功能复合材料-绪论.ppt

*,*,单击此处编辑母版标题样式,功能复合材料,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,功能复合材料,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,功能复合材料,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,功能复合材料,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,功能复合材料,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,功能复合材料,*,功 能 复 合 材 料,材料科学与工程学院,授课教师,:,许红亮,xhlxhl,hlx_20032002,13939022916,3/6/2026,2,功能复合材料,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,3/6/2026,3,功能复合材料,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,3/6/2026,4,功能复合材料,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,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,3/6/2026,5,功能复合材料,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。,3/6/2026,6,功能复合材料,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,。,3/6/2026,7,功能复合材料,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,）采取的成型工艺尽可能简单、方便；,（,5,）经济性合理。,3/6/2026,8,功能复合材料,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。,3/6/2026,9,功能复合材料,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。,3/6/2026,10,功能复合材料,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,3/6/2026,11,功能复合材料,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,。,3/6/2026,12,功能复合材料,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,3/6/2026,13,功能复合材料,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,线性效应,非线性效应,复 合 效 应,不同复合效应的类别,下表列出了,不同复合效应,的类别。,3/6/2026,14,功能复合材料,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）。,3/6/2026,15,功能复合材料,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,3/6/2026,16,功能复合材料,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,。,3/6/2026,17,功能复合材料,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,。,3/6/2026,18,功能复合材料,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,。,3/6/2026,19,功能复合材料,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,。,3/6/2026,20,功能复合材料,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,。,3/6/2026,21,功能复合材料,例如，,脆性的纤维增强体,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,。,3/6/2026,22,功能复合材料,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。,3/6/2026,23,功能复合材料,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。,3/6/2026,24,功能复合材料,相补效应,和,相抵效应,常常是,共同存在的,。,显然，,相补效应,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。,3/6/2026,25,功能复合材料,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。,3/6/2026,26,功能复合材料,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,。,3/6/2026,27,功能复合材料,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。,3/6/2026,28,功能复合材料,复合材料的乘积效应,相性质,相性质,复合后的乘积性质,（）（）,压磁效应,压磁效应,压电效应,磁致伸缩效应,光导效应,闪烁效应,热致变形效应,磁阻效应,磁电效应,场致发光效应,压阻效应,电致效应,光导效应,压敏电阻效应,压敏电阻效应,压电效应,压力发光效应,磁阻效应,光致伸缩,辐射诱导导电,热敏电阻效应,3/6/2026,29,功能复合材料,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。,3/6/2026,30,功能复合材料,例如，,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,。,3/6/2026,31,功能复合材料,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。,3/6/2026,32,功能复合材料,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,外来波长的频率特征,，,调整复合频率,，达到,吸收外来波,的目的。,3/6/2026,33,功能复合材料,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。,3/6/2026,34,功能复合材料,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。,3/6/2026,35,功能复合材料,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,。,3/6/2026,36,功能复合材料,1.4,功能复合材料分类,3/6/2026,37,功能复合材料,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,3/6/2026,38,功能复合材料,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。,3/6/2026,39,功能复合材料,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,-,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。,3/6/2026,40,功能复合材料,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,3/6/2026,41,功能复合材料,推荐教材与参考资料,1.,功能复合材料及其应用,，曾黎明编著，化学工业出版社，,2007.,2.,功能复合材料,，张佐光等，化学工业出版社，,2004.,3.,先进复合材料手册,，赵渠森主编，机械工业出版社，,2003.,4.,陶瓷,-,金属复合材料,，李荣久主编，冶金工业出版社，,2004.,3/6/2026,42,功能复合材料,