航空航天復合材料 課件第1章 知識點8 復合材料的復合效應

復合原理復合材料原理

復合效應概述線性復合效應主要內(nèi)容非線性復合效應三一二知識點2-復合材料的復合效應

一、復合效應概述是指將組分A、B兩種材料復合起來，得到同時具有組分A和組分B的性能特征的綜合效果。分類線性效應非線性效應平均效應平行效應相補效應相抵效應相乘效應誘導效應共振效應系統(tǒng)效應知識點2-復合材料的復合效應2.分類1.定義二、線性效應平均效應又稱混合效應，即復合材料的某項性能等于組成復合材料各組分的性能乘以該組分的體積分數(shù)之和，即可表示為：（串聯(lián)模型）Kc－復合材料的某項性能；

i－體積分數(shù)；Ki－與Kc對應的性能；

－加和。（并聯(lián)模型）并聯(lián)模型：適用于復合材料的密度，單向纖維復合材料的縱向楊氏模量和縱向泊松比等。串聯(lián)模型：適用于單向纖維的橫向楊氏模量，縱向剪切模量和橫向泊松比等。1．平均效應

當兩者合寫于一式為：復合材料的串、并聯(lián)模型復合法則計算的復合材料特性的上下限n=1時，并聯(lián)模型，描述密度、單向纖維縱向（平行于纖維方向）楊氏模量，縱向泊松比等。n=-1時，串聯(lián)模型，描述單向纖維的橫向楊氏模量，縱向剪切模量和橫向泊松比等。n=-1～+1時，混合模型，可描述某項性能如介電常數(shù)、熱導率隨組分體積分數(shù)的變化規(guī)律。2．平行效應

平行效應是一種最簡單的線性復合效應，表示為：Kc

Ki，即復合材料的某項性能與某一組分的該項性能相當。如玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂的耐蝕性能與基體環(huán)氧樹脂相當。如：增強體與基體的界面結(jié)合很弱的復合材料所顯示的復合效應。3．相補效應

相補效應是指組分復合后，互補缺點，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能，可表示為：C=A

B是一種正的復合效應。如：脆性高強纖維增強體與韌性基體復合時，當界面結(jié)合適宜，其性能顯示為基體與增強體的互補。4．相抵效應

相抵效應是指各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，使復合材料的性能低于混合定律的預測值，是一種負的復合效應?？杀硎緸椋篕c<

Ki

i，如陶瓷基復合材料，復合不佳時，會產(chǎn)生相抵效應。如：脆性的纖維增強體與韌性基體復合而成的復合材料，當界面結(jié)合很強時，復合材料整體顯示為脆性斷裂。三、非線性效應1.相乘效應非線性效應包括相乘效應、誘導效應、系統(tǒng)效應與共振效應。相乘效應是指把兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復合起來，使它們相同的功能得到復合，而不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換，表示為（X/Y）·（Y/Z）=X/Z。如：把具有電磁效應的組分材料與具有磁光效應的組分材料復合，將產(chǎn)生復合材料的光電效應。（X/Y）·（Y/Z）=X/ZX、Y、Z分別表示某種物理性能，關(guān)系式復合乘積表達式，故稱乘積效應。該式可用于功能復合材料的設計。A組元性質(zhì)X/YB組元性質(zhì)Y/Z相乘性質(zhì)X/Z壓磁效應壓磁效應壓電效應磁致伸縮磁致伸縮光電效應熱電效應輻照－可見光效應熱致變形熱致變形磁阻效應磁電效應（電）場致發(fā)光效應壓電效應壓阻效應電致伸縮（電）場致發(fā)光光－導電效應壓敏效應壓電效應壓阻效應壓電效應壓力發(fā)光效應磁電效應磁阻效應光致伸縮紅外光轉(zhuǎn)換可見光效應輻射誘導導電熱敏效應熱電效應功能復合材料的相乘效應2．誘導效應

是指在復合材料兩組分（兩相）的界面上，一相對另一相在一定條件下產(chǎn)生誘導作用（如誘導結(jié)晶），使之形成相應的界面層，這種界面層結(jié)構(gòu)上的特殊性使復合材料在傳遞載荷的能力上或功能上具有特殊性，從而使復合材料具有某種特殊的性能。（一組分通過誘導作用使另一組分材料的結(jié)構(gòu)改變從而改變整體性能或產(chǎn)生新的效應）如：結(jié)晶的纖維增強體對非晶基體的誘導結(jié)晶或晶形基體的晶形取向作用。3．系統(tǒng)效應將不具備某種性能的各組分通過特定的復合狀態(tài)復合后，使復合材料具有單個組分不具有的某種新性能。該效應機理復雜，迄今尚未清楚。如：彩色膠卷：利用其能分別感應藍、綠、紅三種感光劑層，即可記錄宇宙中各種絢麗色彩。4．共振效應

又稱強選擇效應，是指某一組分A具有一系列的性能，與另一組分復合后，能使A組分的大多數(shù)性能受到抑制，而使其中某一項性能充分發(fā)揮。如實現(xiàn)導電不導熱、一定幾何形態(tài)均有固有頻率，適當組合產(chǎn)生吸震功能等。如：復合材料的固有頻率不同于原組分的固有頻率。當復合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，復合材料的固有頻率也會發(fā)生改變。目前僅了解符合單純加和性的物理性能：密度，比熱容、介電常數(shù)、導磁率等1）

熱導率（1）單向復合材料縱向、橫向熱導率的估算縱向熱導率：橫向熱導率：L－縱向；T－橫向；f－纖維；m－基體

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3其它物理性能的復合原理（2）二維隨機短纖維復合材料纖維排布平面的法線方向的熱導率：

式中，S11為形狀因子，與短纖維的形狀有關(guān)。當短纖維是橢圓形截面的粒狀體（a1、a2<<a3）則S11＝a2/(a1+a2),S33=0

當短纖維是圓形截面的（a1=a2<<a3）

Kc=Km[(3Km+Kf)

f]/[2(Km+Kf)+(Km-Kf)f]

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其熱導率為：圓形截面柱形短纖維（4）顆粒復合材料當顆粒為球形時，復合材料的熱導率：3-403-41

3-42(3)三維隨機短纖維復合材料—可視為各向同性2）

熱脹系數(shù)當各向同性的材料復合后，體系的熱膨脹系數(shù)

c為：式中

1，2－復合材料的熱脹系數(shù)；K－特定的彈性常數(shù)；－體積分數(shù)當兩種材料的泊松比相等時，用E代替K，則有當物理常數(shù)差別不是很大時，可采用下式作為第一近似計算式：3-43

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3）電導率（1）對于單向纖維復合材料，若基體的電導率大于纖維的電導率，則有：①縱向電導率