第三部分_复合材料的设计原理和复合理论.ppt

FEM优点：灵活有效，可研究复合材料的局部或整体变形特征。 虚线代表实验值 3.3 物理性能的复合法则 对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高比弹性模量等力学性能。但是其物理性能(non-structural properties)也应该通过复合化得到提高。 按照Alberts和Halo的分类，物理性能分为: 加和（平均）特性 乘积（传递）特性 结构敏感特性 3.3.1 加和特性(mean properties) 主要由原材料的组合形状和体积分数决定复合材料的性能。相当于力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性。复合法则为 式中Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原材料的特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数，n由实验确定，其范围为 -1?n?1。热传导、电导、透磁率等都属于此类，称为移动现象。其稳态过程可以按静电场、静磁场的方法处理。 诱电率、透磁率、电导系数、热导率、扩散系数等稳态过程的相似性 现象 势? 梯度Xi=-?? 物理常数 Lij 流束 Ji=Lijxi 静电场 静磁场 电导 热传导 扩散 静电势 磁势 电动势 温度 浓度 电场 磁场 电场 温度梯度 浓度梯度 诱电率 透磁率 电导率 热导率 扩散系数 电场密度 磁场密度 电流密度 热流束 质量流束 3.3.3 传递特性(乘积特性，product properties) 复合材料的乘积特性的概念是充分发挥构成复合材料的两种以上原材料的不同性能。 对于复合材料，假定X作为输入时产生输出Y（Y/X）；而Y又作为第二次的输入，产生输出Z（Z/Y）。这样就相当于产生了连锁反应，从而引出新的机能（Z/X）。 这种基本想法与传统的的复合材料中“引入作为强化的材料的第二相以改善基体材料的性能不足的部分”的想法从本质上是不同的。它为开发出具有全新性能的功能性复合材料指出了方向。现在对该系统的研究主要是有关定向凝固合金等方面，当然对复合材料的发展也寄予很大的希望。 结构敏感特性 在复合材料的力学性能中，弹性模量等属于不敏感特性。即它主要受第二相的体积分数所支配，而与其绝对尺寸和分散状态关系不大。物理性能中的传导率也属于此类。 另一方面，还有一类性能对材料的微观结构和尺寸很敏感，例如力性能中的强度。 第三部分 复合材料的设计原理和复合理论 3.1 力学性能的复合法则 增强原理: 弥散增强、颗粒增强、 长纤维增强、短 纤维增强 几种主要的力学模型： 层板模型、 切变延滞模型、 连续同轴柱体模型、 有限差分与有限元模型 3.2 物理性能的复合法则 加和特性 传递特性 结构敏感特性 复合材料的基本理论 材料的微观组织 形状、分散程度 体积分数 几何学特征 原材料的性能 力学性能 物理性能 界面的状态 复合材料的 基本理论 复合材料的 整体性能 ? ?复合材料理论与组织、性能之间的关系 3.1 力学性能的复合法则 3.1.1 增强原理 为了提高力学性能而研制的复合材料，有三种类型： （1）弥散增强型； （2）颗粒增强型； （3）纤维增强型（连续纤维、短纤维增强）。 其中（1）、（2）两种类型的增强原理几乎是相同的，而（3）型属于另外一种。 弥散增强型 50x 50μm 颗粒增强型 50x 50μm 纳 米 碳 管 纤 维 主要由基体承担载荷 弥散质点（微粒）阻碍基体中的位错运动或分子链运动 阻碍能力越大，强化效果越好 条件： 质点是弥散于基体中且均匀分布的球形 d为微粒直径 Vp为体积分数 Gm为基体的切变模量 b为柏氏矢量 τy为复合材料的屈服强度 弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。 一般Vp=0.01 ~ 0.15，dp=0.001μm ~ 0.1 μm 基体发生位错运动时，复合材料产生塑性变形，此时剪切应力τy即为复合材料的屈服强度 （1）弥散增强 （2）颗粒增强 颗粒的尺寸较大(1 μm) 基体承担主要的载荷 颗粒也承担载荷 颗粒约束基体的变形 σy 为复合材料的屈服强度 Gp为颗粒的切变模量 C为常数 颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般在颗 粒增强复合材料中，颗粒直径为 1 ~ 50 μm，颗粒间距为1 ~ 35 μm，