2复合材料的基本理论1.ppt
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fhclustb@200720072. 复合材料的基本理论力学性能的复合法则ü 增强原理ü 弥散增强ü 颗粒增强ü 长纤维增强ü 短纤维增强 几种主要的力学模型ü 层板模型ü 切变延滞模型ü 连续同轴柱体模型ü 有限差分与有限元模型 物理性能的复合法则ü 加和特性ü 传递特性复合材料的基本理论材料的微观组织 v 形状、分散程度 v 体积分数 v 几何学特征原材料的性能 v力学性能 v 物理性能 v 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2.1 力学性能的复合法则增强原理1) 弥散增强q 主要由基体承担载荷q 弥散质点阻碍基体中的位错运动q 阻碍能力越大，强化效果越好条件：Ø 质点是均匀分布的球形Ø d为直径Ø Vp为体积分数Ø Gm为基体的切变模量Ø b为柏氏矢量弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好颗粒增强 ü颗粒的尺寸较大ü基体承担主要的载荷ü颗粒也承担载荷ü约束基体的变形§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 2) 连续纤维增强串联模型并联模型基体增强体连续纤维增强（并联模型，等应变模型）复合材料的载荷=基体载荷+纤维载荷 Pc=Pm+Pr 因为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 （体积分数） 即（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 ----（2） 基体与纤维发生同样的应变ε c=ε m=ε f =ε （2 ）式两边同除以ε， σ/ ε= ElE c = E m • f m + E r • f r连续纤维增强（串联模型，等应力模型）EmEf串联模型并联模型短纤维增强短纤维（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，中部最大短纤维增强作用在短纤维上的平均拉应力为β为图中l0/2线段上的面积与（σf,max乘以l0/2积）之比值 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则β=1/2，因此ll0l/2σ σmax 短纤维增强若基体屈服强度为τmy，则纤维临界尺寸比为当基体为弹性材料时，式中短纤维增强复合材料的拉伸强度为式中σfF为纤维的平均拉伸应力，σm*为与纤维的屈服应变同时发生的基体应力l/lc越大，复合材料的拉伸强度也越大 Lc/2l <<1时，上式变为连续纤维的强 度公式当l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%l=10lc时，短纤维增 强的效果可达到连续纤维的95%所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长 纤维几种主要的力学模型层板模型几种主要的力学模型几种主要的力学模型层板模型层板模型层板模型l3方向：lE 3c = E m • f m + E I •（1- f m ）l2方向：123泊松比（泊桑比、泊松收缩）νij：在i方向加力时，j方向上产生的收缩 式中 优点：简便、可预测弹性模量。
缺点：不能预测内应力连续同轴柱体模型应力等距纤维中心的距离“1”与“2”等同可预测应力计算不复杂仅适用于长纤维未考虑非弹性需满足轴向对称轴向径向周向切变延滞模型Ø 应力是通过界 面由基体传递给 纤维Ø 适用于定向排 列短纤维对短纤维复合材料的刚度做简单的估算，可分析内部的应力需理解简化的性质 更接近实际的运算需要更复杂的模型有限差分与有限元模型v自变量：x、y（空间）；t（时间）v函数：φ（温度、浓度、电势、动量等 ）v拉普拉斯方程、泊松方程、高斯方程、 菲克方程、傅立叶方程、胡克方程、柯 西-雷曼方程、纳维-斯脱克斯方程等 有限差分与有限元模型数学基础采用有限元法进行应力分析确定偏微分方程空间离散化（例如三角形或四边形 ）应力函数在节点上或单元内计算各体积单元的“力”矢量与“ 刚度”矩阵建立联立方程组解该联立方程组建立网格a：网格畴填 充空间的几 种模式b：环绕纤维 的基体的几 种可能的网 格优点：灵活有效，可研究复合材料的局部或整体变形特征注意事项：充分理解数值方法的基础，边界条件的意义2.2 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。
物理性能包括Ø加和（平均）特性Ø乘积（传递）特性Ø结构敏感特性复合材料的复合效应线性效应非线性效应加和效应 平均效应 相补效应 相抵效应乘积效应 系统效应 诱导 效应 共振效应2.2.1 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 -1n1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2.2.1 加和特性(mean properties)为了将此类问题统一处理，现考虑标量场势，流束Ji以 及由定义的梯度场矢量Ji与Xi的关系为Ji=LijXi 式中Lij 为二维矩阵，相当于热传导、电导等物理常数诱电率、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2.2.2 传递特性(乘积特性，product properties)l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Y/X（状态1）Z/Y（状态2）传递特性（Z/X）磁/压力 磁场/压力 电场/压力 电场/压力 应变/磁场 应变/磁场 温度差/磁场 应变/磁场 应变/电场 磁场/光 电场/光 电场/光 同位素 同位素电阻变化/磁场 旋光性/磁场（法拉第效应） 发光/电场（电光亮度） 复折射/电场 电场/应变 电阻变化/应变 电场/温度差 复折射/应变 磁场/应变 应变/磁场 应变/电场 光/电场 导电性/光 荧光压力电阻效应 由机械负荷引起偏光面回转 压力光亮度 由机械负荷引起偏光面回转 磁电效应 磁电阻效应 拟洞穴效应（磁电效应） 磁感应折射 电磁效应 应变/光 应变/光 波长变换 放射线诱起电导 放射线检测器有机材料蒽（anthracene C14H10） 可以将X射线变换为可见光而发出 荧光，但是由于构成蒽的元素的原 子序数过小，对X线的吸收能力低 ，因此将X射线变换为可见光的效 率也低。
为了提高其对X射线的吸 收能力，将含有原子序数较大的原 子的PbCl2与蒽混合而成复合材料 当X射线照射复合材料时，其结果为X射线首先与PbCl2颗粒作用 而产生二次电子，接着二次电子再使蒽分子受激励产生可见光， 从而达到复合效果上图为100keV的X射线照射时蒽单体和复合 材料所产生的发光强度的比较可以看出，由于复合化使发光强 度提高了数倍 InSb为半导体，当有 电流i通过并施加与 之相垂直的磁场B时 ，由于霍尔效应，会 产生与电流和磁场都 垂直的电势差如果 将InSb板的上下侧进 行短路，则由于霍尔 效应会在原电流的方 向产生电流因为霍 尔电流是可以通过磁 场进行控制的，所以 实质上是利用霍尔电 流而控制了材料的电 阻 InSb-NiSb共晶合金中的NiSb呈针状，起到了前述的短 路作用此类材料已经在磁场测定器、非接触可变电阻 、电位器等方面得到了应用 InSbNiSb结构敏感特性 透光性陶瓷的光的 透过率随第二相或 气泡的尺寸而发生 的变化(47)可以看 出，在同样体积分 数的情况下，随第 二相尺寸的减小， 光的透过率和传播 距离都增加当第 二相的尺寸比起光 的波长充分小的时 候，即使是第二相 的体积分数达到 50%，也可以制出 透明性好的材料 。
