復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)測量工具顯微鏡

在材料設(shè)計(jì)中隨著高強(qiáng)度、高模量纖維材料應(yīng)用量的增加
，人們對復(fù)合材料與其成份．及兩者之間機(jī)械、物理性能的關(guān)
系引起了新的注意。研究性能之間的關(guān)系有助于分析采用非均
質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特性，也為改進(jìn)材料的開發(fā)提供了指南。

整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程由于材料設(shè)計(jì)階段的引入而有很大變化
。在初始設(shè)計(jì)階段．所考慮的材料常常涉及到仍然處于實(shí)驗(yàn)階
段的材料．不能提供這些材料的性能數(shù)據(jù)。材料的初步選擇可
能依據(jù)分析手段所確定的材料性能參數(shù)。所使用的分析手段基
于對復(fù)合材料的表觀性能與其成份之間關(guān)系的研究結(jié)果。這種
研究常常被稱之為微觀力學(xué)，盡管這種研究實(shí)際上并不是在微
觀水平上進(jìn)行的。

在了解復(fù)合材料總的或平均響應(yīng)與其組成性能之間的關(guān)系
后．非均質(zhì)復(fù)合材料可以用等效的、并且常常是各向異性的均
質(zhì)材料來模擬。這一均質(zhì)材料的性能就是復(fù)合材料的有效性能
．即復(fù)合材料內(nèi)各狀態(tài)變量的平均值。當(dāng)已確定單向復(fù)合材料
的有效性能值后．在設(shè)計(jì)過程的許多方面．這些材料可被處理
成均質(zhì)各向異性材料。

纖維復(fù)合材料物理性能

單向纖維復(fù)合材料(UDC)是由埋置在基體中的同向連續(xù)纖維
所構(gòu)成(圖1)．目前采用的纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、石墨
纖維和硼纖維；典型的基體有高聚物(如環(huán)氧樹脂)、輕金屬(主
要是鋁合金類)。用試樣測出的UDC物理性能稱為有效性能。典
型的試樣為平板。有效物理性能是纖維和基體物理性能及其體
積分?jǐn)?shù)的函數(shù)．甚或與纖維分布的統(tǒng)計(jì)因子也有關(guān)系。纖維通
常具有圓形橫截面．其直徑變化不大。UDC顯然是各向異性的．
因?yàn)檠乩w維方向的性能與垂直于纖維方向的性能不相同。所涉
及的有效性能值包括彈性、熱膨脹系數(shù)、濕膨脹系數(shù)、靜、動
態(tài)粘彈性能、導(dǎo)熱率及濕擴(kuò)散系數(shù)。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)．材料性能一般由實(shí)驗(yàn)獲得．并匯編成手冊。
但這種方法不適于復(fù)合材料．其原因在于復(fù)合材料的多樣性。
有許多具有不同的各向異性性能的碳纖維和石墨纖維，也有許
多具有不同性能的基體。并且基體性能存在不同的環(huán)境效應(yīng)。
由實(shí)驗(yàn)確定全部有效各向異性性能參數(shù)是不可能的．必須發(fā)展
各種分析手段。依據(jù)纖維和基體性能、體積分?jǐn)?shù)、纖維分布等
來確定這些性能值。實(shí)驗(yàn)的任務(wù)在于檢驗(yàn)這種分析手段的有效
性。這樣，材料性能是從結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點(diǎn)，而不是材料力學(xué)的觀
點(diǎn)來確定的。的確復(fù)合材料是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．而不是經(jīng)典定
義的材料。

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