復合原理復合材料原理

復合原理復合材料設計復合材料的復合效應纖維增強機理主要內容五六復合材料的增強機制陶瓷基復合材料纖維、晶須強韌機理陶瓷基復合材料顆粒增韌機制陶瓷基復合材料相變增韌機制三四一二七復合材料設計的概述復合材料設計的類型復合材料的最新設計主要內容復合材料設計的步驟三四一二知識點1-復合材料設計復合材料：是經過選擇、含有一定數量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復合，組成多相、三維結合且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。基體相：連續分布的相。增強相或增強體：不連續分布的相，通過與基體的界面結合，會使復合材料性能顯著增強。三大要素：基體、增強體及兩者的結合界面復合原理：即組分相（基體、增強體）的合理設計、組分相間的復合機理（復合效應與增強機制）復合原理的主要內容：

1）復合材料設計

2）復合效應

3）增強機制知識點1-復合材料設計1.復合材料設計注意：1）復合材料設計不同于傳統材料的設計。傳統材料設計：是根據項目的使用目的和性能要求，擬定其材料、結構、工藝及費用等方面的計劃與估算，類似于材料選擇，而非嚴格意義上的材料設計。較少考慮材料的結構與制造工藝問題，設計與材料具有一定意義上的相對獨立性，但復合材料的性能與結構、工藝具有很強的依賴性，可使某一方向上具有較強的性能，及具有可設計性，是一種可設計的材料。2）復合材料設計也不同于冶金設計。冶金設計：即根據性能要求、工藝特點所進行的成分設計。復合材料設計是指根據使用目的和性能要求，選擇組份材料的種類、含量及復合材料的制備工藝、組份材料間的結構、復合效應等，實現成分、結構、性能最優化的過程。

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lptd傳統的材料設計即為選擇不同的材料，然后確定其尺寸即可。由于管壁的徑向應力較小，可忽略不計，按平面應力計算，僅考慮軸向和周向應力。合金中Fe+C物理作用C+α-FeC+δ-FeC+γ-Feδγα化學作用Fe3CFe2CFeC復合材料中基體

增強體界面軸向、周向的力平衡方程分別是：令

c≤[],算得壁厚:t≥pd/(2[])因此，危險發生在周向，按周向設計時，勢必導致軸向材料浪費－難以避免！Δldt因為

c=2a得：＝54°44′08″只要按該方向分布，即可獲得等強度圓筒

r2.復合材料設計的類型1）安全設計在使用條件下不致失效，主要為強度和模量。2）單項性能設計使復合材料的某項性能符合要求。如吸波、透波、零膨脹等，在滿足單項主要要求時，還要兼顧其他要求綜合考慮。3）等強度設計使其性能的各向異性符合工作條件和環境要求的方向性。4）等剛度設計要求材料的剛度滿足對于構件變形的限制條件，并沒有過多的冗余。5）優化設計目標函數極值化。如最低成本、最長壽命、最小質量等。3.復合材料的設計原則1）使用性能原則

保證在設定環境條件下使用不致失效。使用性能包括：物理性能：導電性能、導熱性能等化學性能：耐蝕性能、抗氧化性能等力學性能：強度、塑性、硬度、模量、耐磨性、沖擊韌性、疲勞強度等2）可靠性原則復合材料經長期使用后仍能保證其具有可靠的使用性能。3）工藝原則復合材料的制備工藝相對簡單、經濟和可靠。4）經濟性原則

低成本、長壽命、小質量等。4.復合材料設計的步驟1）確定設計目標根據復合材料的（1）使用性能，包括①物理性能：包括密度、導熱性、導電性、磁性、吸波性、透光性等；②化學性能：包括抗腐蝕性、抗氧化性；③力學性能：強度、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、環境氣氛、載荷性質、接觸介質等。（3）約束條件：如資源等，確定設計目標。2）選擇組分材料根據復合材料應具有的性能，選擇組分材料（基體與增強體），包括組分材料的種類、比例、幾何形狀、分布形式等。選擇組分材料應明確以下幾點：（1）由于組分種類的限制，其性能不可能呈連續函數而只能是呈階梯形式變化。（2）應明確各組分在復合材料中所承擔的功能。（3）能使各組分在復合材料中的預定功能得到充分發揮。還應注意以下幾點：（1）各組分材料的相容性（物理、化學、力學的相容性）。（2）按照各組分在復合材料中所起的作用來確定增強組分的形狀（顆粒、纖維、晶須及其編織狀等）。（3）復合后，各組分能保持各自的優異性能，產生所需要的復合效應。基體材料的選擇：主要取決于其使用環境，一般由使用溫度來決定。（1）當使用溫度<300℃時，一般選聚合物為基體。（2）當使用溫度300～450℃時，一般選Al、Mg等金屬及其合金為基體。（3）當使用溫度<650℃時，選Ti及其合金為基體。（4）當使用溫度為650～1260℃時，選高溫合金或金屬間化合物為基體。（5）當使用溫度為980～2000℃時，選陶瓷為基體。

3）選擇制備方法，確定工藝參數注意點：（1）制造過程中盡量不對增強體造成污染、損傷；（2）使增強體按預定方向排列、均勻分布；（3）基體與增強體界面結合良好。4）準備組分材料、制備設備，試制樣品。5）測定樣品性能，利用損傷力學、強度理論、斷裂力學等手段分析。6）對樣品進行可靠性、安全性和經濟性分析，總結經驗，進一步優化設計。1）一體化設計

即材料－工藝－設計綜合考慮、整體設計的方法。2）復合材料的軟設計

即利用軟科學理論（模糊理論、混沌理論）、手段來進行復合材料設計的方法。例如：復合材料最大拉應力準則：1000MPa作為設計基準進行設計時，有很多不足：1）＝999MPa與＝1001MPa無實質性區別，但根據準則，前者可行，后者不允許。其實這兒允許的概念是模糊的，不是絕對的，該問題只有用軟科學解決。2）材料及其結構在使用過程中存在許多不確定的隨機因素，確定性判據忽略了這些隨機性因素，不能說明結構在使用期間的可靠性。優點：1）克服傳統設計的機械性。2）影響復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，可由軟科學解決。3）影響環境載荷的因素較多，具有隨機性、模糊性和不確定性，可由軟科學解決。5.復合材料的最新設計3）復合材料的宏觀、細觀（介觀）及微觀設計首先通過對復合材料的細觀和宏觀力學分別研究，建立起復合材料的細、微觀結構參數及各組分材料特性與復合材料宏觀性能的定量關系，將復合材料均勻化，然后將其作為一個整體進行宏觀分析，研究它們的平均應力場和動態響應，并考慮組分材料的性能和細觀結構的隨機性以及它們之間破壞的相關性建立耗散結構理論模型，進行復合材料設計的方法。該法的優點：1）建立起復合材料的宏觀性能與組分材料性能及細觀結構之間的定量關系。2）揭示出不同組分材料復合具有不同宏觀性能如強度、剛度及斷裂韌性的內在機制。3）根據需要選取合適的組分材料，設計最優的復合材料結構。復合材料及其結構的虛擬設計及制造載荷：機械載荷高溫濕熱等材料設計初步設計：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則蔡－希爾準則屈曲準則斷裂準則等試樣制作是否符合要求制作復合材料樣品標準材料測試：結構測試：纖維性能梁結構基本性能 板殼結構