复合材料的复合原则与机制

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材料复合原理

材料复合原理材料复合是指将两种或两种以上的材料组合在一起，通过各种方式使它们相互作用，形成新的材料，以获得更好的性能和更广泛的应用。

材料复合技术已经成为当今材料科学领域中的热点之一，其原理和应用已经被广泛研究和应用。

首先，材料复合的原理在于不同材料之间的相互作用。

例如，将纤维素材料与树脂复合，可以充分利用纤维素材料的高强度和树脂的耐腐蚀性能，形成一种新的复合材料，具有更好的综合性能。

这种相互作用可以通过物理方法（如机械混合、热压等）或化学方法（如原位聚合、化学反应等）来实现。

其次，材料复合的原理还在于各种材料之间的协同效应。

不同材料之间的协同作用可以使复合材料具有更好的性能。

例如，将纳米材料与传统材料复合，可以利用纳米材料的特殊性能改善传统材料的性能，如提高强度、硬度、耐磨性等。

这种协同效应可以使复合材料具有更广泛的应用前景。

另外，材料复合的原理还在于不同材料之间的界面效应。

复合材料中各种材料的界面对于整体性能起着至关重要的作用。

良好的界面结合可以有效地传递应力，提高材料的强度和韧性；而界面的不良结合则会导致材料性能的下降。

因此，研究和控制材料复合界面的效应对于提高复合材料的性能具有重要意义。

最后，材料复合的原理还在于不同材料之间的相容性。

不同材料之间的相容性对于复合材料的性能和稳定性具有重要影响。

良好的相容性可以使复合材料的界面结合更加牢固，提高材料的耐久性和稳定性；而不良的相容性则会导致材料的分相或相分离，从而降低材料的性能。

因此，研究和改善不同材料之间的相容性是材料复合技术的重要内容之一。

综上所述，材料复合原理涉及材料之间的相互作用、协同效应、界面效应和相容性等方面，通过研究和控制这些原理，可以获得更好的复合材料，为各种工程应用提供更好的材料选择。

材料复合技术的发展将为材料科学领域带来更多的可能性和机遇，有望成为未来材料研究的重要方向。

复合材料----复合材料的复合原理及界面

复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。

2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。

2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。

3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。

界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。

4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。

复合材料的复合理论

另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。
2、纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（Байду номын сангаас移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（见下图）。
Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm1 - Vf）式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V：材料的体积百分比；下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、基体和纤维。
2、连续纤维单向增强复合材料（单向层板）
2-1 应力 - 应变关系和弹性模量在复合材料承受静张应力过程中，应力—应变经历以
复合材料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，
剪切力发生在垂直
纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同承担。
复合材料的复合理论
一、复合材料增强机制二、复合材料的复合法则 — 混合定律
一、复合材料增强机制
1、颗粒增强复合材料增强机制
1）颗粒阻碍基体位错运动强化：基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了位错的流动性。
颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
颗粒增强复合材料的强度直接与颗粒的硬度成正比，因为颗粒必须抵抗位错堆集而产生的应力，另外，颗粒相与基体的结合力同样影响着材料的强度。
下阶段: (1)基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性屈服、纤维弹性变形；3）基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、纤维共同塑性变形；4）复合材料断裂。对于复合材料的弹性模量：阶段1：E = EfVf + Em（1-Vf）阶段2：E = EfVf + ( dm/dm)(1-Vf)

复合材料_第二章_复合原理简介

对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，η0分别为1和0，对于面内随即分布的纤维复合材料η0＝3/8，三维随机分布纤维复合材料η0＝1/5
二、物理性能的复合法则
对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高比模量等力学性能。但是其物理性能也应该通过复合化得到提高。复合法则有两种：１、加权（平均）特性２、乘积（传递）特性
短纤维增强（２）
为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比(lc/d)
l/lc越大，拉伸强度越大; 2l/lc>>1时，拉伸强度为连续纤维的强度公式; l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%; l/lc=10时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95% 所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。
F c m
对于不同复合材料，增强系数不同。对于颗粒增强复合材料，增强系数与增强材料的粒子直径，粒子间距、体积分数有关；对于纤维增强复合材料，增强系数与纤维体积分数、纤维直径、纤维长度和纤维取向度有关
磁电效应磁电阻效应拟洞穴效应（磁电效应）磁感应折射
电磁效应应变/光应变/光波长变换放射线诱起电导放射线检测器
思考题
１、弥散颗粒、颗粒增强机理是什么２、纤维增强复合材料中，轴向和横向的强度各有什么特点３、复合材料物理性能有什么样的复合法则，分别有哪些性能适合这些法则？
谢谢！
X Y X YZ Z
由于两组分的协同作用得到了另一种热－电导功能复合材料，借助类似关系可以通过各种功能材料复合成各种功能复合材料
Y/X（状态1）
磁/压力
磁场/压力
电场/压力电场/压力应变/磁场应变/磁场温度差/磁场应变/磁场应变/电场

复合材料原理

复合材料原理
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料经过一定方式进行组合而成的材料。

复合材料的原理可以归纳为以下几个方面：
1. 综合性能优异：复合材料由于不同材料的相互补充作用，往往能够获得优于单一材料的综合性能。

例如，碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低密度等优点，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。

2. 尺寸稳定性好：复合材料由于各组分之间具有良好的结合连接，因此在温度、湿度等环境条件变化下，其尺寸变化相对较小。

这使得复合材料在高温、低温等极端条件下仍能保持稳定性能。

3. 耐腐蚀性强：复合材料中常使用的树脂等材料具有较好的化学稳定性，能够抵抗酸、碱等腐蚀介质的侵蚀，因此具有较好的耐腐蚀性能。

4. 可调性强：复合材料的成分、结构和制备方法可根据需要进行调控，因此具有较高的可调性。

通过改变复合材料的成分比例、纤维排列方式等，可以获得不同的性能和应用。

5. 能量吸收能力优秀：复合材料由于纤维间的增强效应和界面效应，能够吸收和分散外界作用力，从而提高其抗冲击性能。

这使得复合材料在汽车、船舶等领域的碰撞保护和防护装备中得到广泛应用。

6. 制备工艺灵活多样：复合材料的制备工艺多样，可以通过手工层压、预浸料注塑、自动纺织成型等方式进行制备。

这使得复合材料的制备过程更加灵活，并且能够满足不同材料性能和结构需求。

综上所述，复合材料具有综合性能优异、尺寸稳定性好、耐腐蚀性强、可调性强、能量吸收能力优秀以及制备工艺灵活多样等特点，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到广泛应用。

复合材料的复合原理及界面

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按照热力学条件，只有体系自由能减少时，液体才能铺展开来，即
SL LG SG
因此，铺展系数SC(Spreading Coefficient)被定义为：
SC SG ( SL LG )
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只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸润。不完全浸润的情况如下图所示，根据力平衡，可得
近似表示为
x kt
1
2
k-反应速度常数，与扩散系数有关。
复合材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界面会
发生变化并可形成界面层，此外先前形成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层界面。
50
上述理论有一定的实验支待，但也有矛盾之处。如静电粘结理论的最有力证明是观察聚合物薄膜从各种表面剥离时所发现的电子发射现象，由电子发射速度算出剥离功大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻合。
26
对于一个指定的体系，接触角随着温度、保持时间、吸附气体等而变化。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。
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一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合形式。
因此良好的浸润性，只是两个组元间可达到良好粘结
的必要条件，并非充分条件。
9
界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特性，它对复合材料具有重要作用。如在粒子弥散强化金属中，微细粒子阻止晶格位错，从而提高复合材料强度；在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻止裂纹进一步扩展等。
10
界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质
Байду номын сангаас
等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、

复合材料原理朱和国 -回复

复合材料原理朱和国-回复复合材料原理是指通过将两种或更多种不同材料结合在一起，形成一种新的材料，具备了单一材料所没有的性能和特性。

这种组合的材料称为复合材料。

复合材料广泛应用于各个领域，包括航空航天、汽车工业、建筑工程等，因为它们具备了轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点。

复合材料的原理可分为两个方面：界面作用和相互作用。

界面作用是指在两种不同材料之间形成的界面层。

该界面层可以通过各种方式形成，例如化学键结合、物理吸附和力学锁定等。

界面层的存在使得两种不同材料之间能够形成强的结合，从而提高整体材料的强度和韧性。

相互作用是指两种不同材料之间的相互影响和相互作用。

在复合材料中，这种相互作用可以通过不同材料间的力传递和应变分布来实现。

当外界施加载荷或应变时，各种材料会发生相互作用，从而使复合材料具备了更高的强度和韧性。

复合材料的组成可以分为两种基本类型：纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。

纤维增强复合材料是指在基体材料中添加纤维材料作为增强材料，常见的有碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料。

纤维增强复合材料的优点是具有较高的强度和刚度。

颗粒增强复合材料是指在基体材料中添加颗粒状的增强材料，常见的有陶瓷颗粒增强复合材料和金属颗粒增强复合材料。

颗粒增强复合材料的优点是具有较高的韧性和耐磨性。

除了纤维增强和颗粒增强外，还可以通过层压法、注塑法、挤压法等不同的加工工艺来制备复合材料。

层压法是将增强材料和基体材料依次叠加，然后通过热压或冷压使其密实。

注塑法是将增强材料通过挤塑机注入到基体材料中形成复合材料。

挤压法是将增强材料和基体材料通过挤压机挤压在一起，形成复合材料。

总结起来，复合材料原理主要包括界面作用和相互作用。

界面作用使得两种不同材料之间能够形成强的结合，从而提高整体材料的强度和韧性。

相互作用则是指两种不同材料之间的相互影响和相互作用，使得复合材料具备了更高的强度和韧性。

不同类型的复合材料可以通过加工工艺来制备，例如纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。

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复合材料的复合原则与机制
复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。

在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时，需要用到复合材料的一些基本理论，即复合材料的复合原则与机制。

一、颗粒增强原理
颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。

从宏观上看，颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的，这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。

如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：
式中Gm为基体的切变模量，b为柏氏矢量。

可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。

当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承受全部载荷，颗粒增强复合材料的拉伸强度为：
式中为基体的拉伸强度。

上式表明，随颗粒体积含量Vp 的增加而下降。

并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。

有偶联时的情况比较复杂，此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况，且拉伸强度明显提高。

除了以上直接的影响之外，加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。

二、连续纤维增强
连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。

在工程上，一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。

图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。

在串联模型中，纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式，意味着纤维在横向上完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比较少的情况；而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通，适用于纤维含量较多的情况。

1．串联模型的弹性常数：
（1）纵向弹性模量E11
在串联模型中取出代表体积单元，平均应力σ1。

由材料力学知道，已知纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。

可以利用静力、几何和物理作用三方面关系的材料力学基本方法来解决。

静力关系。

由于平均应力σ1作用在单元截面A上, 而纤维应力σf 作用在纤维横截面Af上,基体应力σm作用在基体横截面Am上，根据静力平衡, 有几何关系。

按照材料力学平面假设（即垂直于正轴1的平面，变形后仍为平
面），纤维和基体具有相同的线应变，且等于单元的纵向线应变。

物理关系。

根据基本假设，单层板、纤维和基体都是线弹性的，都服从虎克定律，即
综合（4，5，6）式，可得
这就是纵向弹性模量的混合法则公式。

如果忽略空隙含量的影响，则，因此（7）式又可写成
式中E11为单层板的纵向弹性模量，由于纤维模量远大于基体模量，所以E11主要由纤维模量和纤维含量决定。

（2）横向弹性模量E21
由串联模型给出的代表性体积单元，在正轴2方向（图3）作用平均应力σ2。

纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量E m, 单元应变ε2或纵向弹性模量E2的可以用下式表示：
从单层板来看，单元的变形量
从细观来看，
所以
对于串联模型，各部分应力相同。

因此，单元、纤维和基体的应变分别为：
因此
（3）泊松比
确定纵向泊松比用类似于确定E1的方法，当正轴1方向上受σ1作用时，纵向泊松比为：
从单层板来看，单元的横向变形量为：
从细观来看，单元的横向变形量是纤维与基体的横向变形量之和。

即
因为
横向泊松比为：
（4）面内剪切弹性模量
2．并联模型的弹性常数
（1）纵向弹性模量E111
（2）横向弹性模量E211
并联模型的横向弹性模量与纵向弹性模量相同。

（3）泊松比
（4）面内剪切弹性模量
3．单向连续纤维增强复合材料单层基本强度预测
（1）纵向拉伸强度
（2）纵向压缩强度
三、晶须（包括短纤维和晶片）增强
晶须（包括短纤维和晶片）增强复合材料与长纤维增强复合材料相比，虽然强度略差，但由于可以制成各种复杂形状的制品，易使生产过程自动化降低生产成本，所以在各类工业产品的应用中（特别是金属基以及陶瓷基复合材料）
占主导地位。

图5给出了短纤维增强复合材料的几种形式。

1．应力传递理论
复合材料受载荷作用时，载荷直接作用在基体上，然后通过纤维与基体间界面的剪应力传递到纤维上。

在短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与纤维长度关系密切。

（1）理想刚塑性基体：罗森（Rosen）最早用剪切滞后法研究了有关应力沿纤维长度的变化规律。

在图6所示的单元体受纵向应力σ1时,由于纤维和基体的弹性模量不同，在界面上将产生剪应力г。

(2)弹性基体：若刚性短纤维完全埋在树脂基中，在受到沿纤维轴向的拉应力时，基体中产生应变，Cox采用剪滞理论进行分析，得到纤维中的拉伸应力分布和界面上的剪应力分布
2．单向短纤维，二维随机分布短纤维复合材料的弹性模量和强度单向短纤维增强复合材料宏观弹性模量预单向长纤维增强复合材料类似，上述关于长纤维增强复合材料的各种力学分析均可用于此种情况。

二维随机分布的短纤维复合材料在二维平面上可以看作是各向同性的，而在其他两个坐标面内是正交各向异性的。

因此有关长纤维增强复合材料的层合板的各理论以及公式均适用于二维随机分布的短纤维复合材料。

3．三维随机分布短纤维增强复合材料。