復(fù)合材料課件(FDU,HYZh)

復(fù)合材料

（CompositeMaterials）

HYZh題外話彈性力學(xué)必修、基礎(chǔ)理論、邏輯體系系統(tǒng)、循序漸進(jìn)多做練習(xí)復(fù)合材料選修、科普實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)體系發(fā)散、自選專題課外閱讀討論、報(bào)告教學(xué)大綱第1章緒論1.1材料發(fā)展的歷史1.2材料的未來發(fā)展趨勢1.3復(fù)合材料的發(fā)展概況及趨勢1.4復(fù)合材料的分類第2章材料科學(xué)基礎(chǔ)

2.1材料的分類

2.2材料的結(jié)構(gòu)

2.3晶體結(jié)構(gòu)缺陷

2.4材料中的擴(kuò)散

2.5材料中的相變與相圖

2.6固體材料中的界面

2.7材料的變形第3章結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

3.1設(shè)計(jì)原理與方法

3.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

3.3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

3.4層疊式復(fù)合材料

3.5納米復(fù)合材料3.6結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用第4章結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)問題與方法

4.1各向異性、不均勻性與不連續(xù)性

4.2拉壓異性與非線性性

4.3細(xì)觀力學(xué)分析

4.4損傷與斷裂第5章功能復(fù)合材料5.1設(shè)計(jì)原理與方法5.2導(dǎo)電與磁性復(fù)合材料5.3摩擦與阻尼功能復(fù)合材料5.4熱、光、聲功能復(fù)合材料5.5仿生復(fù)合材料

第6章機(jī)敏與智能復(fù)合材料6.1設(shè)計(jì)原理與方法6.2智能金屬材料6.3智能無機(jī)材料6.4智能高分子材料

6.5減振降噪自適應(yīng)結(jié)構(gòu)6.6形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)6.7損傷自診斷與強(qiáng)度自適應(yīng)6.8微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)第7章功能與智能復(fù)合材料力學(xué)問題與方法

7.1多場耦合作用

7.2相變與疇變

7.3原子與分子尺度模擬

7.4多尺度模擬主要參考文獻(xiàn)1）馮端、師昌緒、劉治國編，《材料科學(xué)導(dǎo)論》，化工出版社，2002。2）陳貽瑞，王建著《基礎(chǔ)材料與新材料》，天津大學(xué)出版社，2001。3)石德珂主編，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2003。4）徐恒鈞主編《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001。5）吳人潔主編，《復(fù)合材料》，天津大學(xué)出版社，2000。6）陳華輝、鄧海金、李明、林小松編著，《現(xiàn)代復(fù)合材料》，中國物資出版社，1998。7）沈觀林，《復(fù)合材料力學(xué)》，清華大學(xué)出版社，1996。8）羅祖道、王震鳴主編，《復(fù)合材料力學(xué)進(jìn)展》，北京大學(xué)出版社，1988。第一章緒論

1.1材料發(fā)展的歷史1.2材料的未來發(fā)展趨勢1.3復(fù)合材料的發(fā)展概況及趨勢1.4復(fù)合材料的分類

主要參考文獻(xiàn)：1）馮端、師昌緒、劉治國編，材料科學(xué)導(dǎo)論，化工出版社，2002。2）陳華輝、鄧海金、李明、林小松編著，現(xiàn)代復(fù)合材料，中國物資出版社，1998。81.1材料發(fā)展的歷史材料與文明：石器青銅器鐵器電子材料（硅）

9千---2千----500-公元-1960-現(xiàn)代材料科學(xué)與工程

19世紀(jì)中葉，開始鋼鐵的工業(yè)化生產(chǎn)，鋼鐵的熱處理（淬火）是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵問題，開辟了金相學(xué)（用光學(xué)顯微鏡觀察和研究拋光金屬表面的顯微組織）。919世紀(jì)末建立了合金熱力學(xué)研究相圖(Fe-C)。1912年后，開始用X射線研究材料晶體結(jié)構(gòu)。1920-30，建立了金屬學(xué)。1930-40，開始高分子（聚合物）材料，陶瓷（無機(jī)非金屬）材料的研究。1947年發(fā)明晶體管，開始半導(dǎo)體材料的研究。1961年，國際權(quán)威雜志ProgressinMetalPhysics更名為ProgressinMaterialsScience標(biāo)志著材料科學(xué)的誕生。20世紀(jì)末，軟物質(zhì)科學(xué)：液晶、高分子、膠體等。

101.2材料的未來發(fā)展趨勢新材料在航空、航天、能源、信息、生物、環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用。計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展將現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)等理論，借助計(jì)算機(jī)工具用于材料的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)材料的制備。材料功能、智能化與器件的微型化使材料和由材料加工制備的器件間的界限模糊。111.3復(fù)合材料的發(fā)展概況及趨勢由至少兩種以上不同性質(zhì)的材料組合而成的復(fù)合材料是構(gòu)成自然界中生物體的基本材料形式：竹、木、貝殼、肌肉、骨骼等。從進(jìn)化的角度來看，則應(yīng)是最高等的材料形式。人造復(fù)合材料最早應(yīng)出現(xiàn)于6000多年前，是用泥土與草、蘆葦?shù)乳L纖維混合用于壘墻。1920左右開始出現(xiàn)鋼筋混凝土，1942年玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼）的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代復(fù)合材料的誕生12上世紀(jì)40-50年代航空工業(yè)的發(fā)展需要質(zhì)量輕、剛度和強(qiáng)度高的材料，而新材料聚合物質(zhì)量輕但剛度和強(qiáng)度都太低，無法替代鋼。

密度g/cm3拉伸模量GPa拉伸強(qiáng)度MPa耐熱性C鋼7.82101400聚酯樹脂1.1~1.42.0~4.434~10580環(huán)氧樹脂1.2~1.32.75~4.1055~130120~180FRP60%1.3876138013單一材料總有優(yōu)缺點(diǎn)，不可能滿足所有應(yīng)用要求，如能將多種材料組合起來各取所長，就有可能根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)和制備出所需（復(fù)合）材料。目前，復(fù)合材料已在各領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。未來正向著功能、多功能、機(jī)敏、智能、納米、仿生等新方向發(fā)展。14復(fù)合材料的優(yōu)越性實(shí)現(xiàn)性能的組合以獲得剛度高、密度低的獨(dú)特材料；實(shí)現(xiàn)性能在一定范圍內(nèi)的連續(xù)變化以滿足設(shè)計(jì)需要，如熱膨脹、減震等；獲得單一材料不具有的物理性能，如熱、電、聲、光等。151.4復(fù)合材料的分類按用途：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料按增強(qiáng)材料形狀：0維（顆粒）、一維（纖維）、二維（片狀、編織物、層疊）、三維（編織體）按基體：聚合物基、金屬基、陶瓷基、石墨基、混凝土基16第2章材料科學(xué)基礎(chǔ)

2.1

材料的分類

2.2材料的結(jié)構(gòu)

2.3晶體結(jié)構(gòu)缺陷

2.4材料中的擴(kuò)散

2.5材料中的相變與相圖

2.6固體材料中的界面

2.7材料的變形17主要參考文獻(xiàn)1）馮端、師昌緒、劉治國編，《材料科學(xué)導(dǎo)論》，化工出版社，2002。2)陳貽瑞，王建著《基礎(chǔ)材料與新材料》，天津大學(xué)出版社，2001。3)石德珂主編，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2003。4）徐恒鈞主編《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001。182.1材料的分類按類型：金屬、無機(jī)非金屬（陶瓷）、有機(jī)高分子（聚合物）、復(fù)合。按原子結(jié)構(gòu)：晶體、非晶體（玻璃態(tài)）、液晶。按相：氣體、液體、固體、等離子體。按性能：結(jié)構(gòu)材料、功能材料。192.2材料的結(jié)構(gòu)材料最基本的結(jié)構(gòu)單元是原子（包括帶電的原子，即離子），原子的基本性質(zhì)都包含在元素周期表內(nèi)。原子由原子核(質(zhì)子、中子）和電子組成。原子間的結(jié)合方式有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。離子鍵：正負(fù)離子間由靜電相互作用形成的結(jié)合共價(jià)鍵：兩個(gè)原子都貢獻(xiàn)出電子，在兩原子間形成電子密度增大的區(qū)域而產(chǎn)生靜電相互作用。原子通過鍵合而形成分子。金屬鍵：外層電子自由游移于正離子之間，遍及整個(gè)晶體，構(gòu)成近自由電子，就象是正離子浸在近自由電子的海洋中。可以將整個(gè)晶體作為一個(gè)大分子。20弱鍵：分子間的鍵合通常較弱，有vanderWalls鍵、氫鍵。非極性分子(如惰性元素的單原子分子，CO2，CCl4等）間的吸引力稱為vanderWalls力，來源于瞬間電偶極子間的相互作用，而排斥力來源于電子殼層間的Coulomb力。極性分子間的吸引力還有電偶極子間的相互作用，如氫鍵。Lennard-Jones勢：r：分子間距分子間力21結(jié)合鍵與性能材料的物理和力學(xué)性能均與結(jié)合鍵有關(guān)。一般地講結(jié)合鍵越強(qiáng)，材料的熔點(diǎn)越高、彈性模量越大、硬度越高。聚合物<金屬<離子鍵化合物<共價(jià)鍵化合物。金屬鍵使金屬有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。22原子（原子團(tuán)、分子）排列方式氣體中原子呈無規(guī)（無序）排列。液體中原子呈短程有序、長程無序排列。固體中原子通常呈長程有序排列，具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，稱為晶體。非晶態(tài)：如玻璃，其原子呈短程有序、長程無序排列，與液體相似?？煞Q為凝固的液體，或粘性極大（無窮大）的液體。聚合物是由長鏈分子組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（晶態(tài)與非晶態(tài)混合）。液晶態(tài)：分子位置無序、可流動，像液體；但分子取向長程有序，像固體。通常為有機(jī)分子，可為棒狀、盤狀等。23晶態(tài)原子（原子團(tuán)、分子）排列成三維周期性結(jié)構(gòu)。X衍射（XRD）實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，高分辨電子顯微鏡（TEM,SEM)直接顯示了晶體材料的三維周期性結(jié)構(gòu)。描述方法：點(diǎn)陣（Lattice)原點(diǎn)O，3個(gè)線性無關(guān)向量a,b,c點(diǎn)的位置：p=O+n1a+n2b+n3c,ni為整數(shù)，即排成一個(gè)有三維周期性結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣。{a,b,c}稱為基向量，它們構(gòu)成的六面體稱為晶胞，點(diǎn)陣是由晶胞堆砌而成。abcO2425晶系與對稱性Bravis晶系（點(diǎn)陣）：共14種，有不同的對稱性。7種簡單晶系（原子僅在8個(gè)角上，晶胞內(nèi)只有1個(gè)原子）+7種復(fù)合晶系（還可在面心或體心處，晶胞內(nèi)有多個(gè)原子）。簡單晶系三斜triclinic單斜monoclinic正交orthorhomic四方tetragonal菱面體rhombohedral六角hexagonal立方cubic26Bravis晶系與點(diǎn)陣類型27對稱映射與對稱群點(diǎn)陣對稱性可用對稱映射及其構(gòu)成的對稱群來描述。點(diǎn)陣L(a,b,c)的對稱映射是任一作用后不變的正交變換Q。例如，對立方晶系，Q=I,-I,,,對稱群（點(diǎn)群，空間群）是由所有對稱映射組成的集合，具有群的性質(zhì)。對立方晶系，gS=G{I,-I,,,}28對稱性與材料本構(gòu)關(guān)系材料本構(gòu)關(guān)系在對稱映射下不變。Hooke定律：如Q為對稱映射，有即彈性能不變：29對稱性與彈性張量三斜晶：gS=G{I,-I}，對Cijkl無限制，21個(gè)獨(dú)立常數(shù)。單斜晶：在作用下有：

a-a,b-b,cc取坐標(biāo)系：E3=c/|c|,E1,2為a,b平面上正交單位向量，且與E3構(gòu)成右手單位正交系。則在作用下有：E1,2-E1,2，E3E3,即x1-x1，x2-x2，x3x3u1-u1，u2-u2，u3u3，30在上對稱映射下，不變則C14=C15=C24=C25=C34=C35=C46=C56=0，余13個(gè)。31單斜晶的彈性張量有13個(gè)獨(dú)立常數(shù)適用于具有同樣對稱性（有一個(gè)對稱平面）的任何材料32正交晶的彈性張量對稱群：取坐標(biāo)系：Ei//a,b,c則在作用下有：E1E1，E3,2-E3,2,即x1x1，x2-x2，x3-x3u1u1，u2-u2，u3-u3，則C16=C26=C36=C45=0，余9個(gè)彈性常數(shù)。適用于正交各相異性。33四方晶的彈性張量對稱群：取坐標(biāo)系：Ei//a,b,c。:E1-E2,E2E1,E3E3，即x1-x2,x2x1,x3x3,u1-u2,u2u1,u3u3;則C11=C22，C13=C23，C44=C55，余6個(gè)彈性常數(shù)。34立方晶的彈性張量對稱群：取坐標(biāo)系：Ei//a,b,c。:E1E1,E2E3,E3-E2，即x1x1,x2x3,x3-x2,u1u1,u2u3,u3-u2;則C33=C22，C12=C13，C66=C55，余3個(gè)彈性常數(shù)。注：各相同性時(shí)，C44=(C11-C22)/2352.3晶體結(jié)構(gòu)缺陷實(shí)際晶體材料中常有缺陷，也就是說原子并不能完全呈周期性排列。缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。點(diǎn)缺陷：間隙原子（不在晶格點(diǎn)上的原子）空位（空出的晶格點(diǎn)）雜質(zhì)原子（其它種類原子進(jìn)入晶體）熱運(yùn)動和射線輻射均會造成點(diǎn)缺陷，它對材料的物理性質(zhì)（熱、電、光等）有較大影響。線缺陷：位錯(cuò)，有刃型與螺型兩種，對力學(xué)性能（塑變、斷裂）有較大影響。面缺陷：晶界、亞晶界、相界面、孿晶界、層錯(cuò)等。36點(diǎn)缺陷37位錯(cuò)與位錯(cuò)線38多晶體與晶界39實(shí)際晶體材料實(shí)際材料中通常有大量的缺陷，原子只能在很小的區(qū)域（微米）內(nèi)呈周期性排列，為一個(gè)晶粒，而宏觀物體則有許多晶粒組成，宏觀呈各向同性。相鄰晶粒間的邊界即為晶界，晶粒內(nèi)還可有亞晶界、相界面、孿晶界、層錯(cuò)等面缺陷，以及間隙原子、空位、位錯(cuò)等缺陷。這些缺陷均可通過顯微鏡和衍射方法觀測。缺陷的存在會極大影響材料性質(zhì)，大多是負(fù)面的。陶瓷材料中還會有裂紋、空洞等缺陷。納米材料由于尺寸很小、原子數(shù)很少，可獲得無缺陷的材料，極大的改善材料性能。40金相與非均質(zhì)性412.4材料中的擴(kuò)散擴(kuò)散是物質(zhì)傳輸?shù)囊环N形式。在氣、液相中物質(zhì)還可通過流動而傳輸，但在固相中，擴(kuò)散是物質(zhì)（原子）在固體內(nèi)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。擴(kuò)散是一個(gè)不可逆過程，原子總是從濃度高處往低處運(yùn)動。濃度:c(x,t)，流量密度:J(x,t)擴(kuò)散規(guī)律：Fick第一和第二定律擴(kuò)散方程各向同性時(shí)擴(kuò)散系數(shù)為42擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程解例：兩塊長棒形的不同材料粘合后，其內(nèi)原子擴(kuò)散有，I.C.c(x,0)=c1,x<0;c(x,0)=c2,x>0.傳播速度無限大，最終趨向均勻。二階拋物型偏微分方程：如熱傳導(dǎo)方程也具有同樣的特征43擴(kuò)散機(jī)制晶體中原子擴(kuò)散中主要通過間隙和空位，也會通過晶界、裂紋、空洞等缺陷。原子總是從能量的一個(gè)極小處向另一個(gè)遷移，兩個(gè)極小處間有勢壘Q，熱運(yùn)動使原子可以越過勢壘，熱擴(kuò)散系數(shù)：隨溫度增加很快?？筛飨虍愋?。44離子晶體中，正負(fù)離子的擴(kuò)散速度不同，通常正離子較小，擴(kuò)散快，而負(fù)離子較大，擴(kuò)散慢。由此產(chǎn)生的電勢差也會影響擴(kuò)散。如有電場存在，也會極大地影響擴(kuò)散（電擴(kuò)散）。納米材料中，由于比表面很大，以晶界擴(kuò)散為主。452.5材料中的相變與相圖弄清材料的相變與相圖對制備材料十分關(guān)鍵。金屬的制備通常是先獲得其液體（熔煉），在冷卻后得到固體（鍛造），進(jìn)而熱處理（高溫下保溫+低溫介質(zhì)中淬火）以獲得所需性質(zhì)的材料。陶瓷材料是先獲得粉體，通過燒結(jié)（高溫）而等到的。上述過程中均設(shè)及相變，主要是擴(kuò)散型相變。46相圖對單原子（分子）物質(zhì)，相變主要受溫度T和壓強(qiáng)p影響。典型范例：水（H2O)，鐵Fe相圖就是能確定物質(zhì)在何條件下取何相的圖，通常繪出相邊界。47二元相圖由多種原子組成的多元物質(zhì)的相變除與溫度T和壓強(qiáng)p有關(guān)外，還與各種原子的組份有關(guān)。如有A、B兩種原子組成的二元物質(zhì)，相變與T,p,和摩爾濃度X有關(guān)。完整的相圖應(yīng)是在T-p-X三維空間中，但很難畫出。另一方面，地球上的氣壓可近似為常數(shù)（1bar)。因此，通常畫出T-X相圖。48鐵碳相圖催生了現(xiàn)代文明和材料科學(xué)?？焖倮鋮s（淬火）可形成亞穩(wěn)相，如馬氏體相。49亞穩(wěn)態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)是液體冷卻到固相時(shí)應(yīng)形成的狀態(tài)，即熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)。但原子（分子）要從液態(tài)時(shí)的無規(guī)排列變?yōu)榫B(tài)時(shí)的有序排列，需要通過擴(kuò)散而移動。但擴(kuò)散速度太慢時(shí)，就無法達(dá)到晶態(tài)，而形成亞穩(wěn)態(tài)：非晶態(tài)（玻璃態(tài)）。SiO2液體的粘度極高，原子擴(kuò)散很困難，難于形成晶態(tài)。Tg：玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。將金屬液體快速冷卻到其Tg

以下，可制備非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）。聚合物中的長鏈分子擴(kuò)散困難，也難于形成晶態(tài)，常呈部分晶態(tài)，部分非晶態(tài)。502.6固體材料中的界面

晶體材料中的界面：晶界、亞晶界、相界面、孿晶界、層錯(cuò)等。有多種材料組成的復(fù)合材料中還有不同材料間的界面。材料的性能與界面的結(jié)構(gòu)與性能密切相關(guān)。如材料的破壞常在界面處開始。界面能：界面兩邊原子的排列和種類不同導(dǎo)致的能量增大。512.7材料的變形（力學(xué)性質(zhì)）彈性：常規(guī)材料的彈性主要是由于在外力作用下，材料變形使原子間距離增加，能量增大，因此，外力消失后會自動恢復(fù)以使能量降低，可稱為能量導(dǎo)致的彈性。彈性模量主要由結(jié)合鍵決定。柔性長鏈分子材料（橡膠、DNA等）的彈性是由于在外力作用下，長鏈分子展開，增加其排列的有序度，使熵減小，外力消失后會自動恢復(fù)以使熵增加，是熵導(dǎo)致的彈性。通常彈性模量很小，但彈性變形很大。522.粘彈（塑）性：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間有關(guān)。應(yīng)力松弛：變形后保持應(yīng)變不變，應(yīng)力會隨時(shí)間減小。蠕變：變形后保持應(yīng)力不變，應(yīng)變會隨時(shí)間增大。所有固體材料都有粘性，在聚合物中表現(xiàn)尤為明顯。一般來講，溫度越高，材料的粘性越明顯。533.塑變與強(qiáng)度屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度金屬中塑變方式主要為滑移和孿晶變形，而滑移的微觀機(jī)制是位錯(cuò)的產(chǎn)生和移動。陶瓷幾乎無塑變，是脆性材料。拉與壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有很大差別。聚合物的情況復(fù)雜，與具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常拉與壓有較大差別，可表現(xiàn)強(qiáng)烈的粘塑性。544.斷裂與疲勞應(yīng)力作用下微裂紋擴(kuò)展是斷裂的微觀機(jī)制，應(yīng)力集中是微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因。在遠(yuǎn)小于材料斷裂強(qiáng)度的交變載荷長時(shí)間作用下，材料性能的下降直至斷裂，稱為疲勞。斷裂與疲勞是材料失效的主要原因，是材料科學(xué)與力學(xué)研究的重點(diǎn)之一。55第3章結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

3.1設(shè)計(jì)原理與方法3.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3.3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料3.4層疊式復(fù)合材料3.5納米復(fù)合材料

3.6結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：1）吳人潔主編，復(fù)合材料，天津大學(xué)出版社，2000。2）陳華輝、鄧海金、李明、林小松編著，現(xiàn)代復(fù)合材料，中國物資出版社，1998。563.1設(shè)計(jì)原理與方法選擇合適的組元以獲得需要的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐腐蝕性、耐熱性等，同時(shí)有較小的密度。引入：比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度比模量=模量/密度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)原理就是選擇合適的組元以獲得較高的比強(qiáng)度、比剛度，同時(shí)具有較好的韌性、耐腐蝕性及耐熱性。5758組元分類與選擇方法增強(qiáng)材料：起主要承載作用，必須具有高強(qiáng)度和高模量；基體材料：起傳遞載荷及協(xié)同作用，同時(shí)能把增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起。組元間的相容性：物理、化學(xué)和力學(xué)性能的相容性，是復(fù)合后在使用環(huán)境中能彼此和諧。組元間的浸潤性：增強(qiáng)材料與基體結(jié)合界面具有理想的結(jié)合強(qiáng)度。593.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以纖維狀材料作為增強(qiáng)材料，分為短纖維和長（連續(xù)）纖維兩種。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：纖維彌散分布在基體內(nèi)部。例：混合了稻草、頭發(fā)、麻等的墻泥。60連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：纖維從基體的一個(gè)表面連續(xù)延伸到另一表面，內(nèi)部無斷裂處。例：鋼筋混凝土?？删幙棾?維或3維結(jié)構(gòu)61常用纖維金屬纖維：鋼，鋁，鎢，鉬等。無機(jī)纖維：玻璃纖維（GF,金屬氧化物：SiO2,Al2O3,B2O3,MgO,CaO,Na2O,Fe2O3,….)，碳纖維（CF，含碳超過95%以上，可從聚丙烯腈PAN、瀝青、粘膠絲等材料中提?。鹄w維（BF)，氧化鋁（AF，Al2O3)，碳化硅（SF，SiC)，…….。有機(jī)纖維：聚芳酰胺(PPTA)纖維（KF，Kevlar)，聚芳酯纖維，聚苯并噁唑（PBO)纖維，聚乙烯纖維（PF)，聚乙烯醇纖維…..。62常用纖維性能高碳鋼鋁鎢GFCFBFKFPFPBO密度g/cm37.72.819.42.522.61.40.971.56模量(Gpa)1966341085230~83042060~180172280強(qiáng)度(Gpa)4.120.24.14.582.24~7.063.533.05.80熔點(diǎn)C14006603340800>3000>2000700135650比模量25.522.521.134110~400161.540~129177179.5比強(qiáng)度0.50.070.21.81.1~3.51.352.43.13.7163晶須具有較大長徑比（>10）的單晶纖維材料。通常直徑為亞微米（1~10μm)。無或很少缺陷使其強(qiáng)度可很高。具最高的比強(qiáng)度和比模量，最好的抗蠕變和高溫性能。性能比較：強(qiáng)度（Gpa)纖維晶須SiC2~43~21Al2O31~2.614~28Si-N1.5~2.51464基體聚合物基（FRP)：最為常見，高強(qiáng)度、高模量的纖維與低密度聚合物的復(fù)合充分體現(xiàn)了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。但高溫性能較差。金屬基：在低密度金屬（如Al,Ti,Mg)中加入纖維/晶須可獲得在較高溫度下性能優(yōu)異的材料。陶瓷基：加入纖維/晶須可增韌，抑制裂紋生長。其它：混凝土、石墨。653.3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)體為顆粒狀。剛性顆粒：高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷(SiC,Si3N4,Al2O3,...)和石墨(金剛石)等非金屬顆粒，主要加入到金屬和陶瓷基體中提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度和模量等。三合土：鵝卵石+水泥+沙延性顆粒：金屬顆粒，主要加入到陶瓷基體中提高韌性。663.4層疊式復(fù)合材料將薄板形材料重疊而成的。許多材料的強(qiáng)度和模量僅在某一方向較大（各向異性），如木材、竹、單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。如將多層此類材料重疊且使各層方向各異，可獲得多方向均有較大強(qiáng)度和模量的復(fù)合材料。由單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板層疊而成的層疊式復(fù)合材料是目前最常用的復(fù)合材料。673.5納米復(fù)合材料

納米nm=10-9m，原子間距~0.3nm。納米材料：尺度在1~100nm。一般地講，尺度越小、缺陷越少、力學(xué)性能越好。納米顆粒：直徑<100nm；納米線（管）：線（管）徑<100nm；納米膜：膜厚<100nm；納米復(fù)合材料：至少一個(gè)組元是納米材料。68納米材料的特征與性能比表面大，使表面原子占總原子數(shù)的比例很大，化學(xué)活性和表面能也大；相互結(jié)合時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度也能很大。尺寸小，表現(xiàn)出與體材料很不相同的物理性能。例：碳納米管，69納米復(fù)合材料的種類與性能納米-納米和納米-微米型韌性Mpa.m1/2強(qiáng)度MPa最高工作溫度CAl2O3/SiC3.54.835015208001200Al2O3/Si3N43.54.73508508001300MgO/SiC1.24.53407006001400Si3N4/SiC4.57.5850155012001400陶瓷納米（~5%）-微米型性能改進(jìn)70有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料：橡膠改型硅酸鹽，聚合物/層狀硅酸鹽（PLS),…713.6結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用航空領(lǐng)域：先進(jìn)復(fù)合材料(ACM：碳、硼、Kevlar、氧化鋁、碳化硅等纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料)在F-14占2%，F(xiàn)-16占4.2%，F(xiàn)-18占12.1%，AV-8B鷂式占26.3%，V-22魚鷹式CF/EP占50%、GF/EP占13%、金屬占25%，其它占12%。B-2中CFRP達(dá)18—22.5噸，其隱身性能由功能復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)，在民用機(jī)上也可達(dá)15%。72航天和火箭領(lǐng)域：火箭和導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體多用CFRP和KFRP，衛(wèi)星上的天線、支承結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼、殼體、保護(hù)罩等基本都用復(fù)合材料，哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡筒是CFCM，航天飛機(jī)上有硼纖維增強(qiáng)鋁合金管，KF/EP壓力容器、鋁蜂窩/CF/EP艙門，Cf/SiC外表面等。73第4章結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)問題與方法

4.1各向異性、不均勻性與不連續(xù)性

4.2拉壓異性與非線性性

4.3細(xì)觀力學(xué)分析

4.4損傷與斷裂參考文獻(xiàn):1)沈觀林，《復(fù)合材料力學(xué)》，清華大學(xué)出版社，1996。2）羅祖道、王震鳴主編，《復(fù)合材料力學(xué)進(jìn)展》，北京大學(xué)出版社，1988。744.1各向異性、不均勻性與不連續(xù)性單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在纖維方向的模量和強(qiáng)度遠(yuǎn)高于橫截面方向，橫截面內(nèi)的模量和強(qiáng)度主要由基體材料決定，但也與纖維的排列方式有關(guān)。Gpa/FRPK-49E-GFS-GFT300BF0o模量7642501342070o強(qiáng)度1.381.21.341.81.32390o模量51516101990o強(qiáng)度0.0350.040.040.050.07275對稱性與對稱群可定義對稱群描述對稱性，進(jìn)而確定本構(gòu)關(guān)系，如Cijkl。基體常為各向同性材料。隨機(jī)彌散分布的短纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料也為各向同性。單向纖維增強(qiáng)、編織增強(qiáng)、層疊等復(fù)合材料為各向異性76單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有對稱映射，至少具有正交各向異性，獨(dú)立彈性常數(shù)個(gè)數(shù)不多于9個(gè)。如在橫截面上看纖維還按一定規(guī)則排列，則還可有對稱映射如：獨(dú)立彈性常數(shù)個(gè)數(shù)會更少。77編織增強(qiáng)復(fù)合材料的對稱性與編織方式有關(guān)除外還可有，，等。層疊復(fù)合材料可有，面內(nèi)模量和強(qiáng)度通常高于法向。78不均勻與不連續(xù)性增強(qiáng)體的加入使材料性能呈不均勻性，進(jìn)而可導(dǎo)致位移、應(yīng)力、應(yīng)變的不連續(xù)性。79連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法不能完全適用，必須考慮局部應(yīng)力和應(yīng)變集中、界面結(jié)合等因素對力學(xué)性能的影響，尤其是對強(qiáng)度的影響，如細(xì)觀力學(xué)方法。增強(qiáng)體的大小、形狀、分布及界面結(jié)合情況均會對其力學(xué)性能有直接的影響。804.2拉壓異性與非線性性纖維和層疊增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮時(shí)的強(qiáng)度通常不同于拉伸時(shí)的，這與纖維的拉壓異性和界面破壞有關(guān)。Mpa/FRPK-49E-GFS-GFT300BF0o拉伸強(qiáng)度138012001340180013230o壓縮強(qiáng)度2507658901200210090o拉伸強(qiáng)度354040507290o壓縮強(qiáng)度5015015024081幾何非線性與物理非線性幾何非線性（非線性微分方程）：薄壁柔性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大擾度彎曲、屈曲、大幅度振動等問題需要考慮非線性項(xiàng)。物理非線性（非線性本構(gòu)方程）：局部大應(yīng)變可使復(fù)合材料的剪切模量、橫向拉、壓模量等出現(xiàn)物理非線性，同時(shí)還需考慮粘彈性、彈塑性、蠕變等物理非線性。而濕度、溫度對復(fù)合材料的性能的影響也常是非線性的：濕熱效應(yīng)。824.3細(xì)觀力學(xué)分析探索復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度與其組分性能的關(guān)系，是力學(xué)、材料、數(shù)學(xué)等學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。對于復(fù)合材料剛度的研究已較為成熟，對強(qiáng)度與破壞的研究仍在繼續(xù)。剛度研究可分為材料力學(xué)和彈性力學(xué)等分析方法。強(qiáng)度與破壞的研究有材料力學(xué)方法、細(xì)觀隨機(jī)（統(tǒng)計(jì)）理論、斷裂力學(xué)方法等。83單向纖維復(fù)合材料的剛度單向纖維復(fù)合材料為正交各向異性，獨(dú)立彈性常數(shù)個(gè)數(shù)不多于9個(gè)，剛度矩陣84柔度矩陣與工程彈性常數(shù)工程中常用易于測量的工程彈性常數(shù)：廣義彈性模量Ei，Poisson比vij，剪切模量Gij它們與柔度矩陣[S]=[C]-1的系數(shù)有關(guān)：85混合定律單向薄層纖維復(fù)合材料的材料力學(xué)分析方法。設(shè)纖維體積含量為Vf,，彈性模量為Ef，基體體積含量為Vm=1-Vf,，彈性模量為Em。沿纖維方向?yàn)?，層內(nèi)橫截方向?yàn)?，沿1方向拉伸，伸長L=Lf=Lm，力F=Ff+Fm86橫截方向模量沿2方向拉伸，伸長H=Hf+Hm，力F=Ff=Fm87其它模量混合定律本質(zhì)上是串聯(lián)模型。計(jì)算所得與實(shí)驗(yàn)符合較好，但E2，G12則較差。有多個(gè)其它模型進(jìn)行模量計(jì)算。88強(qiáng)度分析與反映材料整體性能的彈性模量不同，強(qiáng)度更多的是由材料局部特性決定的。復(fù)合材料的強(qiáng)度既與纖維和基體的強(qiáng)度、物理性質(zhì)、纖維的形狀、分布情況及含量有關(guān)，還與制造過程中產(chǎn)生的纖維形狀和分布的不均勻、空隙、微裂紋、殘余熱應(yīng)力及界面強(qiáng)度等有關(guān)，因此實(shí)際強(qiáng)度通常會遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。理論分析可提供材料設(shè)計(jì)和改善性能的依據(jù)。89等強(qiáng)度纖維單向復(fù)合材料1方向的拉伸強(qiáng)度應(yīng)該是由纖維強(qiáng)度決定的，考慮纖維斷裂時(shí)基體變形應(yīng)力有壓縮強(qiáng)度還需考慮纖維屈曲、橫向拉裂等因素影響。橫向強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度等則更為復(fù)雜。例90其它復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析短纖維復(fù)合材料尚可對連續(xù)纖維的公式進(jìn)行修改后得到近似公式。顆粒、層疊等均需運(yùn)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)方法進(jìn)行分析和數(shù)值計(jì)算。纖維的強(qiáng)度并非都相同，而是呈統(tǒng)計(jì)分布，常為脆性材料的Weibull分布:濕熱效應(yīng)：纖維和基體的熱膨脹和吸濕性的不同，產(chǎn)生各向異性的濕熱變形，也是研究復(fù)合材料力學(xué)性能必須考慮的。914.4損傷與斷裂纖維復(fù)合材料損傷主要類型：1.纖維斷裂，2.纖維拔出，3.裂紋橋，4.基體微裂紋，5.界面損傷，6.層間剪切破壞。92主要特點(diǎn)沿纖維方向的裂紋生長與垂直方向的不同。纖維可長程傳遞應(yīng)力，使整體損傷。層合板多重開裂：各層沿外力方向強(qiáng)度不同，0度方向載荷下，90度板內(nèi)首先出現(xiàn)橫向裂紋，裂紋長大，數(shù)量增加，進(jìn)而導(dǎo)致其它方向板內(nèi)出現(xiàn)裂紋，裂紋斷裂后，層合板層間開裂而破壞。蠕變與疲勞現(xiàn)象對聚合物基體復(fù)合材料尤為顯著。93第5章功能復(fù)合材料

5.1設(shè)計(jì)原理與方法

5.2電性與磁性復(fù)合材料

5.3摩擦與阻尼功能復(fù)合材料

5.4熱、光、聲功能復(fù)合材料

5.5仿生復(fù)合材料參考文獻(xiàn):1)貢長生，張克立主編,《新型功能材料》，化學(xué)工業(yè)出版社，2000。2）吳人潔主編，《復(fù)合材料》，天津大學(xué)出版社，2000945.1

設(shè)計(jì)原理與方法功能材料：能提供除力學(xué)性能外的其它物理、化學(xué)或生物性能的材料，如：電（導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)）、磁（永磁、軟磁、吸波）、聲（阻尼、吸聲、抗振）、光（發(fā)光、濾光、透光）、熱（阻燃、防熱）、摩擦（摩阻、減摩）等。是目前十分活躍的研究領(lǐng)域。功能復(fù)合材料：由提供功能性質(zhì)的一種或多種功能體與起連接和賦形的基體組成。復(fù)合的優(yōu)越性：性能可設(shè)計(jì)，可調(diào)優(yōu)，可多功能復(fù)合，并可利用交叉耦合效應(yīng)創(chuàng)造出新型功能性。95設(shè)計(jì)與調(diào)優(yōu)途徑為獲得具優(yōu)異功能性(FigureofMerit)的材料，用復(fù)合方法可有多種調(diào)優(yōu)途徑：調(diào)整復(fù)合度：調(diào)整各組元的比例。調(diào)整聯(lián)接方式：0-3，1-3，2-2，3-3。調(diào)整對稱性：調(diào)整組元的空間分布。調(diào)整尺寸：小尺寸（納米）材料常有特殊的物理性能（量子尺寸效應(yīng)）。調(diào)整周期性：使功能體分布周期與外場（電磁波、聲波、光波）的周期耦合。965.2電性與磁性復(fù)合材料導(dǎo)電復(fù)合材料：將導(dǎo)電填料加入聚合物、金屬、陶瓷、水泥等基體中。聚合物基是主要的導(dǎo)電復(fù)合材料。導(dǎo)電填料：碳素、金屬、金屬氧化物、超導(dǎo)體等，可為粉末、顆粒、纖維等。特點(diǎn)：成本低，易于成型，綜合性能好。應(yīng)用舉例：導(dǎo)電粘膠劑、抗靜電、電磁波屏蔽、超導(dǎo)線….97電接觸復(fù)合材料，用于滑動和開關(guān)式接觸領(lǐng)域，如碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料用于電車和電動機(jī)車的滑塊，電刷；含固體潤滑劑的銀基復(fù)合材料用于宇宙飛船上的滑環(huán)和電刷；金屬氧化物改性的銀基復(fù)合材料用于斷路器、開關(guān)、繼電器。特點(diǎn)：耐磨、耐電、潤滑性好、接觸電阻小。納米復(fù)合可制備高介電材料。98磁性復(fù)合材料磁性材料：鐵，硅鋼，鐵氧體（Fe2O3-Ni,Zn,Mn，BaFe12O19,SrFe12O19),鐵合金（FeNi,FeAl,Fe-Cr-Co），稀土鐵合金（NdFeB,Sm-Fe-N)等Hc?。很洿牛米鞔判荆ㄗ儔浩?、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、互感器、傳感器），磁頭，磁屏蔽等Hc大：硬磁，用作永磁體及信息儲存99磁性復(fù)合材料：磁性材料（軟磁、硬磁）納米復(fù)合，以及與聚合物基、液態(tài)物質(zhì)等復(fù)合。聚合物基軟磁性復(fù)合材料易于成型、電阻率高，可制備低損耗、低溫升、強(qiáng)度好的軟磁性薄片用于低頻磁芯。聚合物基永磁性復(fù)合材料成型方便可進(jìn)行復(fù)查的精密構(gòu)形，可用于電動機(jī)、微波器件、磁性開關(guān)、磁浮軸承等。100聚合物基磁性復(fù)合材料涂料可用于磁記錄器、吸波隱身材料等。納米復(fù)合磁性材料可具有磁制冷、巨磁阻、高磁導(dǎo)率、高磁化強(qiáng)度、高矯頑力的新型和優(yōu)異材料。軟磁粉末復(fù)合材料：將鐵粉與磷、硅、鎳、鈷等金屬粉混合燒結(jié)，可制備任何復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的零部件。制得的材料與通常的合金不同（粉末冶金），是廣義的復(fù)合材料。1015.3摩擦與阻尼功能復(fù)合材料摩擦功能復(fù)合材料分為摩阻和減摩兩類。摩阻功能復(fù)合材料要求具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性好、耐磨性和抗黏著性好。主要有銅基及鐵基、聚合物基、碳基等，添加粉末、顆?；蚶w維狀的減摩劑（提高耐磨性和抗黏著性）或增摩劑（提高摩擦系數(shù)）。用于制動器、離合器等。102減摩功能復(fù)合材料可分為自潤滑和水潤滑兩類。自潤滑有尼龍基及高性能聚合物基中添加增強(qiáng)材料和摩擦改型劑以得到低的摩擦系數(shù)和好的承載能力，以及碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料。水潤滑主要是纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料，可使摩面形成水膜，隔離對摩面，降低表面溫度，減小摩擦和磨損。103阻尼功能復(fù)合材料當(dāng)材料受到力的振動波作用時(shí)，彈性能會逐漸減小，最終振動會消失。材料阻尼性能是描述材料消耗能量的能力，不同材料的阻尼機(jī)理不同，也有不同描述方法，如阻尼系數(shù)、內(nèi)耗、品質(zhì)因子等。通常材料的剛度越高，阻尼性能越差，要獲得高模量、高阻力的綜合性能就需要用復(fù)合材料。104主要類型高阻尼聚合物基復(fù)合材料：聚合物由于其內(nèi)的長鏈分子的相互作用可有較高的粘性，在用尼龍纖維或聚酯纖維等增強(qiáng)后還可利用纖維的阻尼性能得到高阻尼復(fù)合材料。金屬基阻尼復(fù)合材料：獲得高強(qiáng)度、高剛度、高阻尼的材料。主要通過選取高阻尼基體金屬（Zn-Al,Mg-Zr等）、高阻尼增強(qiáng)物（石墨）、高阻尼界面層等方法。1055.4熱、光、聲功能復(fù)合材料熱功能復(fù)合材料主要有熱適應(yīng)（熱匹配：熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的匹配）、耐燒蝕防熱、自息阻燃等類型。例：電子封裝材料（碳/銅）要求熱導(dǎo)率高、同時(shí)其熱膨脹系數(shù)與硅片及陶瓷基片相匹配，以避免因熱失配導(dǎo)致芯片破裂損壞。飛行器在空氣中高速飛行時(shí)表面溫度極高可達(dá)近2000度，需要在表面用耐燒蝕防熱復(fù)合材料如碳/碳、碳/石英等。106梯度功能材料（FGM)80年代美國國家空間計(jì)劃提出研制新一代航天飛機(jī)，其往返大氣層時(shí)，飛行速度可達(dá)25Mach，燃燒室表面溫度可超過2000度，而燃料的溫度卻為極低溫（液氫、液氧），使燃燒室壁兩側(cè)有超過1000度的溫差。用金屬-陶瓷復(fù)合材料，由于兩材料的熱膨脹系數(shù)差別大，界面處有較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致表面層的陶瓷片脫落，每次飛行后均需更換。1071986年日本科學(xué)家首先提出梯度功能材料的概念，目前已應(yīng)用于多種功能材料的領(lǐng)域。108生物FGM：HA(羥基磷灰石）陶瓷-鈦109光學(xué)功能復(fù)合材料透光復(fù)合材料：玻璃纖維與透明聚合物復(fù)合，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、透光度好的特性，可用于溫室采光，建筑物采光等。選擇濾光復(fù)合材料：帶色粉末與透明的聚合物、玻璃、單晶、玻璃陶瓷等復(fù)合，可用作濾色片。光致變色復(fù)合材料：玻璃中加入特殊氧化物可使其在紫外光照下變色，可制作變色眼鏡。110聲功能復(fù)合材料吸聲降噪復(fù)合材料：高阻尼復(fù)合材料，玻璃纖維、礦物纖維、陶瓷纖維、泡沫玻璃、泡沫陶瓷、發(fā)泡聚合物等。聲納復(fù)合材料：壓電功能復(fù)合材料抗聲納復(fù)合材料：橡膠-填料復(fù)合，可在水介質(zhì)中吸收聲納波，用于潛艇隱身。聲學(xué)器材用復(fù)合材料：碳纖維-紙漿復(fù)合制備音質(zhì)優(yōu)良的揚(yáng)聲器。1115.5仿生復(fù)合材料地球上幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料，同時(shí)還具有功能適應(yīng)性和創(chuàng)傷自愈合性。仿生復(fù)合材料主要包括結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和過程仿生等，其中功能和過程仿生屬智能材料，見下章。醫(yī)用生物材料除具有結(jié)構(gòu)/功能特性外還必須有良好的生物相容性，在體內(nèi)無毒、無害、無副作用。112結(jié)構(gòu)仿生復(fù)合材料界面仿生設(shè)計(jì)：復(fù)合材料的界面強(qiáng)度是影響其性能的重要因素。強(qiáng)結(jié)合可使應(yīng)力傳遞好，提高材料強(qiáng)度，但韌性降低；弱結(jié)合則相反。用仿骨的啞鈴型增強(qiáng)體可有較好效果。強(qiáng)度Mpa伸長率%PVC片25.9--平直SiC晶須增強(qiáng)50.38仿骨SiC晶須增強(qiáng)31.535.8113仿樹根的分形樹型纖維可增強(qiáng)和增韌114仿生螺旋增韌：陶瓷纖維通常有高的剛度和強(qiáng)度，但伸長率和斷裂韌性差。制成仿竹的空心、纖維螺旋分布及多層結(jié)構(gòu)可提高韌性。115醫(yī)用生物復(fù)合材料生物陶瓷復(fù)合材料：金屬（不銹鋼，鈦等）纖維增強(qiáng)生物活性玻璃，生物惰性陶瓷（羥基磷灰石HA)涂層。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）復(fù)合材料：骨水泥PMMA可用于填注假體和周圍骨間的空隙已固定植入的假體，并將負(fù)荷從假體傳導(dǎo)至骨。為增強(qiáng)其性能，常用金屬、碳、聚合物纖維。碳纖維/聚砜復(fù)合材料做人造關(guān)節(jié)。高分子/陶瓷顆粒復(fù)合材料用于補(bǔ)牙。116第6章機(jī)敏與智能材料與結(jié)構(gòu)6.1設(shè)計(jì)原理與方法

6.2智能金屬材料

6.3智能無機(jī)材料

6.4智能高分子材料6.5減振降噪自適應(yīng)結(jié)構(gòu)6.6形狀自適應(yīng)結(jié)構(gòu)6.7損傷自診斷與強(qiáng)度自適應(yīng)6.8微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）參考文獻(xiàn)：1）陶寶祺主編：智能材料結(jié)構(gòu)，國防工業(yè)出版社，19972）姚康德等：智能材料，天津大學(xué)出版社，1996。3）劉廣玉等：微機(jī)械電子系統(tǒng)及其應(yīng)用，北航出版社，20031176.1設(shè)計(jì)原理與方法SmartMaterials：機(jī)敏（靈巧）材料IntelligentMaterials：智能材料金山詞霸：美國傳統(tǒng)詞典雙解Smart:1)機(jī)智的以快速、靈活的思考為特點(diǎn)的；聰明的See:intelligent2)自動的高度自動化裝置的，特指能模仿人工智能的，與之有關(guān)的，或本身如此的：smartmissiles.全自動化導(dǎo)彈118SmartvsIntelligentGoogle:smartmaterials:2,900,000條

intelligentmaterials:1,900,000條國際雜志：

SmartMaterialsandStructures，出版英國InstituteofPhysics，1992-

JournalofIntelligentMaterialsSystemsandStructures，出版英國Sage出版社,1990-應(yīng)可通用，前者更廣泛，更常用一些，本課程中將不加區(qū)別。119智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史在80年代后期如形狀記憶合金、壓電陶瓷等具有特殊功能性的新材料發(fā)現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，使得人工制備更接近生物材料這一最高材料形式的新材料成為可能。80年代末就有人提出智能材料的概念以描述具有感知（傳感，sensing）和\或執(zhí)行（驅(qū)動、作動、執(zhí)行actuating）功能的材料。120智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史90年代進(jìn)一步提出將具有感知和執(zhí)行功能的材料與具有控制功能的材料（芯片）組合成為一個(gè)材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)，利用感知功能監(jiān)測環(huán)境變化，通過控制功能發(fā)出指令使執(zhí)行功能材料完成所需的任務(wù)。自適應(yīng)可變機(jī)翼動畫121設(shè)計(jì)步驟選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造不可分割，需提供軟件。122智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)vs智能系統(tǒng)智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)是一種智能系統(tǒng)由于智能材料本身的智能性使其制備的系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)集成化程度高、體積小、靈敏度好使其有更為廣闊的應(yīng)用前景。123常用智能材料感知：光纖、壓電材料、電阻式應(yīng)變絲、疲勞壽命絲、半導(dǎo)體傳感元件…驅(qū)動：形狀記憶材料、壓電材料、電（磁）致伸縮材料、電（磁）流變體、刺激響應(yīng)性聚合物….其它：智能膜、智能微球（囊）、智能藥物釋放體系（DDS)1246.2智能金屬材料形狀記憶合金磁致伸縮材料鐵磁性形狀記憶合金電阻式應(yīng)變絲疲勞壽命絲125電阻式應(yīng)變絲與疲勞壽命絲康銅絲、鎳鉻絲等的電阻與絲長有關(guān)，可埋入材料中，測量應(yīng)變經(jīng)特殊處理的CuNiMn電阻隨交變應(yīng)變次數(shù)而增大，可埋入材料中，測量疲勞壽命126疲勞壽命預(yù)測通過測量材料在疲勞斷裂時(shí)的電阻變化可獲得該材料的臨界電阻變化值剩余壽命：127形狀記憶合金近等原子TiNi，TiNi基(TiNiCu,TiNiFe,TiNiNb)Cu基（CuZnAl,CuAlNi,CuAlMn),Fe基（FeMnSi)223K301K形狀記憶效應(yīng)：熱-機(jī)械耦合128熱彈性馬氏體相變母相（奧氏體）為立方晶，高溫穩(wěn)定相；馬氏體相可視為母相的剪切，低溫及受力穩(wěn)定相。129孿晶馬氏體與形狀記憶130應(yīng)力誘發(fā)馬氏體與超彈性立方晶母相（奧氏體）在外力作用下也會發(fā)生馬氏體相變，形成應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，外力取消后應(yīng)力誘發(fā)馬氏體會恢復(fù)為母相。應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為超彈性，可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)8%，遠(yuǎn)高于普通金屬的彈性應(yīng)變。131形狀記憶合金的力學(xué)特性高達(dá)8%的升溫可恢復(fù)應(yīng)變約束升溫可獲得高達(dá)500MPa的可恢復(fù)應(yīng)力。圖8不同預(yù)應(yīng)變對回復(fù)力-溫度關(guān)系的影響TiNiNbTiNi132形狀記憶合金的力學(xué)特性TiNi母相的彈性模量遠(yuǎn)高于馬氏體相TiNi母相的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于馬氏體相滯后與馬氏體孿晶結(jié)構(gòu)使形狀記憶合金有較大的阻尼（至少比鋼高一個(gè)數(shù)量級）。133形狀記憶合金的應(yīng)用接頭：最成功的應(yīng)用之一，連接油管、水管、電器…134形狀記憶合金的應(yīng)用：航天135形狀記憶合金的應(yīng)用驅(qū)動器:（電）熱-機(jī)械器件136形狀記憶合金的應(yīng)用熱控制器：汽車、空調(diào)、滅火器…137形狀記憶合金的應(yīng)用微型機(jī)器人138形狀記憶合金的應(yīng)用醫(yī)療器械139磁-機(jī)械耦合合金永磁材料在磁場作用下會發(fā)生磁化狀態(tài)改變，同時(shí)也會發(fā)生形變，即為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變通常極低<10-5。新材料鋱鏑鐵巨磁致伸縮合金（Terfenol-D，TbxDy1-xFe2，x~0.3）可達(dá)10-3。Ni1.96Mn1.18Ga0.86合金中可同時(shí)發(fā)生順磁-鐵磁相變（居里點(diǎn)Tc=370K)與立方-四方熱彈性馬氏體相變（Ms=307K,Mf=305K,As=315K,Af=318K)稱為（鐵）磁性形狀記憶合金。1406.3智能無機(jī)材料壓電-鐵電材料電（磁）流變體光導(dǎo)纖維141光導(dǎo)纖維光纖可分為石英、多組分和高聚物光纖，主要用于傳導(dǎo)光線。142光導(dǎo)纖維埋入材料或結(jié)構(gòu)中的光纖，當(dāng)局部發(fā)生變形時(shí)，傳導(dǎo)的光線會發(fā)生變化，故可用于測量應(yīng)變，作為智能傳感器。已用于橋梁、大壩等建筑結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測。143電（磁）流變體電（磁）流變體：流體在電（磁）場作用下，其粘度、阻尼性能、剪切強(qiáng)度等有較大幅度提高，甚至變得象固體。144電（磁）流變體工作機(jī)理電（磁）流變體主要為懸浮液，懸浮顆粒在電（磁）場作用下極（磁）化形成團(tuán)簇145常見電流變體及其性能電流變體通常由溶劑（煤油、硅油、礦物油等）、微粒溶質(zhì)（高嶺土、硅藻土、硅、聚糖等）和添加劑（有機(jī)極化劑和表面活性劑）組成。146電流變體的應(yīng)用可用于減震、降噪，可控離合器、力矩轉(zhuǎn)換器，可變阻尼器等。147壓電-鐵電材料壓電效應(yīng)是指某些材料在變形時(shí)會產(chǎn)生電勢，同時(shí)在電場作用下也會發(fā)生形變的現(xiàn)象。1880年居里兄弟首次發(fā)現(xiàn)石英單晶具有壓電效應(yīng)，40年代發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷BaTiO3，50年代發(fā)現(xiàn)PZT[Pb(ZrTi)O3]，70年代研制成透明壓電陶瓷PLZT[(PbLa)(ZrTi)O3]和壓電聚合物PVDF（聚偏二氟乙烯）。壓電效應(yīng)的機(jī)理：機(jī)械變形造成材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對移動而產(chǎn)生電極化，反之，外加電場使內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對移動而產(chǎn)生宏觀變形。148（線性）壓電（本構(gòu)）方程材料力學(xué)行為用應(yīng)力σij和應(yīng)變εij及其相互關(guān)系（本構(gòu)方程）描述，絕緣材料的電極化行為用電場強(qiáng)度Ei和電位移Di及其相互關(guān)系（介電方程）描述。線性壓電本構(gòu)方程:材料對稱性對系數(shù)矩陣有較大的約束149壓電常數(shù)矩陣工程上常用逆方程:150石英晶體的壓電常數(shù)矩陣室溫下石英晶體屬α石英，菱面體（三方）晶系（a=b=c,α=β=γ≠90)。151PZT的壓電常數(shù)矩陣各向同性壓電陶瓷PZT沿3方向極化后呈橫觀各向同性PZT-5A:152鐵電與非鐵電型壓電效應(yīng)PZT與石英晶體中壓電效應(yīng)的機(jī)理有較大不同。在無外加電場時(shí)，石英晶體中無電偶極子，每一晶胞均呈電中性，而PZT中有電偶極子（自發(fā)極化，spontaneouspolarization)，但電偶極子形成電疇結(jié)構(gòu)，使材料整體呈電中性。有自發(fā)極化的材料的D-E曲線與鐵磁材料的M-H曲線相似，故稱為鐵電材料。153石英晶體壓電效應(yīng)154鈣鈦礦型鐵電材料典型材料：BaTiO3,PZT,PLZTBaTiO3

在120oC以上時(shí)呈立方結(jié)構(gòu)，無電偶極子，每一晶胞均呈電中性，無壓電效應(yīng)，稱為順電相，降溫到Tc=120oC時(shí)開始發(fā)生立方到四方的相變，c軸伸長，a=b縮短。室溫時(shí)c=0.4036nm,a=b=0.3992nm。155順電-鐵電相變BaTiO3

在Tc=120oC發(fā)生立方到四方的相變時(shí)，晶胞內(nèi)正負(fù)離子不同步移位，使晶胞內(nèi)出現(xiàn)沿伸長軸c方向的電偶極子（自發(fā)極化）Ps=0.26C/m2(室溫）。156鐵電材料的特性小電場下有（線性）壓電效應(yīng)。大電場下可發(fā)生電偶極子翻轉(zhuǎn)和較大的應(yīng)變。157鐵電材料的電疇BaTiO3

在Tc=120oC發(fā)生立方到四方的相變時(shí)，晶胞伸長軸c可是立方相三個(gè)軸中的任意一個(gè)，而每一軸向可出現(xiàn)大小相等方向相反的兩個(gè)自發(fā)極化，故共有6個(gè)可能的自發(fā)極化，相互夾角為90o、180o。158鐵電材料的電疇在Tc=120oC發(fā)生相變時(shí)，BaTiO3試樣中會出現(xiàn)不同的區(qū)域，使每一區(qū)域內(nèi)Ps為同一值，這種區(qū)域就稱為電疇，而不同區(qū)域內(nèi)可有不同的Ps。通常降溫所得試樣的所有Ps之和為零，無壓電效應(yīng)，需加電場極化。159電疇、疇壁與疇翻轉(zhuǎn)P的大幅改變是由較大的電場使疇壁移動，發(fā)生疇翻轉(zhuǎn)，增加電場有利疇減少電場無利疇。160壓電-鐵電材料的應(yīng)用壓電振蕩器、鑒頻器、濾波器；壓電水聲換能器；壓電電聲換能器（次生、聲、超生；壓電馬達(dá)（超生波電機(jī)、超生馬達(dá)）；壓電變壓器；壓電加速度和力傳感器；壓電檢測器；壓電執(zhí)行器