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第三部分复合材料的设计原理和复合理论详解演示文稿 当前第1页\共有31页\编于星期三\8点 优选第三部分复合材料的设计原理和复合理论 当前第2页\共有31页\编于星期三\8点 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。 当前第3页\共有31页\编于星期三\8点 弥散增强型 50x 50μm 颗粒增强型 50x 50μm 当前第4页\共有31页\编于星期三\8点 纳 米 碳 管 纤 维 当前第5页\共有31页\编于星期三\8点 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 当前第6页\共有31页\编于星期三\8点 （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，颗粒的体积分数为0.05 ~ 0.5。 当前第7页\共有31页\编于星期三\8点 颗粒增强复合材料:用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成，既具有陶瓷的高硬度及耐热性，又具有脆性小、耐冲击等优点。颗粒增强复合主要是为了改善材料的耐磨性或综合的力学性能。 当前第8页\共有31页\编于星期三\8点 位错在晶面上滑移（a）和在TiC颗粒前位错的塞积（b） 当前第9页\共有31页\编于星期三\8点 不均匀变形引起位错增殖强化 颗粒复合材料的变形属于两相不均匀变形。较硬的颗粒不变形或变形较小，因此在界面上形成较高的形变不匹配，产生较高的变形应力。该应力的释放靠放出位错环实现，从而增加了基体位错的密度 两相不均匀变形在界面形成的位错环 当前第10页\共有31页\编于星期三\8点 （3）连续纤维增强 串联模型 并联模型 基体 增强体 基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维等），不是主承力相。 当前第11页\共有31页\编于星期三\8点 连续纤维增强（并联模型，等应变模型） 因P=σ ? A，所以σ c ? A c= σ m ? A m+ σ r ? A r ----（1） A c= A m+ A r A m / A c= f m A r / A c= f r (面积分数=体积分数) （1）式两边同除以A c ， σ c ? A c / A c = σ m ? A m / A c + σ r ? A r / A c 即σ c = σ m ? f m + σ r ? f r ----（3） 基体与纤维发生同样的应变ε c=ε m=ε f =ε （3 ）式两边同除以ε， σ/ ε= E E c = E m ? f m + E r ? f r 复合材料的载荷=基体载荷+纤维载荷 Pc=Pm+Pr 当前第12页\共有31页\编于星期三\8点 连续纤维增强（串联模型，等应力模型） Em Ef 串联模型 并联模型 体积分数fr 当前第13页\共有31页\编于星期三\8点 4)短纤维增强 短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与长纤维不同。该类材料受力基体变形时，短纤维上应力的分布载荷是基体通过界面传递给纤维的。在一定的界面强度下，纤维端部的切应力最大，中部最小。而作用在纤维上的拉应力是切应力由端部向中部积累的结果。所以拉应力端部最小，中部最大。 当前第14页\共有31页\编于星期三\8点 短纤维增强 作用在短纤维上的平均拉应力为: llc l=lc llc lc /3 σf σf max l β为图中lc/3线段