6.复合材料的热学行为教程.ppt

6.复合材料的热学行为;6.0 耐热材料;热应力产生的因素;热冲击;6.1 热膨胀;基体与强化材料的热膨胀系数与温度的关系 ;对复合材料内部的应力进行分析求解;（a）SiC/Ti复合材料经500K冷却后的弹性应力状态；（b）假定基体的屈服强度为100MPa时塑性流动后的应力状态（无加工硬化） ;热膨胀 ;;;横向的热膨胀，短纤维，颗粒强化复合材料的热膨胀;玻璃纤维及颗粒强化材料/环氧树脂复合材料的热膨胀系数与纤维含量的关系 ;定向强化材料的热膨胀;基体的应力最初如A点所示，受到拉伸残余应力（屈服应力）。但是伴随着加热该应力下降，变为压缩应力，到达屈服点B。此时基体开始塑性流动，沿着屈服应力线图到达C点。而且，在冷却过程中，基体的应力又变为拉伸应力。线性增大直到拉伸屈服点D。到达屈服应力后，沿拉伸屈服应力线图到达A点。 ;Al-3Mg/30%SiC长纤维强化复合材料的 （a）热循环中的应变履历； （b）基体中轴向应力的下降。 ;由热循环的晶格应变的中子衍射法，对Al基体中配列5%SiC晶须的复合材料的测定结果：（a）强化相；（b）基体 ;6.2．由均匀的温度差所引起的热应力 ;由均匀的温度差所引起的热应力;Al2O3颗粒强化玻璃基复合材料中径向应力分布 ;微裂纹发生的条件 ;;6.2.2 . 热应力及热膨胀系数 ;热应力及热膨胀系数;放射方向应力σrr与半径方向应力σθθ随角度ψ的变化 ;残余应力随长径比的变化 ;SiC晶须强化Al2O3复合材料中平均残留应变的实验值与计算值 ;6.2.3 热应力与强度、韧性 ;热应力与强度、韧性;热应力与强度、韧性;圆柱模型的计算结果;基体中裂纹发生应变随临界能量释放率的变化 ;从材料的信赖性的观点看，希望强化体纤维在断裂之前能有类似金属材料那样的塑性变形。在CMC中，基体的断裂一般是多重断裂机制，在τi非常大的情况下，基体内的裂纹可能会引起复合材料全体的脆性断裂。在考虑到热应力的情况下，该断裂行为的判定基准为：T0.1时纤维断裂，T0.1时发生桥接。T≈0.1即可定量地预测热应力的影响。  与 分别为基体与纤维内的残余热应力。将p以及τi=μp代入上述基准式，即可定量地预测热应???的影响。 ;6.3 热冲击;热冲击;热冲击;热冲击;;式中 κc：导热率 h：传热系数（表面热转移系数） λc：温度导温系数 cc：比热。 ;;;6.3.2 断裂力学的方法;; 当裂纹处于实线以上的区域时是不稳定的。图中的点画线是考虑ΔT为一定时的行为。当裂纹长度l≤lCL（lCL为裂纹稳定曲线的左侧部分）或者l≥lCR（lCR为裂纹稳定曲线的右侧部分）时，裂纹不发生扩展。但是当lCL≤l≤lCR时，裂纹处于不稳定状态而急剧扩展。当然，不稳定裂纹的长度还随裂纹的密度而变化，主要是在右侧的lCR。这样的在随着裂纹长度增加时，裂纹在经历了不稳定阶段后又趋于稳定的特征，是热冲击中所特有的，与材料在受到一定载荷时裂纹的行为不同。这一点已经在耐火材料中得到了应用。例如，对于存在有大且多的孔洞的耐火砖，可以利用图中右侧的区域。也可以按照图中裂纹稳定的左侧区域设计，使材料即使在受到热冲击时，裂纹纹也不至于扩展到不稳定区域。 ;;2）热冲击参数;热冲击参数;热冲击参数;3） 残留强度 ;残留强度;各种热冲击参数与断裂行为的关系 ;6.3.3 由材料的复合提高耐热冲击性 ;一般的方法是通过材料的复合化来控制材料的αc、Ec、υc、σcu、κc等性能，以达到耐热冲击断裂性的指标。为了改善Al2O3的耐热性，考察了用热特性良好的SiC颗粒分散的复合材料。Κ c随SiC体积分数的增加而增大，而αc则随SiC体积分数的增加而减小。可知，使耐热冲击断裂性提高而强度下降的温度差也随SiC体积分数而变化。 ;Al2O3/SiC复合材料中 临界温度差与热传导系数随 SiC体积分数的变化 ;由材料的复合提高耐热冲击性;耐热性能与BN体积分数的关系;由材料的复合提高耐热冲击性 ;由材料的复合提高耐热冲击性;由材料的复合提高耐热冲击性;6.4 热传导;传热的普遍性与应用的广泛性 ;导 热;6.4.1 热传导的机理 ;一般规律;6.4.2复合材料的热传导性 ;轴向及横向的热传导：（a）关于长纤维复合材料的层板模型；（b）纤维方向的热流； （c）横向的热流 ;轴向的热流;横向的热传导;横向的热传导;碳化硅与氮化硼强化的铝基复合材料的热膨胀与热传导系数。点线描画的直线是表示以K/α作为参数，表示对热变形的抵抗。图中阴影部分表示Al/SiC与Al/BN复合材料中K与α组合的期待值。 ;6.4.3 界面的热阻 ;界 面 热 阻;接触热阻与压力的关系;长纤