第3章 金属基复合材料的设计

第3章 金属基复合材料的设计
1.金属基复合材料设计的基本原则
主要 内容 2.基体材料选择 3.增强体材料选择 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。
基本 要求
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。
• 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。
天然 材料 使用
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。
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。
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 价。
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，这是一个系统工程。
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。
一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度 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。
3.2
3.2.1
金属基复合材料的基体选择
选择基体的原则
选择基体的原则 1 2 金属基复合材 料组成的特点 3 基体金属与增 强物的相容性
金属基复合材 料的使用要求
不同铝合金性能与复合材料性能比较
3.2.2 结构件金属基复合材料的基体
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。 目前最广泛、最成熟的是 铝基和镁基复合材料，用于 用于450℃以下的轻金 航天飞机、人造卫星、空间 （1） 属基体—铝、镁合金 站、汽车发动机零件、刹车 盘等。 用于450～700℃的复合 （2） 材料的金属基体—钛合 金
层状复合材料 单向纤维增强复合材料 PRMCs复合材料
功能梯度复合材料 蜂窝夹心复合材料 编织复合材料
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,具有优良性能。
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.
（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：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。
3.2.3 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。
3.3 金属基复合材料的增强体选择
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
碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维
（2）晶须
碳化硅、氧化铝、氮化硅、硼酸铝等
（3）颗粒
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
“神七”太空服每件造价1.6亿 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。
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。
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 • 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，称为 单向连续纤维增强复合材料。
单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征 强度： （1）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、 （3）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、 （5）面内抗剪强度。
3.1
3.1.1
金属基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。
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.
第四次技术革命
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）
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 损伤及破坏分析： 强度准则 损伤机理 破坏过程
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
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
• 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。
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 微芯片时代
铁器时代 材料设计时代
青铜器时代
人造材料时代
材料时代
石器时代
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
3.4 金属基功能复合材料的设计特点
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： 首先考虑关键能分散性小的材料 采取尽可能简单、方便的成型工艺 合理的经济性
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3.4.1
功能复合材料调整优值的途径
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、 耐氧化、强度高等特点，可 在450～700℃使用，用于航 空发动机等零件。