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第八章复合材料(郭文利,梁彤祥编写,清华大学核能与新

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第6章复合材料-清华大学-工程材料

第6章复合材料-清华大学-工程材料

“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件 第6章
第6章 复合材料
内容提要： 介绍纤维复合材料和颗 粒复合材料的复合机制与 原则。介绍常用金属基和 非金属基复合材料的组成、
Hale Waihona Puke 性能及应用。●概述复合材料 两种或两种以上物理、 化学性质不同的物质，经一定方法 得到的一种新的多相固体材料。
复合材料可以由金属材料、高分子材料和陶 瓷材料中任两种或几种制备而成。
复合材料的性能比组成材料的性能优越得多， 改善或克服了组成材料的弱点，能够按零件的 结构和受力情况进行最佳设计。
创造单一材料不具备的双重或多重功能。 复合材料有着极其广泛的应用。
复合材料应用举例：
●汽车挡泥板 单独使用玻璃太脆，单独使用聚合物材料 则强度低而且刚度满足不了要求。复合成玻 璃纤维增强树脂得到了高强度、高韧性的新 材料，而且质量小。 ●自动控温开关 由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合 成双金属片。温度变化时双金属片弯曲，接 通或断开电触点。
（4）颗粒与基体之间应有一定的结合强 度。
6.2 复合材料的性能特点
6.2.1 复合材料的力学性能
一、比强度和比模量
通比常强，度复合材材料的的复强合度结与果其是密密度大之大比。 减突小 出， 性比高 能模的 特量比 点强。度材比和料比。的模模量量是与复其合材密料度的之
二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能 ●复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能力 高； ●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少 应力集中，不易产生微裂纹； ●塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其扩 展。 例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸 强度的70%～80%，一般金属材料却仅为 30%～50%。
二、聚合物基复合材料分类
材料科学与工程之复合材料总论

材料科学与工程之复合材料总论

40
④金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、 钼、钢、不锈钢、钛、铍等，它们能被基体金属润湿，也 能增强陶瓷。
Ａ、金属纤维金属复合材料：研究较多的增强剂为钨钼丝， 基体为镍合金和钛合金。
Ｂ、金属纤维陶瓷复合材料：利用金属纤维的韧性和抗拉 能力改善陶瓷的脆性。
19
材料的优缺点组合示意图
20
因此复合材料必须通过对原材料的选择，各组分分 布的设计和工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点 互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的 性能，最大限度地发挥优势。
21
综上所述，复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明 显的界面。 (2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最 大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不 具备的优良持殊性能。
1
目录
第一章 总论
第二章 复合材料的基体材料
第三章 复合材料的增强材料
第四章 复合材料的界面
第五章 复合材料的成型工艺
第六章 金属基复合材料
第七章 陶瓷基复合材料
第八章 复合材料基本特性、应用及其研究现状
第九章 功能复合材料
2
第一章 总论
3
材料分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料 各有千秋 扬长避短
1、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都
位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基
体材料中；
பைடு நூலகம்32
2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； 3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物 为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
《复合材料》PPT课件

《复合材料》PPT课件


增韧机理。
（4）纤维桥接（Fiber Bridge） 对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转， 只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂 纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起 小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一 个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹 难以进一步扩展，起到增韧作用。
散凝状。即在浆体中呈弥散分布。
采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷
基复合材料。
浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
9.2.3反应烧结法
用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料
几乎无收缩外，还具有以下优点：
（1）增强剂的体积比可以相当大；
（2）可用多种连续纤维预制体；
（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于
（3）纤维拔出（Pull – out） 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用 下沿着它和基体的界力松弛，从而减缓
了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧
作用。
纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧
效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的
液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧
化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料
的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量
级水平。
（1）Sol – Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：
Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O
工艺流程：
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）
均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形
（热压）烧结
适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
9.2.2浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问 题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短
复合材料概论

复合材料概论


《复合材料概论》
xx年xx月xx日
目录
contents
复合材料概述复合材料的组成与结构复合材料的制备技术复合材料的应用领域复合材料的发展趋势与挑战结论与展望
01复合材料概述源自VS复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组成，具有新性能和新功能的材料。
分类
根据不同的组成材料和制造方法，复合材料可分为金属基复合材料、非金属基复合材料和纳米复合材料等。
热压时间
热压时间也是热压成型过程中的一个重要因素，过长或过短的热压时间都会影响制品的质量和性能。
注射成型技术
01
注射成型是一种将树脂、纤维和其他添加剂在高温高压下注入模具中，制成复合材料制品的工艺。注射成型可以快速、高效地生产出形状复杂、尺寸精确的复合材料制品。
注射成型技术
树脂类型与粘度
02
注射成型过程中需要选择流动性好、粘度低的树脂，以便于注射和充模。
建筑领域
桥梁结构
复合材料可用于建筑外墙的保温和装饰。
建筑外墙
复合材料可用于室内装饰，如地板、墙板等。
室内装饰
复合材料在体育器材中得到应用，如碳纤维自行车架、高尔夫球杆等。
体育器材
复合材料在医疗器械中得到应用，如人工关节、牙科种植物等。
医疗器械
复合材料在电子产品中得到应用，如手机外壳、笔记本电脑外壳等。
总结复合材料的优势与挑战
展望新材料研发：随着科技的不断进步，未来将会有更多新型复合材料出现，满足更多应用需求。绿色环保：环保意识日益增强，未来复合材料将更加注重环保和可持续发展。高性能化：对复合材料的性能要求越来越高，未来将会有更多高性能复合材料问世。建议加强基础研究：加大对复合材料基础研究的投入，提升自主创新能力。推广应用：积极推广复合材料在各领域的应用，促进其产业发展。加强国际合作：加强与国际先进技术交流合作，共同推动复合材料的发展。
注凝成型制备UO2陶瓷燃料核芯

注凝成型制备UO2陶瓷燃料核芯

注凝成型制备UO2陶瓷燃料核芯
郝少昌;梁彤祥;郭文利;赵兴宇;李承亮
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2007(041)0z1
【摘要】高温气冷堆采用UO2微球作为燃料核芯,目前的主要制备方法采用溶胶凝胶工艺.为简化工艺流程、减少废液量,本工作研究采用注凝成型工艺制备UO2陶瓷微球.研究表明:该工艺具有工艺简单、废液量少等优点.分析了溶胶凝胶和注凝工艺过程中的化学变化,研究了影响陶瓷微球直径的因素.采用该工艺制备出的UO2微球平均直径为710 μm,n(O)/n(U)≤2.01,密度为10.70 g/cm3.
【总页数】3页(P335-337)
【作者】郝少昌;梁彤祥;郭文利;赵兴宇;李承亮
【作者单位】清华大学,核能与新能源技术研究院,北京,100084;清华大学,核能与新能源技术研究院,北京,100084;清华大学,核能与新能源技术研究院,北京,100084;清华大学,核能与新能源技术研究院,北京,100084;中国广州核电集团,广东,广
州,510010
【正文语种】中文
【中图分类】TL424
【相关文献】
1.X射线照相法测量包覆燃料颗粒包覆层的厚度和UO2核芯的直径 [J], 唐春和;张纯
2.催化剂对注凝成型工艺制备UO2陶瓷微球的影响 [J], 赵兴宇;郭文利;郝少昌;李承亮;梁彤祥
3.高温气冷堆UO2燃料芯核振动分选设备 [J], 杨志军;刘隆祉;王国生;李睿
4.UO2燃料芯核振动分选机的模型仿真与分析 [J], 左华亮;杨志军;刘隆祉
5.用全胶凝法生产HTR-10陶瓷UO_2燃料核芯 [J], 徐志昌;唐亚平;符晓铭;倪晓军
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【大学课件】复合材料PPT

【大学课件】复合材料PPT


.
28
③ 基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料需要在高温下成型，制备 过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与 金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应 层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一 定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长 小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤 维断裂，导致复合材料整体破坏。
• 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。
.
20
9.3 复合材料的基体材料
复合材料的原材料： • 基体材料
– 金属材料 – 陶瓷材料 – 聚合物材料
• 增强材料
– 纤维 – 晶须 – 颗粒
则、增韧机制和界面作用； • 了解复合材料的成型工艺。
.
3
参考书目
• 王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学 出版社，1999
• 闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出 版社，1998
• 鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004 • ASM International, Engineered materials
– 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟 的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处 于研究阶段。
.
31
9.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体
• 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具 有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗 电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
Chapter 9 Composites
复合材料
.
1
本章内容
1. 复合材料概述 2. 复合材料分类 3. 复合材料的基体 4. 复合材料的增强相 5. 复合材料的复合原理 6. 复合材料的成型工艺
高中化学 《复合材料》3课件 鲁科版必修1

高中化学 《复合材料》3课件 鲁科版必修1


虽然它所包括的各种基体的复合材料和功能复合 材料各有特点和缺陷，但综合起来看，先进复合 材料可以通过选择，使之具备密度小、强度和刚 度高、耐温、耐磨、导热、导电、膨胀系数小、 抗疲劳性好、阻尼性能好、耐烧蚀、耐冲刷、抗 辐射、吸波、换能以及其他物理功能等特点。这 些正是推动高技术的发展中迫切需要解决的问题， 因此，可以说先进复合材料的发展有力地促进了 高技术的进步。同时高技术的进展也带动和加速 了先进复合材料的不断更新，到上世纪90年代 初，复合材料的世界总产量约为三百万吨，已在 建筑、交通运输、化工、船舶、航空航天和通用 机械等领域广泛应用。
复合材料
引言



人类为了谋求生存和发展，企求用理想材料制 成新工具的愿望总是随着历史的发展不断探索不 断前进。因此，人类发展的历史就和材料的发展 的历史息息相关。 研究人类历史的人们都可以清楚地知道，人类历 史上各方面的进步是与新材料的发现、制造和应 用分不开的。 历史学家把人类发展史划分为： 石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代。 其后人类又发明了高分子材料、先进复合材料 和智能材料。
在高技术的生物工程方面，先进复合材料不 仅在力学性能上能满足各种生物工程用容器 的要求，同时还能满足耐腐蚀、抗生物破坏 以及生物相容性的要求。此外，功能复合材 料还可以制造用于生物工程的物质分离的各 种膜材料。
上世纪70年代以来。先进复合材料的发展非 常迅速．特别是80年代更为显著。
(1)高性能增强剂
一维：长纤维、短纤维和晶须 二维：碎片纳米材料 三维：粒子
陶瓷基 金属基 高聚物基
复合材料的命名
把增强剂的名称放在前面，基 体的名称放在后面来命名，如碳 纤维环氧材料、基体材料、界面粘结、结 构设计、成型工艺、性能测定等方面并逐步 形成了一门与化学、物理、力学及各种应用 学科有关的跨学科的、有着广泛内在联系并 互相渗透和互相推动的材料学科。
2024版《复合材料》PPT课件

2024版《复合材料》PPT课件

基体材料选择
如环氧树脂、聚酰胺、聚酯等，具有良好的粘结性、耐腐蚀性等 特点。
原材料预处理
包括清洗、干燥、剪裁、浸润等步骤，以确保原材料的质量和性 能。
成型工艺方法介绍
手糊成型
喷射成型
将纤维增强材料和基体材料手工逐层铺设在 模具上，通过手工涂刷或喷涂基体材料，形 成复合材料制品。
利用喷枪将基体材料和短切纤维同时喷向模 具表面，形成复合材料层。
复合材料可用于制造汽车发动机罩、底盘护板等部件，具 有减振、降噪和提高耐久性等优点。
建筑领域应用
结构构件
复合材料用于制造建筑结构如梁、板、柱等，具有轻质高强、耐腐蚀和耐候性等优点，如纤 维增强混凝土（FRC）在建筑中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
内饰部件 复合材料可用于制造汽车座椅、仪表盘、门板等内饰部件， 提高舒适性和美观度，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）在 内饰中的应用。
发动机和底盘部件
光子复合材料
能够调控光的传播路径和性质， 具有隐身、光学存储等智能特性， 在光通信、光计算等领域具有重 要应用价值。
THANKS
汇报结束 感谢聆听
《复合材料》PPT课件
目录
contents
• 复合材料概述 • 复合材料的组成与结构 • 复合材料的制备工艺 • 复合材料的性能特点 • 复合材料的应用实例分析 • 复合材料的未来发展趋势
01
复合材料概述
定义与分类
定义
复合材料学之一课件

复合材料学之一课件


典型复合材料－纤维增强复合材料
• 1） 比强度、比模量高：
• 强度和弹性模量与密度的比值，它们是衡量材料承载能力的一个重要指标。
材料
比强度cm 比模量cm
钢
0.13E6
0.27E9
铝合金
0.17E6
0.26E9
高强碳纤维/ 1.03E6 环氧树脂
高模量碳纤 1.05E6 维/环氧树脂
0.21E9 0.67E9
各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑 为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术
1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材 料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 • 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属或陶瓷基复合材料
• ② 金属基复合材料组成特点
• 连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体， 纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度 和模量远远低于纤维。
• 连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是 以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维 有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高 的强度。
• 1.3 复合材料的发展历史 • 发展过程：古代－近代－现代复合材料
历史悠久的复合材料 －草梗合泥筑墙，且延用至今 －漆器：麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年
近代复合材料 层合板：木材薄板＋粘合剂 钢筋混凝土
纤维增强橡胶：钢丝、尼龙丝、玻璃纤维增强，做轮胎、防水布、 潜水服等
例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部 件等。 F117隐性飞机－－全复合材料
以铝基复合材料的应用最为广。如碳纤维增强铝基复合材 料，用于制备网球拍，碳纤维增强碳或石英复合材料。 • 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，
化学课件《复合材料》优秀ppt1 鲁科版

化学课件《复合材料》优秀ppt1 鲁科版

请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
• 现在，材料的复合正向着精细化方向发 展，出现了诸如仿生复合、纳米复合、 分子复合、智能复合等新方法，使得复 合材料大家族中增添了许多性能优异、 功能独特的新成员。随着科学技术的进 步，复合材料展现出不可估量的应用前 景。材料科学专家普遍认为，当前人类 已经人类已经从合成材料时代进入复合 材料时代。
126.在寒冷中颤抖过的人倍觉太阳的温暖，经历过各种人生烦恼的人，才懂得生命的珍贵。――[怀特曼] 127.一般的伟人总是让身边的人感到渺小；但真正的伟人却能让身边的人认为自己很伟大。――[G.K.Chesteron]
128.医生知道的事如此的少，他们的收费却是如此的高。――[马克吐温] 129.问题不在于：一个人能够轻蔑、藐视或批评什么，而是在于：他能够喜爱、看重以及欣赏什么。――[约翰·鲁斯金]
• 在火箭、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞 机上，复合材料有着广泛的应用。
纤维为增强体 • 复合材料：
金属为基体 纤维是碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化 铝纤维等耐热性能好的纤维，其中应用最广泛的 是碳纤维
金属用得较多的是铝、镁、钛等密度小 的轻金属
优点：这些 复合材料具有 耐高温、强度 高、导电性好、 导热性好、不 吸湿和不易老 化等优点。
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
生产生活中常 用的复合材料
第八章复合材料细观力学基础ppt课件

第八章复合材料细观力学基础ppt课件


4、
G12
Gm
G f (1 V f ) GmVm G f Vm Gm (1 V f )
5、 G23 可由三相模型求得： 利 用 在 r 处 施加纯剪均匀 应力边界条件 下，两者（a） 和（b）的应变 能相等来确定
G23 。
具体见《复合材料力学》（周履等）P250-256！
二、Eshelby夹杂模型
I ij
0 ij
ij
CI ijkl
(
0 kl
kl
)
C0 ijkl
(
0 kl
kl
* kl
)
其中，
* ij
称为等效特征应变。
由Eshelby的研究得出扰动应变和特征应变
的关系为：
ij
S * ijkl ij
（*）
其中四阶张量Sijkl称为Eshelby张量，仅与基 体的材料性能和夹杂物的形状和尺寸有关。如 果夹杂物的形状为椭球，则夹杂内的应变和应 力场是均匀的。关键在于如何求得特征应变的 值。利用等效夹杂理论有：
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ，可得：
21 f V f mVm
（三）纵横（面内）剪切模量 G12 在剪应力作用下 ，RVE的剪 应变有如下关系：
12 f V f mVm
以
12
12
G12
,
f
f
Gf
, m
m
Gm
代入上式，
并假设有 12 f m ，可得：
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹 性模量才能通过体积平均应力、应变进行计算； 或按应变能计算。
§8-3 有效模量的材料力学半经验解法
一、长纤维复合材料
（一）纵向有效模量 E1

复合材料-课件1


§1-3 复合材料的定义
复合材料(composite materials):由两 种或两种以上不同性能、不同形 态的组分通过复合工艺组合而成 的一种多相材料，它既保持了原 组分材料的主要特点又显示了原 组分材料所没有的新性能。
智能材料（Smart Materials或者Intelligent Material
System）
智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的 一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合 材料。 智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和 传感系统于一体的复杂的材料体系。构成智然材料的基本材料组元有压 电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致伸缩材料和 智然高分子材料等。 研究重点： （1） 智能材料概念设计的仿生学理论研究 （2） 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究 （3） 耗散结构理论应用于智能材料的研究 （4） 机敏材料的复合-集成原理及设计理论 （5） 智能结构集成的非线性理论 （6） 仿人智然控制理论
先进陶瓷材料是指采用精制的高 纯、超细的无机化合物为原料及先 进的制备工艺技术制造出的性能优 异的材料。制造的产品可以分别具 有压电、铁电、导电、半导体、磁 性等或具有高强、高韧，高硬、耐 磨。耐腐蚀、耐高温、高热导、绝 PTC陶瓷与压电陶瓷元件 热或良好生物相容性等优异性能。
先进陶瓷材料
研究热点包括陶瓷材料的 强韧化技术、纳米陶瓷材料的 制备合成技术、先进结构陶瓷 材料体系的设计以及电子陶瓷 材料的高匀、超细技术。



国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方 案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提 高至25%
纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，

第八章复合材料(郭文利,梁彤祥编写,清华大学核能与新


硼/环氧 铝合金 钛合金 45号钢
纤维体积含量vf
密度ρ/(gcm-3) 纵向拉伸强度Xt/MPa 比强度(Xt/ρ)/(107cm) 横向拉伸强度Yt/MPa 纵向拉伸模量E1/GPa 比模量(E1/ρ)/(109cm) 横向拉伸模量E2/GPa 纵向拉伸断裂应变/%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0.60
2.1 1020 0.50 40 45 0.22 12 2.3
如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积 分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：
y
( 2d 2 3Vp
Gmb
1
) 2 (1Vp )
（1）
式中Gm为基体的切变模量 ，b为柏氏矢量。可以 看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效 果越好。
颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。
当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体
静力关系。 由于平均应力σ1作用在单元截面A上, 而纤维应力 σf作用在纤维横截面Af上,基体应力σm作用在基体横截面Am上， 根据静力平衡, 有
1 f 1Af m1Am
（3）
1
f1
Af A
m1
Am A
f 1vf
m1vm
（4）
几何关系。 按照材料力学平面假设（即垂直于正轴1
的平面，变形后仍为平面），纤维和基体具有相同的线应 变，且等于单元的纵向线应变。
完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承 受全部载荷。
颗粒增强复合材料的拉伸强度为：
F m (11.21Vp2/3)
（2）
式中σm为基体的拉伸强度。上式表明，σF随颗
粒体积含量Vp的增加而下降。并且此式仅适用于 Vp≤40%的情况。

复合材料力学课件


(C11
C12
)
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6 正交各向异性材料工程弹性常数
除了前面表示材料弹性特性的刚度系数 和柔C度ij 系数 外，工S程ij 上
常采用工程弹性常数来表示材料弹性特性。这些工程弹性常
数 数可是以广用义的简弹单性的模拉量伸及纯，剪泊实松验比来和测剪E定i 切。模通常量实验ij ，是这在些已常知 载荷G下ij 测量试件的位移或应变，这样可直接确定柔度矩阵
T称为坐标转换矩阵，T-1是此矩阵的逆阵，它们的展 开式分别为
现在您正浏览在第25页，共56页。
（2）应变转轴公式
平面应力状态下单层板在x-y坐标中应变分量与主方 向应变分量间关系为
E2 32
13 E3
23 E3
1
0 0 0
0 0 0
0
0
0
E1
E2
E3
1
0
0
0
0 G23
0
0
0
Hale Waihona Puke 0 00 00 0
1 G31 0
0
1
G12
现在您正浏览在第20页，共56页。
其中， E1, E2 , E3―分别为材料在1，2，3方向上的弹性模量，其
定义为只有一个主方向上有正应力作用时，正应力与该方向线
出
Q11
S 22 S11S22
S122
， Q22
S11 S11S 22 S122
Q12
S12 S11S 22 S122
， Q66
1 S 66
这里用 而不用作为刚度系数矩阵，是因为在平面应
力下两者Qij 实际有差别，即
，一般有所减少，因此

长寿命放射性废料的嬗变处理

第26卷 第12期 核 技 术 V ol. 26, No.12 2003年12月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2003——————————————第一作者：梁彤祥，男，1966年出生，1996年于清华大学获博士学位，副教授，材料科学与工程学专业，研究方向为核燃料循环与材料 收稿日期：2002-01-10，修回日期：2002-07-15长寿命放射性废料的嬗变处理梁彤祥 唐春和（清华大学核能技术设计研究院 北京 100084）摘要 核废料的分离和嬗变具有重要的经济和政治意义，是环境保护的需要。

有效分离和嬗变核废料，可以减少废料贮存量，防止核扩散，提高核燃料的利用率，消除发展核能的障碍。

介绍了目前国际上先进的核燃料循环方式和长寿命核废料的嬗变处理方法，对我国核能发展提出建议。

关键词 核燃料循环，嬗变，裂变中子源 中图分类号 TL62，TL67，TL53世界上现有核电机组438座，提供人类用电量的17%。

随着经济的增长和人口增加，人们对能源的需求也越来越大。

目前电力供给主要依赖煤炭等化石原料，但化石资源有限，而且使用时产生大量的CO 2和SO 2，造成严重的环境污染；核能是清洁能源，地球资源短缺和环境问题使人们对发展核能寄予了厚望。

发展核能的两个关键问题是继续提高反应堆的安全性和解决核废料的后处理问题。

到2015年世界现有反应堆排出的核废料（包括低、中和高放射性废料）将达250 000t （重金属量），其中2 900t 超铀元素，11 500t 裂变产物，235 600t 铀[1]。

核废料的分离、循环使用和嬗变处理可以有效减少核废料的数量，大幅度减小核废料的放射性，提高核燃料的利用率。

核废料的后处理是大力发展核能、环境保护及国际政治安全的需要，也是节省资源的需要。

UO 2燃料元件在中子作用下裂变产物有Pu ，次量锕系元素MA （Np 、Am 、Cm 等）和其他裂变产物，当燃料中235U的量少于0.8%时，链式反应不再继续进行，元件成为乏燃料被排出堆外。

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由于在成型过程中很难准确地控制工艺 参数，一般来说复合材料构件的性能分散性 也是比较大的。
(4) 复合材料具有各向异性的力学性能。
10.1.3 复合材料的主要性能特点
复合材料的性能比传统材料的性能有很大的改进。
（1）比强度和比模量 复合材料的最大的优点是比强度高，比模量大。
材料的比强度和比模量分别是强度(σ)和弹性模 量(E)与比重(ρ)的比值（σ/ρ, E/ρ），它表示了单位 重量的材料特性，常用来作为比较不同材料间性能 的指标。
对于航空航天的结构部件，汽车、火车、舰艇 的运动结构而言，比强度高、比模量大意味着可以 制成性能好质量轻的结构。
而对于化工设备和建筑工程等，材料的比强度 高、比模量大则意味着可减轻自重，承受较多的载 荷和改善抗震性能。
典型单向复合材料和金属材料力学性能比较
材料性能
E-玻璃 /环氧
碳/环氧
芳纶 /环氧
硼/环氧 铝合金 钛合金 45号钢
纤维体积含量vf
密度ρ/(gcm-3) 纵向拉伸强度Xt/MPa 比强度(Xt/ρ)/(107cm) 横向拉伸强度Yt/MPa 纵向拉伸模量E1/GPa 比模量(E1/ρ)/(109cm) 横向拉伸模量E2/GPa 纵向拉伸断裂应变/%
0.60
2.1 1020 0.50 40 45 0.22 12 2.3
复合材料作为一个确切的学科起源于20世纪60年 代初期。
当时由于战争的需要，美国大力发展玻璃纤维增 强高聚物来制造飞机构件，同时开展了相应的基础 研究并向民用工业发展。
为了提高纤维的弹性率，人们开发了硼纤维、碳纤 维、耐热氧化铝纤维等；为了改善树脂的耐热性，用金 属代替树脂，出现了金属基复合材料的研究热潮。
第10章 现代复合材料
10.1 概述
2005年3月22日，已经连续6年空缺的国家技术 发明一等奖被中国工程院院士张立同等人摘得，获 奖项目为“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应 用技术”。
该成果综合性能达到国际领先水平，打破了国 际高端技术封锁，在军民两用领域具有Fra bibliotek泛应用前 景。
复合材料是指由两种或两种以上不同性能、不 同形态的材料通过复合工艺组合而成的多相材料。
70
114 210
0.26 0.26 0.27
70
114 210
18
20
16
横向拉伸断裂应变/% 0.4
0.4
0.5
18
20
16
（2）抗疲劳性能和抗断裂性能 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩 展而造成的低应力破坏。 疲劳破坏是飞机坠毁的主要原因之一。 复合材料在纤维方向受拉时的疲劳特性要比金属好得多。 金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的。
严格来说，复合材料并不是新的或近来的想法。 自然界中充满了利用复合材料的实例。
例如，椰子树棕榈叶就是利用了纤维增强的一 个悬臂，木头是含纤维的复合材料，骨骼是由磷灰 石的矿物基体和分布其中的胶原质纤维组成的复合 材料。
复合材料具有悠久的历史。
远古时代人们用草茎掺入泥土制成建筑用的土坯， 目前广为使用的混凝土，都属于复合材料。
结构复合材料指主要利用复合材料的各 种良好的力学性能制造的复合材料。
在结构复合材料中，增强材料提供复合 材料的刚度和强度，控制材料的力学性能； 基体材料固定、连结和保护增强材料；界面 传递载荷，并可以改善复合材料的某些性能。
图1和图2分别给出了按照复合材料基体 相的材质以及增强相的形态的分类表。
通过以上的分类分析可知，与传统材料相比，复合材料 具有以下特点：
0.60
1.6 1240 0.79 41 145 0.92 10 0.9
0.60
1.4 1380 1.0 30 76 0.55 5.5 1.8
0.50
1.8 1260 0.71 61 204 1.2 18.5 0.65
2.8
4.5
7.8
400 960 600
0.15 0.22 0.13
400 960 600
对复合材料给出的比较完整的定义是：复 合材料是由有机高分子、无机非金属或金属 等几类不同的材料通过复合工艺组合而成的 新型材料，它既能保留原组分材料的主要特 色，又通过复合效应获得原组分所不具备的 性能；可以通过材料设计使各组分的性能互 相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
它与一般材料的简单混合有本质的区别。
同时，人们对陶瓷基复合材料的基体也给予了高度 的重视。
如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则碳 纤维、硼纤维增强的聚合物可以称为第二代复合材料， 以金属或陶瓷为基体的复合材料则称为第三代复合材料。
复合材料的发展带来了材料科学的重大变革，形成 了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料的多角 共存的格局。
10.1.1 复合材料的相组成
从复合材料的组成和结构分析，其中有一相是 连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容 的称为增强相。
增强相与基体相之间的交界面称为复合材料界 面。
在界面微区内，材料的结构和性能与增强相以 及基体相都不相同，而且这种差异对材料的宏观性 能产生影响，因此确切的说，复合材料是由基体相、 增强相和界面相三者组成的。
而复合材料构件与材料是同时形成的，它由组成复合材 料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件，一般不 进行再加工。
因此复合材料的结构整体性好，可大幅度地减少零部件 和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构造的 可靠性。
（3）材料性能对复合工艺的依赖性
复合材料结构在形成过程中有组分材料 的物理和化学变化发生，不同成型工艺所用 原材料种类、增强材料形式、纤维体积含量 和铺设方案也不尽相同，因此构件的性能对 工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性很 大。
（1）复合材料具有可设计性 复合材料的各种物理与化学性能如力学性能、机械
性能以及热、声、光、电等，都可以按照构件的使用要求和 环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配、铺层设计及界 面控制等材料设计的手段，最大限度的达到目的，满足工程 设备的使用性能。
（2）材料与结构具有同一性 传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过 程中材料不发生组分和化学的变化。
10.1.2 复合材料的分类与特点
按照不同的标准和要求，复合材料通常 有不同的分类方法。
按使用性能的不同，复合材料可以分为 功能复合材料和结构复合材料两大类。
功能复合材料主要利用复合材料除力学 性能以外的特殊功能，例如阻尼复合材料、 隐身吸波复合材料、多功能（耐热、透波、 承载）复合材料、压电复合材料等。