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,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。,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。,层状复合材料,PRMCs复合材料,单向纤维增强复合材料,蜂窝夹心复合材料,编织复合材料,功能梯度复合材料,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.,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30cm25cm的插板重约2.6kg。,3.1.2复合材料设计的研究方法,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。,利用野生葛、苎麻等原料制成织品。用石头做建筑材料,近代发展史,18世纪后期，以蒸汽机的发明为主要标志，促进了钢铁材料发展。,19世纪末，以电的发明为标志，促进了无机材料发展和高分子材料出现。,20世纪中期，以原子能应用为重要标志，实现了合成材料、半导体材料的工业化。,20世纪70年代，以计算机、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,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。,钢铁工业时代的象征,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岁。,神六飞船的”外衣”材料,航天服三层，最外是限制层，由一种高强度材料做成；中间是一个气密系统；里边是通风层，有管道，保持体温，如遇应急情况，管道中就通氧，以供航天员呼吸之用。,当航天服充入高压气体之后，硬的像金属，人活动就受到限制。所以，比较关键技术就是活动性的设计及有关材料。,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。,“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。,3.2金属基复合材料的基体选择,3.2.1选择基体的原则,不同铝合金性能与复合材料性能比较,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。,3.2.2结构件金属基复合材料的基体,目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450700使用，用于航空发动机等零件。,主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,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。,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。,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。,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,（2）晶须,（3）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金属基复合材料的增强体选择,首先考虑关键的性能,兼顾其他性能,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,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：,3.4金属基功能复合材料的设计特点,3.4.1功能复合材料调整优值的途径（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。,3.5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。有四个特征弹性常数：（1）纵向弹性模量、（2）横向弹性模量、（3）主泊松比、（4）切变弹性模量。,一、单向复合材料的弹性性能,（一）纵向弹性模量在计算单向复合材料的纵向弹性模量时，将复合材料看成是两种弹性体并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉伸力F通过界面完全传递给纤维。,实际上，由于纤维有屈曲、排列不整齐、界面结合强度小等原因，使实验值与计算值有一定差异，所以工程上常加一个修正系数k，则有：EcL=kEfVf+Em(1Vf),（二）横向弹性模量,计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种：I型：纤维含量少，纤维与基体的串联模型，此时纤维与基体具有相同的应力，即：fT=mT=cTII型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然与基体紧密接触，其间有基体材料，但很薄，可以认为这部分变形与基体一致，纤维与基体有相同的应变，即为并联模型：fT=mT=cT,根据串联模型，复合材料的横向伸长等于纤维和基体的横向伸长之和：cT=fTVf+mTVm,根据假设fT=mT=cT，有：=+并联模型的横向应力是基体和增强体之和，所以：EIIcT=EfTVf+EmTVm,EIcT是纤维全部分散、互不接触，独立时的横向弹性模量，是模向弹性模量的极小值；EIIcT是纤维全部接触、连通时的横向弹性模量，是横向弹性模量的极大值。,（三）切变模量,模型I：纤维与基体轴向串联模型，在扭矩作用下，圆筒受纯剪切应力，纤维与基体切应力相同，但因切变模量不同，切应变不同，所以为等应力模型。模型II：纤维与基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变，但切应力不同，所以为等应变模型。,根据纤维与基体轴向串联模型所得到的切变模量：,根据纤维与基体轴向并联模型所得到的切变模量：GIIc=GfVf+GmVm,I=+,（四）泊松比,单向复合材料的正交各向异性，决定了材料在纵、横两个方向呈现的泊松效应不同，所以有两个泊松比。纵向泊松比：当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，在横向产生收缩，其横向应变与纵向应变之比为纵向泊松比，即：,横向泊松比：当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时，其纵向应变与横向应变之比：,二、单向复合材料的强度,（一）纵向抗拉强度玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维增强的热固性树脂基复合材料的变形特性只有I、IV阶段；金属基和热塑性树脂基复合材料，包含第II阶段；脆性纤维增强复合材料，观察不到第III阶段，而韧性纤维复合材料有第III阶段。,在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材料也处于弹性变形状态，且,复合材料进入变形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态，但基体已产生塑性变形，此时复合材料的应力为：由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断，此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之破坏。以上公式应满足两个条件：(1)纤维受力过程中处于弹性变形状态；(2)基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。,cLu=fuVf+*mVm,纤维、基体、复合材料的应力-应变曲线,O,matrix,fibre,composite,fu,fu,cu,*m,mu,mu,cLu=fuVf+*mVm,如果VfVfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算：,屈曲的形式有两种：（1）挤压型纤维彼此间反向弯曲，使基体产生横向拉伸或压缩应变；当纤维间距离相当大，即纤维体积分数很小时，这种屈曲模式才可能发生。（2）剪切型纤维之间同向弯曲，基体主要产生剪切变形，这种屈曲模式较为常见。,（二）纵向抗压强度,复合材料沿纤维方向受压时，可以认为纤维在基体内的承力形式像弹性杆。假设基体仅提供横向支持，载荷由纤维均摊，复合材料的抗压强度由纤维在基体内的微屈曲临界应力控制。将单向纤维复合材料简化成纤维和基体薄片相间粘接的纵向受压杆件，当外载荷增至一定值后，纤维开始失稳，产生屈曲。,纤维增强金属基复合材料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、自行车车架以及体育运动其它器械上的应用。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。纤维的分布位向以及纤维的含量对纤维增强金属基复合材料的抗冲击性能有明显影响。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。,3.6.2短纤维增强复合材料单向连续纤维增强复合材料的一个显著特点：就是沿纤维方向有较高的强度和模量，但在垂直于纤维方向强度和模量较小。如果一个零件的应力状态可以精确地确定，就可用单向层坯设计制造层合板，使它与这个应力状态完全匹配，这种情况下，单向复合材料具有优越性。,但是如果零件的应力状态无法预测，或已经知道在各个方向上受力基本相同，虽然可用单向增强的层坯制成准各向同性的层板，但在每一层内，如在弯曲时受力最大的表面层内，在垂直纤维方向还是容易出现裂纹，所以在这种情况下，每一层最好是各向同性的。而制造这种各向同性层坯的有效方法，是用随机取向短纤维作为增强体，制造短纤维复合材料易使制造过程自动化，应用大批量生产中的模塑技术，如模压法和注模法，可以高生产率制造出高精度的短纤维复合材料零件或结构件。,一、基体与纤维间的应力传递,载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用于基体材料上，然后通过纤维与基体的界面传递到纤维。当纤维长度比传递应力的界面区长度大很多时，纤维末端的传递作用可以忽略不计，纤维可看成是连续的。在短纤维复合材料情况下，纤维末端的应力传递作用变得显著，已不能忽略不计，同时复合材料的力学性能与纤维长度密切相关。,距离纤维末端z的纤维应力为：由于纤维末端附近高的应力集中或基体屈服，使纤维末端与基体脱胶，一般可忽略，则上式可改成：如果切应力沿纤维长度的变化已知，则据上式就可以计算出数值。实际上，切应力分布事先是未知的，只能作为整个解的一部分来求。,随纤维长度增加，界面面积增大，中部拉应力也增大。当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维裂纹强度时，纤维长度称为纤维的临界长度lcr：llcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。,二、短纤维复合材料的弹性模量,假设纤维与基体粘接牢固，纤维的长度和直径相同，不屈服，Halpin-Tsai给出了单向短纤维复合材料的弹性模量的计算公式：,三、短纤维复合材料的强度,根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度有不同的表达式：,复合材料的断裂,一、复合材料的断裂复合材料受载，当裂纹尖端应力水平达到一定数值时，裂纹将向前扩展；裂纹扩展时，其尖端可能与附近各种已存在的损伤或新形成的损伤（如纤维断裂、基体变形和开裂，纤维与基体脱胶等）相遇，使损伤区加大，裂纹继续扩展，直到最终产生宏观断裂。,这种脆性断裂共有三种类型：,(1)接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤维应力集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材料整体破坏。(2)脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中形成应力集中，使基体破坏，并最终导致材料整体破坏。(3)最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂，立即引起复合材料的整体破坏。,是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增加，断裂纤维数也增加。,(1)纤维断裂,复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形，到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。,(2)基体变形和开裂,若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。,(3)纤维脱胶,这种损伤也发生在纤维与基体的界面上，它是由于断裂纤维在基体中引起的应力集中因基体屈服而被松弛，使纤维断裂裂纹在基体中扩展阻力增加，结果沿界面产生纤维拔出现象。当断裂纤维端部与材料断裂横截面的距离很小（小于临界尺寸的一半），常出现纤维拔出损伤。,(4)纤维拔出,这是发生在层合板情况下的一种损伤。当裂纹穿过层合板的一个铺层扩展时，其尖端遇到相邻铺层的纤维，可能受到阻滞。但因与裂纹尖端相邻的基体中切应力很高，裂纹可能分枝出来，开始在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分层裂纹。,(5)分层裂纹,（一）复合材料的冲击性能特点：(1)单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同而有所区别，而钢的应变速率敏感性也因强度不同而有差异。低模量玻璃纤维复合材料对应变速率变化敏感，当冲击拉伸应变速率达到103s-1，其强度、塑性和韧性都比静载荷时高；高模量碳纤维复合材料的力学性能，对应变速率变化不敏感。,二、复合材料的冲击性能,(2)钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏。(3)高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维-环氧复合材料的冲击韧性。前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。,（二）影响复合材料冲击性能的因素,1.纤维方向的影响,2.界面的影响,纤维与基体的界面强度强烈地影响复合材料的破坏模式，从而影响材料的冲击能。对玻璃纤维-聚酯复合材料和玻璃纤维-环氧树脂试验表明，前者的界面强度可通过表面处理大幅度变化，而后者的界面即使未经过表面处理也能形成很强的粘接，所以界面强度变化较小。,（一）复合材料的疲劳性能特点：对大多数各向同性材料，在受交变载荷作用时，往往出现一个单一的疲劳主裂纹并控制最终的疲劳破坏。对于纤维复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面开胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出复杂的疲劳破坏行为，而很少出现单一裂纹控制的破坏机理。,三、复合材料的疲劳性能,（二）复合材料的疲劳性能特点：,1.基体、增强纤维种类的影响,偶联剂：是一类具有两不同性质官能团的物质，它们分子中的一部分官能团可与有机分子反应，另一部分官能团可与无机物表面的吸附水反应，形成牢固的粘合。偶联剂在复合材料中的作用在于它既能与增强材料表面的某些基团反应，又能与基体树脂反应，从而增强了增强材料与树脂之间粘合强度，提高了复合材料的性能。按偶联剂的化学结构及组成分为有机铬络合物、硅烷类、钛酸酯类和铝酸化合物四大类。,2.纤维含量的影响,带缺口复合材料多向层合板，受静载时会产生低应力脆性破坏，但在受疲劳载荷时，却对缺口不敏感，这是它的一个明显优点，称为“拟脆性”。,3.缺口的影响,4.界面性质的影响,3.5.3颗粒增强复合材料的弹性和强度（1）颗粒增强复合材料的弹性+=1+12+1+121+12+1+12如果=，则=，则Ec的上限为Ec=EmVm+EpVp,(2)颗粒增强复合材料的强度,弥散增强原理位错绕过理论,1）载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体位错运动；微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。,（式中：Gm-基体剪切模量；b-柏氏矢量；-剪切应力）,1)根据位错理论，位错的曲率变径：R=,2)同样根据位错理论，当位错曲率半径R=Df/2时，基体发生位错运动，即发生塑性变形，此时的剪切应力即为复合材料的屈服强度：,3)由体视学可得：Dp=（2dp2/3Vp)1/2(1-Vp),1）载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体位错运动；微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。,微粒直径dp越小，微粒体积分数Vp越大，则增强效果越好,3.1.2颗粒增强原理位错理论,2）载荷由基体和颗粒共同承担，且颗粒约束基体变形(微粒直径大于1m),外载基体位错位错在颗粒处遇阻在颗粒处产生压力集中,3.1颗粒增强复合材料增强原理,式中：-外应力;n-应力集中因子（式2）,式2带入式1得：（式3）,当i=p时，颗粒破坏，材料变形(p=Gp/c；p-颗粒强度，Gp-颗粒剪切模量，c-常数),3.1.2颗粒增强原理位错理论,2）载荷由基体和颗粒共同承担，并且颗粒约束基体变形（P24）,复合材料的屈服强度为：,式中：Gm为基体剪切模量；Gp为基体剪切模量；b为柏氏矢量；Df为微粒之间的距离；dp为微粒直径；Vp为微粒体积分数,微粒直径dp越小，微粒体积分数Vp越大，则增强效果越好,（微粒直径大于0.1um）,3.1颗粒增强复合材料增强原理,3.5.4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性。,3.5.5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。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。3.6金属基复合材料的物理性能设计3.6.1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。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分法。,3.6.2热膨胀系数3.6.2.1复合材料比热加和性原理3.6.2.2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数。材