(10)--复合材料设计.pdf

1、复合材料设计弹 性 模 量 设 计：1 弹 性 模 量（Ec）是 结 构 材 料 的 一 个 非 常 重要 的 性 能 指 标，它 的 设 计 是 复 合 材 料 设 计的 重 要 内 容 之 一。但 弹 性 模 量 是 一 个 较 为 不 敏 感 的 材 料 特 性 量，因 此 对 于 满 足 上 表 的 复 合 材 料，采 用 简 单复 合 准 则，一 般 也 能 得 到 较 好 的 近 似 结 果。2 对 于 其 它 类 型 复 合 材 料，则 不 能 直 接 用简 单 复 合 准 则。（1）当 强 化 相 形 状 近 似 于 球 形 时，Paul 推导 出Ec 的 预 测 表 达 式（

2、2）强 化 相 为 纤 维 时，J.C.Halpin 与Tsai 导出 计 算 式 强 度 设 计：从 理 论 上 正 确 预 测 复 合 材 料 的 强 度 不 太 容 易。1 Shearlag 模 型（适 用 于 短 纤 维 与 晶 须 为 强 化 相 的复 合 材 料，不 适 合As2 颗 粒）yc=ym(Vm+VrAs/2)若 进 一 步 考 虑 在 基 体 中 纤 维 两 端 受 到 约 束 作 用 时，则 上 述 模 型 改 为：yc=ymVm+Vr(As+2)/2式 中：yc和ym分 别 表 示 复 合 材 料 和 基 体 材 料 的 屈服 应 力；As-长 径 比。模 型 并

3、没 有 反 映 颗 粒 尺 寸 对 强 度 的 影 响，也 没 有 反 映 复 合 材 料 内 部 的 位 错、应 力等 因 素 对 强 度 的 影 响。与 经 典 复 合 准 则 不 同，近 来 倾 向 于 使 用微 观 组 织 解 释 强 度 的 变 化。2 强 化 机 制：（1）位 错 强 化：基 体 与 强 化 相 的 热 膨 胀 差所 引 起 的 位 错 密 度 增 加。（2）颗 粒 强 化：颗 粒 等 强 化 相 对 位 错 的 钉扎 作 用 与 位 错 的 高 密 度 化。（3）晶 粒 与 亚 晶 粒 强 化：添 加 细 小 颗 粒 导致 的 晶 粒 细 化。如 采 用 铸 造

4、法 制 备 颗 粒型 金 属 基 复 合 材 料。韧 性 设 计：陶 瓷 材 料 的 优 点 是 强 度 高、耐 磨、耐 热、耐腐 蚀。缺 点 是 韧 性 差。陶 瓷 材 料 的 增 韧 设 计 具 有 重 要 的 意 义。1 陶 瓷 复 合 材 料 的 韧 化 机 制（1）防 护 机 制：指 可 以 缓 和 裂 纹 尖 端 应 力 集中，从 而 减 缓 或 阻 止 裂 纹 的 扩 展，提 高 材料 韧 性 的 机 制。桥 梁 机 制：强 化 相 直 接 承 受 压 力，通 过强 化 相 对 裂 纹 的 阻 碍、闭 合、桥 接 作 用，阻 止 裂 纹 扩 展。非 桥 梁 机 制：强 化 相 不

5、 直 接 承 受 应 力，但 在 裂 纹 尖 端 形 成 附 加 压 应 力 场 的 机 制。a.相 变 机 制：利 用 裂 纹 的 拉 应 力，诱 导 相变，使 体 积 膨 胀，在 裂 纹 尖 端 附 近 形 成膨 胀 压 缩 压 变 场，从 而 导 致 压 应 力 场 的产 生，起 到 阻 碍 裂 纹 扩 展 的 作 用。典 型 例 子 是 部 分 稳 定 的ZrO2复 合 材 料，内部 存 在 少 量 不 稳 定 的 正 方 晶ZrO2，拉 应力 会 诱 发 t-ZrO2m-ZrO2相 变。b.微 裂 纹 机 制：微 裂 纹 的 产 生 将 在 其 周 围产 生 压 应 力 场。如 果

6、能 在 主 裂 纹 尖 端 处引 入 微 裂 纹，利 用 其 形 成 的 压 应 力 场，可 以 阻 碍 主 裂 纹 扩 展。裂 纹 的 长 度 超 过 临 界 长 度 后 才 能 进 行 扩展，并 导 致 破 碎。c.残 余 应 力 机 制：通 过 复 合，使 材 料 内 部产 生 一 定 的 残 余 压 应 力 场，从 而 造 成 不利 于 裂 纹 扩 展 的 条 件。热 膨 胀 系 数 较 小 的 增 强 体 在 室 温 下 使 复合 材 料 内 部 存 在 压 应 力。（2）非 防 护 机 制：由 于 强 化 相 的 存 在，迫使 裂 纹 需 要 不 断 改 变 扩 展 方 向、或 使

7、 裂纹 产 生 弯 曲，使 得 其 扩 展 需 要 消 耗 附 加能 量。裂 纹 偏 转 机 制：由 于 强 化 相 存 在，使 裂纹 在 材 料 中 呈 锯 齿 形 扩 展，裂 纹 方 向 的偏 转 以 及 裂 纹 表 面 积 的 增 加，导 致 能 量消 耗 增 加 而 使 扩 展 困 难。弯 曲 机 制：强 化 相 使 裂 纹 的 先 端 路 径 产生 弯 曲，对 裂 纹 的 扩 展 起 阻 碍 作 用，增加 了 裂 纹 扩 展 所 需 能 量。2.韧 性 与 强 度 的 关 系(1)金 属 基 复 合 材 料：金 属 本 身 富 有 韧 性 与 延 展 性，随 强 化 相 的 含量 增

8、 加，强 度 会 提 高，但 韧 性 会 降 低。(2)陶 瓷 基 复 合 材 料：陶 瓷 材 料 本 身 为 脆 性，几 乎 没 有 塑 性 变 形 能力。加 入 适 当 的 强 化 相，合 理 利 用 增 韧 机制，可 使 强 度 与 韧 性 同 时 提 高。物 理 性 能 设 计：1 密 度：如 果 复 合 材 料 的 致 密 度 达 到 或 接 近100%，密度 可 以 用 简 单 复 合 准 则 进 行 预 测 cmVmrVr（并 列 模 型）2 线 膨 胀 系 数：与 简 单 复 合 准 则 不 太 相 符 3 热 传 导 率 颗 粒 强 化 复 合 材 料 的 热 传 导 率，可

9、 以 用 简 单复 合 准 则 获 得 较 好 的 预 测 值 并 列 模 型：cm VmrVr 对 于 颗 粒 含 量 较 低（Vr0.35）时，可 以 用Rayleigh-Maxwell 理 论 得 到 更 为 精 确 的 预测 cmr2m2Vr（mr）/r2m2Vr（mr）4 电 磁 性 能：与 导 热 性 能 一 样，也 是 材 料 的 固 有 性 能，也 可 用 相 同 结 构 的 模 型 进 行 设 计 或 预 报。5 耐 磨 性：复 合 材 料 中 加 少 量 强 化 颗 粒 即 可 提 高 耐磨 性。可 加 工 性 与 加 工 工 艺 设 计：一 般 说 来，为 了 提 高 颗 粒 弥 散 强 化 复 合 材料 的 强 度 和 弹 性 系 数、降 低 其 线 膨 胀 系数，需 要 提 高 强 化 颗 粒 的 含 量。然 而，强 化 颗 粒 的 增 加 往 往 导 致 复 合 材 料 可 加工 性 的 大 幅 度 降 低。例 如，延 性 和 韧 性 的 降 低、硬 度 的 增 加 等，将 使 材 料 的 切 削 性 能 下 降，挤 压 时 模 子的 磨 损 增 大，可 锻 造 性 劣 化。