3(1).复合材料的复合效应详解

《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。

然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。

此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。

70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。

这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。

1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。

例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。

- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。

例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。

- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。

这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。

- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。

例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。

- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。

例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。

1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。

主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。

复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。

复合效应复合材料的复合效应是复合材料特有的一种效应，包括线性效应和非线性效应两类。

线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。

相补效应和相抵效应常常是共同存在的，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。

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。

所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。

复合材料的复合效应（Composition effect of Composite materials）是复合材料特有的一种效应，包括线性效应和非线性效应两类。

线性效应包括平均效应、平行效应、相补效应和相抵效应。

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：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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

复合材料八种复合效应嘿，朋友！咱们今天来聊聊复合材料那神奇的八种复合效应。

先来说说乘积效应，这就好比你有一把锋利的刀，再配上一个坚固的刀柄，两者结合起来，战斗力可不是简单的相加，而是相乘啊！原本刀锋利能切割，刀柄结实能握住，它们组合在一起，威力那叫一个惊人。

还有协同效应，想象一下，一支篮球队里，有善于突破的前锋，有精准投篮的后卫，还有能掌控全场的中锋，大家各自发挥优势，相互配合，那可不是1+1=2 这么简单，而是产生远超个体能力总和的效果。

复合材料中的各种成分协同起来，也是这么牛！系统效应呢，就像一个复杂的机器，每个零件都有自己的作用，但只有所有零件完美配合，整个机器才能高效运转。

复合材料也是这样，各种成分形成一个系统，共同发挥作用。

诱导效应，打个比方，就像一个优秀的老师引导学生学习，让学生发挥出原本没有的潜力。

在复合材料里，一种成分能诱导另一种成分展现出更好的性能。

共振效应，这就像一群人合唱，声音在某个频率上产生共鸣，变得特别响亮动听。

复合材料在某些条件下也能产生这种神奇的共振效果。

界面效应，好比两个人合作，他们之间的沟通和理解至关重要。

复合材料中不同成分之间的界面，决定了它们能否完美结合，发挥出最大效能。

混杂效应，就像把不同颜色的颜料混在一起，会产生新的独特颜色。

复合材料把各种不同特性的材料混杂，也能带来全新的性能。

相补效应，就像拼图的各个板块，有的缺了一角，有的凸出来一块，正好相互弥补，拼成完整的图案。

复合材料的不同成分也能这样相互补充，达到完美的效果。

总之，这八种复合效应让复合材料变得无比神奇和强大。

它们就像魔法一样，能让材料拥有超乎想象的性能，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。

不是吗？咱们在很多领域都能看到复合材料的身影，从航空航天到日常用品，它们无处不在，这难道不令人惊叹吗？所以啊，好好了解这八种复合效应，能让我们更深刻地认识材料世界的奇妙之处！。

单向纤维增强复合材料的断裂强度单向纤维增强复合材料的断裂强度σσc 和弹性模量模量E E c 与各组分材料性能关系如下与各组分材料性能关系如下：：式中式中::σf 、E f 分别为纤维断裂强度和弹性模量分别为纤维断裂强度和弹性模量；；σm 、E m 分别为基体材料的强度和弹性模量分别为基体材料的强度和弹性模量；；V f 为纤维体积分数积分数；；k 1、k 2为常数为常数。

1.4 1.4 复合材料的增复合材料的增强机制Ⅰ纤维增强复合材料的增强机制以上公式表明以上公式表明：：纤维纤维、、基体对复合材料平均性能的贡献正比它们各自的体积分数在纤维与基体都是线弹件情况下在纤维与基体都是线弹件情况下，，纤维与总体承担应力与载荷的情况推导如下承担应力与载荷的情况推导如下：：因此有因此有：：可以看出可以看出，，复合材料中各组分承载的应力比等于相应弹性模量比等于相应弹性模量比，，为广有效地利用纤维的高强度的高强度，，应使纤维有比基体高得多的弹性模量模量。

复合材料中组分承载比可以表达为为达到强化目的为达到强化目的，，必须满足下列条件列条件：：5)纤维和基体的热膨胀系数应匹配1)增强纤维的强度增强纤维的强度、、弹性模量应远远高于基体2)纤维和基体之间应有一定的结合强度3)纤维的排列方向要和构件的受力方向一致4)纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化6)纤维所占的体积分数纤维所占的体积分数，，纤维长度L 和直径d 及长径比L/d 等必修满足一定要求等必修满足一定要求。

（1）弥散强化的复合材料的增强机制Ⅱ．粒子增强型复合材料的增强机制弥散强化的复合材料，其粒子直径d一般为0.001～0.1μm，粒子体积分数φv 为1%～15%；颗粒增强的复合材料，粒子直径d为1～50μm，体积分数φv 为＞20%。

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或分子链运动。

微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。

第二章复合材料的复合效应第一节复合效应概述复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。

耦合：不同性质材料之间的相互作用。

→复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能）。

从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。

拟解决的问题：寻找材料复合的一般规律。

研究增强机理。

一、材料的复合效应线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。

非线性效应：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。

复合效应是复合材料的研究对象和重要内容，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。

非线性效应尚未被充分认识和利用，有待于研究和开发。

1、平均效应：P c=P m V m+P f V f（P：材料性能；V：材料体积含量；c：复合材料；m：基体；f：增强体或功能体）应用：力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性；热传导、电导等物理常数。

例：复合材料的弹性模量：E c=E m V m+E f V f（混合定律）2、相补效应：性能互补→提高综合性能。

例：脆性高强度纤维与韧性基体复合，适宜的结合形成复合材料。

→性能显示为增强体与基体互补。

3、相乘效应：X/Y·Y/Z=X/Z（X、Y、Z：物理性能）两种具有转换效应的材料复合→发生相乘效应→设计功能复合材料。

例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。

压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。

对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。

最大输出已达103V·A。

单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。

4、共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，产生机械的、电的、磁的共振。

应用：改变复合材料某一部位的结构→复合材料固有频率的改变→避免材料工作时引起的破坏。

吸波材料：调整复合材料的固有频率，吸收外来波。

材料科学根底之复合效应与界面引言复合材料是一种由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，通过复合可以获得更好的性能和性质。

在复合材料中，界面起着至关重要的作用。

本文将介绍复合材料的根本概念，复合效应以及界面在复合材料中的重要性。

复合材料的定义复合材料是由两个或多个具有不同性质的构件通过某种方式结合在一起形成的一种新材料。

它们可以是两种不同的材料，也可以是相同材料的不同形式。

复合材料通常具有比单一材料更优越的性能，如高强度、高刚度、低密度、较好的耐热性和耐腐蚀性等。

复合效应在复合材料中，复合效应是指由于不同材料的结合而导致的材料性能的改变。

复合效应包括增强效应和效应协调两种。

增强效应是指由于复合材料中的材料的性能优于单一材料的性能而导致整体材料的性能提高。

效应协调是指复合材料中的各个构件相互协同工作以实现更好的性能表现。

复合材料中的界面在复合材料中，界面是指两个不同材料之间的接触面。

界面具有很重要的作用，它影响着复合材料的强度、韧性、耐热性等性能。

在复合材料的界面上，通常存在着一些缺陷，如界面反响、界面应力、界面位移等。

这些缺陷会导致界面的破坏，进而影响整体材料的性能。

影响界面性能的因素界面性能受到多种因素的影响，包括界面分子结构、界面化学键、界面热力学等。

界面分子结构是指两个不同材料之间的分子结构特征，它影响着界面的稳定性和结合力。

界面化学键是指两个不同材料之间的化学键，它影响着界面的强度和稳定性。

界面热力学是指界面上的热力学性质，包括界面能量和界面位移等，它们直接影响着界面的稳定性和性能。

界面改性技术为了改善复合材料中界面的性能，人们开发出了一系列的界面改性技术。

这些技术包括界面改性剂的添加、界面修饰、界面增强等。

界面改性剂是指一种具有特殊功能的材料，它可以在两个不同材料之间形成一层保护膜，从而减少界面的缺陷和提高界面的性能。

界面修饰是指通过改变界面的化学结构和物理性质来改善界面的性能。

界面增强是指通过增加界面的外表积和接触面来增强界面的粘结力和力学性能。

复合材料的复合效应材料在复合后所得到的复合材料，就其产生复合效应的特征可以分为两大类：一类复合效应为线性效应，另一类为非线性效应。

在这两类复合效应中，线性效应有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应；非线性效应有：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应、系统效应平均效应：是复合材料所显示的最典型的一种复合材料。

它可以表示为：Pc=Pm*Vm+Pf*Vf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，集体和增强体。

例如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为：Ec=Em*Vm+Ef*Vf平行效应：显示这一效应的复合材料，其组成复合材料的各组分在符合材料中，军博暗流本身的作用。

既无剩余也无补偿。

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，可以看做是平行效应。

相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。

对于脆性的高强度纤维增强体与韧性集体复合时，两者间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，起性能显示为增强体与基体的互补。

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。

例如脆性的纤维增强体与韧性的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。

在玻璃轻微增强塑料中，当玻璃纤维表面选用十一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以高出30%~40%，而且湿态强度保留率也明显提高。

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。

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。

相乘效应：两种具有转换效益的材料复合在一起，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，将可能产生复合材料的光电效应。

因此，通常可以将一种具有两种性能互相转换的功能材料X/y和另外一种功能转换材料Y /Z复合起来，可以用下列通式来表示，即：X/Y*Y/Z=X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。