3第三章 金属基复合材料的设计

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。
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世料纪发末展，。以电的发明为 标志，促进了无机材料发展 和2高0世分纪子中材期料，出以现原。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。
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。
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
发展了制陶技术，陶器是人类 第一个人工合成材料。
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。
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 将人利类用社信会息带材入料了和信新息的晶3时制3体代0备0管。工亿总艺颗数制（为造右大）规模集成电路芯片，
硬质合金组织(Co+WC)
硬质合金铣 刀
对环境与负载的要求： 选择材料：
机械负载
基体材料
热应力
增强材料
潮湿环境
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： 代表性单元性能考察
应力场
有限元方法
温度场等
实验力学方法
设计变量优化
结构宏观性能
复合材料设计的基本步骤
第3章 金属基复合材料的设计
江苏大学 材料科学与工程学院
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。
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
铜是人类获得的第二 种人造材料。
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
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。
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。
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
功能梯度复合材料 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.
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.
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
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。
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wk.baidu.com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。