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江苏大学材料科学与工程学院第3章金属基复合材料的设计1.金属基复合材料设计的基本原则2.基体材料选择3.增强体材料选择主要内容基本要求了解：了解金属基复合复合材料的基本组成（基体、增强体）及各自的特点和功能。掌握：掌握金属基复合材料的设计原则和方法，根据使用工况选择性能与价格比合理的基体和增强体。尽管复合材料的各组分保持其相对独立性，但是并不是各组分材料性能的简单叠加，而是各组分之间“取长补短”，“协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，有着重要的改进，显示出单一材料所不具有的新性能。复合材料的设计是一个复杂的系统过程，它涉及环境负载、设计要求、材料选择、成形工艺、力学分析、检测测试、安全可靠性及成本等诸多因素。复合材料的出现与发展为材料及结构设计者提供了前所未有的好时机。设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料，以满足工程实际对高性能复合材料及结构的要求。这种可设计的灵活性再加上复合材料优良的特性（高比强、高比模等）使复合材料在不同应用领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料。3.1金属基复合材料的可设计性3.1.1复合材料的可设计性复合材料在弹性模量、线胀系数和材料强度等方面具有明显的各向异性性质。复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。复合材料的可设计性是它超过传统材料的最显著的优点之一。复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构，可将复合材料分为六大类型。复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤.层状复合材料PRMCs复合材料单向纤维增强复合材料蜂窝夹心复合材料编织复合材料功能梯度复合材料单向纤维增强复合材料是一种正交各向异性材料,连续纤维在基体中呈同向平行排列。这种材料由纤维（如玻璃纤维、碳纤维）与聚合物（如环氧树脂）复合而成,具有优的性能。模型示意图宁波大成公司以UHMWPE纤维单向纤维增强布制作的2cm厚插板可以有效防御以AK-47为代表的突击步枪普通弹的攻击.目前我军配备的95式突击步枪，口径5.8mm，弹丸初速930m/s，属于世界上威力相当大的突击步枪之一;采用这种插板也完全可以对其进行有效防护。1cm厚的碳化硅或氧化铝陶瓷块材料加上约50层UHMWPE纤维单向纤维片制成的防弹插板能够抵御狙击步枪穿甲弹的攻击，这样一块30cm×25cm的插板重约2.6kg。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀对环境与负载的要求：机械负载热应力潮湿环境选择材料：基体材料增强材料几何形状成型方法：工艺过程优化设计代表性单元性能考察有限元方法实验力学方法结构宏观性能复合材料响应：应力场温度场等设计变量优化损伤及破坏分析：强度准则损伤机理破坏过程复合材料设计的基本步骤材料、能源、信息、生物是现代文明的四大支柱人类的文明史旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代多样化时代微芯片时代材料设计时代人造材料时代材料时代3.1.2复合材料设计的研究方法石器时代天然材料使用石器：劳动生产工具。如石矢、石刀、石铲、石凿、石斧等石器的制造→磨光石器发展了制陶技术，陶器是人类第一个人工合成材料。利用野生葛、苎麻等原料制成织品。用石头做建筑材料世界上最古老的乐器编钟——距今已经有2400多年的历史。不过，最古老的乐器当属吹奏乐器埙。埙是中国特有的闭口吹奏乐器，形状多种多样，大部分为平底、卵形。埙的材料以陶土为主，也有石制、骨制的。陶埙（xun）——中华古韵红山玉器——还是个谜辽宁西部山区，发现了距今大约五千多年的大型祭坛、女神庙和积石冢群址，考古学家初步推断，五千年前，这里曾经存在过一个专门制作红山玉器的部落,具有国家雏形的原始文明社会。把中华文明史提前了一千多年。青铜器时代人类知道使用天然的金和铜炼铜技术铸造技术烧制陶器青铜时代铜是人类获得的第二种人造材料。青铜——铜锡合金，是人类历史上发现的第一个合金。——春秋.金柄铁剑———青铜鼎——被史学界誉为“世界第八大奇迹”的四川三星堆青铜面具青铜文化——中国古代科技之花铁器时代天然陨铁敲打成最早使用铁器发现海棉状铁凝固在炉渣中炼青铜铁器时代发现烧红的钢淬入冷水，可使钢变得更硬，现在叫淬火工艺。浴以五牲之溺，淬以五牲之脂。反复锻打钢《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面中国古代冶炼技术近代发展史18世纪后期，以蒸汽机的发明为主要标志，促进了钢铁材料发展。19世纪末，以电的发明为标志，促进了无机材料发展和高分子材料出现。20世纪中期，以原子能应用为重要标志，实现了合成材料、半导体材料的工业化。20世纪70年代，以计算机、特别是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志，促进了各类新型材料发展。第一次技术革命第二次技术革命第三次技术革命第四次技术革命总重量7千吨，由不到一万五千个金属体焊在一起而成的艾菲尔铁塔是巴黎的象征，也是钢铁工业时代蓬勃发展的结晶。钢铁工业时代的象征2.53GHz处理器（左）2.8GHz处理器（右）Intel用纳米工艺生产的6.5MB芯片（左）刻满SRAM芯片晶圆，集成晶体管总数为3300亿颗（右）利用信息材料和新的制备工艺制造大规模集成电路芯片，将人类社会带入了信息时代。半导体材料——进入信息时代十多年前的手机十多年前的照相机中国神六航天飞船的发射飞船系统从神舟二号开始的新老交替正式完成，40岁以下的技术人员已占整个队伍的80％以上。分系统副主任设计师以上关键技术岗位人员平均年龄３２岁。神六飞船的”外衣”材料航天服三层，最外是限制层，由一种高强度材料做成；中间是一个气密系统；里边是通风层，有管道，保持体温，如遇应急情况，管道中就通氧，以供航天员呼吸之用。当航天服充入高压气体之后，硬的像金属，人活动就受到限制。所以，比较关键技术就是活动性的设计及有关材料。与国外比，我们有不少创新，如俄航天服手腕利用织物弹性变形实现活动，而我们采用的是材料结构变形,呈波纹状.这个波纹是由很多等容结构形成的。“神七”太空服每件造价1.6亿将实现太空行走在进行太空行走时，航天员从舱内气压环境进入太空的真空环境，舱外太空服的质量也是关键。估计每件造价为2000万～3000万美元。舱外太空服的外层防护材料已经在东华大学预研成功，这种外层防护材料采用高性能纤维和纳米金属粉末复合涂层，能满足出舱工作时要面对的“材料力学、热光学、耐久性”三重需求。复合材料的设计主要有功能设计、结构设计和工艺设计三大部分。另外还要求对设计的合理性和可靠性加以评价。复合材料一体化制造系统是根据材料设计、结构设计、工艺及可靠性评价平行发展的概念，这是一个系统工程。工程结构设计原则由静态设计向动态设计过渡，因此应对复合材料结构进行动态分析。一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度来看，目前的分析手段主要有两种:细观力学分析方法和宏观力学分析方法。选择基体的原则1金属基复合材料的使用要求2金属基复合材料组成的特点3基体金属与增强物的相容性3.2金属基复合材料的基体选择3.2.1选择基体的原则结构复合材料的基体可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。（1）用于450℃以下的轻金属基体—铝、镁合金（3）用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体—镍基、铁基耐热合金和金属间化合物3.2.2结构件金属基复合材料的基体目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。（2）用于450～700℃的复合材料的金属基体—钛合金钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～700℃使用，用于航空发动机等零件。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。3.2.3功能件金属基复合材料的基体目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。•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。•单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。微电子技术的电子封装集成电路：需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，来提高器件可靠性。用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料；高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料；金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料；硼/铝基复合材料等。•耐高温摩擦的耐磨材料–碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。•高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料–碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。•耐腐蚀的电池极板材料等。在兵器工业中，坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经常充电，此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响，在寒冷的气候条件下，坦克车辆起动速度会显著减慢，甚至不能起动，这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金（复合材料）蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点，在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用前景。根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀等性能。（1）连续纤维（2）晶须（3）颗粒碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维碳化硅、氧化铝、氮化硅、硼酸铝等陶瓷颗粒材料，主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼化钛、碳化硼及氧化钇等3.3金属基复合材料的增强体选择首先考虑关键的性能兼顾其他性能选择性能分散性小的材料采取尽可能简单、方便的成型工艺合理的经济性①②③④⑤功能复合材料是指主要以提供某些物理性能的复合材料，如导电、导热、磁性、阻尼、摩擦、防热等功能。功能复合材料的设计原则主要是：3.4金属基功能复合材料的设计特点3.4.1功能复合材料调整优值的途径（1）调整复合度（2）调整联接方式（3）调整对称性（4）调整尺度（5）调整周期性3.4.2利用复合效应创造新型功能复台材料功能复合材料不仅能通过线性效应起作用（如复合度调节作用利用加和效应和相补效应），更重要的是可利用非线性效应设计出许多新型的功能复合材料。（1）乘积效应的作用：乘积效应是在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。（2）其他非线性效应：除了乘积效应外，还有系统效应、诱导效应和共扼效应等。3.5金属基复合材料力学性能设计3.5.1连续纤维增强复合材料力学性能设计3.5.1.1单向增强复合材料的弹性复合材料的弹性模量由组分材料的特性、增强物的取向和体积含量决定。求弹性模量的解析法有两种，即求严格解的方法和利用包围法求近似解。（1）纵向弹性模量：连续纤维平行排列于基体中，得到单向增强复合材料。沿纤维方向称为纵向（L），垂直纤维方向称为横向（T）；（2）横向弹性模量；（3）剪切弹性模量；（4）泊松比：在单向纤维增强复合材料中，当沿纤维方向受拉伸（或压缩）时，在弹性范围内，其横向应变与纵向应变之比μLT称为纵向泊松比。3.5.1.2单向增强复合材料的强度（1）纵向拉伸强度（2）纤维临界体积分数和最小体积分数（3）纵向压缩强度（4）横向拉压强度（5）剪切强度3.5.2纤维增强金属基复合材料特点纤维增强金属基复合材料具有高比强度、比模量和高温性能等特点。特别适用于航空航天工业、汽车结构、保险杠、活塞连杆、自行车车架以及体育运动其它器械上的应用。纤维增强金属基复合材料通常作为高温下应用的工程动力构件。纤维的分布位向以及纤