62、高科技应用中多异质材料组件的设计与建模方法

高科技应用中多异质材料组件的设计与建模方法

1. 引言

随着高科技在各领域的迅猛发展，对组件或产品的特殊功能提出了更为严苛的要求。例如，直径达10米的卫星抛物面天线，为了能在 -180°C 至 120°C 的大幅温度变化环境下正常工作，其热变形需控制在 0.2 毫米以内，这就要求其热膨胀系数接近零。再如，传感器的泊松比应为负值，以提高其对静水压力的敏感度。若传感器的泊松比能从普通的 0.3 变为 -1，其敏感度将提高近一个数量级。另外，车辆发动机的气缸或压力容器，内部承受高温高压，而外表面处于环境条件下。理想的情况是内表面采用陶瓷材料，因其具有良好的高温性能；远离内表面处采用金属材料，因其具有良好的机械性能。但将这两种材料直接连接会导致界面处应力集中，因此需要成分逐渐变化。然而，均质材料制成的组件很少能具备上述所有特殊功能。近年来，人们的注意力集中到了异质材料上，包括复合材料、功能梯度材料和具有周期性微观结构的异质材料。

• 复合材料 ：一般来说，复合材料由分布在一个连续相中的一个或多个不连续相组成。连续相称为基体，可能是树脂、陶瓷或金属；不连续相称为增强体或内含物，可能是纤维或颗粒。内含物用于改善材料或基体的某些性能，如刚度、温度特性、耐磨性、减少收缩等。例如，将脆性金属（如钨、铬和钼）的颗粒掺入韧性金属中，可在保持室温下韧性的同时提高其高温性能；将弹性体颗粒掺入脆性聚合物基体中，可通过降低其对裂纹的敏感性来改善其断裂和冲击性能。
• 功能梯度材料 ：它用于连接两种不同材料，且不会在界面处产生应力集中。材料的性能从一部分到另一部分的梯度变化可由材料成分决定。一种材料成分的体积分数应从一侧的 1