第三章 金屬基復(fù)合材料的設(shè)計

1、在江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料的設(shè)計第三章中，雖然復(fù)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(jìn)，顯示出單一材料所不具備的新性能。復(fù)合材料設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程，涉及環(huán)境載荷、設(shè)計要求、材料選擇、成型工藝、力學(xué)分析、試驗、安全、可靠性和成本等諸多因素。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展為材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計者提供了一個很好的機會。設(shè)計人員可以根據(jù)外界環(huán)境的變化和要求，設(shè)計出不同特性和性能的復(fù)合材料，以滿足工程實踐對高性能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的要求。這種設(shè)計的靈活性和復(fù)合材料的優(yōu)良特性(高比強

2、度、高比模量等。)使復(fù)合材料成為不同應(yīng)用領(lǐng)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(hù)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(fù)合材料設(shè)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(shù)，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(jì)后期，蒸汽機的發(fā)明是推動鋼鐵材料發(fā)展的主要標(biāo)志。19世紀(jì)末，以電的發(fā)明為標(biāo)志，它促進(jìn)了無機材料的發(fā)展和高分子材料的出現(xiàn)。20世紀(jì)中期，以原子能的應(yīng)用為重要標(biāo)志，合成材料和半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)化得以實現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，計算機，尤其是微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)和空間技術(shù)成為推動各種新材料發(fā)展的主要標(biāo)志。第一次技術(shù)革命、第二次技術(shù)革命、第三次技術(shù)革命和第四次技術(shù)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(jié)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(shù)人員占整

4、個團隊的80%以上。子系統(tǒng)設(shè)計員、副主任以上關(guān)鍵技術(shù)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(fēng)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(dāng)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(guān)鍵技術(shù)是主動設(shè)計和相關(guān)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(jié)構(gòu)變形是波紋狀的，它是由許多等體積的結(jié)構(gòu)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(jìn)入太空的真空環(huán)境

5、，宇航服的質(zhì)量也是關(guān)鍵。據(jù)估計，每個餡餅的成本東華大學(xué)已成功預(yù)研究出艙外服裝的外層防護(hù)材料。這種外層防護(hù)材料采用高性能纖維和納米金屬粉末的復(fù)合涂層，在艙外工作時能滿足“材料力學(xué)、熱光學(xué)和耐久性”的三重要求。3.2金屬基復(fù)合材料的基體選擇，3.2.1基體選擇的原則，結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)部件的最廣泛和最成熟的金屬基復(fù)合材料基體是鋁基和鎂基復(fù)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(fù)合材料仍處于研究階段。3.2.3目前已應(yīng)用的功能性金屬基復(fù)合材料(不包括雙金屬復(fù)合材料)主要包括微電子技術(shù)的電子封裝和散熱材料、高導(dǎo)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(fù)合材料中使用的金屬基體具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)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(dǎo)率、低熱膨脹、高電導(dǎo)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(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬和增強材料制成復(fù)合材料，以滿足需求。采用微電子技術(shù)的電子封裝集成電路：基板和封裝件應(yīng)采用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好的材料，以便快速散熱，避免熱應(yīng)力，提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料包括：高碳化硅顆粒含量的鋁基和銅基復(fù)合材料；高模量和超高模量石墨纖維增強鋁基和銅基復(fù)合材料；金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁基和銅基復(fù)合材料；硼/鋁基復(fù)合材料等?？垢邷啬Σ恋哪湍ゲ牧希缣蓟?、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(fù)合材料。具有高導(dǎo)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(fù)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(hù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)合材料是指主要提供某些物理性能的復(fù)合材料，如導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性、磁性、阻尼性、摩擦性和熱防護(hù)性。功能復(fù)合材料的設(shè)計原則主要有：3.4金屬基功能復(fù)合材料的設(shè)計特點，3.4.1調(diào)整功能復(fù)合材料優(yōu)越值的方法(1)調(diào)整復(fù)合程度(2)調(diào)整連接方式(3)調(diào)整對稱性(4)調(diào)整尺度(5)調(diào)整周期性(3.4.2利用復(fù)合效應(yīng)創(chuàng)造新的功能復(fù)合材料)。功能復(fù)合材料不僅可以通過線性效應(yīng)發(fā)揮作用。(1)產(chǎn)品效應(yīng)的

10、效應(yīng)：產(chǎn)品效應(yīng)是一種協(xié)同效應(yīng)，可以用復(fù)合材料兩個組分之間的產(chǎn)品關(guān)系來表示。(2)其他非線性效應(yīng)：除產(chǎn)品效應(yīng)外，還有系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。3.5金屬基復(fù)合材料的機械性能設(shè)計3.5.1連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的機械性能設(shè)計3.5.1.1單向增強復(fù)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(yán)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(fù)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(fù)合材料中，當(dāng)沿纖維方向拉伸(或壓縮)時，彈性范圍內(nèi)橫

11、向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比LT稱為縱向泊松比。單向增強復(fù)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?jǐn)?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(fù)合材料的特性纖維增強金屬基復(fù)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(jié)構(gòu)、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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材

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

13、和晶須增強金屬基復(fù)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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及一系列問題，如結(jié)構(gòu)形狀、環(huán)境載荷、邊界條件和初始條件、連接、結(jié)構(gòu)功能和特性、承載力和失效機理和準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料的物理性能設(shè)計3.6.1復(fù)合材料的密度和彈性模量有效彈性模量：有效特性是復(fù)合材料在宏觀上的總體特性。一般來說，它取決于復(fù)合材料的所有精細(xì)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各相材料的物理性質(zhì)。主要用自洽理論和相關(guān)函數(shù)積分法研究復(fù)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(fù)合材料比熱的疊加原理3.6.2.2復(fù)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(shù)中，熱膨脹系數(shù)不僅是溫度變化條件下結(jié)構(gòu)材料的一項重要性能，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個關(guān)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(yīng)力的分布和大小密切相關(guān)。3.6.2.3復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的計算復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與性能(熱膨脹、模量、泊松比等)有關(guān)。)，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(fù)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(nèi)應(yīng)力引起的材料尺寸變化，并假設(shè)：(1)在考慮的初始溫度下，復(fù)合材料中沒有應(yīng)力；(2)各組成材料的變形協(xié)

15、調(diào)，即當(dāng)溫度在考慮范圍內(nèi)變化時，各組成材料的變形程度相同；(3)當(dāng)溫度變化時，復(fù)合材料中裂紋和空洞的數(shù)量和尺寸不變；(4)當(dāng)溫度變化時，復(fù)合材料中的附加應(yīng)力為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。3.6.3熱防護(hù)功能梯度材料的設(shè)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(jié)構(gòu)不斷變化的復(fù)合材料。復(fù)合材料的一側(cè)是具有良好耐熱性的陶瓷，而另一側(cè)是具有良好強度和導(dǎo)熱性的金屬。在界面處，由于成分和結(jié)構(gòu)不斷變化，由溫度梯度引起的熱應(yīng)力得到充分緩解。熱防護(hù)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(shè)計思路如圖3-23所示。圖3-24是用于熱保護(hù)的功能梯度材料的逆向設(shè)計程序的框圖。熱防護(hù)用功能梯度材料的研究體系和設(shè)計，圖3-24熱防護(hù)用功能梯度材料反設(shè)計框圖，3.6.4阻尼功能復(fù)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(fù)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(yuǎn)大于基體和復(fù)合材料，應(yīng)變能主要集中