天津大學(xué)材料學(xué)院功能與復(fù)合材料1第一講緒論

1、功能與復(fù)合材料功能與復(fù)合材料劉恩佐劉恩佐材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料系材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料系25-c8062013.8e-mail: 課程內(nèi)容及教學(xué)目的課程內(nèi)容及教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：本課程系統(tǒng)講述各種功能復(fù)合材料的基本概念、相本課程系統(tǒng)講述各種功能復(fù)合材料的基本概念、相關(guān)理論、應(yīng)用技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)以及功能與復(fù)合材料領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)關(guān)理論、應(yīng)用技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)以及功能與復(fù)合材料領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的各種新發(fā)現(xiàn)和新觀點(diǎn)等。課程共分出的各種新發(fā)現(xiàn)和新觀點(diǎn)等。課程共分9 9部分講解，內(nèi)容分別是部分講解，內(nèi)容分別是功能復(fù)合材料簡(jiǎn)介、磁功能、電功能、光功能、熱功能、摩擦功功能復(fù)合材料簡(jiǎn)介、磁功能、電功能、光

2、功能、熱功能、摩擦功能、阻尼功能、防彈功能、抗輻射功能等功能復(fù)合材料。能、阻尼功能、防彈功能、抗輻射功能等功能復(fù)合材料。教學(xué)目的：教學(xué)目的：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)功能與復(fù)合材料的制通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)功能與復(fù)合材料的制備、功能評(píng)價(jià)、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀有一定的了解和掌握。本課程的備、功能評(píng)價(jià)、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀有一定的了解和掌握。本課程的任務(wù)是激發(fā)學(xué)生對(duì)功能與復(fù)合材料的興趣，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，任務(wù)是激發(fā)學(xué)生對(duì)功能與復(fù)合材料的興趣，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，為學(xué)生將來(lái)更加深入的學(xué)習(xí)研究做準(zhǔn)備。為學(xué)生將來(lái)更加深入的學(xué)習(xí)研究做準(zhǔn)備。 教材及參考書(shū)目教材及參考書(shū)目教材：教材： 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料張佐光著

3、；化學(xué)工業(yè)出版社，張佐光著；化學(xué)工業(yè)出版社，2004年。年。考核辦法考核辦法 課堂表現(xiàn)（出勤、回答問(wèn)題）課堂表現(xiàn)（出勤、回答問(wèn)題）20% 報(bào)告報(bào)告 40% 期末考試期末考試 40%新材料研究領(lǐng)域，功能材料占新材料研究領(lǐng)域，功能材料占85%863，973，國(guó)家自然科學(xué)基金：，國(guó)家自然科學(xué)基金：70%第一章第一章 緒論緒論天然材料天然材料 冶金材料冶金材料 合成材料合成材料 復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，具有優(yōu)能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，具有優(yōu) 良的力學(xué)性能。良的力學(xué)性能。功能材料：功能材料： 具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)

4、、化學(xué)、具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、 生物醫(yī)學(xué)功能，生物醫(yī)學(xué)功能， 特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng) 用來(lái)制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技用來(lái)制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。特點(diǎn)：特點(diǎn)：微觀；聚集態(tài)和形態(tài)；元件為最終產(chǎn)品；利用現(xiàn)代科學(xué)技微觀；聚集態(tài)和形態(tài)；元件為最終產(chǎn)品；利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物；制備技術(shù)術(shù)、多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物；制備技術(shù)一、基本概念一、基本概念第一節(jié)第一節(jié) 概述概述發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)，測(cè)試新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)，測(cè)試新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能由已知的物質(zhì)，

5、通過(guò)新的制備工藝，改善其顯微結(jié)構(gòu)，改善材料的性能由已知的物質(zhì)，通過(guò)新的制備工藝，改善其顯微結(jié)構(gòu)，改善材料的性能由已知的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，制備出具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料由已知的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，制備出具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料基體；功能體基體；功能體應(yīng)用面寬；應(yīng)用面寬；研制周期短；研制周期短；附加值高；附加值高；小批量，多品種；小批量，多品種；適于特殊用途適于特殊用途 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料材料研究三個(gè)方向：材料研究三個(gè)方向：二、功能復(fù)合材料二、功能復(fù)合材料 除力學(xué)性能以外還提供其他物理性能并包括部分化學(xué)和生物性能的除力學(xué)性能以外還提供其他物理性能并包括部分化學(xué)和生物性能的復(fù)合材料

6、復(fù)合材料1. 組成：組成：2. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：3. 分類：分類：樹(shù)脂基、金屬基、陶瓷基、碳基樹(shù)脂基、金屬基、陶瓷基、碳基 磁功能磁功能 電功能電功能 光功能光功能 熱功能熱功能 摩擦摩擦 阻尼阻尼 防彈防彈 抗輻射抗輻射功能：功能：基體：基體：三、功能復(fù)合效應(yīng)三、功能復(fù)合效應(yīng)不是復(fù)合材料的特定性能，但是可通過(guò)復(fù)合材料的性能而反映。不是復(fù)合材料的特定性能，但是可通過(guò)復(fù)合材料的性能而反映。加和效應(yīng)、平均效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)加和效應(yīng)、平均效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料：功能復(fù)合材料：電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率基體、纖維共同彈性變形基體、纖維共同彈性變形基體塑性屈服、

7、纖維彈性變形基體塑性屈服、纖維彈性變形基體塑性變形、纖維彈性變形或基體、基體塑性變形、纖維彈性變形或基體、纖維共同塑性變形纖維共同塑性變形復(fù)合材料斷裂復(fù)合材料斷裂階段階段1：階段階段2：1. 線形效應(yīng)：線形效應(yīng)：彈性模量：彈性模量：2. 非線性效應(yīng)：非線性效應(yīng)：乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)及共振效應(yīng)乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)及共振效應(yīng)乘積效應(yīng)乘積效應(yīng)耦合函數(shù)耦合函數(shù)f:四、功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系四、功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系復(fù)合度（復(fù)合度（compositivity）：）： 復(fù)合材料中各組元所占的體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。復(fù)合材料中各組元所占的體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。聯(lián)結(jié)型聯(lián)結(jié)型(connectivi

8、ty) ： 在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，各組元在三維空間自身相互聯(lián)結(jié)的方式。在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，各組元在三維空間自身相互聯(lián)結(jié)的方式。對(duì)稱性對(duì)稱性(symmetry)： 材料各組元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在空間幾何配置上的對(duì)稱特征。材料各組元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在空間幾何配置上的對(duì)稱特征。標(biāo)度標(biāo)度(scale)： 活性組分的線度大小?；钚越M分的線度大小。周期性（周期性（periodieity）：）： 復(fù)合材料中組元幾何分布的周期特征。復(fù)合材料中組元幾何分布的周期特征。復(fù)合材料可靠性復(fù)合材料可靠性制備技術(shù)制備技術(shù)如何制備出單分散性良好且表面具有所需親和性能的單一材料如何制備出單分散性良好且表面具有所需親和性能的單一材料如何將這種材料與基

9、體材料進(jìn)行均勻混合、分散均勻，使材料如何將這種材料與基體材料進(jìn)行均勻混合、分散均勻，使材料在基體中仍以單個(gè)粒子穩(wěn)定地存在在基體中仍以單個(gè)粒子穩(wěn)定地存在原位復(fù)合技術(shù)；梯度復(fù)合技術(shù)等原位復(fù)合技術(shù)；梯度復(fù)合技術(shù)等材料特性知識(shí)的缺乏；材料特性知識(shí)的缺乏；材料性能的分散性；材料性能的分散性；制備工藝的不穩(wěn)定性；制備工藝的不穩(wěn)定性；試驗(yàn)方法的不完善；試驗(yàn)方法的不完善；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足；對(duì)復(fù)合材料性能隨時(shí)間變化的規(guī)律和知識(shí)掌握不夠?qū)?fù)合材料性能隨時(shí)間變化的規(guī)律和知識(shí)掌握不夠五、存在的問(wèn)題五、存在的問(wèn)題一、界面效應(yīng)一、界面效應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 功能復(fù)合材料的界面功能復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面是指基體與

10、增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。傳遞效應(yīng)傳遞效應(yīng)阻斷效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)二、復(fù)合材料界面作用機(jī)理二、復(fù)合材料界面作用機(jī)理界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理1. 1. 界面浸濕理論界面浸濕理論機(jī)械黏附：機(jī)械黏附：機(jī)械鉸合現(xiàn)象，樹(shù)脂固化后，大分子物進(jìn)入粉粒、機(jī)械鉸合現(xiàn)象，樹(shù)脂固化后，大分子物進(jìn)入粉粒、纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機(jī)械鉸鏈。纖維的孔隙和不平的凹陷之中形成機(jī)械鉸鏈。浸濕吸附：浸

11、濕吸附：范德瓦耳斯力的作用，使兩相間進(jìn)行黏附。范德瓦耳斯力的作用，使兩相間進(jìn)行黏附。用表面張力表征：用表面張力表征：潤(rùn)濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能潤(rùn)濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱為潤(rùn)濕。降低，稱為潤(rùn)濕。 附著功示意圖附著功示意圖潤(rùn)濕形式：潤(rùn)濕形式： 附著潤(rùn)濕附著潤(rùn)濕 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇?浸漬潤(rùn)濕浸漬潤(rùn)濕三種潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)影響：黏度盡量低動(dòng)力學(xué)影響：黏度盡量低熱力學(xué)影響：固體的表面自由能略大于液體表面自由能熱力學(xué)影響：固體的表面自由能略大于液體表面自由能2. 2. 化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論要使兩相之間實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合，兩相表面應(yīng)含有能相互發(fā)生化學(xué)要使

12、兩相之間實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合，兩相表面應(yīng)含有能相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性官能團(tuán)，通過(guò)它們的反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。反應(yīng)的活性官能團(tuán)，通過(guò)它們的反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。硅烷偶聯(lián)劑的發(fā)展；樹(shù)脂硅烷偶聯(lián)劑的發(fā)展；樹(shù)脂/玻璃的界面黏附，黏附能玻璃的界面黏附，黏附能15105mpa到到58105mpa對(duì)碳纖維、有機(jī)纖維的表面進(jìn)行等離子、輻照等處理對(duì)碳纖維、有機(jī)纖維的表面進(jìn)行等離子、輻照等處理3. 3. 機(jī)械作用理論機(jī)械作用理論4. 4. 靜電理論靜電理論由于表面粗糙不平而發(fā)生機(jī)械互鎖由于表面粗糙不平而發(fā)生機(jī)械互鎖5. 5. 物理吸附理論物理吸附理論6. 6. 過(guò)渡層理論過(guò)渡層理論增強(qiáng)體與基體之間結(jié)合屬于機(jī)械咬

13、合和基于次價(jià)鍵的物理吸增強(qiáng)體與基體之間結(jié)合屬于機(jī)械咬合和基于次價(jià)鍵的物理吸附。偶聯(lián)劑的作用主要是促進(jìn)基體與增強(qiáng)體表面完全浸潤(rùn)。附。偶聯(lián)劑的作用主要是促進(jìn)基體與增強(qiáng)體表面完全浸潤(rùn)?；w和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)相差較大，為了消除內(nèi)應(yīng)力，基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)相差較大，為了消除內(nèi)應(yīng)力，使基體和增強(qiáng)體之間的界面區(qū)存在一個(gè)過(guò)渡層，他可起到使基體和增強(qiáng)體之間的界面區(qū)存在一個(gè)過(guò)渡層，他可起到應(yīng)力松弛的作用。增強(qiáng)體經(jīng)表面處理后，在界面上形成一應(yīng)力松弛的作用。增強(qiáng)體經(jīng)表面處理后，在界面上形成一層塑性層，可以松弛并減少界面應(yīng)力，這種理論叫變形層層塑性層，可以松弛并減少界面應(yīng)力，這種理論叫變形層理論。理論。優(yōu)先吸附理

14、論和柔性層理論優(yōu)先吸附理論和柔性層理論石墨纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料石墨纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料7. 7. 拘束層理論拘束層理論8. 8. 擴(kuò)散理論擴(kuò)散理論界面區(qū)的彈性模量介于基體和增強(qiáng)體之間時(shí)，則可很均勻的傳遞應(yīng)力。界面區(qū)的彈性模量介于基體和增強(qiáng)體之間時(shí)，則可很均勻的傳遞應(yīng)力。吸附在硬質(zhì)增強(qiáng)體上的聚合物基體比其本體更聚集緊密，聚集密度隨離吸附在硬質(zhì)增強(qiáng)體上的聚合物基體比其本體更聚集緊密，聚集密度隨離界面區(qū)的距離增大而減少。增強(qiáng)體和基體之間形成一個(gè)模量從高到低的界面區(qū)的距離增大而減少。增強(qiáng)體和基體之間形成一個(gè)模量從高到低的梯度減小的過(guò)渡區(qū)。梯度減小的過(guò)渡區(qū)。復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分復(fù)合材料組分之

15、間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，形成反應(yīng)結(jié)子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合合或擴(kuò)散結(jié)合9. 9. 減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論基體與增強(qiáng)體之間的處理劑提供了一種具有基體與增強(qiáng)體之間的處理劑提供了一種具有“自愈能力自愈能力”的化學(xué)的化學(xué)鍵。在載荷作用下，它處于不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。低鍵。在載荷作用下，它處于不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。低分子物質(zhì)的應(yīng)力浸蝕使界面化學(xué)鍵斷裂，而處理劑在應(yīng)力作用下分子物質(zhì)的應(yīng)力浸蝕使界面化學(xué)鍵斷裂，而處理劑在應(yīng)力作用下能沿增強(qiáng)體表面滑移，使已斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合。從而使應(yīng)力能沿增強(qiáng)體表面滑移，使已斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合。從而使應(yīng)力得

16、到松弛。得到松弛。三、影響界面穩(wěn)定性的因素三、影響界面穩(wěn)定性的因素1. 1. 物理方面的不穩(wěn)定因素物理方面的不穩(wěn)定因素高溫條件下增強(qiáng)體與基體之間的熔融高溫條件下增強(qiáng)體與基體之間的熔融鎢絲增強(qiáng)鎳合金材料鎢絲增強(qiáng)鎳合金材料鎢錸合金絲增強(qiáng)鈮合金鎢錸合金絲增強(qiáng)鈮合金碳纖維增強(qiáng)鎳材料碳纖維增強(qiáng)鎳材料2. 2. 化學(xué)方面的不穩(wěn)定性化學(xué)方面的不穩(wěn)定性與復(fù)合材料在加工使用過(guò)程中的界面化學(xué)反應(yīng)有關(guān)與復(fù)合材料在加工使用過(guò)程中的界面化學(xué)反應(yīng)有關(guān)暫穩(wěn)態(tài)界面變化暫穩(wěn)態(tài)界面變化連續(xù)式界面反應(yīng)連續(xù)式界面反應(yīng)交換式界面反應(yīng)交換式界面反應(yīng)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響最大對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響最大生成的化合物更脆；影響增強(qiáng)體的性能生成的化合物更脆；影響增強(qiáng)體