3第三章 金属基复合材料的设计.ppt

1、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,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

2、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。,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,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，

3、这样一块30cm25cm的插板重约2.6kg。,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,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

4、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,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

5、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。,3.2 金属基复合材料的基体选

6、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。,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。,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450700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

7、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

8、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

9、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

10、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,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

11、：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

12、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LT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维的含量对纤维增强金属基复合材料的抗冲击性能有明显影响。由于硼纤维和其它陶瓷

13、纤维的抗蠕变性能优异，决定了陶瓷纤维增强金属基复合材料的 抗蠕变性能高于基体合金。,3.5.3 短纤维及颗粒增强金属基复合材料 3.5.3.1 短纤维增强复合材料 （1）非连续纤维增强复合材料的弹性模量 （a）单向短纤维复合材料的模量 （b）随机取向的短纤维复合材料的模量 （c）具有一定方向性的短纤维复合材料的模量 （2）非连续纤维增强复合材料的强度 （a）单向短纤维复合材料的强度 （b）随机取向的短纤维复合材料的强度,3.5.3.2 颗粒增强复合材料的弹性和强度 （1）颗粒增强复合材料的弹性 （2）颗粒增强复合材料的强度 3.5.3.3 晶须和颗粒增强金属基复合材料特点 晶须和颗粒增强金属基

14、复合材料克服了长纤维增强金属基复合材料的各向异性、生产工艺复杂及成本高等缺点，具有性能优异，生产制造方法简单等特点。应用于航空、航天、机械、体育器材，特别是在以汽车为代表的各种运输工具等领域。 晶须与颗粒增强金属基复合材料往往应用于高温部件，颗粒与晶须增强金属基复合材料在提高其强度与模量的同时，也降低了其塑性与韧性。,3.5.4 复合材料结构设计 复合材料的结构设计涉及到结构形状、所受环境载荷、边界条件及初始条件、连接情况、结构的功能和特点、承载能力和破坏机理与准则、可靠性及安全性、材料的选择、性能数据、成本等一系列问题。作为结构材料，它在剪切强度、损伤容限、抗冲击性、断裂韧性等方面都有致命的

15、弱点。 3.6 金属基复合材料的物理性能设计 3.6.1 密度及弹性模量 复合材料的有效弹性模量：有效特性就是复合材料在宏观上表现的整体特性。一般情况下它依赖于复合材料的所有细、微观结构参数和每一相材料的物理特性。 复合材料的有效特性及其上下限的研究方法主要有自洽理论和相关函数积分法。,3.6.2 热膨胀系数 3.6.2.1复合材料比热加和性原理 3.6.2.2 复合材料的热膨胀系数 表征材料受热时线度或体积变化程度的热膨胀系数，是材料的重要热物理性能之一。在工程技术中对于那些处于温度变化条件下使用的结构材料，热膨胀系数不仅是材料的重要使用性能，而且是进行结构设计的关键参数。材料的热膨胀性能的

16、重要性还在于它与材料抗热震的能力、受热后的热应力分布和大小密切相关。 3.6.2.3 复合材料热膨胀系数的计算 复合材料的热膨胀系数与其组分材料的性能（热膨胀、模量、泊松比等）、数量和分布情况有关。,这里以颗粒填充式相分布为例说明复合材料热膨胀系数的计算，热膨胀只考虑因温度变化以及由此而产生的内应力带来的材料尺寸变化，并假设： （1）在考虑的起始温度下，复合材料内部没有应力存在； （2）各组分材料的变形协调，即在所考虑的范围内温度变 化时，各组分 材料的变形程度相同； （3）温度变化时，复合材料内部的裂纹和空隙的数量和大 小不发生变化； （4）温度变化时，复合材料内部所产生的附加应力均为张 应

17、力和压应力。,3.6.3 热防护梯度功能材料设计 金属-陶瓷梯度功能材料是一种使金属和陶瓷的组分和结构呈连续变化的复合材料。 复合材料的一侧是陶瓷，具有很好的耐热性能，而另一侧为金属，具有很好的强度及热传导性。在界面处，由于成分和结构是连续变化的，所以使温度梯度所产生的热应力得到充分缓和。热防护梯度功能材料的研究体系如图3-22所示。 金属-陶瓷梯度功能材料的设计思想如图3-23所示。图3-24是热防护梯度功能材料逆向设计程序（Inverse Design Procedure）框图。,热防护梯度功能材料的研究体系,热防护梯度功能材料的设计,图3-24 热防护梯度功能材料逆设计框图,3.6.4 阻尼功能复合材料,（1） 用高阻尼基体金属 选择阻尼性能好的金属作为制备金属基复合材料的基体，如Zn-Al、Mg-Zr等，将它们与常用的增强剂（碳纤维、石墨纤维等）复合。,（2） 用高阻尼增强物 因为纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材料的弹性模量，应变能主要集中在纤维上，所以纤维对复合材料阻尼性能的贡献是主要的。,（3） 设计高阻尼界面 金属基复合材料的阻尼性能与其实际界面层的性能有关。根据界面层阻尼理论，一定厚度的强结合界面层本身的阻尼性能对复合材料的阻尼有极大影响；而