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1、功 能 复 合 材 料,授课教师: 许红亮,20.12.2022,功能复合材料,2,20.12.2022,功能复合材料,3,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,1. 绪论,20.12.2022,功能复合材料,4,功能复合材料是指除力学性能以外而提供其他物理性能（并包括部分化学和生物性能）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。,1. 1 功能复合材料概述,20.12.2022,功能复合材料,5,功能复合材料主要由一种或多种功能体和基体组成。,1. 2 功能复合材料的设计,1.2.1 功能复合材料的设计原则,
2、柔韧性磁体：磁粉 功能体橡胶和塑料 基体 黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能,20.12.2022,功能复合材料,6,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。,20.12.2022,功能复合材料,7,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。,20.12.2022,功能复合材料,8,功能复合材料的主要设计原则：,（1）首先考虑关键的、主要的性能；（2）兼顾其它性能；（3）选择性能分散性小的原材料;（4）采取的成型工
3、艺尽可能简单、方便；（5）经济性合理。,20.12.2022,功能复合材料,9,复合材料设计的目的：提高材料的综合性能,也就是材料的优值。,材料的优值：是由几个物理量综合起来对材料的使用性能进行评价的量。 复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有的参数，经设计来满足材料有关的物理量组元。也可通过复合材料的复合效应设计制造各种功能复合材料。,20.12.2022,功能复合材料,10,1.2.2 功能复合材料的设计特点,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。,20.12.2022,功能复合材
4、料,11,1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度调整复合度 复合度是参与复合各组分的体积（质量）分数。调整联接方式 复合材料中各组分在三维空间中互相连接的形式可任意调整。调整对称性 对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。不同功能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。如，0-3型（球形颗粒分散在基体中）复合材料各向同性；1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折射行为；2-2型（片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。调整尺寸 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。调整周期性,20.12.2022,功能复合材料,1
5、2,2）可利用复合效应创造新型复合功能材料,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。,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。,20.12.2022,功能复合材料,13,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。,1. 3 功能复合材料的复合效应,20.12.2022,功能复合材料
6、,14,不同复合效应的类别,下表列出了不同复合效应的类别。,20.12.2022,功能复合材料,15,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，为材料性能，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）。,20.12.2022,功能复合材料,16,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,20.12.2022,功能复合材料,17,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。,20.12.2022,功能复
7、合材料,18,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。,20.12.2022,功能复合材料,19,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。,20.12.2022,功能复合材料,20,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。,20.12.2022,功能复合材料,21,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。,20.12.2022,功能复合材料,22,例如，脆性
8、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。,20.12.2022,功能复合材料,23,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。,20.12.2022,功能复合材料,24,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。,20.12.2022,功能复合材料,25,相补效应和相抵效应常常是共同存在的。显然，相
9、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。,20.12.2022,功能复合材料,26,乘积效应两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生乘积效应。 乘积效应是在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。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。,20.12.2022,功能复合材料,27,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：,式中，、分别表示各种物理性能。上式符合乘积表达式，所以称之为乘积效应。,20.12.2022,
10、功能复合材料,28,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：,热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果就是 即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。,20.12.2022,功能复合材料,29,复合材料的乘积效应,20.12.2022,功能复合材料,30,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。,20.12.2022,功能复合材料,31,例如，结晶的纤维增强体对非晶基体
11、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。,20.12.2022,功能复合材料,32,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。,20.12.2022,功能复合材料,33,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
12、频率特征，调整复合频率，达到吸收外来波的目的。,20.12.2022,功能复合材料,34,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。,20.12.2022,功能复合材料,35,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。,彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这也是系统效应的例子。,20.12.2022,功能复合材料,36,平均效应、乘积效应、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
13、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。,20.12.2022,功能复合材料,37,1. 4 功能复合材料分类,20.12.2022,功能复合材料,38,1. 5 功能复合材料制造方法,传统的方法与结构复合材料成型方法基本相同，主要取决于基体。,新兴的制备技术：（1）以材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复污染为特色的原位复合技术；（2）以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特色的自蔓延复合技术；（3）以组分、结构及性能渐变为特点的梯度复合技术；（4）以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散
14、材料为特点的分子自组装技术；仿生技术、凝胶浇注技术、微波合成与烧成技术,20.12.2022,功能复合材料,39,1.6 功能特性的可靠性控制,可靠性控制的难度和复杂性非常高，原因：（1）组分材料的多重性；（2）材料-结构工艺的同步性。,复合材料可靠性目前存在的问题：（1）材料特性知识的缺乏；（2）材料性能的分散性；（3）制备工艺的不稳定性；（4）试验方法的不完善；（5）统计数据不足；（6）对复合材料性能随时间变化的规律和知识掌握不够。,20.12.2022,功能复合材料,40,1.7 功能复合材料发展方向,（1）由单功能向双功能、多功能化发展；（2）由功能向机敏、智能化方向发展；（3）功能-
15、承力一体与轻量化；（4）功能体的高性能化与微细化；（5）使用性能的稳定性与长寿命；（6）高精度的设计技术与设计制造一体化；（7）无余量成型与低成本制造技术。,20.12.2022,功能复合材料,41,本课程教学安排,绪论磁性能复合材料压电复合材料导电复合材料电磁波吸收复合材料装甲防护复合材料生体复合材料机敏复合材料与智能结构复合材料仿生复合材料梯度复合材料其它功能复合材料,经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be,写在最后,感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings,结束语,讲师：XXXXXX XX年XX月XX日,
