第三章 金屬基復合材料的設計

1、在江蘇大學材料科學與工程學院金屬基復合材料的設計第三章中，雖然復合材料的各個組成部分保持了相對的獨立性，但它不是各組成部分材料性能的簡單疊加，而是各組成部分之間的“協(xié)同作用”，極大地彌補了單一材料的不足，并做出了重要的改進，顯示出單一材料所不具備的新性能。復合材料設計是一個復雜的系統(tǒng)過程，涉及環(huán)境載荷、設計要求、材料選擇、成型工藝、力學分析、試驗、安全、可靠性和成本等諸多因素。復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展為材料和結構的設計者提供了一個很好的機會。設計人員可以根據(jù)外界環(huán)境的變化和要求，設計出不同特性和性能的復合材料，以滿足工程實踐對高性能復合材料和結構的要求。這種設計的靈活性和復合材料的優(yōu)良特性(高比強

2、度、高比模量等。)使復合材料成為不同應用領域中特別受歡迎的候選材料。寧波大成公司的UHMWPE纖維單向纖維增強布制成的2厘米厚插板，能有效抵御以AK-47為代表的突擊步槍的普通子彈的攻擊。使用這種板也能有效地保護它。由1厘米厚的碳化硅或氧化鋁陶瓷塊材料和大約50層UHMWPE纖維單向纖維片制成的防彈插板可以抵抗狙擊步槍穿甲彈的攻擊，因此一個30厘米25厘米的插板重約2.6公斤。復合材料設計的研究方法，石器時代，使用天然材料，石器工具：勞動生產(chǎn)工具。例如，制造石箭、石刀、石鏟、石鑿、石斧等石器打磨石器，發(fā)展了制陶技術，陶器是人類第一種人工合成材料。由野葛根、苧麻等原料制成。在現(xiàn)代發(fā)展史上，18世

3、紀后期，蒸汽機的發(fā)明是推動鋼鐵材料發(fā)展的主要標志。19世紀末，以電的發(fā)明為標志，它促進了無機材料的發(fā)展和高分子材料的出現(xiàn)。20世紀中期，以原子能的應用為重要標志，合成材料和半導體材料的產(chǎn)業(yè)化得以實現(xiàn)。20世紀70年代，計算機，尤其是微電子技術、生物工程技術和空間技術成為推動各種新材料發(fā)展的主要標志。第一次技術革命、第二次技術革命、第三次技術革命和第四次技術革命，總重量7000噸，由不到15000個金屬體焊接而成的埃菲爾鐵塔，是巴黎的象征，是鋼鐵工業(yè)時代蓬勃發(fā)展的結晶。鋼鐵工業(yè)時代的象征，十多年前的手機，十多年前的相機，中國神舟六號飛船的發(fā)射，飛船系統(tǒng)從神舟二號正式完成，40歲以下的技術人員占整

4、個團隊的80%以上。子系統(tǒng)設計員、副主任以上關鍵技術崗位人員的平均年齡為32歲。神舟六號飛船的“外套”材料有三層太空服，最外層是一層限制層，由高強度材料制成；中間是一個密閉的系統(tǒng)；里面是一個通風層，有管道來保持體溫。在緊急情況下，氧氣被引入管道供宇航員呼吸。當宇航服充滿高壓氣體時，它就像金屬一樣堅硬，人類活動受到限制。因此，關鍵技術是主動設計和相關材料。與國外相比，我們有很多創(chuàng)新，例如，俄羅斯航天服的手腕利用織物的彈性變形來實現(xiàn)其活動，而我們使用的材料結構變形是波紋狀的，它是由許多等體積的結構形成的。造價1.6億元的神舟七號宇航服將實現(xiàn)太空行走。在太空行走中，宇航員從艙壓環(huán)境進入太空的真空環(huán)境

5、，宇航服的質量也是關鍵。據(jù)估計，每個餡餅的成本東華大學已成功預研究出艙外服裝的外層防護材料。這種外層防護材料采用高性能纖維和納米金屬粉末的復合涂層，在艙外工作時能滿足“材料力學、熱光學和耐久性”的三重要求。3.2金屬基復合材料的基體選擇，3.2.1基體選擇的原則，結構復合材料的基體可分為兩類：輕金屬基體和耐熱合金基體。3.2.2目前，用于結構部件的最廣泛和最成熟的金屬基復合材料基體是鋁基和鎂基復合材料，用于航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機部件、制動盤等。鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、抗氧化、強度高等特點，可在450 700下用于航空發(fā)動機及其他零件。主要是鎳基和鐵基耐熱合金和金屬間化合物。比

6、較成熟的是鎳基高溫合金，金屬間化合物基復合材料仍處于研究階段。3.2.3目前已應用的功能性金屬基復合材料(不包括雙金屬復合材料)主要包括微電子技術的電子封裝和散熱材料、高導熱和耐電弧燒蝕的集電材料和接觸材料、耐高溫摩擦的耐磨材料和耐腐蝕的電池板材料等。金屬基體主要選用純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。功能金屬基復合材料中使用的金屬基體具有良好的導熱性、導電性和機械性能，但存在熱膨脹系數(shù)大、耐電弧燒蝕性差等缺點。要求材料和器件具有優(yōu)異的綜合物理性能，如高機械性能、高熱導率、低熱膨脹、高電導率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性。金屬和合金很難單獨具有優(yōu)異的綜合物理性能，但有必要通過優(yōu)

7、化設計和先進制造技術將金屬和增強材料制成復合材料，以滿足需求。采用微電子技術的電子封裝集成電路：基板和封裝件應采用熱膨脹系數(shù)小、導熱性能好的材料，以便快速散熱，避免熱應力，提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復合材料包括：高碳化硅顆粒含量的鋁基和銅基復合材料；高模量和超高模量石墨纖維增強鋁基和銅基復合材料；金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁基和銅基復合材料；硼/鋁基復合材料等。抗高溫摩擦的耐磨材料，如碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等。以及用金屬如鋁、鎂、銅、鋅、鉛及其合金增強的金屬基復合材料。具有高導熱性和耐電弧燒蝕性的集電器材料，以及接觸材料，例如碳(石墨)纖維、金屬線、陶瓷顆粒增強金屬

8、基復合材料，例如鋁、銅、銀和合金。耐腐蝕電池板材料等。在兵器工業(yè)中，坦克和車輛用鉛酸蓄電池由于容量低、自放電率高，需要頻繁充電，維護和攜帶非常不方便。放電輸出功率很容易受到電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響。在寒冷的天氣里，坦克車的啟動速度會明顯減慢，甚至無法啟動，這將影響坦克的作戰(zhàn)能力。儲氫合金(復合材料)電池具有能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、使用壽命長等優(yōu)點。在未來主戰(zhàn)坦克電池的發(fā)展中具有廣闊的應用前景。根據(jù)它們的形態(tài)強化，它們可分為連續(xù)長纖維、短纖維、須狀纖維、顆粒等。鋼筋應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度和低熱膨脹。(1)連續(xù)纖維，(2)晶須，(3)顆粒、碳纖維、硼纖維、碳化

9、硅纖維、氧化鋁纖維、碳化硅、氧化鋁、氮化硅、硼酸鋁等。陶瓷顆粒材料，主要包括氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鈦、硼化鈦、碳化硼和氧化釔等。3.3金屬基復合材料增強材料的選擇。成型工藝盡可能簡單方便，經(jīng)濟合理。、。功能復合材料是指主要提供某些物理性能的復合材料，如導電性、熱傳導性、磁性、阻尼性、摩擦性和熱防護性。功能復合材料的設計原則主要有：3.4金屬基功能復合材料的設計特點，3.4.1調整功能復合材料優(yōu)越值的方法(1)調整復合程度(2)調整連接方式(3)調整對稱性(4)調整尺度(5)調整周期性(3.4.2利用復合效應創(chuàng)造新的功能復合材料)。功能復合材料不僅可以通過線性效應發(fā)揮作用。(1)產(chǎn)品效應的

10、效應：產(chǎn)品效應是一種協(xié)同效應，可以用復合材料兩個組分之間的產(chǎn)品關系來表示。(2)其他非線性效應：除產(chǎn)品效應外，還有系統(tǒng)效應、誘導效應和共軛效應。3.5金屬基復合材料的機械性能設計3.5.1連續(xù)纖維增強復合材料的機械性能設計3.5.1.1單向增強復合材料的彈性模量由組分材料的特性、增強材料的取向和體積含量決定。求彈性模量有兩種解析方法，即嚴格解法和近似解法。(1)縱向彈性模量：連續(xù)纖維在基體中平行排列，得到單向增強復合材料。纖維方向稱為縱向(L)，垂直纖維方向稱為橫向(T)。(2)橫向彈性模量；(3)剪切彈性模量；(4)泊松比：在單向纖維增強復合材料中，當沿纖維方向拉伸(或壓縮)時，彈性范圍內橫

11、向應變與縱向應變之比LT稱為縱向泊松比。單向增強復合材料的3.5.1.2強度(1)縱向拉伸強度(2)臨界和最小纖維體積分數(shù)(3)縱向壓縮強度(4)橫向拉伸和壓縮強度(5)剪切強度3.5.2纖維增強金屬基復合材料的特性纖維增強金屬基復合材料具有高比強度、比模量和高溫性能的特點。特別適用于航天工業(yè)、汽車結構、保險杠、活塞連桿、自行車車架等運動器材。纖維增強金屬基復合材料通常用作高溫下的工程動力部件。纖維的分布和含量對纖維增強金屬基復合材料的抗沖擊性能有明顯的影響。由于硼纖維和其他陶瓷纖維具有優(yōu)異的抗蠕變性能，陶瓷纖維增強金屬基復合材料的抗蠕變性能高于基體合金。3.5.3短纖維和顆粒增強金屬基復合材

12、料3.5.3.1短纖維增強復合材料(1)不連續(xù)纖維增強復合材料的彈性模量(a)單向短纖維復合材料的模量(b)隨機取向短纖維復合材料的模量(c)定向短纖維復合材料的模量(2)不連續(xù)纖維增強復合材料的強度(a)單向短纖維復合材料的強度。(2)隨機取向短纖維復合材料的強度、3.5.3.2彈性和顆粒增強復合材料的強度(1)顆粒增強復合材料的彈性(2)3.5.3.3晶須和顆粒增強金屬基復合材料晶須和顆粒增強金屬基復合材料的特性克服了長纖維增強金屬基復合材料的各向異性、生產(chǎn)工藝復雜和成本高等缺點。它用于航空、航天、機械和運動設備，尤其是以汽車為代表的各種交通工具。晶須增強金屬基復合材料常用于高溫零件。顆粒

13、和晶須增強金屬基復合材料不僅提高了強度和模量，而且降低了塑性和韌性。3.5.4復合材料的結構設計復合材料的結構設計涉及一系列問題，如結構形狀、環(huán)境載荷、邊界條件和初始條件、連接、結構功能和特性、承載力和失效機理和準則、可靠性和安全性、材料選擇、性能數(shù)據(jù)、成本等。作為一種結構材料，它在剪切強度、損傷容限、抗沖擊性和斷裂韌性方面有致命的弱點。3.6金屬基復合材料的物理性能設計3.6.1復合材料的密度和彈性模量有效彈性模量：有效特性是復合材料在宏觀上的總體特性。一般來說，它取決于復合材料的所有精細和微觀結構參數(shù)以及各相材料的物理性質。主要用自洽理論和相關函數(shù)積分法研究復合材料的有效性能及其上下限。3

14、.6.2熱膨脹系數(shù)3.6.2.1復合材料比熱的疊加原理3.6.2.2復合材料的熱膨脹系數(shù)是材料重要的熱物理性能之一。在工程技術中，熱膨脹系數(shù)不僅是溫度變化條件下結構材料的一項重要性能，也是結構設計的一個關鍵參數(shù)。材料熱膨脹的重要性在于它與材料的抗熱震性以及加熱后熱應力的分布和大小密切相關。3.6.2.3復合材料熱膨脹系數(shù)的計算復合材料的熱膨脹系數(shù)與性能(熱膨脹、模量、泊松比等)有關。)，其組成材料的數(shù)量和分布。本文以顆粒填充相分布為例，說明了復合材料熱膨脹系數(shù)的計算。熱膨脹僅考慮由溫度變化和內應力引起的材料尺寸變化，并假設：(1)在考慮的初始溫度下，復合材料中沒有應力；(2)各組成材料的變形協(xié)

15、調，即當溫度在考慮范圍內變化時，各組成材料的變形程度相同；(3)當溫度變化時，復合材料中裂紋和空洞的數(shù)量和尺寸不變；(4)當溫度變化時，復合材料中的附加應力為拉應力和壓應力。3.6.3熱防護功能梯度材料的設計金屬-陶瓷功能梯度材料是一種使金屬和陶瓷的成分和結構不斷變化的復合材料。復合材料的一側是具有良好耐熱性的陶瓷，而另一側是具有良好強度和導熱性的金屬。在界面處，由于成分和結構不斷變化，由溫度梯度引起的熱應力得到充分緩解。熱防護用功能梯度材料的研究體系如圖3-22所示。金屬陶瓷功能梯度材料的設計思路如圖3-23所示。圖3-24是用于熱保護的功能梯度材料的逆向設計程序的框圖。熱防護用功能梯度材料的研究體系和設計，圖3-24熱防護用功能梯度材料反設計框圖，3.6.4阻尼功能復合材料，(1)用高阻尼基體金屬選擇阻尼性能好的金屬作為制備金屬基復合材料的基體，如鋅鋁、鎂鋯等。并將其與普通增強劑(碳纖維、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金、鎂合金等)混合。(2)采用高阻尼增強材料由于纖維的彈性模量通常遠大于基體和復合材料，應變能主要集中