复合材料的设计原理和复合理论

二复合材料的设计原理和复合理论,2.1概述,材料设计是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。其传统解释为：进行某项制作或工程以前，根据该项目的使用目的和性能要求，拟定其材料、结构、工艺、用地、进度、费用等各方面的计划和估算。,复合材料制品的设计和研制步骤：,2.2材料的使用性能、设计目标和设计类型,2.2.1材料的使用性能和设计目标,由构件功能所要求的性能包括如下：物理性能，如密度、导热性、导电性、磁性、微波吸收性或反射性、透光性等。化学性能，如抗腐蚀性、抗氧化性等。3.力学性能，如强度、模量、韧性、硬度、耐磨性、抗疲劳性、抗蠕变性等。,所用的材料受到相应的约束条件：资源、能耗、环保、成本、生产周期、寿命、使用条件（湿度、气氛、载荷性质、所接触的介质等）,设计目标：设计目标基于主要性能要求和约束条件的综合。,2.2.2复合材料的设计类型,有五种设计类型：安全设计、单项性能设计、等强度设计、等刚度设计和优化设计。,2.3复合效应,概念：,不同组分复合后，可能发生的复合效应有：线性效应和非线性效应。如表2-1,表2-1复合效应类型,2.3.1线性效应,1平均效应平均效应又称混合效应，具有平均效应的复合材料的某项性能等于组成复合材料各组分的性能乘以该组分的体积分数之加和，可用混合定律来描述：,KC=Kii（并联模型）（2-1）1/KC=i/Ki（串联模型）（2-2）,式中Kc为复合材料的某项性能；i为组分材料i的体积分数；Ki为组分材料i与Kc对应的性能；为对组成复合材料的各组元的加和。并联模型混合定律适用于复合材料的密度、单向纤维复合材料的纵向（平行于纤维方向）杨氏模量、泊松比等；串联模型混合定律适用于单向纤维复合材料的横向（垂直于纤维方向）杨氏模量、泊松比等。,概念：,以上两式可由通式表示，即：,（2-3）,对于并联混合定律，n=1；对于串联混合定律，n=-1。当n处在1与-1之间某一确定值时，可用来描述复合材料的某项性能（如介电常数、热传导率等）随组分体积分数的变化。,2平行效应是最简单的一种线性复合效应。指复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。例如，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相同。,平行复合效应可表示为：,（2-4）,式中，Kc表示复合材料的某项性能，Ki表示该组元对应的性能。,3.相补效应复合材料中各组分复合后，可以相互补充，弥补各自的弱点，从而产生优异的综合性能，是一种正的复合效应。,相补效应可以表示为：,C=AB（2-5）,式中，C是复合材料的某项性能，而复合材料的性能取决于它的组元A和B的该项性能。当A和B组元的该项性能均具优势时，则在复合材料中获得相互补充。,4.相抵效应各组分之间出现性能相互制约，结果使复合材料的性能低于混合定律的预测值，这是一种负的复合效应。,表示为：,（2-6）,2.3.2非线性效应,1.相乘效应是把两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来，使它们相同的功能得到复合，而不相同的功能得到新的转换。,相乘效应可以表示为：,概念：,（X/Y）（Y/Z）=X/Z（2-7）,利用高聚物基体的热致变形效应和石墨粉填料的变形-电阻效应之间的相乘效应的举例：石墨粉增强高聚物复合材料可以制成温度自控发热体，其控制原理是利用高聚物受热膨胀和受冷收缩，而石墨粉的接触电阻因高聚物基体的膨胀而变大和因高聚物收缩而变小，从而使流经发热体的电流随其温度变化自动调节而达到自动控温的目的。,2.诱导效应,指在复合材料中两组元（两相）的界面上，一相对另一相在一定条件下产生诱导作用（如诱导结晶），使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊性使复合材料在传递载荷的能力上或功能上具有特殊性，从而使其具有独特的性能。,3.系统效应,指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使其具有单个组分不具有的新性能。,4.共振效应,又称强选择效应。是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。,2.4复合材料设计的内容,复合材料设计包括对组成复合材料的单元组分材料的选择、对复合制造工艺的选择和对复合效应的估算。,应明确如下三点：,1.由于当前科技水平的限制，可供选用的组分（包括增强体、基体及它们所组成的材料体系）品种有限，其性能不能够呈连续函数而是呈阶梯形式变化。,2.选择单元组分时，应事先明确各组分在组成复合材料后所承担的使用功能。,3.所选择的各组分应符合材料设计的主要目标和服役期间的环境条件，在组成复合材料后，能发挥各组分的特殊使用性能。,选择单元组分应注意的问题：有三点：,根据复合材料的设计目标，在选择组成复合材料的纤维与基体时，下列要求中的某一项或某几项应予以保证。,对纤维的要求包括：高强度、高模量；易于生产加工；良好的化学稳定性；耐机械损伤；具有合适的尺寸和几何形状；纤维性能再现性（或一致性）好；柔曲性好；价格能为使用方承受。,2.对基体的要求包括：耐环境性强；密度尽量低；对增强体的充填性好；内聚强度高；断裂韧性高；与增强体的连接性好；高温抗氧化性好；成型性好。,2.4.2复合材料制造方法的选择,各类复合材料制造的共同核心问题：将增强体掺入基体，或将基体渗入增强体构成的骨架，使之形成相互复合的固态整体。通常增强体为固态，而基体则需经历由液态（或气态、固态）转变为固态的过程。增强体必须按照设计要求的方向和数量均匀分布，最后固定在已转变为固态的基体之中。原位生长复合材料则是基体由液态转变为固态的过程中，按预定的分布与方向原