复合材料设计-PPT课件.ppt

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1、复合材料：由两种或两种以上物理和化学不同物质组合起来而得到的一种多相固体材料。更确切地说．利用适当的工艺方法，将两种或几种在物理性能和化学性能不同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料各组分间有明显界面。§1.基本概念材料的性能比组成材料的性能好，具有复合效果，即具有组成材料相互取长补短的良好综合性能。基体：在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体。增强材料：复合材料中另一相为分散相，称为增强材料。注意：分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。分散相是增强纤维，颗粒状或弥散状的填料。复合材料由基体(即连续相)和分散或增强材料(由纤维或颗粒等

2、组成相)，通过一定工艺方法固结成一体。复合材料组成及显微结构基体+增强体+（界面）+（孔隙）多相材料性能取决于：各组成体的化学成分、结构、几何形态、数量、分布及界面行为一般原则根据产品使用性能选择，同时考虑组成体间的相容性、基体与增强体的界面反应、可加工性、经济成本等因素。例如：结构用复合材料注重最佳强度与刚度；功能复合材料应具有良好的物理性能；高温材料要求良好热强性、耐蚀性；金属基复合材料还应注意其具备良好的工艺性。§2.组成体选择原则纤维增强复合材料1、基体作用与要求:-----赋形-----传递与分配载荷、界面结合2、增强纤维作用与要求:-----承受载荷的主

3、体-----最佳强度与刚度、结构稳定、最少缺陷、无界面反应、结合良好；短纤维增强的最佳长径比3、基本原则:纤维的强度和模量都要高于基体。纤维和基体之间要有一定的粘接力。纤维和基体的热膨胀系数相差不能过大。纤维和基体之间不能发生有害的化学反应。纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。颗粒增强复合材料1、增强体作用：增强体约束基体变形2、要求基体：具有较高强度与刚度，易加工（金属基）、与增强体良好相容性、不发生界面反应。3、基本原则：颗粒应高度弥散均匀的分散在基体中。颗粒直径大小要合适。颗粒数量一般应大于20%。颗粒与基体之间有一定的粘接作用。材料设计初期阶段根据目标

4、性能，对材料组元数和各组元含量进行初步而简单的估计，最简单的估计方法是复合准则,即：假设复合材料的性能与组元的体积含量成正比：Pc——复合材料的性能指标Pi——各组元的性能指标i——各组元的体积含量N——组元的数目n——实验参数(1n1)§3.复合准则()å==NiiivPP1nncv（一）力学性能的复合准则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（二）物理性能的复合法则加和特性、传递特性、结构敏感特性☆当n=1时，复合材料由基体和一种强化相组成（N=2），称为并列模型，也称为经典复合准则。☆当n=-1时，若N=2，

5、称为串列模型。☆当n=0时，成为常数恒等式。或()å==NiiivPP1nncrrmmcvPvPP+=rrmmc111vPvPP+=mrrmrmcvPvPPPP+=或rrmmclnlnlnPvPvP+=rmPPPvrvmc)()(=简单复合准则的几种特殊形式及其对于分散强化型复合材料的适用范围n复合准则表达式适用复合材料类型可预测的特性1单向纤维强化复合材料平行于纤维方向弹性模量泊松比强度热传导率导电率0球形颗粒弥散强化弹性模量、电容率不规则结构弹性模量强化相三维无序排列弹性模量、热传导率-1单向纤维强化复合材料垂直于纤维方向弹性模量电容率热传导率导电率rrmmc

6、vPvPP+=rrmmclnlnlnPvPvP+=ccmmc111vPvPP+=复合材料力学性能的特点同常规材料(例如工程上大量采用的金属材料)的显著区别是非均质和各向异性。相比传统材料，复合材料在力学性能上有以下特点比强度、比模量较高具有可设计性力学行为有别于传统材料§4.力学性能设计复合材料力学的分类与应用范围传统分类：微观与宏观----微观力学的研究范围以原子、分子或晶格的大小为其尺度；----宏观力学研究各种结构和元件在不同载荷及环境下的强度、变形、稳定性和冲击、振动等问题；----对于复合材料力学，这种划分尚嫌粗糙。复合材料细观力学基本概念范畴：研究单向(

7、或单层)复合材料的平均物理性能与各相材料的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料各相内部的真实应力与应变场分布，以此作为确定复合材料性能与破坏机制的根据。基本假设：（1）复合材料被视为连续的非均匀介质，它不是以原子、分子尺度量级，而是以颗粒或纤维的直径为其特征尺寸。（2）“典型单元体”：细观单元，包含有复合材料的各个相，并且有与整个复合材料相同的特征(这主要是指各相体积的比例及增强体几何分布)的最小体积，因此，它的尺寸远远大于原子、分子尺度量级，又不同于经典连续介质理论中的微分单元。简言之，细观力学是以复合材料中各相材料的性能及相几何作为已知条件，来计算把