功能复合材料

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2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
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例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
第九章 功能复合材料
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复合材料按使用目的可分为两类: 结构复合材料和功能复合材料
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功能复合材料是指除机械性能以外而 提供其他物理性能的复合材料，如导电、 超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、 摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热、隔热等 功能复合材料。
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功能复合材料主要由功能体和 基体组成，或由两种(或两种以上)功 能体组成。
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因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
X /Y .Y /Z X /Z
式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种物理性能。
上式符合乘积表达式，所以称之为相
乘效应。
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相乘效应的组合可以非常广泛，已 被用于设计功能复合材料。
常用的物理乘积效应见下表所示：
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相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 显然，相补效应是希望得到的，而相抵 效应要尽量能够避免。 所有这些，可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
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相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起， 即可发生相乘效应。
例如，把具有电磁效应的材料与具有 磁光效应的材料复合时，将可能产生具有 电光效应的复合材料。
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另外，模仿生物体中的纤维和基体的 合理分布，通过数据库和计算机辅助设计 可望设计出性能优良的仿生功能材料。
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平均效应
是复合材料所显示的最典型的一种复合效 应。它可以表示为：
Pc PmVmPfVf
式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积 含量，角标c、m、f分别表示复合材料、 基体和增强体（或功能体）。
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复合材料的某些功能性质，例如电导、 热导、密度和弹性模量等服从平均效应这 一规律。
例如，复合材料的弹性模量，若用混 合率来表示，则为
EcEmVmEfVf
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平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
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对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
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相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
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诱导效应
在一定条件下，复合材料中的一个组分 材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的 结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。
这种诱导行为已在很多实验中发现，同 时也在复合材料界面的两侧发现。
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例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的
诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。
在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳
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例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来 各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值， 说明组成了复合系统才能出现的现象。
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平均效应、相乘效应、平行效应、诱导效 应、相补效应、共振效应、相抵效应、系统效 应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究 的对象和重要内容，这也是开拓新型复合材料， 特别是功能型复合材料的基础理论问题。
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在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表
面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基
体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，
故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的
复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保留率也明显提高。 Nhomakorabea.
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但是，这种强结合的界面同时却导致 了复合材料冲击性能的降低。
因此，在金属基、陶瓷基增强复合材 料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。
纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的
结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿
晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的
作用。
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共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。
由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
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利用共振效应，可以根据外来的工作 频率，改变复合材料固有频率而避免材料 在工作时引起的破坏。
对于吸波材料，同样可以根据外来波
长的频率特征，调整复合频率，达到吸收
外来波的目的。
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系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为 止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
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对于脆性的高强度纤维增强体与韧性 基体复合时，两相间若能得到适宜的结合 而形成的复合材料，其性能显示为增强体 与基体的互补。
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相抵效应
基体与增强体组成复合材料时， 若组分间性能相互制约，限制了整体 性能提高，则复合后显示出相抵效应。
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例如，脆性的纤维增强体与韧 性基体组成的复合材料，当两者界 面结合很强时，复合材料整体显示 为脆性断裂。
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在单一功能体的复合材料中，其功能 性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到 粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整 体的物理性能有影响。
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多元功能体的复合材料可以具有多种 功能，同时还有可能由于产生复合效应而 出现新的功能。
因此，多功能复合材料成为功能复合 材料的发展方向。
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1、功能复合材料的复合效应
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复合材料的乘积效应
Ａ相性质Ｘ／Ｙ
压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
Ｂ相性质Ｙ／Ｚ
复合后的乘积性质
（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ
磁阻效应
压敏电阻效应
磁电效应
压电效应
场致发光效应
压力发光效应
压阻效应
磁阻效应
电致效应
光致伸缩
光导效应
辐射诱导导电
压敏电阻效应
热敏电阻效应
材料在复合后所得的复合材料，依据
其产生复合效应的特征，可分为两大类：
一类复合效应为线性效应；
另一类则为非线性效应。
在这两类复合效应中，又可以显示出
不同的特征。
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下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应