復(fù)合原理復(fù)合材料原理

復(fù)合原理復(fù)合材料設(shè)計(jì)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)纖維增強(qiáng)機(jī)理主要內(nèi)容五六復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制陶瓷基復(fù)合材料纖維、晶須強(qiáng)韌機(jī)理陶瓷基復(fù)合材料顆粒增韌機(jī)制陶瓷基復(fù)合材料相變增韌機(jī)制三四一二七復(fù)合材料設(shè)計(jì)的概述復(fù)合材料設(shè)計(jì)的類型復(fù)合材料的最新設(shè)計(jì)主要內(nèi)容復(fù)合材料設(shè)計(jì)的步驟三四一二知識(shí)點(diǎn)1-復(fù)合材料設(shè)計(jì)復(fù)合材料：是經(jīng)過選擇、含有一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復(fù)合，組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。基體相：連續(xù)分布的相。增強(qiáng)相或增強(qiáng)體：不連續(xù)分布的相，通過與基體的界面結(jié)合，會(huì)使復(fù)合材料性能顯著增強(qiáng)。三大要素：基體、增強(qiáng)體及兩者的結(jié)合界面復(fù)合原理：即組分相（基體、增強(qiáng)體）的合理設(shè)計(jì)、組分相間的復(fù)合機(jī)理（復(fù)合效應(yīng)與增強(qiáng)機(jī)制）復(fù)合原理的主要內(nèi)容：

1）復(fù)合材料設(shè)計(jì)

2）復(fù)合效應(yīng)

3）增強(qiáng)機(jī)制知識(shí)點(diǎn)1-復(fù)合材料設(shè)計(jì)1.復(fù)合材料設(shè)計(jì)注意：1）復(fù)合材料設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)：是根據(jù)項(xiàng)目的使用目的和性能要求，擬定其材料、結(jié)構(gòu)、工藝及費(fèi)用等方面的計(jì)劃與估算，類似于材料選擇，而非嚴(yán)格意義上的材料設(shè)計(jì)。較少考慮材料的結(jié)構(gòu)與制造工藝問題，設(shè)計(jì)與材料具有一定意義上的相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能與結(jié)構(gòu)、工藝具有很強(qiáng)的依賴性，可使某一方向上具有較強(qiáng)的性能，及具有可設(shè)計(jì)性，是一種可設(shè)計(jì)的材料。2）復(fù)合材料設(shè)計(jì)也不同于冶金設(shè)計(jì)。冶金設(shè)計(jì)：即根據(jù)性能要求、工藝特點(diǎn)所進(jìn)行的成分設(shè)計(jì)。復(fù)合材料設(shè)計(jì)是指根據(jù)使用目的和性能要求，選擇組份材料的種類、含量及復(fù)合材料的制備工藝、組份材料間的結(jié)構(gòu)、復(fù)合效應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)成分、結(jié)構(gòu)、性能最優(yōu)化的過程。

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at

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lptd傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)即為選擇不同的材料，然后確定其尺寸即可。由于管壁的徑向應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)，按平面應(yīng)力計(jì)算，僅考慮軸向和周向應(yīng)力。合金中Fe+C物理作用C+α-FeC+δ-FeC+γ-Feδγα化學(xué)作用Fe3CFe2CFeC復(fù)合材料中基體

增強(qiáng)體界面軸向、周向的力平衡方程分別是：令

c≤[],算得壁厚:t≥pd/(2[])因此，危險(xiǎn)發(fā)生在周向，按周向設(shè)計(jì)時(shí)，勢必導(dǎo)致軸向材料浪費(fèi)－難以避免！Δldt因?yàn)?/p>

c=2a得：＝54°44′08″只要按該方向分布，即可獲得等強(qiáng)度圓筒

r2.復(fù)合材料設(shè)計(jì)的類型1）安全設(shè)計(jì)在使用條件下不致失效，主要為強(qiáng)度和模量。2）單項(xiàng)性能設(shè)計(jì)使復(fù)合材料的某項(xiàng)性能符合要求。如吸波、透波、零膨脹等，在滿足單項(xiàng)主要要求時(shí)，還要兼顧其他要求綜合考慮。3）等強(qiáng)度設(shè)計(jì)使其性能的各向異性符合工作條件和環(huán)境要求的方向性。4）等剛度設(shè)計(jì)要求材料的剛度滿足對(duì)于構(gòu)件變形的限制條件，并沒有過多的冗余。5）優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)極值化。如最低成本、最長壽命、最小質(zhì)量等。3.復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則1）使用性能原則

保證在設(shè)定環(huán)境條件下使用不致失效。使用性能包括：物理性能：導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能等化學(xué)性能：耐蝕性能、抗氧化性能等力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、模量、耐磨性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等2）可靠性原則復(fù)合材料經(jīng)長期使用后仍能保證其具有可靠的使用性能。3）工藝原則復(fù)合材料的制備工藝相對(duì)簡單、經(jīng)濟(jì)和可靠。4）經(jīng)濟(jì)性原則

低成本、長壽命、小質(zhì)量等。4.復(fù)合材料設(shè)計(jì)的步驟1）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)復(fù)合材料的（1）使用性能，包括①物理性能：包括密度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、吸波性、透光性等；②化學(xué)性能：包括抗腐蝕性、抗氧化性；③力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性、抗疲勞性、抗蠕變性等要求。（2）使用條件：包括使用溫度、環(huán)境氣氛、載荷性質(zhì)、接觸介質(zhì)等。（3）約束條件：如資源等，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。2）選擇組分材料根據(jù)復(fù)合材料應(yīng)具有的性能，選擇組分材料（基體與增強(qiáng)體），包括組分材料的種類、比例、幾何形狀、分布形式等。選擇組分材料應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：（1）由于組分種類的限制，其性能不可能呈連續(xù)函數(shù)而只能是呈階梯形式變化。（2）應(yīng)明確各組分在復(fù)合材料中所承擔(dān)的功能。（3）能使各組分在復(fù)合材料中的預(yù)定功能得到充分發(fā)揮。還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）各組分材料的相容性（物理、化學(xué)、力學(xué)的相容性）。（2）按照各組分在復(fù)合材料中所起的作用來確定增強(qiáng)組分的形狀（顆粒、纖維、晶須及其編織狀等）。（3）復(fù)合后，各組分能保持各自的優(yōu)異性能，產(chǎn)生所需要的復(fù)合效應(yīng)?；w材料的選擇：主要取決于其使用環(huán)境，一般由使用溫度來決定。（1）當(dāng)使用溫度<300℃時(shí)，一般選聚合物為基體。（2）當(dāng)使用溫度300～450℃時(shí)，一般選Al、Mg等金屬及其合金為基體。（3）當(dāng)使用溫度<650℃時(shí)，選Ti及其合金為基體。（4）當(dāng)使用溫度為650～1260℃時(shí)，選高溫合金或金屬間化合物為基體。（5）當(dāng)使用溫度為980～2000℃時(shí)，選陶瓷為基體。

3）選擇制備方法，確定工藝參數(shù)注意點(diǎn)：（1）制造過程中盡量不對(duì)增強(qiáng)體造成污染、損傷；（2）使增強(qiáng)體按預(yù)定方向排列、均勻分布；（3）基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合良好。4）準(zhǔn)備組分材料、制備設(shè)備，試制樣品。5）測定樣品性能，利用損傷力學(xué)、強(qiáng)度理論、斷裂力學(xué)等手段分析。6）對(duì)樣品進(jìn)行可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。1）一體化設(shè)計(jì)

即材料－工藝－設(shè)計(jì)綜合考慮、整體設(shè)計(jì)的方法。2）復(fù)合材料的軟設(shè)計(jì)

即利用軟科學(xué)理論（模糊理論、混沌理論）、手段來進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)的方法。例如：復(fù)合材料最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則：1000MPa作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有很多不足：1）＝999MPa與＝1001MPa無實(shí)質(zhì)性區(qū)別，但根據(jù)準(zhǔn)則，前者可行，后者不允許。其實(shí)這兒允許的概念是模糊的，不是絕對(duì)的，該問題只有用軟科學(xué)解決。2）材料及其結(jié)構(gòu)在使用過程中存在許多不確定的隨機(jī)因素，確定性判據(jù)忽略了這些隨機(jī)性因素，不能說明結(jié)構(gòu)在使用期間的可靠性。優(yōu)點(diǎn)：1）克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)械性。2）影響復(fù)合材料的性能有諸多因素，存在著較大的不確定性和模糊性，可由軟科學(xué)解決。3）影響環(huán)境載荷的因素較多，具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性，可由軟科學(xué)解決。5.復(fù)合材料的最新設(shè)計(jì)3）復(fù)合材料的宏觀、細(xì)觀（介觀）及微觀設(shè)計(jì)首先通過對(duì)復(fù)合材料的細(xì)觀和宏觀力學(xué)分別研究，建立起復(fù)合材料的細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及各組分材料特性與復(fù)合材料宏觀性能的定量關(guān)系，將復(fù)合材料均勻化，然后將其作為一個(gè)整體進(jìn)行宏觀分析，研究它們的平均應(yīng)力場和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并考慮組分材料的性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性以及它們之間破壞的相關(guān)性建立耗散結(jié)構(gòu)理論模型，進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)的方法。該法的優(yōu)點(diǎn)：1）建立起復(fù)合材料的宏觀性能與組分材料性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。2）揭示出不同組分材料復(fù)合具有不同宏觀性能如強(qiáng)度、剛度及斷裂韌性的內(nèi)在機(jī)制。3）根據(jù)需要選取合適的組分材料，設(shè)計(jì)最優(yōu)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)及制造載荷：機(jī)械載荷高溫濕熱等材料設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)：形狀、尺寸等有限元分析：幾何非線性物理非線性等破壞與失效準(zhǔn)則蔡－希爾準(zhǔn)則屈曲準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則等試樣制作是否符合要求制作復(fù)合材料樣品標(biāo)準(zhǔn)材料測試：結(jié)構(gòu)測試：纖維性能梁結(jié)構(gòu)基本性能 板殼結(jié)構(gòu)