复合材料设计课件.ppt

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。 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。 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： ☆　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 。 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 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 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(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。 2、横向弹性模量 修正问题之一 考虑纤维对基体的约束作用，复合材料的弹性模量修正为： 修正问题之二 考虑界面结合并不是完全理想，而且在制造过 程中会造成增强材料的损坏，前卫损伤、折断，纤 维折断后小于临界长度，增强效果明显下降，复合 材料的纵向弹性模量修正式为： 3、剪切模量 对于纤维增强复合材料而言 1. 承担载荷的主要是纤维 纤维的强度越高越有利 提高纤维的模量相当于减低纤维含量。 2. 基体没有发挥最大作用。 若基体的应力－应变曲线左移或者纤维的