功能復(fù)合材料發(fā)展方向（1）由單功能向雙功能、多功能化發(fā)展；（2）由功能向機(jī)敏、智能化方向發(fā)展；（3）功能-承力一體與輕量化；（4）功能體的高性能化與微細(xì)化；（5）使用性能的穩(wěn)定性與長(zhǎng)壽命；（6）高精度的設(shè)計(jì)技術(shù)與設(shè)計(jì)制造一體化；（7）無(wú)余量成型與低成本制造技術(shù)。10/12/202240功能復(fù)合材料本課程教學(xué)安排緒論磁性能復(fù)合材料壓電復(fù)合材料導(dǎo)電復(fù)合材料電磁波吸收復(fù)合材料裝甲防護(hù)復(fù)合材料生體復(fù)合材料機(jī)敏復(fù)合材料與智能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仿生復(fù)合材料梯度復(fù)合材料其它功能復(fù)合