高美珍材料科学与工程导论

16.9金属基复合材料金属基复合材料(MMCs)，基体是延展性很好的金属。这类材料与金属基体相比，可以使用在更高的服役温度。而且，增强可以改善比刚度、比强度、抗磨耗、抗蠕变能力、热导率和尺寸稳定性。与聚合物基复合材料相比，这类材料的优点有：更高的运行温度、不可燃性和巨大的抗有机流体裂解的能力。金属基复合材料比PMCs要贵的多，因此在一定程度上，它们的应用受到了限制。,超合金以及铝合金、镁、钛和铜也被用做基体材料。增强剂可以是颗粒，也可以是连续和不连续纤维和晶须，浓度范围通常在1060vol%之间。连续纤维材料包括：碳、碳化硅、硼、氧化铝和耐火金属纤维。不连续增强剂主要包括：碳化硅晶须、切断的氧化铝和碳纤维以及碳化硅和氧化铝颗粒。在某种意义上，金属陶瓷也属于MMCs一类。表17.6列出了几种常见连续和取向纤维-增强金属-基体复合材料的特性。,通常，MMCs生产过程至少两步：合成（在基体中引入增强剂），然后成型。目前，一些汽车生产厂家已经引进由氧化铝和碳纤维增强的铝-合金基体构成的发动机部件。这种MMCs重量轻，抗磨损，抗热扭曲。先进铝合金-金属基复合材料已经用于航空航天结构应用中。硼纤维作为增强剂用于宇宙飞船轨道器；连续碳纤维用于哈勃（Hubble）望远镜。一些超合金(Ni和Co基合金)高温蠕变和断裂特性可以通过使用耐火金属（如钨）纤维得到增强，,同时保持了优秀的高温抗氧化性和高冲击强度。使用这类材料设计的涡轮发动机可以允许更高的运行温度和更好的效率。16.10陶瓷基体复合材料新一带陶瓷基体复合材料（CMCs）的发展显著的改善了陶瓷的断裂韧性。陶瓷基复合材料是将一种陶瓷材料颗粒、纤维或晶须镶嵌到另一种陶瓷材料基体中。陶瓷基复合材料具有大范围的断裂韧性，断裂韧性的值大约在620MPa之间。陶瓷材料一般在15MPa。,从本质上，断裂韧性的改善是前进的裂纹与分散相的颗粒之间发生相互作用造成的。裂纹通常始于基体相，而裂纹扩展被增强颗粒、纤维或晶须阻止。一种很有意义而且很有前途的增韧技术是相变制动裂纹扩展，这称为相变增韧。部分稳定氧化锆小颗粒分散在基体材料内，基体材料经常是Al2O3和ZrO2自身。典型情况是CaO,MgO,Y2O3和CeO作为稳定剂，部分稳定使得亚稳四方相而不是稳定单斜相保留到大气条件。,扩展裂纹前端的应力场造成亚稳四方相颗粒发生相变形成稳定单斜相，伴随相变，颗粒体积微小增大，结果裂纹尖端附近裂纹表面处在压应力状态，压应力趋向于将裂纹压缩，从而制动了裂纹生长。其它最新发展的增韧技术涉及到陶瓷晶须的使用，晶须通常是SiC或Si3N4晶须。晶须可以阻止裂纹扩展，通过(1)使裂纹尖端偏转；(2)搭桥连通裂纹表面；(3)在拉拔过程中晶须从基体中剥离出来时吸收能量；(4)在裂纹尖端附近区域造成应力重新分布。,图17.11,一般情况下，增加纤维含量，强度和断裂韧性提高，见表17.7SiC晶须增强氧化铝的结果。与未增强对应件相比，晶须增强陶瓷的断裂强度分散性显著减小。此外，CMCs表现出更高高温抗蠕变行为和抗热震性。陶瓷基复合材料可以使用热压、热等静压和液相烧结技术生产。在应用方面，SiC晶须-增强氧化铝用作刀具切削硬质合金，这类工具的使用寿命远远大于硬质合金。,16.11碳-碳复合材料最先进最有前途的工程材料之一是碳纤维增强碳基体复合材料，常称为碳-碳复合材料。正如名字所指，增强剂和基体均为碳。这种材料相当新，也很昂贵，因此目前应用并不广泛。这种材料的理想特性是：保持高拉伸模量和高拉伸强度的温度超过2000，抗蠕变，较大断裂韧性。而且，碳-碳复合材料有低的热膨胀系数，较高的热导率。主要缺陷是高温氧化倾向。,碳-碳复合材料用于火箭发动机，在飞机和高性能汽车中用作摩擦材料，用作热压模具，用于先进涡轮发动机构件中，以及在返回式运载器中用作烧蚀保护层。这类复合材料昂贵的主要原因是需要使用比较复杂的加工技术。连续碳纤维放置成理想的二维或三维模式，随后这些纤维浸渍在液体聚合物树脂（常常是酚醛）中，然后工件成型为最终形状，让树脂熟化。,16.12混杂复合材料将不同纤维一层一层构成分层结构，每一层是一种类型的纤维，不同类型的纤维层相间放置。混杂复合材料是各向异性的。对混杂复合材料施加拉应力时，失效通常不是灾难性的。最先失效的是碳纤维，然后碳纤维将载荷转移给玻璃纤维，随着玻璃纤维失效，基体相必须承担全部外加载荷，最终基体相失效，复合材料同时失效。混杂复合材料的主要应用是轻质连接盘、水力和风力运输、运动工具、和轻质整形部件。,16.13纤维增强复合材料生产要生产高性能的连续纤维增强塑料，纤维应该在塑料基体内均匀分布，而且在绝大多数情况下，所有纤维沿同一个方向取向。这一节将讨论复合材料的生产技术（拉挤成型,缠绕成型、预浸渍生产过程）。拉挤成型法：用来生产连续、截面固定的构件（如棒，管子等）。如图17.12所示，在此技术中，连续纤维粗纱或丝束首先浸渍在热固树脂中。然后拉过一个钢模，预成型。,这种方式确定了树脂/纤维比值。为了使原料具有最终形状，让原料穿过一个经过精加工的熟化模具，在此过程中加热模具，树脂基体熟化。牵引装置将原料拉过模具，并决定了生产速度。使用中心芯棒或插入中空芯子就能够生产管子和中空部件。主要的增强剂是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维，添加浓度通常在4070vol%之间。常用的基体材料有：聚酯、乙烯酯、和环氧树脂。拉挤成型非常容易实现自动化生产。速度高、成本底，可以生产多种形状，长度没有限制。,预浸渍生产过程：预浸渍是合成工业的一个术语，是连续纤维增强剂预浸渍到只有部分熟化的聚合树脂中。材料以带状形式交付给制造商，然后制造商直接成型，不需要添加任何树脂，完全产品。这可能是结构应用中最广泛使用的复合材料形式。图17.13是热固聚合物的预浸渍过程示意图。将一组连续纤维丝束线轴准直，然后将丝束作成三明治结构，并使用加热的滚轧冲压粘性处理纸和载体纸之间的丝束，这一过程称为“碾光”。,粘性处理纸涂有一层有较低粘度的热树脂薄膜，一个刮浆刀将树脂刮成厚度和宽度均匀的薄膜。最终预浸渍制品由部分熟化的树脂和镶嵌在树脂中的连续和取向排列纤维组成的薄带绕到一个硬纸板芯上。如图17.13所示，当浸渍的带缠绕到线轴上后，将粘性处理纸拿走。带的厚度范围为0.080.25mm之间，带宽在251525mm之间，树脂含量通常在3545vol%之间。,无论热塑还是热固树脂都可以使用。常用的增强剂有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。实际生产由铺放开始将预浸渍的带放在加工过的表面，通常铺放几层（取掉载体纸之后），以获得期望的厚度。铺放时排列可以是单方向的，但通常变化纤维取向生产出斜纹或夹角层压板，最终熟化由同时加热加压完成。,缠绕成型：缠绕成型是将连续的增强纤维按照预定的样式准确放置成中空（通常是圆柱）形状。无论是单根纤维还是一束纤维，首先穿过装有树脂的缸，然后连续的绕到线轴上，通常使用自动缠丝机器（图16.14）。绕了适当层数的纤维后，在炉子或室温进行熟化，熟化后将线轴取出。绕丝有三种方式：螺旋绕丝Helicalwinding,圆周绕丝Circumferentialwinding,极向绕丝Polarwinding。,图16.14螺旋、圆周、极向绕丝示意图,设计例题16.1设计一个管状的缠丝轴，外径为70mm，内径为50.8mm，长为1.22m。对这个轴实施三点弯曲试验，支承点是轴的两端，加载点是轴的中点，载荷为890N，要求中心位置产生的弹性偏离小于0.330mm。绕丝方式为螺旋绕丝，绕丝角为15。可能的纤维材料有：玻璃纤维，标准、中模量、高模量碳纤维。基体材料为环氧树脂，最高可允许的纤维的体积比为0.60。,（a）上述四种纤维中那种纤维能满足要求；（b）假设复合材料的生产成本相同，计算那种纤维增强复合材料具有最高的性价比。纤维的模量和成本数据参见表16.8。,三、结构复合材料结构复合材料的特性不仅依赖于组成材料的特性，也依赖于各种结构元素的几何设计。最常见层状复合材料和三明治板料。16.14层状复合材料层状复合材料由二维片或板构成，二维片或板具有择优高强度方向，将各层摞在一起，然后胶结，相邻层面上高强度的取向不同（图16.16）。例如，胶合板中相邻木板层沿着木纹方向取向，相互之间成直角。,图16.16连续取向纤维增强复合板材的堆垛,层叠材料可以由二维织物材料构造，如棉花、纸或玻璃镶嵌在塑料基体中。因此复合材料在二维平面的几个方向上具有较高强度。然而在任何一个具体方向上，强度低于所有纤维全部沿此方向取向时的强度。滑雪板是比较复杂的层状结构的一个例子。16.15三明治板料三明治板料是一组结构复合材料，由两个强硬的外板或表面和一层隔离两个表面的低密度的材料或芯构成，芯材料有更低的刚性和更低的强度。两个外表面承受绝大部分的平面载荷和全部的横向弯曲应力。,典型的表面材料有：铝合金、纤维增强塑料、钛、钢、和胶合板。结构上，芯具有两个功能：第一，将两个表面分开，抵抗与表面垂直的形变；第二，在与表面垂直的平面上，提供一定程度的剪切刚性。芯可以使用各种材料和各种结构，包括：泡沫、合成橡胶、无机胶结剂和香脂木材。另一种芯具有蜂窝状结构形成连锁六角单元，轴取向与板表面垂直。制备蜂窝的材料与面材料相似。三明治板材有很多应用，这些应用包括：房顶、地板、建筑墙、飞机机翼、机身和水平尾翼表面护板。,图16.17蜂窝状芯材三明治复合材料结构示意图,Exampl