材料在复合后产生的效应特征材料在复合后产生的效应特征 线性效应 非线性效应 平 均 效 应 平 行 效 应 相 补 效 应 相 抵 效 应 相 乘 效 应 诱 导 效 应 共 振 效 应 系 统 效 应 5.3 5.3 复合材料的复合效应复合材料的复合效应 5.3.15.3.1材料的复合效应材料的复合效应 平均效应平均效应 显示的复合材料的最典型的一种复合效应显示的复合材料的最典型的一种复合效应 P P c c =P=Pm m V V mm+P +P f f V V f f P P为材料性能，为材料性能，y y为材料体积含量；角标为材料体积含量；角标c c、mm 、 f f分别表示复合材料、基体和增强体分别表示复合材料、基体和增强体 例：复合材料的弹性模量 Ec=EmVm+EfVf 其组成复合材料的各组分在复合材料中，其组成复合材料的各组分在复合材料中， 均保留本身的作用，即无制约也无补偿。均保留本身的作用，即无制约也无补偿。 例如：增强体例如：增强体( (纤维纤维) )基体界面很弱的复基体界面很弱的复 合材料。合材料。 平行效应平行效应 组成复合材料的基体与增强体，在性能上能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，则显示出相补互补，从而提高了综合性能，则显示出相补 效应。效应。 对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复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复合材料，其性能显示为增强体与基体的互 补。补。 相补效应相补效应 基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相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，则复合后显示出互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出 相抵效应。相抵效应。 (1)(1)脆性的纤维增强体韧性基体复合材料脆性的纤维增强体韧性基体复合材料( (界面界面 结合很强结合很强) ) 显示为脆性断裂。显示为脆性断裂。 (2)(2)玻璃纤维增强塑料硅烷偶联剂树脂基体组成玻璃纤维增强塑料硅烷偶联剂树脂基体组成 的复合材料的复合材料 材料的拉伸强度高出材料的拉伸强度高出30304040 ，而且湿态强度保留率也明显提高。，而且湿态强度保留率也明显提高。 这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性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，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。过强的界面结合不一定是最适宜的。 相抵效应相抵效应 相乘效应相乘效应 两种具有转换效应的材料复合在一起，即可两种具有转换效应的材料复合在一起，即可 发生发生相乘效应。相乘效应。这样的组合可以非常广泛，这样的组合可以非常广泛， 已被用于设计功能复合材料。已被用于设计功能复合材料。 电磁效应材料磁光效应的材料电磁效应材料磁光效应的材料 电光效应复合材料电光效应复合材料 X XY YY YZ=XZ=XZ Z 将一种具有两种性能互相转换的功能材料将一种具有两种性能互相转换的功能材料X X Y Y和另一种换能材料和另一种换能材料Y YZ Z复合起来，式中复合起来，式中 ，X X、Y Y、Z Z分别表示各种物理性能。上式符分别表示各种物理性能。上式符 合乘积表达式，所以称之为相乘效应。合乘积表达式，所以称之为相乘效应。 在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以 通过通过诱导诱导作用使另一组分材料的作用使另一组分材料的结构改变结构改变而而改改 变整体性能变整体性能或或产生新的效应产生新的效应。 (1) (1) 如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶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作用。或晶形基体的晶形取向作用。 (2) (2) 在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维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。种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。 诱导效应诱导效应 共振效应共振效应 两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械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。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，不同于原组分的固有频率，当复合材料中某当复合材料中某 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。频率也会发生改变。利用这种效应，可以根利用这种效应，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。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，调整复合材料频率，达到吸收外来率特征，调整复合材料频率，达到吸收外来 波的目的。波的目的。 是一种材料的复杂效应，至目前为止，这是一种材料的复杂效应，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。中已经发现这种效应的存在。 例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单例如，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。明组成了复合系统才能出现的现象。 系统效应系统效应 上述的各种复合效应，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 材料的基础理论问题 性质分类 固有性质传递性质强度性质转换性质 复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材复合材料在各相之间不相互作用所表现出来的材 料性质。这类性质往往是材料性质的直观表现，料性质。这类性质往往是材料性质的直观表现， 如材料的密度、比热容。它们从本质上表示材料如材料的密度、比热容。它们从本质上表示材料 所含有的所含有的物质量和能量物质量和能量的额度，在数学形式上，的额度，在数学形式上， 该量是一个该量是一个标量标量。 复合材料的固有性质在组分复合前后，其复合材料的固有性质在组分复合前后，其物质量物质量 和能量的总含量不会变化和能量的总含量不会变化( (包括复合过程中的能量包括复合过程中的能量 变化量变化量) )。此时，复合材料的性质是各相组分按含。此时，复合材料的性质是各相组分按含 量的加和性，而与各相的几何状态、量的加和性，而与各相的几何状态、 分析状态无分析状态无 关。关。 固有性质固有性质 密度、比热密度、比热 标量标量 式中，式中， 为材料某一性能，为材料某一性能， i i 为组分材料的性能为组分材料的性能， V V为组分体积含量。为组分体积含量。 上式即为混合律。对复合材料而言，属于固上式即为混合律。对复合材料而言，属于固 有性质的物理量，都应服从混合律。要注意的是有性质的物理量，都应服从混合律。要注意的是 ，对于复合材料的某些性质，尽管也近似于服从，对于复合材料的某些性质，尽管也近似于服从 混合律，但并不是从本质上服混合律，但并不是从本质上服 从混合律，故不属从混合律，故不属 于固有性质。于固有性质。 材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表 征某通量通过材料征某通量通过材料阻力大小阻力大小的物理量，诸如导的物理量，诸如导 热性质热性质( (导热系数导热系数) )、导电性质、导电性质( (电阻率电阻率) )等等。该等等。该 类性质本质上表征材料中微粒子的运动状态类性质本质上表征材料中微粒子的运动状态 及通过运动传递能量、物质的能力。及通过运动传递能量、物质的能力。 对于复合材料多相体系，由于不同介质的传递对于复合材料多相体系，由于不同介质的传递 性质的差异、相结构及相间边界条件的差异，性质的差异、相结构及相间边界条件的差异， 使传递的路径、速率与均质材料不相同。从物使传递的路径、速率与均质材料不相同。从物 理角度讲，即使由作用场输入的是一维均匀理角度讲，即使由作用场输入的是一维均匀 流，输出的通量仍是非均匀的杂散流。流，输出的通量仍是非均匀的杂散流。 传递性质传递性质 作为最简单的传递方式，有串联和并联两种基作为最简单的传递方式，有串联和并联两种基 本形式。本形式。 对复杂的多相结构，往往可以采用这两种形式对复杂的多相结构，往往可以采用这两种形式 的多次组合。的多次组合。 对于不同物理场的传递，材料阻力系数具有不同 的物理含义。如在电场作用下， 为材料的电阻 率，表征材料的导电性能；在热传导时， 为导 热系数，表征材料的热传递性能；对于复杂体系 的给热传递时， 为系统的导热系数。 导热性质（导热系数）、导电性质（电阻）导热性质（导热系数）、导电性质（电阻） 式中，式中，为材料某一性能，为材料某一性能， i i 为组分材料的性能为组分材料的性能 ， V V 为组分体积含量。（广义欧姆定律）为组分体积含量。（广义欧姆定律） 材料的材料的强度特性强度特性是材料承受外作用场是材料承受外作用场极限能力极限能力的的 表征，这一概念对于结构体系也是同样的含义。表征，这一概念对于结构体系也是同样的含义。 材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如 拉伸强度、冲击强度等；材料对电场的承受能力拉伸强度、冲击强度等；材料对电场的承受能力 ，则为电击穿强度。，则为电击穿强度。 对于非均质的复合材料，材料对外作用场的承载对于非均质的复合材料，材料对外作用场的承载 能力不是各组分相承载力的叠加，而与外作用场能力不是各组分相承载力的叠加，而与外作用场 的分布、分组分相之间的相互作用有关，也与组的分布、分组分相之间的相互作用有关，也与组 分相的含量、几何状态、分布状态及各相的失效分相的含量、几何状态、分布状态及各相的失效 过程有关。过程有关。 强度性质强度性质 转换性质转换性质: :是指材料在一种外场作用下，转换产生另一种是指材料在一种外场作用下，转换产生另一种 新场量。表征两种场量的相互关系则称为转换关系。如材新场量。表征两种场量的相互关系则称为转换关系。如材 料在电场作用下产生热量，在热作用下产生光，在应力作料在电场作用下产生热量，在热作用下产生光，在应力作 用下发生变化，都是材料的转换性质。转换性质是表征材用下发生变化，都是材料的转换性质。转换性质是表征材 料的微观结构，拓扑在外作用场下的变化。材料的转换性料的微观结构，拓扑在外作用场下的变化。材料的转换性 质通常是张量。质通常是张量。 转换性质转换性质 对于复合材料，其转换性质除了取决于各组分相的微观结对于复合材料，其转换性质除了取决于各组分相的微观结 构外，还取决于各组分相间的相互作用。由于不同组分的构外，还取决于各组分相间的相互作用。由于不同组分的 转换性质不同，复合材料的转换性质更为复杂。转换性质不同，复合材料的转换性质更为复杂。 前面提到的材料复合的相乘效应是复合材料转换性质的典前面提到的材料复合的相乘效应是复合材料转换性质的典 型效应。型