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1、复合材料制备与加工 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第二章 复合材料的界面与设计2.1 2.1 复合材料的界面复合材料的界面 基体和增强相之间化学成分有显著变化、构基体和增强相之间化学成分有显著变化、构基体和增强相之间化学成分有显著变化、构基体和增强相之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界面。面。
2、面。面。在许多情况下，界面是具有层次的，即沿在许多情况下，界面是具有层次的，即沿在许多情况下，界面是具有层次的，即沿在许多情况下，界面是具有层次的，即沿界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是一个简单的接触面。一个简单的接触面。一个简单的接触面。一个简单的接触面。界面在复合材料中所占的比例很大，在复界面
3、在复合材料中所占的比例很大，在复界面在复合材料中所占的比例很大，在复界面在复合材料中所占的比例很大，在复合材料中有着极为重要的作用。合材料中有着极为重要的作用。合材料中有着极为重要的作用。合材料中有着极为重要的作用。2.1.1 界面对复合材料性能的影响 具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：（a a a a）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；（b b
4、b b）通通通通过过过过应应应应力力力力传传传传递递递递，使使使使强强强强化化化化相相相相承承承承受受受受较较较较大大大大的的的的外外外外载载载载荷荷荷荷，提提提提高高高高复合材料的承载能力；复合材料的承载能力；复合材料的承载能力；复合材料的承载能力；（c c c c）分分分分散散散散和和和和吸吸吸吸收收收收各各各各种种种种机机机机械械械械冲冲冲冲击击击击和和和和热热热热冲冲冲冲击击击击的的的的能能能能量量量量，提提提提高高高高抗抗抗抗外加冲击的能力；外加冲击的能力；外加冲击的能力；外加冲击的能力；（d d d d）使使使使强强强强化化化化相相相相与与与与基基基基体体体体产产产产生生生生既既既
5、既相相相相互互互互独独独独立立立立又又又又相相相相互互互互协协协协调调调调的的的的作作作作用用用用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。强强强强化化化化相相相相多多多多为为为为强强强强度度度度高高高高而而而而塑塑塑塑性性性性差差差差的的的的材材材材料料料料，当当当当界界界界面面面面结
6、结结结合合合合强强强强度度度度过过过过高高高高时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。影响界面结合强度的因素（1 1 1 1）强化相几何形状、表面形貌与质量）强化相几何形状、表面形貌与质量）强化相几何形状、表面形貌与质量）强化相几何形状、表面形貌与质量 一一一一般般般般认认认认为为为为纤纤纤纤维维维维状状状状的的的的强强强强化化化化相相相相与与与与基基基基体体体体之之之之间间间间的的的的结结结结合合合合强强强强度度度度，比比比比
7、颗颗颗颗粒粒粒粒状状状状的的的的强强强强化化化化相相相相的的的的要要要要好好好好；表表表表面面面面粗粗粗粗糙糙糙糙的的的的强强强强化化化化相相相相与与与与基基基基体体体体之之之之间间间间的的的的结结结结合合合合强强强强度较高。度较高。度较高。度较高。（2 2 2 2）强化相与基体热性能匹配程度）强化相与基体热性能匹配程度）强化相与基体热性能匹配程度）强化相与基体热性能匹配程度 当当当当强强强强化化化化相相相相与与与与基基基基体体体体之之之之间间间间的的的的热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀系系系系数数数数相相相相差差差差较较较较大大大大时时时时，在在在在热热热热循循循循环环环环过程中，易在界面产生微裂纹
8、，因而影响界面结合强度。过程中，易在界面产生微裂纹，因而影响界面结合强度。过程中，易在界面产生微裂纹，因而影响界面结合强度。过程中，易在界面产生微裂纹，因而影响界面结合强度。（3 3 3 3）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度 能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。（4 4 4 4）制备与成形工艺的选择）制备与成形工艺的选择）制备与成形工艺的选
9、择）制备与成形工艺的选择 制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应等作用的影响不同。等作用的影响不同。等作用的影响不同。等作用的影响不同。2.1.2 界面结合形式一、粘结结合一、粘结结合一、粘结结合一、粘结结合 基基基基体体体体与与与与增增增增强强强强相相相相之之之之间间间间通通通通过过过过粘粘粘粘结结结结作作作作用用用用而而而而形形形形成成成成的的的的一一一一种种种种界界界界面面面面结结结结合合合合形式。形式。形式。形式。（1 1 1
10、 1）表面润湿理论）表面润湿理论）表面润湿理论）表面润湿理论 界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，其其其其界面结合模式主要有两种：界面结合模式主要有两种：界面结合模式主要有两种：界面结合模式主要有两种：机械粘结与物理吸附机械粘结与物理吸附机械粘结与物理吸附机械粘结与物理吸附。机械粘结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的机械粘结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的机械粘结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的机械粘结模式认为，固态增强相的表
11、面存在许多微小的凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合作用。机械铆钉式的结合作用。机械铆钉式的结合作用。机械铆钉式的结合作用。物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。相之间发生了具有范德华力
12、的物理吸附作用。相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。（2 2 2 2）化学键理论）化学键理论）化学键理论）化学键理论 认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成涂层涂层涂层涂层,它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成它能与
13、基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成共价键），以获得理想的界面粘结强度。共价键），以获得理想的界面粘结强度。共价键），以获得理想的界面粘结强度。共价键），以获得理想的界面粘结强度。（3 3 3 3）可形变层理论）可形变层理论）可形变层理论）可形变层理论 在在在在复复复复合合合合材材材材料料料料在在在在制制制制备备备备过过过过程程程程中中中中，由由由由于于于于强强强强化化化化相相相相与与与与基基基基体体体体的的的的热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀系系系系数数数数不不不不同同同同，或或或或由由由由于于于于基基基
14、基体体体体的的的的固固固固化化化化收收收收缩缩缩缩而而而而引引引引起起起起附附附附加加加加应应应应力力力力。附附附附加加加加应应应应力力力力可可可可引引引引起起起起局局局局部部部部应应应应力力力力集集集集中中中中，形形形形成成成成微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹，降降降降低低低低复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的性性性性能能能能。而而而而对对对对增增增增强强强强相相相相进进进进行行行行某某某某种种种种处处处处理理理理后后后后，复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的性性性性能能能能可可可可以以以以得得得得到到到到改改改改善善善善。因因因因而而而而认认认认为为为为这这这这是是是是由由由由于于于于处
15、处处处理理理理剂剂剂剂在在在在强强强强化化化化相相相相表表表表面面面面形形形形成成成成了了了了一一一一层层层层塑塑塑塑性性性性层层层层，可以松弛界面附近应力集中的缘故。可以松弛界面附近应力集中的缘故。可以松弛界面附近应力集中的缘故。可以松弛界面附近应力集中的缘故。（4 4 4 4）扩散层理论）扩散层理论）扩散层理论）扩散层理论 认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。二、溶解结合二、溶解结合 溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产溶解结合是基体与强化相之间在充
16、分润湿的情形下产溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导致纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。致纤维增强复合材料中界面的不稳定
17、，复合材料强度下降。致纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。致纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚至可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高至可以产生显著的溶解作用
18、，从而导致复合材料的界面在高至可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高至可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。三、反应结合三、反应结合 基基基基体体体体与与与与强强强强化化化化相相相相发发发发生生生生化化化化学学学学反反反反应应应应，在在在在界界界界面面面面形形形形成成成成反反反反应应应应物物物物的的的的一一一一种种种种结结结结合合合合形形形形式式式式，称称称称为为为为反反反反应应应应结结结结合合合
19、合。这这这这类类类类结结结结合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。形成反应结合的界面结合强度，取决于反应形成反应结合的界面结合强度，取决于反应形成反应结合的界面结合强度，取决于反应形成反应结合的界面结合强度，取决于反应物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化合物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例合物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例合物且反应层厚度较大时，由于对强化相
20、（例合物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反应层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。应层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。应层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。应层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。四、混合结合四、混合结合 在实际的分散强化复合材料中，界面的结合在实际的分散
21、强化复合材料中，界面的结合在实际的分散强化复合材料中，界面的结合在实际的分散强化复合材料中，界面的结合往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单
22、一的粘结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机械粘结与扩散）同时发挥作用。械粘结与扩散）同时发挥作用。械粘结与扩散）同时发挥作用。械粘结与扩散）同时发挥作用。2.1.3 层状（接合型）复合材料的界面 界界界界面面面面结结结结合合合合机机机机理理理理大大大大致致致致分分分分为为为为四四四四种种种种类类类类型型型型：纯纯纯纯机机机机械械械械结结结结合合合合（残残残残余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。余应力结合）、机械粘
23、结、扩散结合、反应结合。余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。纯纯纯纯机机机机械械械械结结结结合合合合依依依依靠靠靠靠残残残残余余余余应应应应力力力力实实实实现现现现，例例例例如如如如镶镶镶镶套套套套、热热热热装装装装；机机机机械械械械粘粘粘粘结结结结是是是是通通通通过过过过塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形等等等等而而而而实实实实现现现现的的的的（如如如如冷冷冷冷变变变变形形形形条条条条件件件件下下下下形形形形成成成成的的的的结结结结合合合合），此此此此时时时时的的的的界界界界面面面面结结结结合合合合形形形形式式式式主主主主要要要要为为为为凹凹凹凹凸凸凸凸界界界界面的相互啮合和原子级金属
24、键合。面的相互啮合和原子级金属键合。面的相互啮合和原子级金属键合。面的相互啮合和原子级金属键合。当当当当实实实实现现现现复复复复合合合合的的的的塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形在在在在一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下进进进进行行行行时时时时，异异异异质质质质金金金金属属属属在在在在复复复复合合合合过过过过程程程程中中中中伴伴伴伴随随随随扩扩扩扩散散散散作作作作用用用用，从从从从而而而而使使使使界界界界面面面面结结结结合合合合成成成成为为为为扩扩扩扩散散散散结结结结合合合合形形形形式式式式，一一一一般般般般将将将将其其其其称称称称为为为为冶冶冶冶金金金金结结结结合合合合或或或或金金金金属
25、属属属学学学学结合。结合。结合。结合。经经经经冷冷冷冷加加加加工工工工复复复复合合合合的的的的层层层层状状状状复复复复合合合合材材材材料料料料，为为为为了了了了获获获获得得得得较较较较高高高高的的的的界界界界面面面面质质质质量量量量，可可可可以以以以通通通通过过过过适适适适当当当当的的的的热热热热处处处处理理理理促促促促进进进进界界界界面面面面的的的的扩扩扩扩散散散散，获得扩散结合界面。获得扩散结合界面。获得扩散结合界面。获得扩散结合界面。当当当当两两两两种种种种活活活活性性性性较较较较高高高高的的的的金金金金属属属属在在在在较较较较高高高高温温温温度度度度下下下下进进进进行行行行变变变变形形
26、形形复复复复合合合合，或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。通通通通常常常常采采采采用用用用低低低低温温温温复复复复合合合合、或或或或冷冷冷冷变变变变形形形形复复复复合合合合后后后后进进进进行行行行低低低低温温温温扩扩扩扩散散散散热处理等方法予以避免。热处理等方法予以避免。热处理等方法予以避免。热处理等方法予以避免。2.2 复合材料设计 2.2.1 2.2.1 概述概述 复合材料设计包括以下几个方面的内容。复合材料设计包括以下几个方面的内容。(1)(
27、1)性能设计性能设计 根根据据组组元元的的性性能能、形形状状、分分布布与与取取向向、组组成成比比等对复合材料性能的影响规律，设计出所需性能。等对复合材料性能的影响规律，设计出所需性能。复复合合材材料料的的性性能能包包括括三三个个方方面面：物物理理性性能能、力力学性能以及可加工性能。学性能以及可加工性能。物理性能包括密度、热容量、线膨胀系数、热物理性能包括密度、热容量、线膨胀系数、热传导率以及电磁性能等，其中对于分散强化型复传导率以及电磁性能等，其中对于分散强化型复合材料，以密度、热膨胀系数最受重视；合材料，以密度、热膨胀系数最受重视；力力学学性性能能主主要要有有弹弹性性系系数数、强强度度、断断
28、裂裂韧韧性性与与耐磨损性能等；耐磨损性能等；可可加加工工性性是是指指对对所所制制得得的的复复合合材材料料进进行行二二次次加加工工（赋赋予予材材料料以以所所需需形形状状或或直直接接加加工工成成制制品品的的塑塑性性变变形形或或机机加加工工）的的性性能能，并并影影响响到到后后述述的的经经济济性。性。(2)(2)制备与加工工艺设计制备与加工工艺设计 由由于于复复合合材材料料的的加加工工性性能能一一般般较较差差，在在进进行行复复合合材材料料的的设设计计时时，必必须须充充分分考考虑虑制制备备的的难难易易程程度度以以及及后后续续加加工工的的可可能能性性，在在此此基基础上进行制备与加工工艺的选择或设计。础上进
29、行制备与加工工艺的选择或设计。例例如如，由由于于陶陶瓷瓷复复合合材材料料的的二二次次加加工工性性能能很很差差，因因此此在在许许多多情情况况下下只只能能采采用用近近终终形形成成形形方方式式，以以求求尽尽可可能能地地减减少少或或者者省省去去后后续续加工量。加工量。(3)(3)经济性经济性 综合考虑原材料成本、制备与加工的难综合考虑原材料成本、制备与加工的难易程度、生产率等因素对复合材料价格的影易程度、生产率等因素对复合材料价格的影响。响。一般地讲，各种复合材料的制备工艺都一般地讲，各种复合材料的制备工艺都比较复杂，对设备的要求高，因而生产效率比较复杂，对设备的要求高，因而生产效率较低、成本较高。较
30、低、成本较高。2.2.2 复合准则 各组元材料的性能与复合材料性能之各组元材料的性能与复合材料性能之间的关系称为复合准则（间的关系称为复合准则（ROMROM：Rule of Rule of mixturesmixtures）。）。用于复合材料的弹性系数、强度、导用于复合材料的弹性系数、强度、导电导热等性能设计的准则，主要有简单复电导热等性能设计的准则，主要有简单复合准则和基于弹性理论的复合准则。合准则和基于弹性理论的复合准则。一、简单复合准则 假假假假设设设设复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的性性性性能能能能与与与与组组组组元元元元的的的的体体体体积积积积含含含含量量量量成成成成正正正正
31、比比比比：式中，式中，式中，式中，P P P Pc c c c：复合材料的性能指标；：复合材料的性能指标；：复合材料的性能指标；：复合材料的性能指标；PiPiPiPi：各组元的性能指标；各组元的性能指标；各组元的性能指标；各组元的性能指标；ViViViVi：各组元的体积含量，各组元的体积含量，各组元的体积含量，各组元的体积含量，ViViViVi=1=1=1=1；N N N N：组元的数目；组元的数目；组元的数目；组元的数目；n n n n：实验参数，：实验参数，：实验参数，：实验参数，1 1 1 1 n n n n 1 1 1 1。当当当当n=1n=1n=1n=1，N N N N=2=2=2=
32、2时，有：时，有：时，有：时，有：Pc=PmVm Pc=PmVm Pc=PmVm Pc=PmVm+PrVrPrVrPrVrPrVr 式中，下标式中，下标式中，下标式中，下标c c c c 代表复合材料，代表复合材料，代表复合材料，代表复合材料，m m m m 代表基体，代表基体，代表基体，代表基体，r r r r 代表强化相。代表强化相。代表强化相。代表强化相。称为串列模型。称为串列模型。称为串列模型。称为串列模型。对对对对于于于于层层层层状状状状复复复复合合合合材材材材料料料料，采采采采用用用用两两两两种种种种模模模模型型型型预预预预测测测测各各各各种种种种性性性性能能能能，结结结结果果果果
33、令人满意。令人满意。令人满意。令人满意。当当当当n=-1n=-1n=-1n=-1时，若时，若时，若时，若N N N N=2=2=2=2，则：，则：，则：，则：上上上上式式式式也也也也称称称称为为为为经经经经典典典典复复复复合合合合准准准准则则则则，实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一种种种种简简简简单单单单加加加加和和和和准准准准则则则则。是是是是在在在在考考考考虑虑虑虑单单单单向向向向纤纤纤纤维维维维强强强强化化化化复复复复合合合合材材材材料料料料沿沿沿沿纤纤纤纤维维维维方方方方向向向向的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能时时时时总总总总结得到的，也称为并列模型。结得到的，也称为并列
34、模型。结得到的，也称为并列模型。结得到的，也称为并列模型。二、基于弹性理论的复合准则推推推推导导导导复复复复合合合合准准准准则则则则时时时时常常常常用用用用解解解解析析析析模模模模型型型型有有有有两两两两相相相相模模模模型型型型和和和和三三三三相相相相模模模模型型型型，两两两两相相相相模模模模型型型型假假假假设设设设与与与与强强强强化化化化相相相相相相相相接接接接触触触触的的的的为为为为强强强强化化化化相相相相体体体体积积积积含含含含量量量量为为为为V V V Vr r r r的的的的复复复复合合合合材材材材料料料料，而而而而三三三三相相相相模模模模型型型型假假假假设设设设强强强强化化化化相相
35、相相周周周周围围围围被被被被基基基基体体体体材材材材料料料料所所所所包包包包围围围围，基基基基体体体体材材材材料料料料的周围为复合材料的周围为复合材料的周围为复合材料的周围为复合材料。简单复合准则是根据经验确定的，虽然比较直观，但缺乏理简单复合准则是根据经验确定的，虽然比较直观，但缺乏理简单复合准则是根据经验确定的，虽然比较直观，但缺乏理简单复合准则是根据经验确定的，虽然比较直观，但缺乏理论基础，除对于接合型层状复合材料较为适用之外，对于分散论基础，除对于接合型层状复合材料较为适用之外，对于分散论基础，除对于接合型层状复合材料较为适用之外，对于分散论基础，除对于接合型层状复合材料较为适用之外，
36、对于分散强化型复合材料的适用范围有限。强化型复合材料的适用范围有限。强化型复合材料的适用范围有限。强化型复合材料的适用范围有限。两两两两相相相相模模模模型型型型的的的的平平平平均均均均强强强强化化化化相相相相含含含含量量量量V V V Vrmrmrmrm高高高高于于于于实实实实际际际际值值值值V V V Vr r r r，而而而而三三三三相相相相模模模模型型型型可可可可通通通通过过过过改改改改变变变变纯纯纯纯基基基基体体体体相相相相的的的的大大大大小小小小使使使使V V V Vrmrmrmrm等等等等于于于于实实实实际际际际值值值值V V V Vr r r r。研研研研究究究究表表表表明明明明
37、，在在在在预预预预测测测测弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量时时时时，两两两两相相相相模模模模型型型型过过过过高高高高地地地地估估估估计计计计了了了了强强强强化化化化相相相相之之之之间间间间的的的的相相相相互互互互作作作作用用用用效效效效果果果果，而而而而三三三三相相相相模模模模型型型型则则则则往往导致估计过低。往往导致估计过低。往往导致估计过低。往往导致估计过低。2.2.3 2.2.3 弹性模量弹性模量 假假假假定定定定强强强强化化化化相相相相为为为为无无无无序序序序配配配配置置置置，将将将将强强强强化化化化相相相相之之之之间间间间的的的的相相相相互互互互作作作作用用用用效效效效果果果果用用用
38、用一一一一定定定定数数数数值值值值进进进进行行行行近近近近似似似似，最最最最终终终终把把把把多多多多体体体体问问问问题题题题化化化化解解解解为为为为单单单单一一一一强强强强化化化化体体体体（一一一一个个个个颗颗颗颗粒或一根纤维）而进行计算。粒或一根纤维）而进行计算。粒或一根纤维）而进行计算。粒或一根纤维）而进行计算。引引引引入入入入长长长长径径径径比比比比因因因因子子子子A A A As s s s（aspect aspect aspect aspect ratioratioratioratio）来来来来表表表表示示示示强强强强化化化化相相相相的的的的形形形形状状状状。当当当当A A A As
39、 s s s 1 1 1 1时时时时，强强强强化化化化相相相相为为为为椭椭椭椭球球球球体体体体；当当当当A A A As s s s1 1 1 1时时时时，强强强强化化化化相相相相为为为为纤纤纤纤维维维维；当当当当A A A As s s s 1 1 1 1时，强化相为颗粒；而当时，强化相为颗粒；而当时，强化相为颗粒；而当时，强化相为颗粒；而当A A A As s s s 1 1 1 1时，强化相为片状。时，强化相为片状。时，强化相为片状。时，强化相为片状。当当当当A A A As s s s 1 1 1 1时时时时，鲍鲍鲍鲍尔尔尔尔（PaulPaulPaulPaul）推推推推导导导导出出出出
40、复复复复合合合合材材材材料料料料弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量的的的的预预预预测测测测表表表表达达达达式式式式。他他他他证证证证明明明明：复复复复合合合合材材材材料料料料弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量的的的的上上上上下下下下界界界界分分分分别别别别等等等等于于于于简简简简单单单单复复复复合合合合准则当准则当准则当准则当n=1n=1n=1n=1和和和和n=n=n=n=1 1 1 1时的值。时的值。时的值。时的值。HashinHashinHashinHashin与与与与ShtrikmanShtrikmanShtrikmanShtrikman对对对对鲍鲍鲍鲍尔尔尔尔的的的的解解解解析析析析方方方
41、方法法法法进进进进行行行行改改改改良良良良，获获获获得得得得了了了了更更更更小小小小的的的的上上上上界界界界和和和和更更更更大大大大的的的的下下下下界界界界，即即即即减减减减少少少少了了了了弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量预预预预测测测测值值值值的的的的上上上上下下下下界界界界的的的的范范范范围围围围，从从从从理理理理论论论论上上上上讲讲讲讲是是是是提提提提高高高高了了了了预预预预测测测测精精精精度度度度。当当当当强强强强化化化化相相相相为为为为球球球球形形形形时时时时 当强化相为纤维时，当强化相为纤维时，当强化相为纤维时，当强化相为纤维时，J.C.HalpinJ.C.HalpinJ.C.Ha
42、lpinJ.C.Halpin与与与与TsaiTsaiTsaiTsai导出如下计算导出如下计算导出如下计算导出如下计算 2.2.4 强度 材材材材料料料料的的的的强强强强度度度度是是是是组组组组织织织织结结结结构构构构敏敏敏敏感感感感的的的的性性性性能能能能指指指指标标标标，因因因因此此此此，要要要要从从从从理理理理论论论论上上上上正正正正确确确确设设设设计计计计或或或或预预预预测测测测复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的强强强强度度度度通通通通常常常常不不不不太太太太容容容容易易易易。较较较较为为为为经经经经典典典典的强度复合准则有所谓的强度复合准则有所谓的强度复合准则有所谓的强度复合准则
43、有所谓shear lag shear lag shear lag shear lag 模型：模型：模型：模型：yc=yc=yc=yc=ym(Vm+VrAs/2)ym(Vm+VrAs/2)ym(Vm+VrAs/2)ym(Vm+VrAs/2)(A)(A)(A)(A)式式式式中中中中，ycycycyc 和和和和ymymymym 分分分分别别别别表表表表示示示示复复复复合合合合材材材材料料料料和和和和基基基基体体体体材材材材料料料料的的的的屈屈屈屈服服服服应应应应力力力力。该该该该模模模模型型型型的的的的主主主主要要要要考考考考虑虑虑虑对对对对象象象象是是是是以以以以晶晶晶晶须须须须和和和和短短短短纤
44、纤纤纤维维维维为为为为强强强强化化化化相相相相的复合材料。的复合材料。的复合材料。的复合材料。进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用：进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用：进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用：进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用：yc=yc=yc=yc=ym(Vm+Vrym(Vm+Vrym(Vm+Vrym(Vm+Vr（AsAsAsAs+2+2+2+2)/)/)/)/2 2 2 2)(B)(B)(B)(B)yc=ym(Vm+VrAs/yc=ym(Vm+VrAs/2 2)(A)(A)yc=ym(Vm+Vryc=ym(Vm+Vr（AsAs+2+2)/)/2 2)(B)(B)式
45、式式式（A A A A）或或或或（B B B B）所所所所示示示示模模模模型型型型的的的的最最最最大大大大特特特特点点点点是是是是简简简简单单单单，便便便便于于于于应应应应用用用用，在在在在某某某某些些些些情情情情况况况况下下下下式式式式（B B B B）的的的的预预预预测测测测值值值值与与与与实实实实际际际际符符符符合合合合得得得得较较较较好好好好。但但但但明明明明显显显显地地地地上上上上述述述述两两两两个个个个模模模模型型型型均均均均没没没没有有有有考考考考虑虑虑虑强强强强化化化化颗颗颗颗粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸（直直直直径径径径）的的的的影影影影响响响响，也也也也不不不不能能能能反反反反
46、应应应应由由由由于于于于复复复复合合合合所所所所引引引引起起起起的的的的基基基基体体体体材材材材料料料料晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸与与与与位位位位错错错错密密密密度度度度的的的的变变变变化化化化等等等等对对对对材材材材料料料料强强强强度度度度有有有有明明明明显显显显影影影影响响响响这这这这一一一一因因因因素素素素的的的的效效效效果。果。果。果。与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微观与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微观与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微观与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微观组织来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个组织
47、来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个组织来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个组织来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个方面综合作用的结果：方面综合作用的结果：方面综合作用的结果：方面综合作用的结果：位错强化位错强化位错强化位错强化 由于基体与强化相的热膨胀差，引起淬火时位错密度的由于基体与强化相的热膨胀差，引起淬火时位错密度的由于基体与强化相的热膨胀差，引起淬火时位错密度的由于基体与强化相的热膨胀差，引起淬火时位错密度的增加；增加；增加；增加；颗粒强化颗粒强化颗粒强化颗粒强化 颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高密度化；颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高
48、密度化；颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高密度化；颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高密度化；晶粒与亚晶粒强化晶粒与亚晶粒强化晶粒与亚晶粒强化晶粒与亚晶粒强化 添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。由于理论预报的局限性，为了进行较精
49、确的由于理论预报的局限性，为了进行较精确的由于理论预报的局限性，为了进行较精确的由于理论预报的局限性，为了进行较精确的强度设计，获得满意的强度预报结果，有计划地强度设计，获得满意的强度预报结果，有计划地强度设计，获得满意的强度预报结果，有计划地强度设计，获得满意的强度预报结果，有计划地开展系列的实验研究，进行数据积累，在此基础开展系列的实验研究，进行数据积累，在此基础开展系列的实验研究，进行数据积累，在此基础开展系列的实验研究，进行数据积累，在此基础上建立较为完备的智能性数据库（例如基于人工上建立较为完备的智能性数据库（例如基于人工上建立较为完备的智能性数据库（例如基于人工上建立较为完备的智能
50、性数据库（例如基于人工神经网络的数据库），是一条行之有效的途径。神经网络的数据库），是一条行之有效的途径。神经网络的数据库），是一条行之有效的途径。神经网络的数据库），是一条行之有效的途径。2.2.5 韧性 陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷材材材材料料料料一一一一般般般般具具具具有有有有强强强强度度度度高高高高、耐耐耐耐磨磨磨磨、耐耐耐耐热热热热、耐耐耐耐腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀等等等等一一一一系系系系列列列列的的的的优优优优点点点点，但但但但由由由由于于于于其其其其韧韧韧韧性性性性很很很很低低低低，故故故故应应应应用用用用范范范范围围围围受受受受到到到到很很很很大大大大限限限限制制制制。提提提提高高高高其其其其韧韧