材料性能学0.绪论

材料性能学,主讲：范同祥教授上海交通大学，金属基复合材料国家重点实验室地址：材料D楼327房间E-mail：txfanMSN:ftx17,材料科学核心问题,成分,结构,性能,材料性能学研究内容,本课程的主要目的,掌握材料的各种使役性能基本概念物理本质表征方法工程意义掌握不同材料各种使役行为及性能的知识化学组成（成分）结构（组织）性能之间的关系各种性能的主要影响因素优化性能、提高材料性能潜力的途径初步了解材料性能测试的基本知识原理、方法相关仪器、设备培养综合能力、基本技能选材、用材、开发新材料材料或机件失效分析,教材及参考书,教材-张帆，周伟敏，材料性能学，上海交通大学出版社王从曾，材料性能学，北京工业大学出版社2001，06参考书束得林，金属力学性能，机械工业出版社，1995，10田莳，材料物理性能，北京航空航天大学出版社，2002，2,先修基础,材料科学基础金属、陶瓷、高聚物的结构、缺陷、组织材料加工原理液态成型（凝固、铸造）压力加工、固态相变（热处理）弹性力学和材料力学应力、应变基本概念；拉、压、弯、扭、剪等加载的应力状态普通物理学（大学物理）声、光、电、磁、热等基本概念物理化学热力学；电化学固体物理结合键理论；固体电子理论；晶格振动等基本概念,教学环节及要求,教学环节课堂教学（讲课、讨论、提问）自学（预习、复习）作业考试要求预习和复习课堂上不要讲话（可以睡觉）尽量不要迟到（可以不来）认真完成每一次布置的作业成绩平时成绩（课堂提问作业）考试成绩总成绩：20%平时成绩+80%考试,实例：先进复合材料与航空航天,提纲,引言轻质材料与结构防热材料与结构结构/功能一体化智能材料与结构结束语,引言,航空航天技术,材料,力学,信息,制造,Aerospace,新能源,引言,新材料材料的物质基础和先导作用历史曾用材料来划分人类文明时代的四次重大突破天然材料：新石器时代人工材料：铜器时代和铁器时代合成材料：塑料(1924)、橡胶(1931)复合材料：玻璃纤维（1942）新材料技术总揽人类全局的高技术之一新材料航空航天技术,国家科技中长期规划（6/20）,1、科技发展总体战略研究专题2、科技体制改革与国家创新体系研究专题3、制造业发展科技问题研究专题4、农业科技问题研究专题5、能源、资源与海洋发展科技问题研究专题6、交通科技问题研究专题7、现代服务业发展科技问题研究专题8、人口与健康科技问题研究专题9、公共安全科技问题研究专题10、生态建设、环境保护与循环经济科技问题研究专题,引言,引言,11、城市发展与城镇化科技问题研究专题12、国防科技问题研究专题13、战略高技术与高新技术产业化科技问题研究专题14、基础科学问题研究专题15、科技条件平台与基础设施建设问题研究专题16、科技人才队伍建设研究专题17、科技投入及其管理模式研究专题18、科技发展法制和政策研究专题19、创新文化与科学普及研究专题20、区域科技发展研究专题,国家科技中长期规划（6/20）,国家计划支持项目,高技术产业化计划火炬计划,国家“973”计划,国家“863”计划,国防相关研究计划,引言,国家自然科学基金,863新材料技术领域,引言,三个主题光电子材料与器件技术特种功能材料技术高性能结构材料技术,六个专项超大规模集成电路配套材料技术高清晰度平板显示技术纳米材料技术国防先进材料高性能碳纤维超导材料技术,国防科工委“十一五”先进材料发展规划,引言,专题组金属材料有机材料无机材料复合材料重大专项：增强体关键技术重点项目：编制体、关键树脂、复合材料高性能低成本、结构功能一体化、隐身复合材料,引言,NEWMATERIALS,AEROSPACE,MECHANICS,引言,高性能+轻质化基础,轻质+防、耐热关键,轻+热+功能热点,智能化趋势,轻质高性能材料与结构,防热材料与热结构,功能/结构一体化,智能材料与结构,工艺可行性低成本问题环境相容性,结构效率要求轻质结构服役环境要求服役热环境极端化特殊功能要求结构/功能一体化未来发展要求智能化,引言,NewMaterials,轻质化降低结构重量是航空航天追求的永恒主题,轻质化,轻质化,高比强度、高比刚度、低密度的材料,降低结构重量系数,提高射程和运载能力增加有效载荷提高发射效率、降低成本,材料和结构最优化科学评价、降低安全系数开发新型材料和结构,轻质化,三级固体火箭发动机,导弹弹头,结构重量减少：1Kg,增程：16Km,增程：20Km,轻质化,HighmodulusAbrasionresistant,MetalsPoorcorrosionResistance,CeramicsBrittle,GlassesBrittle,ElastomersCreepatlowtemp,PolymersCreepatlowtemp,Composites,Corrosionresistant,Corrosionresistant,LowmodulusHighstrength,Highstrength,Moderatemodulus,Highductility,轻质化,轻质化,轻质化,航天航空结构先进复合材料用量是先进性标志先进复合材料航空航天结构减重2030%需求增加轻质材料研发的巨大牵引,自1980年F-18开始，最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也大量采用先进复合材料四代机：F22：25%法国Rafale：40%瑞典JAS39：30%欧洲EF2000：40%美国的杀手锏武器B2战略轰炸机：50%,轻质化,波音：B777：共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%B7E7：（Soniccruiser）：拟采用钛和石墨（TIGr）60%空中客车A320、321、322：15%A380：25%，32吨支线客机和公务机：10-20%轻型飞机和通用航空：70-90%Voyager（旅游者号）于1986年创下了不加油，不着陆连续环球飞行9天、40252km的世界纪录直升机：50-80%中国：50%无人机：50-80%，中国目标：80%,轻质化,轻质化,应用实例,卫星主承力筒与太阳帆板基板模态响应屈曲失稳损伤容限连接强度,应用实例,燃料贮箱材料低温性能层间应力匹配问题液固耦合振动,应用实例,固体火箭发动机壳体几何非线性界面检验规范破坏准则喷管性能表征结构完整性可靠性,应用实例,可膨胀展开大型空间结构几何非线性刚化与展开动力学稳定性防泄露冲击,新型轻质材料与结构,多孔材料,金属泡沫在预警飞机上的应用,先进格栅增强结构,新型轻质材料与结构,点阵材料是新一代高超声速飞机的候选材料,新型轻质材料与结构,单壁碳纳米管的弹性模量可以达到1TPa，强度达到200GPa,纳米超级结构材料,新型轻质材料与结构,纳米管提高了LOCAAS(美国低成本自主功攻击系统）的延伸翼设计水平，飞行特性模拟显示了纳米管机翼的优势提高空中巡逻时间：12%提高了机动灵活性(“G”Loading)：24%atMach0.3降低了燃油消耗：13%（飞行25000英尺）,新型轻质材料与结构,重要力学问题,各向异性、非均匀性及非线性多尺度分析、模拟损伤监测与失效评价优化设计大规模、高仿真计算机模拟新型轻质材料及相关力学问题研究,耐高温材料与热防护系统提高材料使用温度和防热效率是航空航天结构的关键,热防护,“轻”是基础，“热”是关键，不同性能要求的匹配“轻”和“热”矛盾抗氧化要求矛盾抗粒子冲刷要求矛盾长时间工作要求矛盾强韧性要求矛盾新的理论和分析方法多环境因素耦合问题热/力耦合问题多尺度分析方法结构优化的耦合灵敏度分析,热防护,材料的使用温度范围,热防护,防热材料技术准备程度（TRL）,型号集成准备程度（IRL）,基本概念和原理,技术概念和应用需求,概念验证的关键理论和实验,实验室条件下模型或部件的验证,相关模拟环境下模型或部件的验证,模拟环境下技术模型或原型验证,服役环境下技术原型验证,材料技术飞行资质验证,服役环境下材料技术飞行验证,系统概念的分析,地面模拟条件下系统物理模型,系统设计的细节分析,代表性服役环境下原型或样机,系统制备和飞行试验,低风险高风险,热防护,应用于高IRL指数飞行器的低TRL指数技术验证获得成功(SHARP-B1,B2)应用高TRL指数技术的低IRL指数X-飞行器获得成功(DC-X)低TRL和IRL的X-飞行器或技术验证器失败(NASP,X-33),应用实例,导弹再入环境热应力：变形与断裂热化学烧蚀：氧化和升华机械剥蚀：剪应力侵蚀：高速粒子云撞击表面,应用实例,MK-12A,MK-21MK-5,DF-5,DF-31,DF-31A,弹头单位侧表面积质量反映了结构-复合材料的应用水平重要指标,应用实例,航空发动机蠕变：高温复杂载荷疲劳：循环载荷氧化/腐蚀/冲刷：燃气介质微结构演化,10A,A-31,推比10,F119,F100-PW100,发动机用复合材料可大幅度提高其推重比,应用实例,应用实例,高超声速导弹、高超声速飞机、重复使用运载器、空间作战飞行器等高马赫数飞行器的热防护材料和结构是必须首先突破的技术难点之一,应用实例,TPS需求（大面积防热）表面：耐高温、高辐射、低催化结构强度和刚度耐久性,应用实例,超高温陶瓷材料非烧蚀性超高温材料的防热机制材料组分及微结构特征对不同使用性能的非线性耦合影响超常服役条件模拟与材料使用性能表征方法,重要力学问题,实验模拟与表征技术长时、抗氧化机制研究微结构演化与宏观性能的关系材料微观失效机理与多尺度分析综合性能评价及可靠性材料与结构一体化设计方法,模拟,材料与环境因素的耦合模拟烧/侵/剥蚀质量引射催化效应,数值模拟流场/热/结构耦合分析,流场、热、热应力分别计算，人为分离统一过程，计算误差大；流场和结构在数值分析中在时间和空间的尺度不同，效率较低,试验模拟主要环境因素隔离次要因素,环境恶劣耦合效应难实现,在线监测手段光谱、传感高速摄影,发生什么，为什么揭示机理和损伤失效模式,反应过程中间产物细观烧蚀表面粗糙度,科学表征方法,性能评价与预报,优化设计,修正完善,重要力学问题,防热材料的模拟与表征,热结构分析技术,战略导弹弹头防热结构,烧蚀/侵蚀/剥蚀表面后退率较小,烧侵蚀机理分析,保持稳定的气动外形,保证弹头结构的整体性,保证弹头内部结构在较低温度下,单位侧表面积质量最小,烧/侵蚀匹配性分析,热结构分析,热分析,材料和结构优化设计,重要力学问题,值得关注的几种新型防热材料,新型高温材料ODS、-TiAlMultilayerFGMMonoCrystalNon-Crystal,ODS,MMC,结构/功能一体化航空航天器新材料发展的重点和热点,功能化,材料功能化随着武器及装备的发展，材料的使用条件日趋苛刻、日渐复杂，新的、更高的功能要求相继出现，功能一体化也演变为一种现实的要求结构/功能同时满足服役需求由分别考虑到综合考虑力/热/光/电/磁等多功能化解决相互矛盾,功能化红外透过材料与结构,红外透过材料与结构红外窗口或头罩光/电/热/结构一体化材料,尽可能不失真地透过电磁波辐射和某一波长的红外线,抵抗高温、高压、热冲击、风沙和雨雪的撞击、海水的冲刷及腐蚀等,保证结构的完整和气动外形,红外探测器,红外光学透过材料,功能化红外透过材料与结构,0.3SilicaNitride(Si3N4)4.5,0.4SilicaCarbide(SiC)5,0.2ALON(9Al2O3.5AlN)5.5,0.2Spinel(MgAl2O4)6,0.14Sapphire(Al2O3)6,0.25Yttria(Y2O3)8,0.4Zirconia(ZrO2)6,0.25Diamond(C)100,0.11MgF2(singlecrystal)9,0.7MgF2(HP)9,0.13CaF212,0.6StandardZnS13,0.3MultispectralZnS13,1.8Ge100,1.2Si100,1GaAs15,0.5ZnSe20,透红外性能和力学性能的折衷,力学性能好，透波范围窄,力学性能差，透波范围宽,热性能差,制备性能差,单晶复合化,功能化固体推进剂,固体推进剂是固体火箭发动机的动力源，是将化学能转变为动能的一种典型的复合含能材料推进剂老化性能研究是固体火箭发动机结构完整性分析的重要基础，是准确预估固体导弹使用性能和贮存寿命的关键技术,功能化固体推进剂,热结构行为,燃烧行为,制备工艺,高氯酸铵,功能化固体推进剂,燃速：燃速是推进剂燃烧性能的重要指标密度：密度变化反映推进剂在贮存过程中其组分的分解情况硬度：是表征材料表面强度性能的指标力学性能常温性能-表征固体推进剂保持结构完整性的重要指标低温性能-表征的固体推进剂抗冲击能力的重要指标小应变速率条件高温性能-表征材料本身抗蠕变能力,功能化固体推进剂,氧化交联是HTPB复合固体推进剂主要老化机理氧化剂高氯酸铵(AP)分解生成的HClO4或初生态氧，攻击粘结剂系统双键，引起粘结剂系统的化学变化推进剂为非线性粘弹性体材料，在贮存中经常受到振动、应力、应变、温度、湿度、等因素影响导致推进剂的力学性能下降孔洞和微裂纹等损伤演化为宏观裂纹，导致结构强度、刚度下降,功能化固体推进剂,含能材料研究必须考虑损伤和老化的相互作用化学老化改变了高聚物的分子结构,力学损伤改变了高聚物材料的细观结构化学老化改变了损伤阀值和损伤演化速率，而力学损伤又加速了化学反应速率,功能化大尺寸轻质反射镜,空间反射镜太空镜片是大型太空望远镜、预警、探测、侦察、气象等各种卫星高分辨率相机、高能激光雷达和武器等系统的重要组成部分折射式望远镜系统：不能满足要求，大口径透镜的材料制备、加工、安装困难反射式系统：避免了材料对能量的吸收，精度和分辨率提高,光学/热稳定/结构/轻量化,功能化大尺寸轻质反射镜,大尺寸反射镜的材料和结构要求保证电磁波的透过或反射热变形系数小比刚度大表面粗糙度小材料间热力匹配性,功能化大尺寸轻质反射镜,空间反射镜材料光学玻璃、铍、硅和碳化硅轻量化技术减小镜片厚度，但会降低镜片的刚度多孔结构支撑设计泡沫结构支撑设计,功能化大尺寸轻质反射镜,太空镜片结构的热学和力学的计算分析对于太空镜片的设计制造极有意义，是太空镜片结构设计、材料设计、制造加工的重要依据,功能化透波天线罩,天线罩防热/透波/承载一体化材料与结构航天透波材料的三功能特征及其三功能匹配设计的矛盾性是材料设计与研究面临的主要课题热结构与透波要求的矛盾透波性能（如：材料致密度）与力学性能要求的矛盾,功能化透波天线罩,多频段或宽频透波要求发展新型高性能透波材料需采用低密度或薄壁结构作为透波材料外层采用陶瓷基复合材料,内层采用有机复合材料（聚四氟乙烯）,可以充分发挥两种材料优势有机材料的介电性能好、密度低，不仅可以减重、而且可以充分发挥树脂基材料的透波特性，达到宽频或多波段透波陶瓷材料耐高温和耐冲刷性能，提高天线罩的综合性能,功能化隐身材料材料与结构,隐身技术和材料红外隐身技术雷达隐身技术激光隐身技术视频隐身技术材料和技术措施通过改变外形设计来减少兵器的雷达散射截面涂层技术和材料隔热技术和材料吸波结构材料,气动外形与隐身外形的统一涂层材料与结构材料的结合和匹配吸波结构材料考虑吸波/结构/气动/热/轻质一体化考虑,结构/功能一体化,高性能功能材料的强韧性问题高性能结构材料的功能性问题结构和功能复合化问题存放过程功能材料老化与寿命问题气动外形与功能外型的统一薄膜效应与薄膜力学服役条件对材料的功能性影响（热）力/热/光/电/磁多场耦合分析方法,智能化航空航天器未来发展的必然趋势,智能化,“感知”外界载荷与内部响应变化集成的信息处理功能根据使用需求进行自适应的性能调整保障生存能力与提高服役性能的革命性飞跃,结构/功能/控制/信息一体化,智能化,电场磁场温度场应变场,噪声抑制振动控制主动变形健康监测,原本由附属系统或器件实现功能，通过施加材料传感和作动能力来完全实现和部分实现功能,Strivingtowardsthedream,智能化,智能化,飞行器结构健康监测结构振动主动