1、金属基复合材料金属基复合材料江苏大学江苏大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.1 2.1 增强体的分类增强体的分类2.2 2.2 纤维类增强体纤维类增强体2.3 2.3 晶须及颗粒类增强体晶须及颗粒类增强体2.4 2.4 金属丝金属丝2.5 2.5 其它增强体其它增强体课程回顾课程回顾233.1 3.1 金属基复合材料的可设计性金属基复合材料的可设计性3.2 3.2 基体材料选择基体材料选择3.3 3.3 增强体材料选择增强体材料选择3.4 3.4 力学性能设计力学性能设计3.3.5 5 物理性能设计物理性能设计43.1 3.1 金属基复合材料的可设计性金属基复合材料的可设计性3.1.
2、1 3.1.1 复合材料的可设计性复合材料的可设计性 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。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）这种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。使复合材料在不同应
3、用领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料。5复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。如连复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。如连续纤维增强复合材料在弹性模量、线胀系数和材料强度等方面具有续纤维增强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。明显的各向异性性质。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。复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构。复合材料设计问题要求确定基体材料、增强材料的几何特征复合材料设计问题要求确定基体材料、增强材料的
4、几何特征（连续纤维、颗粒等）、增强材料的微观结构以及体积分数。（连续纤维、颗粒等）、增强材料的微观结构以及体积分数。6图3-1 典型复合材料结构(a)单向纤维增强复合材料；(b)颗粒增强复合材料；(c)层状复合材料；(d)蜂窝夹心复合材料；(e)编织复合材料；(f)功能梯度复合材料783.1.2 3.1.2 复合材料设计的研究方法复合材料设计的研究方法 工程结构设计原则由静态设计向动态设计过渡，因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。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、微观结构的特征尺一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度来
5、看，目前的分析手段主要有两种：细观力学分析方法度来看，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。和宏观力学分析方法。93.1.3 3.1.3 复合材料的虚拟设计复合材料的虚拟设计 复合材料的设计主要有功能设计、结构设计和工艺设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。价。复合材料一体化制造系统是根据材料设计、结构设计、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，是一个系统工程。图工艺及可靠性评价平行发展的概念，是一个系统工程。图
6、3-33-3是复合材料一体化系统的流程框图。是复合材料一体化系统的流程框图。10图图3-3 复合材料结构的一体化模拟设计与制造流程复合材料结构的一体化模拟设计与制造流程11选择基体的原则选择基体的原则1金属基复合材金属基复合材料的使用要求料的使用要求 2金属基复合材金属基复合材料组成的特点料组成的特点3基体金属与增基体金属与增强强体体的相容性的相容性3.2 3.2 基体材料选择基体材料选择3.2.1 3.2.1 选择基体的原则选择基体的原则 12大致可分为轻合金基体和耐热合金基体两大类。大致可分为轻合金基体和耐热合金基体两大类。（1）用于用于450以下的轻金属基以下的轻金属基体体铝、镁合金铝、
7、镁合金（2 2）用于用于450450700700的复合材料的的复合材料的金属基体金属基体钛合金钛合金（3 3）用于用于10001000以上的高温复合材以上的高温复合材料的金属基体料的金属基体镍基、铁基耐镍基、铁基耐热合金和金属间化合物热合金和金属间化合物133.2.3 3.2.3 功能件金属基复合材料的基体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、
8、耐腐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。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、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。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、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。等缺点。14 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
9、比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀等性能。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 1）连续纤维）连续纤维（2 2）晶须）晶须（3 3）颗粒）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 3.3 增强体材料选择增强体材料选择 153.4 3.4 金属基复合材料力学性能设计金属基复合材料力学性能设计3.4.1 3.4.1 连续纤维增强复合材料力学性能设计连续纤维增强复合材料力学性能设计3.4.1.1 3.4.1.1 单向增强复合材料的弹性单向增强复合材
10、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。求近似解。（1 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）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（材料。沿纤维方向称为纵向（L L），垂直纤维方向称为横向（），垂直纤维方向称为横向（T T）；）；（2 2）横向弹性模量；）横向弹性模量；（3 3）剪切弹性模量；）剪切弹性模量；（4
11、4）纵向泊松比纵向泊松比LTLT：在单向纤维增强复合材料中，当沿纤维方向受：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，在弹性范围内横向应变与纵向应变之比。拉伸（或压缩）时，在弹性范围内横向应变与纵向应变之比。163.4.1.2 3.4.1.2 单向增强复合材料的强度单向增强复合材料的强度 （1 1）纵向拉伸强度）纵向拉伸强度 （2 2）纤维临界体积分数和最小体积分数）纤维临界体积分数和最小体积分数 （3 3）纵向压缩强度）纵向压缩强度 （4 4）横向拉压强度）横向拉压强度 （5 5）剪切强度）剪切强度173.4.2 3.4.2 纤维增强金属基复合材料特点纤维增强金属基复合材料特
12、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。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。及体育运动其它器械上的应用。一般纤维增强金属基复合材料的疲劳性能由于加入了高强度的纤维一般纤维增强金属基复合材料的疲劳性能由于加入了高强度的纤维而得到了改善和提高。纤维增强金属基复合材料通常作为高温下应用的工而得到了改善和提高。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。程动力构件。由于硼纤维和其它陶瓷纤维
13、的抗蠕变性能优异，决定了陶瓷纤维增由于硼纤维和其它陶瓷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。强金属基复合材料的抗蠕变性能高于基体合金。3.4.3 3.4.3 短纤维及颗粒增强金属基复合材料短纤维及颗粒增强金属基复合材料3.4.3.1 3.4.3.1 短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料（1 1）非连续纤维增强复合材料的弹性模量）非连续纤维增强复合材料的弹性模量 （a a）单向短纤维复合材料的模量）单向短纤维复合材料的模量 （b b）随机取向的短纤维复合材料的模量）随机取向的短纤维复合材料的模量 （c c）具有一定方向性的短纤维复合材料的模量）具有一定方
14、向性的短纤维复合材料的模量（2 2）非连续纤维增强复合材料的强度）非连续纤维增强复合材料的强度 （a a）单向短纤维复合材料的强度）单向短纤维复合材料的强度 （b b）随机取向的短纤维复合材料的强度）随机取向的短纤维复合材料的强度193.4.3.2 3.4.3.2 颗粒增强复合材料的弹性和强度颗粒增强复合材料的弹性和强度 （1 1）颗粒增强复合材料的弹性）颗粒增强复合材料的弹性 （2 2）颗粒增强复合材料的强度）颗粒增强复合材料的强度3.4.3.3 3.4.3.3 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复合材料特点 晶须和颗粒增强金属基复合材料克服了长纤维增强金属基复合材料晶须和
15、颗粒增强金属基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。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
16、性。性。203.4.4 3.4.4 复合材料结构设计复合材料结构设计 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、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。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弱点。方面都有致命的弱点。21首先考虑关键的
17、性能首先考虑关键的性能兼顾其他性能兼顾其他性能选择性能分散性小的材料选择性能分散性小的材料采取尽可能简单、方便的成型工艺采取尽可能简单、方便的成型工艺合理的经济性合理的经济性 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。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：功能复合材料的设计原则主要是：3.3.5 5 金属基复合材料的物理性能设计金属基复合材料的物理性能设计 22功能复合材料调整优值的途径功能复合材料调整优值的途径 （1 1）调整复合度）调整复合度 （2 2）
18、调整联接方式）调整联接方式 （3 3）调整对称性）调整对称性 （4 4）调整尺度）调整尺度 （5 5）调整周期性）调整周期性利用复合效应创造新型功能复合材料利用复合效应创造新型功能复合材料 功能复合材料不仅能通过线性效应起作用（如加和效应和相补功能复合材料不仅能通过线性效应起作用（如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。料。（1 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。乘积关系表达的协同作用。（2
19、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）其他非线性效应：除了乘积效应外，还有系统效应、诱导效应和共轭效应等。和共轭效应等。233.3.5 5.1.1 密度及弹性模量密度及弹性模量 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。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
20、分法。关函数积分法。243.5.2 3.5.2 热膨胀系数热膨胀系数3.5.2.1 3.5.2.1 复合材料比热加和性原理复合材料比热加和性原理3.5.2.2 3.5.2.2 复合材料的热膨胀系数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
21、。数。材料的热膨胀性能的重要性还在于它与材料抗热震的能力、受热后材料的热膨胀性能的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。的热应力分布和大小密切相关。3.5.2.3 3.5.2.3 复合材料热膨胀系数的计算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。比等）、数量和分布情况有关。25 以颗粒填充式相分布为例，热膨胀只考虑因温度变化以及由此以颗粒填充式相分布为例，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：而产生的内应
22、力带来的材料尺寸变化，并假设：（1 1）在考虑的起始温度下，复合材料内部没有应力存在；）在考虑的起始温度下，复合材料内部没有应力存在；（2 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；各组分材料的变形程度相同；（3 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）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；发生变化；（4 4）温度变化时，复合材料内部所产生的附加应力均为张应力）温度变化时，复合材料内部所产生的附加应力均为张应力和压应力。和压应力。263.5.3 3.5.3 热防护
23、梯度功能材料设计热防护梯度功能材料设计 金属金属-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。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，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，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。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热防护梯度功能材料的研究体系如图3 3-22-22所示
24、。金属所示。金属-陶瓷梯度陶瓷梯度功能材料的设计思想如图功能材料的设计思想如图3 3-23-23所示。图所示。图3 3-24-24是热防护梯度功能材料逆向设是热防护梯度功能材料逆向设计程序框图。计程序框图。27图图3-22 热防护梯度功能材料的研究体系热防护梯度功能材料的研究体系 282930 当当p=1p=1时，成分随着材时，成分随着材料的厚度呈直线变化；料的厚度呈直线变化；当当p1p1p1时，则相反。时，则相反。图图3-25不同梯度分布系数下的成分不同梯度分布系数下的成分分布曲线分布曲线313.5.4 3.5.4 阻尼功能复合材料阻尼功能复合材料1 1）用高阻尼基体金属）用高阻尼基体金属
25、选择阻尼性能好的选择阻尼性能好的金属作为制备金属基金属作为制备金属基复合材料的基体，如复合材料的基体，如Zn-AlZn-Al、Mg-ZrMg-Zr等，将等，将它们与常用的增强剂它们与常用的增强剂（碳纤维、石墨纤维（碳纤维、石墨纤维等）复合。等）复合。2 2）用高阻尼增强物）用高阻尼增强物 因为纤维的弹性因为纤维的弹性模量通常远大于基模量通常远大于基体和复合材料的弹体和复合材料的弹性模量性模量，应变能主应变能主要集中在纤维上，要集中在纤维上，所以纤维对复合材所以纤维对复合材料阻尼性能的贡献料阻尼性能的贡献是主要的。是主要的。3 3）设计高阻尼界面）设计高阻尼界面 根据界面层阻尼根据界面层阻尼理论
26、，一定厚度的理论，一定厚度的强结合界面层本身强结合界面层本身的阻尼性能对复合的阻尼性能对复合材料的阻尼有极大材料的阻尼有极大影响；而弱结合界影响；而弱结合界面层，其内发生的面层，其内发生的微滑移对复阻尼做微滑移对复阻尼做出更多贡献出更多贡献。阻尼功能复合材料是指具有把振动能吸收并转化成其他形式的能量而消耗，阻尼功能复合材料是指具有把振动能吸收并转化成其他形式的能量而消耗，从而减小机械振动和降低噪声功能的一种功能材料。从而减小机械振动和降低噪声功能的一种功能材料。323.1 3.1 金属基复合材料的可设计性金属基复合材料的可设计性3.2 3.2 基体材料选择基体材料选择3.3 3.3 增强体材料选择增强体材料选择3.4 3.4 力学性能设计力学性能设计3.3.5 5 物理性能设计物理性能设计331、在要求耐热耐磨的服役条件下使用的金属基复合、在要求耐热耐磨的服役条件下使用的金属基复合材料应选择怎样的基体材料，为什么？材料应选择怎样的基体材料，为什么？2、如何保证、如何保证金属基功能复合金属基功能复合材料性能的稳定性？材料性能的稳定性？3435
