3第三章 金属基复合材料的设计PPT课件
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第三章金属基复合材料的设计PPT课件
青铜——铜锡合金， 是人类历史上发现的第 一个合金。
青铜时代
青铜文化——中国古代科技之花
———青铜鼎 ——春秋.金柄铁剑
——被史学界誉为“世界第 八大奇迹”的四川三星堆青 铜面具
铁器时代
天然陨铁敲打成 最早使用铁器
炼青铜
ห้องสมุดไป่ตู้
发现海棉状铁 凝固在炉渣中
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。
铁器时代 反复锻打钢
中国古代冶炼技术
《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面
近代发展史
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
18世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了钢 铁1材9 世料纪发展末。， 以 电 的 发 明 为 标志，促进了无机材料发展 和2高0世分纪子材中料期出，现以。原子能应 用为重要标志，实现了合成 材2料0世、纪半7导0年体代材，料以的计工算业机化、。 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。
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。
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。
青铜时代
青铜文化——中国古代科技之花
———青铜鼎 ——春秋.金柄铁剑
——被史学界誉为“世界第 八大奇迹”的四川三星堆青 铜面具
铁器时代
天然陨铁敲打成 最早使用铁器
炼青铜
ห้องสมุดไป่ตู้
发现海棉状铁 凝固在炉渣中
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。
铁器时代 反复锻打钢
中国古代冶炼技术
《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面
近代发展史
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
18世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了钢 铁1材9 世料纪发展末。， 以 电 的 发 明 为 标志，促进了无机材料发展 和2高0世分纪子材中料期出，现以。原子能应 用为重要标志，实现了合成 材2料0世、纪半7导0年体代材，料以的计工算业机化、。 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。
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。
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。
金属基复合材料(MMC)制备工艺课件
VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。
复合材料-金属基复合材料 ppt课件
(b)损伤后纤维形貌
碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤
Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。
Cf/Al的界面反应及反应产物Al4C3
❖ 准I类界面
出现准Ⅰ类界面有两种情况：
◆ 属Ⅰ类界面中的增强材料与基体， 从热力学分析会可能发生界面反应， 但当采用固态法制备时，形成Ⅰ类界 面；而当采用液态法制备时就可能形 成第Ⅲ类界面；
界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现 不稳定。
例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严 重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在 1100℃下经过50h，Wf的直径仅为原来50％，这样就严重 影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。
界面反应
界面反应是影响具有第Ⅲ类界面的复合材料界面稳 定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当 形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作 用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性 能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质 有关，与反应的温度、时间有关。
1、金属基复合材料的使用要求
1、金属基复合材料的使用要求
航天飞机主货舱 支柱
50 vol.% 硼纤维/6061
哈勃太空望远镜 天线波导桅杆
P100碳纤维/6061铝合金
1、金属基复合材料的使用要求
航天、航空领域的发动机构件
要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的 耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。 为此把这类界面称之为准Ⅰ类界面。
②界面的稳定性
复合材料PPT教学课件
原有材料的特点，又使各组分间 协同作用，形成了优于原材料的 特性。
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
《金属基复合材料》PPT课件
2、高温金属基复合材料的研究
• 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、 转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。
3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究
• 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸 造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可 望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低 成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。
• 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克 的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。
h
9
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
钢
7.8
1460
0.46
29
13.3
2070
210
超合金
8.3
1390
0.42
19
10.7
1100
210
Ta
16.6 2990
0.17
55
6.5
410
190
Sn
7.2
230
0.21
64
23.4
10
40
Ti
4.4
1650
0.59
7
9.5
1170
110
W
19.4 3410
0.13
168
Zn
6.6
390
0.42
h
2
Metal－Matrix
特点
1、比金属的比强度高，比刚度大 纤纤维维来增增强强金金属属基，复与合金材属料相多比数，足在由纤Vf维＝方20向%具-7有0%很的高高的强比度强和度高和模比量模的量。 特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。
• 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、 转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。
3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究
• 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸 造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可 望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低 成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。
• 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克 的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。
h
9
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
钢
7.8
1460
0.46
29
13.3
2070
210
超合金
8.3
1390
0.42
19
10.7
1100
210
Ta
16.6 2990
0.17
55
6.5
410
190
Sn
7.2
230
0.21
64
23.4
10
40
Ti
4.4
1650
0.59
7
9.5
1170
110
W
19.4 3410
0.13
168
Zn
6.6
390
0.42
h
2
Metal－Matrix
特点
1、比金属的比强度高，比刚度大 纤纤维维来增增强强金金属属基，复与合金材属料相多比数，足在由纤Vf维＝方20向%具-7有0%很的高高的强比度强和度高和模比量模的量。 特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。
复合材料资料PPT教学课件
1.合金： (1)合金。 ①形成：是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合 而成的。 ②性质特点：具有_金__属__特__性__。
(2)性能：合金具有不同于各成分金属的物理、化学或机械 性能。 ①熔点：一般比它的各成分金属的_低__。 ②硬度和强度：一般比它的各成分金属的_大__。 如生铁的熔点比纯铁的熔点_低__。
1.单质铜的化学性质：
(1)与非金属的反应(写出化学方程式)：
①与O2反应
加热：_2_C_u_+_O_2 _=_=_△=_=__2_C_u_O_。
常温下在潮湿的空气中：
2Cu+O2+H2O+CO2====Cu2(OH)2CO3。
△
②与S反应：2Cu+S ====Cu2S ③与Cl2反应：_C_u_+_C_l_2_=_=△_=_=_C_u_C_l__2 (_棕__黄__色烟)。
2.常见的金属材料：
铁、铬、锰
黑色金属
(1)重要的黑色金属材料——钢：
(2)常见的有色金属材料：
金属或 合金 铝
铝合金
铜
性能
良好的_延__展__性、_导__热__ 性和_导__电__性
密度小、强度高、塑性 好、易于成型、制造工 艺简单、成本低廉 良好的_延__展__性、_导__电__ 性和_导__热__性
(2)与氧化性酸的反应(写出相应的化学方程式)：
与浓硫酸的反应：
_C_u_+_2_H_2S_O_4_(_浓__)_=_=_△=__=__C_u_S_O_4_+_S_O_2↑__+_2_H_2_O_。
与浓硝酸的反应： _C_u_+_4_H_N_O_3(_浓__)_=_=_=_=_C_u_(_N_O_3_)_2_+_2_N_O_2↑__+_2_H_2_O_。
金属基复合材料制备工艺PPT幻灯片课件
金属基复合材料的制备工艺
金属基复合材料制备及成形工艺
金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程 度上取决于制备技术；
研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材 料研究中最重要的问题之一。
2
复合材料的概念与定义
常规材料的优缺点：
• 金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐 热、耐磨、耐蚀性差，如铝；
19
热压法工艺流程
在增强材料上铺金属箔
裁剪成形
加热至所需温度
加压与保压
抽真空
冷却取出制品 并加以整理
20
影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力 下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。
21
扩散粘结过程分为三个阶段：
1.粘结表面的最初接触，由于加热、加压， 使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜） 破坏；
26
5.1. 粉末轧制法
27
5.2 块（带）材轧制复合法
28
5.3 温轧复合生产线
29
6.爆炸焊接法
是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材 料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热 过程使材料焊接起来。
2) 可以自由选择强化颗粒种类、尺寸，且强化颗粒添加量范围广； 3) 与铸造法相比，较易实现强化颗粒的均匀分散（微颗粒除外）。 4) 与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 5) 可根据要求设计复合材料的性能； 6) 其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 7) 利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
2.1.3 连续增强相金属基复合材料的制备工艺
碳纤维 硼纤维 SiC纤维 氧化铝纤维
铝合金——固态、液态法 镁合金—— 固态、液态法 钛合金—— 固态法 高温合金——固态法 金属间化合物——固态法
金属基复合材料制备及成形工艺
金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程 度上取决于制备技术；
研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材 料研究中最重要的问题之一。
2
复合材料的概念与定义
常规材料的优缺点：
• 金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐 热、耐磨、耐蚀性差，如铝；
19
热压法工艺流程
在增强材料上铺金属箔
裁剪成形
加热至所需温度
加压与保压
抽真空
冷却取出制品 并加以整理
20
影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力 下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。
21
扩散粘结过程分为三个阶段：
1.粘结表面的最初接触，由于加热、加压， 使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜） 破坏；
26
5.1. 粉末轧制法
27
5.2 块（带）材轧制复合法
28
5.3 温轧复合生产线
29
6.爆炸焊接法
是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材 料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热 过程使材料焊接起来。
2) 可以自由选择强化颗粒种类、尺寸，且强化颗粒添加量范围广； 3) 与铸造法相比，较易实现强化颗粒的均匀分散（微颗粒除外）。 4) 与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 5) 可根据要求设计复合材料的性能； 6) 其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 7) 利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
2.1.3 连续增强相金属基复合材料的制备工艺
碳纤维 硼纤维 SiC纤维 氧化铝纤维
铝合金——固态、液态法 镁合金—— 固态、液态法 钛合金—— 固态法 高温合金——固态法 金属间化合物——固态法
金属基复合材料 (3)(共17张PPT)
功纤能维复 在合室材温料拉是伸除实具验有时某具些有烧特完殊全结功弹能性特的性应外力烧，—还应结有变一特定性力，学在性高能温要下求具预的有符很烧合高结材的料抗；蠕变能力，不会有烧什么缩塑性延伸。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。 直接涂覆通常在较低温度下进行，或者虽然温度很高，但纤维与基体在高温下接触的时间极短，因而不必担心他们之间发生严重的化学反 应的危险。
• 二、粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增强的 金属基复合材料，但主要用它制造非连续增强复合材料， 特别是晶须和颗粒复合材料及他们的小尺寸的零件）：
• 三、压力加工法；
• 四、爆炸焊接法（特点是作用时间极短，材料几乎不加 热）。
第8页，共17页。
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
分硼为--铝：复一合、材连料续在浸研渍究法上。很重视。浸适 热处理 电镀 高温烧结 复压 精整 锻造 轧制 挤压 烧结
碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。 直接涂覆法用于制造长纤维复合材料，系将基体涂于纤维上而得，一般只能制造半成品—复合丝或无纬带。
在实验室中直接涂覆法常被用来制造供基础研究用的材料。 锻打 复烧 （浸油）热处理
天构件的理想Βιβλιοθήκη 料； 硼--铝复合材料在研究上很重视。
围又可分为低温、中温、高温三类； 又可分为：（1）、真空压力铸造法；
由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于 弯曲的预制板加工成最终形状的。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。 直接涂覆通常在较低温度下进行，或者虽然温度很高，但纤维与基体在高温下接触的时间极短，因而不必担心他们之间发生严重的化学反 应的危险。
• 二、粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增强的 金属基复合材料，但主要用它制造非连续增强复合材料， 特别是晶须和颗粒复合材料及他们的小尺寸的零件）：
• 三、压力加工法；
• 四、爆炸焊接法（特点是作用时间极短，材料几乎不加 热）。
第8页，共17页。
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
分硼为--铝：复一合、材连料续在浸研渍究法上。很重视。浸适 热处理 电镀 高温烧结 复压 精整 锻造 轧制 挤压 烧结
碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。 直接涂覆法用于制造长纤维复合材料，系将基体涂于纤维上而得，一般只能制造半成品—复合丝或无纬带。
在实验室中直接涂覆法常被用来制造供基础研究用的材料。 锻打 复烧 （浸油）热处理
天构件的理想Βιβλιοθήκη 料； 硼--铝复合材料在研究上很重视。
围又可分为低温、中温、高温三类； 又可分为：（1）、真空压力铸造法；
由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于 弯曲的预制板加工成最终形状的。
金属基复合材料MMC课件
高性能结构件
金属基复合材料具有高强度、高刚性和轻量化的特点，适用于制 造航空航天领域的高性能结构件。
耐高温性能
金属基复合材料能够承受高温环境，适用于制造飞机和火箭的燃烧 室和喷嘴等部件。
减振降噪性能
金属基复合材料的减振降噪性能较好，可用于制造飞机和火箭的起 落架和机身等部件。
电子封装材料的应用
散热性能
新材料与新技术的研发
1 2 3
高性能增强相的研发 利用新材料如碳纳米管、陶瓷纳米颗粒等，提高 金属基复合材料的力学性能和热稳定性。
金属基复合材料的制备技术 研究新的制备方法，如原位合成、喷射沉积、激 光熔覆等，以实现高效、低成本的生产。
多功能金属基复合材料 开发具有导电、导热、磁性等功能的新型金属基 复合材料，满足不同领域的应用需求。
分类
根据增强体的不同，金属基复合材料可分为连续增强金属基复合材料和非连续 增强金属基复合材料。
金属基复合材料的特性
高比强度和比模量
可设计性强
金属基复合材料具有较高的比强度和 比模量，能够满足轻量化设计的需求。
通过选择不同的增强体和金属基体， 可以定制金属基复合材料的性能，满 足各种应用需求。
良好的热稳定性和耐磨性
车、高尔夫球杆等。
医疗器械
用于制造医疗器械，如 手术刀、牙科工具等， 提高医疗器械的耐用性
和可靠性。
02
金属基复合材料的制备方法
粉末冶金法
粉末冶金法是一种常用的制备金属基复合材料的方法，通过将增强体（如碳纤维、陶瓷颗粒 等）与金属粉末混合，经过压制、烧结和热等静压等工序，制备出具有优异性能的金属基复 合材料。
界面设计与优化
01
02
03
界面类型
相关主题
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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。
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
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
损伤及破坏分析： 强度准则 损伤机理 破坏过程
复合材料响应： 应力场
温度场等 设计变量优化
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
单向纤维增强复合材料 PRMCs复合材料
层状复合材料
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.
浴以五牲之溺， 淬以五牲之脂。
铁器时代 反复锻打钢
中国古代冶炼技术
《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面
近代发展史
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
18世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了钢 铁1材9 世料纪发展末。， 以 电 的 发 明 为 标志，促进了无机材料发展 和2高0世分纪子材中料期出，现以。原子能应 用为重要标志，实现了合成 材2料0世、纪半7导0年体代材，料以的计工算业机化、。 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3章 金属基复合材料的设计
主要 内容
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
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
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.
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。
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。
钢铁工业时代的象征
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。
半导体材料——进入信息时代
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）
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
烧制陶器
炼铜技术 铸造技术
ห้องสมุดไป่ตู้
铜是人类获得的第二 种人造材料。
复合材料设计的基本步骤
3.1.2 复合材料设计的研究方法
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
多样化时代
铁器时代
青铜器时代
微芯片时代
材料设计时代
人造材料时代 材料时代
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
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。
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
陶埙（xun）——中华古韵
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。
青铜——铜锡合金， 是人类历史上发现的第 一个合金。
青铜时代
青铜文化——中国古代科技之花
———青铜鼎 ——春秋.金柄铁剑
——被史学界誉为“世界第 八大奇迹”的四川三星堆青 铜面具
铁器时代
天然陨铁敲打成 最早使用铁器
炼青铜
发现海棉状铁 凝固在炉渣中
发现烧红的钢淬入冷 水，可使钢变得更硬， 现在叫淬火工艺。
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
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
损伤及破坏分析： 强度准则 损伤机理 破坏过程
复合材料响应： 应力场
温度场等 设计变量优化
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
单向纤维增强复合材料 PRMCs复合材料
层状复合材料
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.
浴以五牲之溺， 淬以五牲之脂。
铁器时代 反复锻打钢
中国古代冶炼技术
《天工开物》记载的古代冶炼金属的场面
近代发展史
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
18世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了钢 铁1材9 世料纪发展末。， 以 电 的 发 明 为 标志，促进了无机材料发展 和2高0世分纪子材中料期出，现以。原子能应 用为重要标志，实现了合成 材2料0世、纪半7导0年体代材，料以的计工算业机化、。 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3章 金属基复合材料的设计
主要 内容
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
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
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.
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。
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。
钢铁工业时代的象征
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。
半导体材料——进入信息时代
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）
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
烧制陶器
炼铜技术 铸造技术
ห้องสมุดไป่ตู้
铜是人类获得的第二 种人造材料。
复合材料设计的基本步骤
3.1.2 复合材料设计的研究方法
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
多样化时代
铁器时代
青铜器时代
微芯片时代
材料设计时代
人造材料时代 材料时代
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
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。
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
陶埙（xun）——中华古韵
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。
青铜——铜锡合金， 是人类历史上发现的第 一个合金。
青铜时代
青铜文化——中国古代科技之花
———青铜鼎 ——春秋.金柄铁剑
——被史学界誉为“世界第 八大奇迹”的四川三星堆青 铜面具
铁器时代
天然陨铁敲打成 最早使用铁器
炼青铜
发现海棉状铁 凝固在炉渣中
发现烧红的钢淬入冷 水，可使钢变得更硬， 现在叫淬火工艺。