复合材料概论

复合材料原理陈刚江苏大学材料学院1材料楼525gchen@.c迎交流！2第一章概论第二章复合材料原理与界面第三章复合材料的增强材料第四章聚合物基复合材料第五章金属基复合材料第六章陶瓷基复合材料第七章水泥基复合材料第八章先进复合材料第九章材料复合新技术第十章复合材料可靠性与无损评价课程的主要内容3如何学习，如何考核？特点：定性、半定量描述与争议。方式：课堂学习与课后钻研相结合。（涉及的面广，需要补充学习甚至研究）教学：课堂提问与课后作业。考核：平时成绩30%+期末闭卷考试。4主要参考资料1、吴人洁。复合材料。天津大学出版社，20002、尹洪峰，任耘。复合材料及其应用。陕西科学技术出版社，20033、郝元恺，肖加余。高性能复合材料学。化学工业出版社，20044、鲁云，朱世杰，马鸣图。先进复合材料。机械工业出版社，2004教材：冯小明，张崇才。复合材料。化学工业出版社，20075第一章概论1.1复合材料的定义1.2复合材料的命名1.3复合材料的分类1.4复合材料的组成1.5复合材料的基本性能1.6复合材料发展概况6金属材料、无机非金属材料、高分子材料

各有千秋扬长避短

克服单一材料的缺点

产生原来单一材料所没有的新性能复合材料710000BC各种材料在各个历史时期相对重要性5000BC015001900196019801990200020102020金铜铁钢合金钢高温合金高分子木材皮肤纤维动物胶橡胶电木尼龙PEPCPSPPPAN聚酯高模聚合物导电高分子复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石材陶瓷陶器玻璃水泥耐火材料熔融硅耐湿陶瓷韧性机械陶瓷81.1复合材料的定义什么是复合材料(CompositeMaterials,Composites)?要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复合后材料的性能，或偏重于考虑复合材料的结构

9１）复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。偏重于考虑复合后材料的性能10２）复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的。11偏重于考虑复合材料的结构，诸如：１）复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上组合而成的一种有用的材料。２）复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料。３）复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。

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F.L.Matthews和Ｒ.D.Rawlings认为，复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：(1)组元含量大于5％；(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能，(3)通过各种方法混合而成。13根据Matthews和Rawlings给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如Co—Cr—Mo—Si合金不属于复合材料，因为这种合金经过熔化和凝固过程形成；而仅有像SiC颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料和狭义复合材料。141516从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。17上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其他种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。18下面五点概括了复合材料的特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；193、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。20吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复合材料将由宏观复合形式向微观(细观)复合形式发展。微观复合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和剩余的基体相构成的原位复合材料或纤维增强复合材料，也包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分子复合材料等。21国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。《材料科学技术百科全书》中关于复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，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，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。22《材料大辞典》中关于复合材料的定义为：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。23根据《材料大辞典》中关于复合材料的定义可以看出,复合材料具有两个鲜明的特点:１、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能。２、复合材料具有可设计性。由于各种原材料都具有各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。24材料的优缺点组合示意图25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。26因此，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特殊性能。27(3)复合材料具有可设计性。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。28通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元，其中一组元的体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；复合材料是人工制造的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。29复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：1.2复合材料的命名30（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。31（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。32如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳／金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳／碳复合材料”。33国外还常用英文缩写来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)。ABC?AMC?341.3复合材料的分类随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类。

材料的分类，历史上有许多方法：35１）按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分。２）按物理性质分类，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、半导体材料、导电材料等。３）按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法有：材料的分类36一、按增强材料形态分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；372、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。另外，还有其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体等。38复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)颗粒复合d)短切纤维复合39纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。40混杂复合材料：两种或两种以上增强体同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。41①玻璃纤维复合材料

用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为两种，即热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。42Ａ、热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强体和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。Ｂ、热固性玻璃钢热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强体和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。43②碳纤维复合材料

Ａ、碳纤维复合材料：作基体的树脂，目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。Ｂ、碳纤维/碳复合材料：用有机基体浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。Ｃ、碳纤维/金属复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。Ｄ、碳纤维/陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。44③硼纤维复合材料硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。Ａ、硼纤维树脂复合材料：基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等。Ｂ、硼纤维金属复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金，还有钛及其合金等。45④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。46二、按材料作用分两类①结构复合材料②功能复合材料47①结构复合材料主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。48结构复合材料又可按基体材料类型和增强体材料类型来分类，见下图所示：49聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料结构复合材料热固性树脂基热塑性树脂基橡胶基高温陶瓷基玻璃基玻璃陶瓷基轻金属基高熔点金属基金属间化合物基Ａ、按基体类型分类50B、按增强体类型分类结构复合材料叠层式复合材料片材增强复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料人工晶片天然片状物微米颗粒纳米颗粒不连续纤维复合材料连续纤维增强复合材料晶须增强复合材料短切纤维增强复合材料单向纤维增强复合材料二维织物增强复合材料三维织物增强复合材料51结构复合材料的特点可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。52指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。功能复合材料中的基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用。②功能复合材料53除了上面的各种各样的复合材料以外，还有同质复合材料和异质复合材料。

同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）

异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。54复合材料目前状况１）玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟、广泛的应用

２）金属基复合材料

开发阶段、某些结构件的关键部位

３）陶瓷基复合材料及功能复合材料等

尚处于研究阶段、有不少科学技术问题有待解决55第一章概论1.1复合材料的定义1.2复合材料的命名1.3复合材料的分类1.4复合材料的组成1.5复合材料的基本性能1.6复合材料发展概况56思考题根据复合材料的定义，试举一种以金属、陶瓷或高分子为基体的复合材料，并简要说明其特性。用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。571.4复合材料的组成结构复合材料是由基体、增强体和两者之间的界面组成，复合材料的性能则取决于增强体与基体的比例以及三个组成部分的性能。要尽可能避免形成薄弱环节！58水桶效应594.1.1复合材料的基体金属材料60金属键共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性6162铝合金相图（局部）63国产昆仑发动机钛合金镍基高温合金钢铁材料64高温合金基体的力学性能

65★镍基合金：用来制造使用温度更高的、受力苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室等。★钴基高温合金广泛用作导向叶片，具有良好的抗热腐蚀性和抗冷热疲劳性能。

66金属材料的基本特点强度高、韧性好、导电导热、不容易老化、容易加工变形、易于回收利用。金属具有特有的金属光泽。缺点：耐腐蚀性相对较差、耐高温性能比较差。6768

69高分子材料70非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。高分子材料具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、较好的绝缘性和低密度等优良性能。71聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。热固性聚合物通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。7273游艇设计74热塑性聚合物：是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工而无化学变化。包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。通常结晶度在20-85%之间。具有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能较好。75陶瓷材料76陶瓷是金属与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合键结合在一起。陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃相和气相（孔）等不同的相组成。77优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重要的功能材料。陶瓷材料的致命弱点：脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的灾难性后果。

陶瓷材料的基本特点78794.1.2复合材料增强体(Reinforcement)

纤维及其织物、晶须、颗粒等。复合材料增强体的具有如下特点：1、具有很低的密度；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。80不同复合材料增强体的强度和模量8182ZnO晶须微观形貌

83SiC颗粒、Al2O3颗粒841.5复合材料的基本性能复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、含量和分布。主要包括：增强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。85复合材料在制造前，基体材料的形状可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体，它的状态可以是固态、气态、熔融态或半固—半液态。基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。因此，基体相也叫做连续相。基体相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用。86复合材料及其增强相的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状87影响复合材料性能的因素

主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要性能。88复合材料的特性

复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。如纤维增强的树脂基复合材料，具有质量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。89（１）轻质高强，比强度和比刚度高

Ａ、增强体或者基体是密度小的物质，或两者的密度都不高，且都不是完全致密的；Ｂ、增强剂多是强度很高的纤维。

比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高的。90例如，普通碳钢的密度为7.8g/cm3。玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0g/cm3，只有普通碳钢的1/4—1/5，比铝合金还要轻1/３左右，而机械强度却能超过普通碳钢的水平。91若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢，而且可超过某些特殊合金纲。

碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。92(2)可设计性好

复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。93对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。94(3)电性能好

复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料。95玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制得导电复合材料。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。96(4)耐腐蚀性能好

聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。因此．它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。97(5)热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，是一种优良的绝热材料。选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在2000℃以上承受用温、高速气流的冲刷作用。98(6)工艺性能优良

纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，99(7)弹性模量

金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。因此，制成的制品容易变形。用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量。另外，通过结构设计也可以克服其弹性模量差的缺点。100

比模量系指在温度为23±2℃和相对湿度为50±5％的条件下测量的杨氏模量(单位:N.m-2)除以密度(单位:N.m-3)。

杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数。101在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E，也叫杨氏模量。横向应变与纵向应变之比值称为泊松比µ，也叫横向变性系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。102复合材料的突出优点是比强度和比模量（即强度、模量与密度之比）高。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的密度愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。103(8)长期耐热性

金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300℃左右。104(9)老化现象在自然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。复合材料在使用过程中发生老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。105(10)抗疲劳性能好缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；基体的塑性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。(11)减振能力强复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。1061.6复合材料发展概况复合材料发展简史：学术界开始使用“复合材料”（compositematerials）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了现代复合材料的新纪元。107从20世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。20世纪80年代以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验