孔隙材料的力学性质及表/界面效应

• 作 者: 孙黎
• 机 构: 北京大学
• 出 处: 北京大学
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 孔隙介质 界面效应 复合材料 尺度效应 等效模量

近年来，复合材料的研制和应用得到了飞速的发展。它已经从单一的高科技领域渗透到社会生活的每一个部分。从航天航空、建筑、交通、机械、化工设备到民用设施，从主要是结构材料转到既是结构材料又兼有某种功能材料的综合性材料，复合材料技术生产已经成为现代社会科技发展的生长点和经济生活的支柱产业。因此，对材料整体性能，以及各组分性能对材料整体性能的影响的研究已经成为材料科学、力学和工程科学共同关心的课题。
第一章以空心Hashin复合球作为体积代表元，对孔隙介质的等效剪切模量进行了计算。提出了两种广义的边界条件，并计算出与此广义边界条件相对应的等效剪切模量。当引入位移边界系数k(或应力边界系数s)后，发现对于给定的材料常数和孔隙度，等效剪切模量是k的函数。因此，一个合理的等效剪切模量可以通过选取适当的k求得。这种新的方法也与现有的细观力学模型进行了比较，给出了其中的关系。
第二章首先在有限变形条件下，讨论了界面效应对多项超弹性复合材料宏观力学行为的影响，重点研究了如何将有限变形问题近似为小变形分析的过程。由于在以往关于界面效应的文献中，关于界面上的本构关系以及相应的Young-Laplace方程都是针对“一个构型”而言的，因此并不能直接用来计算结构或复合材料从初始参考构形到当前构型的变形过程中的宏观力学响应。注意到由于界面应力的存在，即使没有外载荷的作用下，也会诱导一个“残余应力场”。在结构或复合材料从初始构型到当前构形的过程中，界面的大小和形状的改变将导致所诱导的“残余应力场”改变。本章的创新之处就是在小变形近似下，给出了描述以上“残余应力场”的改变的控制方程，从而澄清了以往文献中的错误。作为应用实例，本文还计算了计及界面效应的含球形粒子及含椭球形粒子填充复合材料的有效模量，表明了复合材料有效性质的尺度效应。
最后是对本文工作的小结，提出了不足之处，并对下一步工作进行了展望。