复合材料的复合效应课件.ppt

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1、3.复合材料的复合效应13复合材料的复合效应3.1材料的复合效应掌握：复合效应的分类及其特点；3.2复合材料的结构与复合效果3.3复合材料的模型及性能的一般规律3.4复合材料的设计原理和复合理论2本节重点：1、材料模型化的方法；2、建立材料模型包含的主要内容及应该考虑的问题；3、掌握同心球壳模型及同轴圆柱模型；3.3复合材料的模型及性能的一般规律33.3复合材料的模型及性能的一般规律目的：预测和分析复合材料性能，为复合材料性能的设计奠定基础。基础：涉及不同学科的有关理论。根据复合系统特点和性能，经过分析、抽象、简化，建立分析性能的材料微观结构模型，再运用

2、连续介质的有关理论，确定在给定宏观作用场下，组分相的微观作用场和响应场，进而得到宏观响应场，这是材料科学中性能研究的一般方法。根据宏观作用场和响应场的关系，即可确定复合材料的性能。作用响应4材料模型化的方法待确定复合体系性能材料的微观结构模型相微观作用场Ii,响应场Oi连续介质理论给定宏观作用场I有效性能εO=ε(I)宏观响应场O模型化O表示宏观响应场，V表示单元体积53.3.1复合材料的模型在研究材料复合的有关理论时，建立一个能包含主要影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型是十分重要的。建立材料的微观模型往往包含两方面内容：一是材料的几何结

3、构模型；二是材料的物理模型，即计算场量的理论和方法。6在建立材料复合模型时需要注意以下几个问题：3.3.1复合材料的模型1.首先应确立坐标系和材料的主轴方向，往往以主轴方向为参考坐标。2.材料的微观模型包括结构模型和物理模型两个系统，有时两者是统一的，有时则并不统一。7确立材料的结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规律为依据：（1）模型中的相几何形态必须充分表达实际材料的几何形态（2）复合体系中组分的相含量，模型中组分的相含量（体积分数）必须与实际材料组分的相含量相等（3）复合体系中组分相的状态分布往往采用统计的特征3.3.1复合材料的模型8（X2，

4、Y2，Z2）lβα（0，0，0）xyz图3.4纤维取向的坐标系表征93.物理模型的确立往往以结构模型为依据，针对某一物理性能和结构特征，进行场量计算。注：建立模型时的简化假设是必要的，以单向复合材料的细观力学分析模型为例，可以归结为四个方面，基本假定见表3.3。3.3.1复合材料的模型10表3．3单向复合材料模型的基本假设名称基本假设单元体宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性增强体匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续基体匀质、各向同性、线弹性界面粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调11根据复合材料组分之增强体（或功能体）和基体的几何形态

5、，常见的几何结构模型有以下几种。1、同心球壳模型该模型主要针对的是0－3型复合材料，在该模型中，把材料的微观结构看作是同心球壳组成。其中增强体或功能体为不连续相，而基体为连续相。3.3.1复合材料的模型12注：对于非球形体微粒增强体，可以采用粒子的当量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各向同性材料。各组分的体积分数分别为：13作业２假设2wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍（Ni）中，ThO2颗粒直径为100nm，已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9g/cm3，请计算每立方厘米的复合材料中有多少个ThO2颗粒。（假设界

6、面上没有反应产物）wt%:质量分数。143.3.1复合材料的模型同轴圆柱模型主要适合于1－3型复合结构，特别是高取向度（单向）复合材料。该模型具有xoy面内各向同性特点，也具有z轴方向上的等径同轴圆柱面内同性特征xyz153.3.1复合材料的模型复合材料的同轴圆柱模型在该模型中，各组分相的体积含量分别为：16作业3纤维表面使用偶联剂处理后，产生了界面层，即表面处的基体在一定范围内不同于基体材料的性能，称为改性基体，其厚度为t，体积分数为Vt。已知纤维按六边形阵列排布，其直径2r=10μm，当体积分数Vf为0.4，t分别为0.2、0.5μm时，改性基体间距

7、和Vt/Vm的值分别为多少？17还有矩形截面纤维钻石模型（如图a）、圆截面纤维矩形阵排列模型（图b）及圆截面纤维六角形阵排列模型（图c）。几种单向低纤维含量的复合材料模型3.3.1复合材料的模型18片状模型3.3.1复合材料的模型该模型主要适合于2－2、2－3型复合材料，镶嵌式的3－3型复合结构也可选用类似的模型。对于2-2型复合结构，可以取立方体，为研究方便，取边长为单位1，则各组分相的厚度即为其体积分数（如图）根据作用场的方向可以得到并联模型和串联模型。19对于2－3型及镶嵌式3－3型复合结构，可以利用如图的片状结构组合模型。设增强体几何结构为φ×λ

8、×l取1×1×l的长方体模型，厚度一致，此时二维简化基体m可以分解为（1－φ）×