复合材料中的尺寸效应

复合材料结构的尺寸效应研究随着新材料的不断涌现，复合材料因其独特的优异性能在航空航天、汽车、建筑、电子等领域得到广泛应用。

然而，相较于传统材料如钢铁、铝合金等，复合材料结构在力学性能、热物性、耐久性等方面表现出大大小小的差异。

近年来，人们对复合材料结构的尺寸效应进行了深入研究，探索其内在原因和应用价值。

一、尺寸效应的概念尺寸效应是指当物体几何尺寸达到某一范围后，其力学性能、热物性、化学特性等各方面表现出与其几何尺寸不成比例的变化趋势。

这一效应可由多种因素所引发，如材料微结构尺寸，载荷与结构尺寸比，温度、湿度等环境条件。

对于复合材料结构而言，尺寸效应的主要表现为弹性模量、剪切模量和弯曲刚度等力学性能的变化。

二、尺寸效应研究的发展历程尺寸效应在材料科学中的研究可以追溯至19世纪，当时科学家就已经发现晶体的弹性模量与尺寸有关。

20世纪60年代，力学工程的研究者开始对材料尺寸效应进行系统的探讨，发现其与材料成分、制备方法、加载条件等相关。

此后，随着先进材料的研究不断深入，尺寸效应的研究也逐渐扩展至复合材料领域。

对于复合材料而言，尺寸效应主要在纤维、基体、界面和结构等方面受到影响。

三、尺寸效应的影响因素1. 纤维尺寸效应纤维是复合材料的主要组成部分，其性质决定着复合材料的本质特性。

当纤维直径小于一定尺寸时，由于表面效应和应力分布的改变，其强度、刚度等力学性能呈现出明显的尺寸效应。

此时，薄壁效应会导致纤维直径变薄，而纤维弯曲会使长度发生变化，从而影响整体力学性能。

2. 基体尺寸效应基体是复合材料中固态部分的基本结构，其强度、刚度等性能也受到尺寸效应的影响。

当基体孔隙率占比较大时，其界面组成部分与纤维之间的协同作用受到限制，使得复合材料的强度和韧性会随着尺寸增大而下降。

3. 界面尺寸效应复合材料中的界面是纤维和基体之间的接触部分，其强度、粘附度等性能会对复合材料的力学特性产生重要影响。

尺寸效应在此处可能导致界面上的裂纹和破坏加剧，增加了复合材料的破坏风险。

聚合物材料中的尺寸效应研究及应用近年来，随着人们对材料学领域研究的不断深入和对实际需求的不断增加，纳米科技成为了一个炙手可热的领域。

其中，聚合物材料中的尺寸效应是一个备受关注的话题。

1. 尺寸效应的概念尺寸效应是指材料的结构、性质及其相互作用的变化随着材料中离子或原子的尺寸变化而发生的特异性变化。

对于聚合物材料来说，尺寸效应的表现主要体现在以下两个方面：一是颗粒尺寸与材料的物理化学性质之间的关系。

尺寸通常被定义为颗粒半径或直径，对聚合物材料来说，这个尺寸可以影响材料的结晶情况、机械性能、电学性能、光学性能等。

二是颗粒形状与材料的性质之间的关系。

对于聚合物材料来说，形状可以影响材料的导电性、热传导性、光学性质等。

2. 聚合物材料中的尺寸效应研究聚合物材料中尺寸效应的研究主要集中在以下两个方面：一是单个颗粒材料中的尺寸效应。

目前单个颗粒材料主要包括量子点、纳米线、纳米管和纳米片等几种形态。

这些单个颗粒的尺寸可以控制在数纳米甚至亚纳米的范围内，因此对于研究聚合物材料中的尺寸效应来说具有重要意义。

例如，可以研究金属、半导体或绝缘体颗粒的尺寸、形状、表面等的变化对于材料的光学性质、电学性质、力学性质等的影响，以实现材料的开发和应用。

二是多颗粒聚合物材料中的尺寸效应。

多颗粒聚合物材料是指都是由纳米颗粒组成的复合材料。

这种材料的物理化学性质受到单个颗粒的尺寸影响，并且还会与单个颗粒之间的相互作用有关。

聚合物材料中的尺寸效应研究需要结合多种实验方法，如传统的颗粒物理化学分析方法、红外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、元素分析等。

同时，还需要采用多种理论模型，如经典力学模型、量子力学模型等，以便更好地探测颗粒的性质和相互作用。

3. 聚合物材料中尺寸效应的应用聚合物材料中尺寸效应的应用主要体现在以下几个方面：一是应用于电子学领域。

聚合物材料中细小的颗粒可以用作电子元件中的绝缘层或有机场效应晶体管等，关键是颗粒的尺寸越小对于材料性质的影响越明显。

小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。

例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。

再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

1. 特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。

事实上，所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。

尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。

利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。

由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。

例如，纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑色；它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。

利用光学特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。

也有可能应用于红外敏感原件、红外隐身技术（纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破）等。

利用红外隐身技术的案例：案例：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。

1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标没有这种设施，损失惨重。

红外光吸收：纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒。

总753期第十九期2021年7月河南科技Journal of Henan Science and Technology尺寸效应理论与模型及其应用孟威鲁猛王昊（华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州450045）摘要：尺寸效应是指随着结构尺寸的增大，以强度为代表的力学性能指标有规律地降低的现象。

本文主要对目前使用较为广泛的4种尺寸效应理论进行评述，进而阐述学者对不同材料进行的尺寸效应问题试验。

在当前尺寸效应理论的基础上，对全尺寸试件的尺寸效应规律进行探讨，并提出结合试验研究以及数值分析模型进行对比验证是今后研究者的重要研究方向。

关键词：尺寸效应；Weibull统计尺寸效应理论；边界尺寸效应理论中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）19-0072-03 Size Effect Theory and Model and Its ApplicationMENG Wei LU Meng WANG Hao（School of Civil Engineering and Communication,North China University of Water Resources and Electric Power，ZhengzhouHenan450045）Abstract:Size effect refers to the phenomenon that the mechanical property index represented by strength decreases regularly with the increase of the size of the structure.In this paper,four kinds of size effect theories which were wide⁃ly used at present are reviewed,and then the experiments on size effect of different materials conducted by scholars were expounded.On the basis of the current theory of size effect,it is an important research direction for future re⁃searchers to discuss the size effect law of full-size specimens,and to compare and verify it by combining experimen⁃tal research and numerical analysis model.Keywords:size effect；Weibull statistical size effect theory；boundary size effect theory随着当今社会工程建设的高速发展，混凝土、水泥砂浆和岩石等材料在工程结构建筑中的应用范围也越来越广。

三维编织复合材料尺寸效应的实验研究1王宝来，梁军，方国东哈尔滨工业大学，哈尔滨 (150001)E-mail：wangbaolai1979@摘要：通过拉伸、压缩宏观实验，观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸情况下材料的破坏模式和断口形貌，对不同受拉长度、不同受压长度、不同横截面面积对材料拉伸和压缩性能的影响进行了分析；并分析了由于材料的尺寸效应和边界效应带来的材料应力应变曲线的变化，讨论了材料力学性能分散性与几何尺寸的关系，所获结果为进一步进行三维编织细编穿刺碳/碳复合材料的刚度、强度预报和强度准则的建立奠定了必要的实验基础。

关键词：三维编织，细编穿刺，碳/碳复合材料，拉压实验，分散性中图分类号：TB3321. 引言三维编织复合材料具有优良的力学性能和结构可设计性，在航空航天领域和学术界倍受关注，尽管国内外对编织复合材料的力学性能有过系列的报道[1~6]，但由于三维编织复合材料的力学性能受诸多因素的影响，如编织方式、制作工艺、切边状况、组分材料体积百分含量等，因此对它的实验研究还不够充分，仍需要进行大量的实验研究来它们的变形和破坏规律；本文针对细编穿刺碳/碳复合材料从宏观角度进行了拉伸压缩力学性能的实验研究，获得了这些材料的主要力学性能参数，并对破坏后的试件断口进行观察，从细观角度对材料的破坏形貌做了简单的分析，又由于三维编织细编穿刺碳/碳复合材料力学性能有较大的分散性，因此对不同几何尺寸的材料进行了尺寸效应分析，研究了材料强度、应力应变曲线与材料几何尺寸的相关性，得到一些重要的结论，为进一步研究编织复合材料的强度和本构关系奠定了必要的实验基础。

2. 实验设备与试件三维编织细编穿刺C/C复合材料为三向细编横观各向异性材料，它的织物结构是XY向为碳纤维布，Z向为一定根数和间距的穿刺纤维束，对材料Z向和XY向两个方向的性能分别进行了实验研究，试件形状尺寸如图1、2所示，所有实验均通过INSTRON（5569）电子拉伸机对试件进行加载，采用位移控制加载，拉伸加载速率为1mm/min，压缩加载速率为0.5mm/min；用BE120－10AA（11）－X30应变计（汉中中原电测仪器厂）通过YE6261B 动态数据采集分析系统（江苏联能电子技术有限公司）测量其变形；通过OLYMPUS (SZX 12)体式显微镜观察试件细观断口形貌。

高分子材料的尺寸效应与可控性随着科技的飞速发展，高分子材料在各个领域扮演着重要的角色。

它们具有轻便、可塑性强以及较低的成本等优点，因此被广泛应用于塑料制品、电子器件、医疗器械等领域。

然而，近年来，科学家们发现，高分子材料在尺寸方面的微小差异也会对其性能产生重要影响，这就是高分子材料的尺寸效应。

本文将探讨高分子材料的尺寸效应与可控性带来的影响。

首先，高分子材料的尺寸效应指的是高分子材料在微观尺寸下呈现出与宏观尺寸截然不同的性质。

当高分子材料的尺寸变得接近甚至小于其特定尺度时，其力学、热学、光学等性质会发生明显变化。

例如，研究者发现纳米尺寸的高分子材料具有较大的特殊表面积和较短的自由程，因而呈现出与宏观尺寸下不同的电导率和热导率。

其次，高分子材料的尺寸可控性是指科学家们通过不同制备方法和调控手段，能够控制高分子材料的尺寸和形状。

这种可控性为研究者们提供了更多研究和应用的可能性。

例如，通过改变高分子聚合反应的反应条件和添加剂，可以控制高分子材料的分子量、分子量分布以及链结构，从而影响材料的力学性能和热学性能。

此外，研究者还可以通过调节高分子材料的空隙结构，例如孔隙结构和孔径分布，来改变材料的吸附性能和储能性能。

进一步研究发现，高分子材料的尺寸效应和可控性不仅仅影响材料的物理性质，还对材料的化学性质产生影响。

例如，研究员发现纳米尺寸的高分子材料具有更高的催化活性和选择性，这是由于纳米尺寸的高分子材料提供了更多的活性位点和较小的扩散路径。

这一发现为高分子材料在催化领域的应用提供了新的机会。

此外，高分子材料的尺寸效应和可控性对材料的界面性能和可持续性也起到重要作用。

由于高分子材料通常被用作涂层、填充物或界面材料，其与其他材料的界面相互作用对整体性能产生重要影响。

通过调控高分子材料的尺寸和界面结构，科学家们可以实现高分子与基体材料的粘附强度、界面传递性能以及防止材料老化等性能的优化。

总结起来，高分子材料的尺寸效应与可控性对材料的性能、应用以及环境影响具有重要意义。