复合材料的复合效应PPT格式课件下载.ppt

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,相抵效应,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。

这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。

电磁效应材料磁光效应的材料电光效应复合材料XYYZ=XZ将一种具有两种性能互相转换的功能材料XY和另一种换能材料YZ复合起来，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。

在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。

（1）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作用。

（2）在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳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。

诱导效应,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。

由不同材料组分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。

利用这种效应，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，调整复合材料频率，达到吸收外来波的目的。

是一种材料的复杂效应，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。

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。

系统效应,上述的各种复合效应，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的基础理论问题,性质分类,固有性质,传递性质,强度性质,转换性质,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，在数学形式上，该量是一个标量。

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、分析状态无关。

固有性质,密度、比热标量,式中，为材料某一性能，i为组分材料的性能，V为组分体积含量。

上式即为混合律。

对复合材料而言，属于固有性质的物理量，都应服从混合律。

要注意的是，对于复合材料的某些性质，尽管也近似于服从混合律，但并不是从本质上服从混合律，故不属于固有性质。

材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻力大小的物理量，诸如导热性质（导热系数）、导电性质（电阻率）等等。

该类性质本质上表征材料中微粒子的运动状态及通过运动传递能量、物质的能力。

对于复合材料多相体系，由于不同介质的传递性质的差异、相结构及相间边界条件的差异，使传递的路径、速率与均质材料不相同。

从物理角度讲，即使由作用场输入的是一维均匀流，输出的通量仍是非均匀的杂散流。

传递性质,作为最简单的传递方式，有串联和并联两种基本形式。

对复杂的多相结构，往往可以采用这两种形式的多次组合。

对于不同物理场的传递，材料阻力系数具有不同的物理含义。

如在电场作用下，为材料的电阻率，表征材料的导电性能；

在热传导时，为导热系数，表征材料的热传递性能；

对于复杂体系的给热传递时，为系统的导热系数。

导热性质（导热系数）、导电性质（电阻）,式中，为材料某一性能，i为组分材料的性能，V为组分体积含量。

（广义欧姆定律）,材料的强度特性是材料承受外作用场极限能力的表征，这一概念对于结构体系也是同样的含义。

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；

材料对电场的承受能力，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力的叠加，而与外作用场的分布、分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。

强度性质,转换性质:

是指材料在一种外场作用下，转换产生另一种新场量。

表征两种场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。

转换性质是表征材料的微观结构，拓扑在外作用场下的变化。

材料的转换性质通常是张量。

转换性质,对于复合材料，其转换性质除了取决于各组分相的微观结构外，还取决于各组分相间的相互作用。

由于不同组分的转换性质不同，复合材料的转换性质更为复杂。

前面提到的材料复合的相乘效应是复合材料转换性质的典型效应。

由于材料转换性质的复杂性，确定其一般规律是困难的。

不同性质的转换具有不同规律,往往必须根据其特征、分析复合系统的宏观及微观场量才可能确定。

在分析方法上，细观力学可采用材料力学法、弹性力学法和半经验法。

材料力学法要对代表件体积单元作一些简化假设，得出较为简单实用的结果；

弹性力学法从组分材料的非均匀性和某些相几何的具体假设出发，运用弹性理论进行分析，导出较为繁复冗长的公式，并引入了难以确定的相几何条件参数；

半经验法则是在细观力学分析的基础上，以宏观实验值为依据作出某种修正，以使所获得的计算结果与实验值接近。

5.5力学性能复合原理,等初应力假设增强材料和基体材料是均匀、连续、各向同性的。

纤维平行等距排列，其性质和直径也是均匀的；

纤维和基体初应力相等，且为0。

变形一致性假设（整体性假设）复合材料所承受载荷，由增强材料和基体材料共同承担。

纤维与基体牢固地粘结在一起，形成一个整体，受力变形一致；

界面破坏前，纤维与基体不发生滑动。

线弹性假设：

在弹性范围受载时，纤维、基体和复合材料的应力与应变为线性关系，服从虎克定律。

不考虑泊松效应：

讨论纵向受力时，不考虑纤维和基体因泊松比不同导致的横向变形不同。

5.5.1细观力学的基本假设,5.5.2连续介质力学基本方程平衡方程,几何方程,物理方程各向同性材料,按纤维排列方式，从力学角度将复合材料分为：

单向纤维增强复合材料：

以连续纤维为增强材料，且所有纤维均平行排列在同一方向上的复合材料。

（单向板）纤维体积分数6075%。

显著的各向异性。

5.5.3单向纤维复合材料力学性能,一、单向连续纤维增强复合材料弹性常数的预测,复合材料单向板，将它简化为薄片模型I和薄片模型II。

模型I称为串联模型。

它意味着纤维在横向完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比少的情况。

模型II称为并联模型。

它意味着纤维在横向完全连通，运用于纤维所占百分比较高的情况。

一般说来，实际情况是介于两者之间的某个状态。

1、串联模型的弹性常数,

（1）纵向弹性模量,静力关系,几何关系,物理关系,或,

（2）横向弹性模量,或,（3）主泊松比,（4）面内剪切弹性模量,或,2、并联模型的弹性常数,

（1）纵向弹性模量,可以看出，纵向弹性模量与相同,

（2）横向弹性模量,（3）主泊松比,（4）面内剪切弹性模量,为了说明薄片模型预测的精度，以玻璃/环氧复合材料为例，组分材料的参数为Ef=68.9GPa、f=0.23，Em=68.9GPa、m=0.36；

其理论预测与实验比较。

3、材料力学法预测、的修正,理论与实验结果比较吻合，但仍有一定的离散，其主要原因是汉有考虑基体内由于纤维约束所引起的三轴应力情况。

Ekvall提出了一个考虑泊松收缩的修正公式,4、植村山胁的经验公式,式中的c称为接触系数，它表示纤维横向接触的程度，且c0表示纤维横向完全隔开（对应模型I），c1表示纤维横向完全接触（对应模型II），实际情况的c值介于0与1之间。

从实用的观点来看，c值可以通过实验得到。

因此，该方法实际上是半经验的方法。

植村等通过单向玻璃纤维/环氧树脂复合材料的试验给出了经验公式,Halpin和Tsai采用简化的方法提出了复合材料弹性性能的预测方程,5.Halpin和Tsai方程,代表复合材料的模量,取决于增强材料特征。

二、单向复合材料强度的预测,复合材料的强度预测要比弹性常数预测复杂得多。

这是因为强度对缺陷敏感，并与材料的破坏机理相关，往往预测结果与实验值相差较大。

1、纵向拉伸强度预估公式,Vf较低时，单向复合材料的纵向拉伸强度主要依赖于基体，基体先于纤维断裂，而纤维不能承受这些载荷而断裂,基体延伸率小于纤维延伸率时,式中和分别为纤维基体的拉伸强度。

Vf较大时，基体断裂后，由纤维承载,单向复合材料沿纵向拉伸时，由于界面的粘结作用，纤维和基体协同工作，具有相同的拉伸应变。

假设纤维初始应力为零，则,基体延伸率大于纤维延伸率时,式中是基体应变等于纤维破坏应变时对应的基体应力（见左图）。

是纤维起增强作用所需的最少纤维体积含量比（见右图）。

工程中的复合材料的均大于，因此复合材料的纵向强度是由纤维控制的。

2、纵向压缩强度,假设单向复合材料受到纵向压缩时，其破坏模式是因纤维的微屈曲引起的基体拉压破坏和基体剪切破坏两种,拉压型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度为,剪切型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度为,取上两式计算值中较小的一个为单向复合材料的纵向压缩强度。

上述两公式的计算值通常比实测值高得多，这是因为计算值是在假定纤维为完全平直的理想状态下推算的，而实际上偏离理想状态的种种原因促使纵向压缩强度有明显的降低。

为了修正误差，有人建议在上述公式的基体模量上乘以修正系数0.63，即,（拉压型）,（剪切型）,5.5.4短纤维增强复合材料,短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与长纤维不同。

该类材料受力基体变形时，短纤维上应力的分布载荷是基体通过界面传递给纤维的。

在一定的界面强度下，纤维端部的切应力最大，中部最小。

而作用在纤维上的拉应力是剪应力由端部向中部积累的结果。

所以拉应力端部最小，中部最大。

作用在短纤维上的平均拉应力为,为图中lc/2线段上的面积与（f,max乘以lc/2积）之比值。

当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则=1/2，因此,式中fF为纤维的平均拉伸应力，m*为与纤维的屈服应变同时发生的基体应力。

l/lc越大，复合材料的拉伸强度也越大。

lc/2l1时，上式变为连续纤维的强度公式。

当l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%。

l=10lc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。

若基体屈服强度为my，则纤维临界尺寸比为,短纤维增强复合材料的拉伸强度为,5.5.5粒子复合材料力学性能力学性能特点基体是连续相，是承担载荷的主体；

破坏机理和强度主要由基体和界面决定；

粒子通常随机分散于基体中，宏观上呈各向同性；

粒子的形状的尺寸极不规则，粒子与基体间的性能差别程度不同，建立精确的普适的分析模型较为困难；

目前多用经验和半经验公式。

弹性常数Nielsen公式：

式中：

M模量；

A=KE-1，KE为粒子的固有粘度，表征