3(2).复合材料的复合效应

I i qc Vi i li 1
材料传递时的阻力系数为 α 1 I 则传递通量：q＝－ l
由于组分相传递推动力梯度相等，故有： 1 1 1 I qc ( Vi ) c c l i l

1
27
Vi
i
（2）串联传递形式
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。
22
3.3.2 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：
20
3.3 复合材料的模型及性能的一般规律
3.3.2 复合材料性质与一般规律
固有性质 传递性质
强度性质
转换性质
21
3.3.2 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。
二是材料的物理模型，即计算场量的理论和方法。
6
3.3.1 复合材料的模型
在建立材料复合模型时需要注意以下几个问题： 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。
7
3.3.1 复合材料的模型
根据作用场的方向可以得 到并联模型和串联模型。
19
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υ×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－ υ）×1的m0长方体 和 υ×（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×υ Vm=1-λ×υ
Vm＝ 1 －V f －Vi
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。
13
作业２
假设2 wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍 （Ni）中， ThO2颗粒直径为100 nm， 已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/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）
3. 复合材料的 复合效应
1
3 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
2
3.3 复合材料的模型及性能的一般规律
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；
34
小
3.1 材料的复合效应 线性和非线性
结
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
35
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？
名称 单元体 增强体 基 界 体 面
基
本
假
设
宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性 匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续 匀质、各向同性、线弹性 粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调
11
3.3.1 复合材料的模型
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。
l 1
I入
Vi
I出
l 1
26
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：
I I 入－I出
----（1）
----（2） 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 qc qi (l Vi ) ----（3）
式（2）代入式（3），得
（0，0，0）
y
图3.4 纤维取向的坐标系表征
9
3.3.1 复合材料的模型
3.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。
10
表3．3
单向复合材料模型的基本假设
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。
12
各组分的体积分数分别为：
r3 f Vf (rm r f ri ) 3
Vi ( ri r f ) 3 r 3 f ( ri r f rm ) 3
32
巯基葵酰基偶氮苯-MUA
十二烷基胺DDA
十二烷基胺 DDA
紫外光
反式异构体
可见光/加热/时间
顺式异构体
33
Writing Self-Erasing Images using Metastable Nanoparticle “Inks”
（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7035 –7039）
rf 2 Vf (rm rf ri ) 2
Vi
ri (ri 2r f ) (rm r f ri ) 2
Vm＝ 1 －V f －Vi
复合材料的同轴圆柱模型
16
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、0.5 μm时，改性基体间距和 Vt/Vm的值分别为多少？
31
3.3.2 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 。
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
8
z
（X2，Y2，Z2）
l β x α
3
3.3
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。
wt%: 质量分数。
14
3.3.1 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
z
y
x
15
3.3.1 复合材料的模型
在该模型中，各组分相的体积含量分 别为：
Vi
l 1
I入
I出
l 1
28
串联：
qi q c
i i Vi qi
c i
c ( i Vi ) qc
c i Vi
29
材料传递时的阻力系数α
1 1 并联模型： Vi 串联模型： ｃ i Vi
c
i
30
3.3.2 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。
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。
弥散增强原理
41
（1）弥散增强
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
36
3.4 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
37
一、复合材料增强机制
弥散增强
颗粒增强