复合材料的复合效应
复合材料的复合效应
材料在复合后所得到的复合材料，就其产生复合效应的特征可以分为两大类：一类复合效应为线性效应，另一类为非线性效应。在这两类复合效应中，线性效应有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应；非线性效应有：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应、系统效应
平均效应：是复合材料所显示的最典型的一种复合材料。它可以表示为：Pc=Pm*Vm+Pf*Vf式中，P为材料性能，V为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料，集体和增强体。
例如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为：Ec=Em*Vm+Ef*Vf
平行效应：显示这一效应的复合材料，其组成复合材料的各组分在符合材料中，军博暗流本身的作用。既无剩余也无补偿。
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，可以看做是平行效应。
相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。对于脆性的高强度纤维增强体与韧性集体复合时，两者间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，起性能显示为增强体与基体的互补。
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。
例如脆性的纤维增强体与韧性的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。在玻璃轻微增强塑料中，当玻璃纤维表面选用十一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以高出30%~40%，而且湿态强度保留率也明显提高。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。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。
相乘效应：两种具有转换效益的材料复合在一起，即可发生相乘效应。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，将可能产生复合材料的光电效应。因此，通常可以将一种具有两种性能互相转换的功能材料X/y和另外一种功能转换材料Y /Z复合起来，可以用下列通式来表示，即：X/Y*Y/Z=X/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。上式复合乘积表达式，所以称之为乘积效应。这样的组合可以非常的广泛，已被用于设计功能复合材料。常用的乘积效应如下表：分三列：A的性质X/Y  B的性质Y/Z    乘积性质（X/y)*(Y/z)=X/z
压磁效应磁阻效应压敏电阻效应
压磁效应磁电效应压电效应
压电效应电致发光效应压力发光效应
磁致伸缩效应压阻效应磁阻效应
光导效应电致伸缩效应光致伸缩
闪烁效应光导效应辐射诱导导电
热敏变形效应压敏电阻效应热敏电阻效应
诱导效应：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整体性能或产生新的效应。这种诱导行为已在很多试验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶型基体的晶型取向作用。在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对集体的诱导作用，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作用。
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i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，调整负荷材料频率，达到吸收外来波的目的。
系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应机理尚不清楚，但在实际现象中已经发祥这种效应的存在。例如：交替层叠镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和接线性混合率估算值，这是组成了复合系统才能出现的现象。
考试资料
1.自蔓延复合技术：是在自蔓延高温合成的基础上发展起来的一种新的符合技术，主要用于制备金属/金属，金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷系复合粉末和块体复合材料。P245自蔓延高温合成：利用配合的原料自身的燃烧反应放出的热量，使化学反应过程自发地进行，进而获得具有指定成分和结构产物的一种新型材料的合成手段。
2.原位复合技术：来源于原为结晶和原位聚合概念，反应剂借助于基材之间的物理化学过程，原位生成分布均匀的第二相或增强相。P239
3.梯度功能复合材料：就是在材料的制备过程中，选择几种不同性质的材料，连续地控制材料的微观要素（包括组成、结构和空隙在内的形态与结合方式等），使界面的成分和组织呈连续性变化，因而材料
内部的热应力大为缓和，使其成为可在高温环境下应用的新型耐热材料。p234 一种集各种组分（如金属、陶瓷、纤维、聚合物等），结构，物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都能呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊性能的一类新型材料。（课件）
4.功能复合材料：指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学性能和生物性能的复合材料。P220
5.压电复合材料：是指具有应力——电压转换能力的材料，即当材料受压时产生电压，而作用电压时产生相应的变形。P222页
6.摩阻复合材料：具有高摩擦系数，要求既有良好的耐磨性又有较高的摩阻性，尤其能在较高温度的环境下使用的复合材料。P230
7.纳米复合材料：指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。p207 由两种或两种以上，至少有一维在纳米级大小（1～100nm）的固相，复合而成的复合材料。（课件）
8.热适应复合材料:（或称热匹配复合材料）是通过对复合材料组分的选择和含量比例的设计，而具有适合要求的热膨胀系数和热传导率的一种复合材料（旧书182）
9.复合材料：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。（课件）10.相变增韧：相变增韧是在应力场存在下，由分散相的相变产生应力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展，达到增强韧性的目的。p15111、导电复合材料：由导电材料和作为基体的绝缘材料复合得到的具有导电功能的材料。（旧P158）12、复合材料的乘积效应：在复合效应两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。（旧P148）13、自诊断机敏复合材料：具有感知周围环境变化，并且通过自身物性的变化反映外界环境对材料的作用情况，作出材料安全与否的判断的一类复合材料。（P23314.增强体：在复合材料中，凡是能够提高基体力学性能的物质．称为增强体。p50
增强体是高性能结构复合材料的关键组分，在复合材料中起增加强度、改善性能的作用。（课件）
15、分子自组装技术：通过有机物或聚合物分子以一定的结合方式在特定的基片上自行组装而得到具有特殊性能材料的材料制备技术。（P251）16、超导复合材料：一般由Cu或Ag作为基体与制成细丝的超导体复合而成的一类材料。（旧P164）、
7、阻尼功能复合材料：在受到力的振动波作用时，将消耗弹性能量，达到减震降噪目的的一类复合材料，主要有聚合物基、金属基阻尼功能复合材料和金属与聚合物层阻尼功能复合材料。(P231)
通过材料和结构的阻尼，将振动能量衰减或转化成热能、机械能等，达到减震降噪目的（被动控制），或，由传感器和驱动器与一个反馈回路构成，既能感知环境的变化又能通过反馈电路做出响应，减少或
消除受震动结构的应力，达到抑振目的（主动控制）。这样的一类的材料称为阻尼功能复合材料。(P231)
1.简述功能复合材料的设计原理，主要的线性效应和非线性效应。p220
在功能复合材料中广泛采用材料的优值来衡量，材料的优值由多个物理参数按照它们对材料综合使用性能的影响组合起来的。为了得到尽可能高的优值，就必须按照非常特殊的要求对材料的有关物性张量组元进行优化组合设计，还可应用复合材料的复合效应设计。结构复合材料基本上通过其中的线性效应起作用。功能复合材料不仅可以通过线性效应起作用，更重要的是可以用非线性效应设计出许多新型的功能复合材料，还可以通过改变复合结构的因数，大幅度定向化地调整物理张量组元的数值，到最佳组合，获得最
高优值。常用的调节方法有：（1）调整复合度；（2）调整连接方式；（3）调整对称性；（4）调整标度；（5）调整周期性。主要的线性效应：加和效应，平均效应，相补效应，相抵效应。主要的非线性效应：乘积效应，系统效应，诱导效应、共振效应。
2.陶瓷基复合材料的界面结合方式分为哪几类？其界面控制方法又有几类?
答；界面分类：  1.机械结合：基体与增强体靠摩擦力的机械结合。2.溶解和润湿结合：基体与增强体通
过原子扩散和溶解结合。3.反应结合，基体与增强体发生化学反应形成一层化合物结合。4.混合结合，是以上几种结合方式的结合（新书155）
界面控制方法：1.改变强化体表面的性质：用化学手段控制界面，防止强化体（纤维）与基体间的反应，从而获得最佳的界面力学特性。2.向基体添加特定的元素：在用烧结法制造陶瓷基复合材料中，为了助于烧结，或为了使纤维与基体发生适度的反应以控制界面，在基体中添加一些元素。3.强化体的表面涂层：涂层的目的是形成阻碍扩散的覆盖层，以保护纤维不受化学浸蚀。(新书156)
3、金属熔体自发渗入制备复合材料的基本原理是什么？该制备方法有何特点？实现自发渗入的熔体及固体颗粒的理想结合需满足哪些条件？（课件）原理：借助熔体与预制件接触时所受到的毛细管压力，使熔体渗入并充满预制件的所有空隙，从而获得致密、具有连续显微结构的制品。
特点：（1）借助熔体与预制件接触时所受到的毛细管压力，可获得致密、具有连续显微结构的制品；（2）预制件可预先制成所需的各种形状，渗入后制品保形性好，尺寸可精确控制，只需经简单加工工艺便可使用；（3）制品为颗粒增强增韧复合材料，具有理想的综合力学及其他性能；（4）整个工艺工程简单，相对成本低廉。
需满足的条件：（1）金属熔体应对固体颗粒浸润；（2）预制件应具有相互连通的渗入通道；
（3）体系组分性质需匹配：渗体相必须有比颗粒相低得多的熔点；两者的化学反应或互溶行为必须对渗入过程及最后制品质量有利；两者的热膨胀系数必须很好地匹配等。（4）渗入条件不宜苛刻：为保证足够的流动性，自发渗入必须在熔体熔点以上温度（渗入温度）完成；渗入还需要非氧化气氛，并非十分苛刻的惰性气体和低真空条件下便可进行。
4.简述陶瓷基复合材料的相变增韧机理。（P151、课件）
相变增韧：在应力场存在下，由分散相的相变产生应力场，抵消外加应力，阻止裂纹扩展，达到增强增韧的目的。典型例子：氧化锆（ZrO2）颗粒增韧原理。第一：ZrO2有多种晶型转变。热膨胀系数不同，氧化锆颗粒受力情况不同，当它受压应力，氧化锆的相变也将受到压抑。第二：外应力作用下，基体对氧化锆的压抑作用松弛，发生由四方向单斜的转变，引起体积膨胀，在裂纹的尖端产生一种封闭裂纹的应力，一部分断裂能量被用于应力诱发转移，达到增韧效果。
5.金属基复合材料有哪些特点，其基体和增强体的选择要遵循哪些原则？（P104、课件）
金属基复合材料是一类以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物。
基体：较高的强度和韧性，能导电和导热，有金属光泽，有正的电阻温度系数，熔点比有机物高。
增强体：一般用无机非金属作增强体。
依据复合效应和线性效应，金属基复合材料的特点为：（1）性质与增强体组元的含量有线性关系。（2）比强度和比模量增长幅度高：比强度和比模量：材料强度和模量与材料密度的比值。
（3）高的韧性及高的冲击性能：用金属作基体，在受到冲击以后，基体可通过塑性变形吸收能量。韧性金属基体还能通过塑性变形使裂纹钝化和减少应力集中，从而改善了材料的断裂韧性。（4）导热导电性好：金属基体的体积分数较大，保持了金属的良好的导电导热性。（5）耐热性能好：金属的性能对温度变化不敏感。（6）耐疲劳性能好：用纤维增强金属能够提高材料的疲劳强度。（7）减震性能好：构件的自振频率除与其结构有关外，还与材料比模量的平方根成正比。由于复合材料的比模量较大，因而材料的自振频率较高。由于复合材料中相界面的增多，界面具有吸收及反射振动的作用，使材料阻尼能力大大提高，可使激起的振动迅速衰减。（8）耐磨性能好：增强材料为陶瓷的复合材料，硬度高而耐磨性好。（9）对表面裂纹的敏感性小。（10）可设计性强：通过改变增强体和基体的种类及相对含量、增强体集
合形式及排布方式来满足材料结构与性能的设计要求。（11）耐蚀性和线膨胀系数等能满足生产要求。金属基复合材料设计和选择原则：（1）金属基复合材料的使用要求，是选择金属基体和增强体的最重要的依据。（2）金属基符合材料组成特点：基体起着固结增强相、传递和承受各种载荷（力、热、电）
的作用，增强相是主要的承受相。（3）基体与增强体之间的兼容性：复合材料的兼容性是指在加工与使用过程中，复合材料中的各组分之间相互配合的程度。由于复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间有良好的配合，这两相间必须具备物理兼容性和化学兼容性。
6.简述碳纤维增强体的特点和主要的应用领域。
碳纤维：由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。含碳量在95％左右。优点：具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等特性，除此之外还具有纤维的柔曲性和可编性，强度和比模量优于其它无机纤维。
缺点：碳纤维细脆、抗冲击性和高温抗氧化性较差。
碳纤维的应用：（1）航空航天方面的应用：航空工业中，碳纤维可以用作航空器的主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；可用作导弹防热及结构材料，如火箭喷嘴。
（2）交通运输方面的应用：碳纤维复合材料可用于汽车中不直接承受高温的各个部位。例如传动轴、底盘、保险杠。（3）运动器材：用碳纤维可制造网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆等
（4）其它方面：碳纤维复合材料可用于化工耐腐蚀制品，例如泵、阀、管道；碳纤维复合材料是桥梁和建筑物的良好的修补材料，还可以广泛用于医疗器件和纺织机的部件。
7.简述粉末冶金法制备金属复合材料的特点（优点和缺点）：(P110，课件)
粉末冶金法：将金属粉末和增强材料按设计要求的比例均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，或热压、热轧制、热挤压成型，也可加热到固液两相区进行半固态成型，从而获得复合材料或其制件。
优点：增强体与基体合金粉末有较宽的选择范围，颗粒的体积分数可以任意调整；可不受到颗粒的尺寸与形状制限；可以实现制件的少无切削或近净成型。韧性有什么用
缺点：制造工序繁多，工艺复杂；制造成本较高；内部组织不均匀，存在明显的增强相富集区和贫乏区；不易制备形状复杂，尺寸大的制件。
8.功能复合材料的可分为那几类，各类有那些主要应用？（旧150页）
(1)电学：a.压电复合材料：压电传感器（柔性）b.导电复合材料：按钮开关、抗腐蚀电极c.高绝缘复合材料：高压电路绝缘系d.半导电复合材料：防静电地板、静电集成板e.电屏蔽复合材料：电子设备用罩、板f.透电磁波复合材料：雷达天线罩g.雷达隐身复合材料：军用飞机及导弹蒙皮h.温控导电复合材料：自控温发热体（线）
(2)磁学：a.永磁复合材料：柔韧性磁体、磁门拴b.软磁复合材料：变压器铁芯、记录磁头、磁带
(3)光学：a.透光复合材料：农用温室顶板b.选择滤光复合材料：滤片c.红外滤光复合材料：军用飞机导弹涂层d.透X射线复合材料：医用X光检查设备床板片合e.光致发光复合材料：荧光显示屏f.辐射屏蔽复合材料：放射线（X光）护板g.光致变复合材料：变眼镜、机敏窗
(4)声学：a.吸声复合材料：隔音板b.声纳复合材料：声纳发生与接收器c.抗声纳复合材料：作战潜艇用消声瓦
(5)机械学：a.阻尼复合材料：机械减振器b.摩擦复合材料：轴承、刹车片
(6)热学：a.热适应复合材料：大规模集成电路封装基板b.耐烧蚀防热复合材料：导弹头部、航天飞机前缘c.阻燃复合材料：内装饰隔板
(7)化学：选择通过复合材料：气体分离膜
(8)生物医学：a.生物自吸收复合材料：医用自吸收骨钉、骨夹板
（P222）
压电复合材料：具有应力——电压转化能力的材料。能实现电能换能、激振、滤波，在水声、超声、电声
方面有广泛的应用。如谐振加速器、水声换能器、有声发射探测器、映像诊断器。
导电复合材料：在聚合物基体中，加入高导电的金属与碳素粒子、微细纤维，然后通过一定的成型方式而制备出导电复合材料。主要用于屏蔽、防静电。
磁性复合材料：应用于通信、自动化、电机、仪器仪表等，如各类变压器、电感器、磁头。
摩擦功能复合材料：具有高摩擦系数或低摩擦系数。用于汽车、飞机、火车等运输工具以及制动件，或重载荷、低转速，需要干摩擦或水润华的场合。
阻尼功能材料：用于汽车、家用家电、建筑、机械和舰船等工业。
机敏复合材料：能感知周围环境变化且能针对这种变化做出适当反应的材料。主要在航空航天材料和结构、混凝土材料与结构、生物材料等领域。
智能复合材料：在机敏材料的基础上增加了自决策作用的材料。主要用在智能化领域。
9.常见的新型增强体有那些，各有那些性能？
答：新型增强体材料包括：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、晶须还有芳纶、尼龙纤维和聚烯烃纤维。
玻璃纤维的性能：成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性和绝缘性好。
碳纤维的性能：质量小、强度高、模量高、耐热性高和化学稳定好。
碳化硅纤维的性能：拉伸强度和模量大、密度小：优良的耐热性能、耐高温、良好的耐化学性、耐辐射和吸波性能好以及半导体性质。
芳纶纤维的性能：优良的减震性、耐磨性、耐冲击性、抗疲劳性、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性、低膨胀、低导热以及密度小等。
晶须的性能：无显著疲劳效应、高温性能和抗蠕变性能、高强度、高模量、耐腐蚀、抗高温、密度小以及与金属基体润湿性好等。
10.简述溶胶-凝胶法制备纳米材料的基本原理。P210、课件
溶胶-凝胶法是将前驱物（金属有机化合物，如金属醇盐以及部分无机盐）在一定的溶剂（水或有机溶剂）中形成均质溶液，溶质水解（或醇解）形成纳米级颗粒并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程。
基本原理可以分为3个阶段：
单体（即先驱体）经水解，缩合生成溶胶粒子（初生粒子，粒径2nm左右）；
溶胶粒子聚集生长（次生粒子，粒径6nm左右）；
长大的粒子（次生粒子）相互连接成链，进而在整个液体介质中扩散成三维网络结构，形成凝胶。
1. 任选一种新型增强体，简述其制备原理与工艺，从微观结构分析其具有的性能，阐述其可能的应用。
2. 任意设计一种金属基复合材料，简述其设计原理，概述基体制备工艺方法，简述其性能调整方案与途径，并分析其可能的应用领域。

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