复合材料结构设计微观力学实验测量工具显微镜

复合材料结构设计微观力学实验测量工具显微镜

在材料设计中随着高强度、高模量纤维材料应用量的增加
，人们对复合材料与其成份．及两者之间机械、物理性能的关
系引起了新的注意。研究性能之间的关系有助于分析采用非均
质材料的结构特性，也为改进材料的开发提供了指南。

整个结构设计过程由于材料设计阶段的引入而有很大变化
。在初始设计阶段．所考虑的材料常常涉及到仍然处于实验阶
段的材料．不能提供这些材料的性能数据。材料的初步选择可
能依据分析手段所确定的材料性能参数。所使用的分析手段基
于对复合材料的表观性能与其成份之间关系的研究结果。这种
研究常常被称之为微观力学，尽管这种研究实际上并不是在微
观水平上进行的。

在了解复合材料总的或平均响应与其组成性能之间的关系
后．非均质复合材料可以用等效的、并且常常是各向异性的均
质材料来模拟。这一均质材料的性能就是复合材料的有效性能
．即复合材料内各状态变量的平均值。当已确定单向复合材料
的有效性能值后．在设计过程的许多方面．这些材料可被处理
成均质各向异性材料。

纤维复合材料物理性能

单向纤维复合材料(UDC)是由埋置在基体中的同向连续纤维
所构成(图1)．目前采用的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、石墨
纤维和硼纤维；典型的基体有高聚物(如环氧树脂)、轻金属(主
要是铝合金类)。用试样测出的UDC物理性能称为有效性能。典
型的试样为平板。有效物理性能是纤维和基体物理性能及其体
积分数的函数．甚或与纤维分布的统计因子也有关系。纤维通
常具有圆形横截面．其直径变化不大。UDC显然是各向异性的．
因为沿纤维方向的性能与垂直于纤维方向的性能不相同。所涉
及的有效性能值包括弹性、热膨胀系数、湿膨胀系数、静、动
态粘弹性能、导热率及湿扩散系数。

传统的观点．材料性能一般由实验获得．并汇编成手册。
但这种方法不适于复合材料．其原因在于复合材料的多样性。
有许多具有不同的各向异性性能的碳纤维和石墨纤维，也有许
多具有不同性能的基体。并且基体性能存在不同的环境效应。
由实验确定全部有效各向异性性能参数是不可能的．必须发展
各种分析手段。依据纤维和基体性能、体积分数、纤维分布等
来确定这些性能值。实验的任务在于检验这种分析手段的有效
性。这样，材料性能是从结构力学观点，而不是材料力学的观
点来确定的。的确复合材料是一种复杂的结构．而不是经典定
义的材料。

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