第3章 金属基复合材料的设计

1、第第3 3章章 金属基复合材料的设计金属基复合材料的设计 1.1.金属基复合材料设计的基本原则金属基复合材料设计的基本原则 2.2.基体材料选择基体材料选择 3.3.增强体材料选择增强体材料选择 主要主要 内容内容 基本基本 要求要求 了解了解：了解金属基复合复合材料的基本组成（基：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。体、增强体）及各自的特点和功能。 掌握掌握：掌握金属基复合材料的设计原则和方法，：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根据使用工况选择性能与价格比合理的基体和增 强体。强体。 尽管复合材料的各组分保持其

2、相对独立性，但是并不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，而是各组分之间是各组分材料性能的简单叠加，而是各组分之间“取长补取长补 短短”，“协同作用协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，有，极大地弥补了单一材料的缺点，有 着着 重要的改进，显示出单一材料所不具有的新性能。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，它涉及复合材料的设计是一个复杂的系统过程，它涉及环境负环境负 载载、设计要求、材料选择、成形工艺、力学分析、检、设计要求、材料选择、成形工艺、力学分析、检 测测测试测试、安全可靠性及成本、安全可靠性及成本等

3、诸多因素。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。不同应用领域竞争中成为

4、特别受欢迎的候选材料。 3.1 3.1 金属基复合材料的可设计性金属基复合材料的可设计性 3.1.1 3.1.1 复合材料的可设计性复合材料的可设计性 复合材料在弹性模量、线胀系数和材料强度等方面具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。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，可复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构，可

5、 将复合材料分为六大类型。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设计大体上可分为如下步骤. . 层状复合材料层状复合材料 PRMCsPRMCs复合材料复合材料单向纤维增强复合材料单向纤维增强复合材料 蜂窝夹心复合材料蜂窝夹心复合材料 编织复合材料编织复合材料 功能梯度复合材料功能梯度复合材料

6、单向纤维增强复合材料是一种单向纤维增强复合材料是一种正交各向异性正交各向异性材料材料, ,连续纤维连续纤维 在基体中呈同向平行排列在基体中呈同向平行排列。这种材料由纤维（如玻璃纤维、。这种材料由纤维（如玻璃纤维、 碳纤维）与聚合物（如环氧树脂）复合而成碳纤维）与聚合物（如环氧树脂）复合而成, ,具有优良性能具有优良性能。 模型示意图模型示意图 宁波大成公司以宁波大成公司以UHMWPEUHMWPE纤维单向纤维增强布制作的纤维单向纤维增强布制作的 2cm2cm厚插板可以有效防御以厚插板可以有效防御以AK-47AK-47为代表的突击步枪为代表的突击步枪 普通弹的攻击普通弹的攻击. . 目前我军配备的

7、目前我军配备的9595式突击步枪，式突击步枪， 口径口径5.8mm5.8mm，弹丸初速，弹丸初速930m/s930m/s，属，属 于世界上威力相当大的突击步枪于世界上威力相当大的突击步枪 之一之一; ;采用这种插板也完全可以对采用这种插板也完全可以对 其进行有效防护。其进行有效防护。 1cm1cm厚的碳化厚的碳化 硅或氧化铝陶瓷块材料加上约硅或氧化铝陶瓷块材料加上约5050 层层UHMWPEUHMWPE纤维单向纤维片制成的纤维单向纤维片制成的 防弹插板能够抵御狙击步枪穿甲防弹插板能够抵御狙击步枪穿甲 弹的攻击，这样一块弹的攻击，这样一块30cm30cm25cm25cm 的插板的插板重约重约2.

8、6kg2.6kg。 硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)(Co+WC) 对环境与负载的要求：对环境与负载的要求： 机械负载机械负载 热应力热应力 潮湿环境潮湿环境 选择材料：选择材料： 基体材料基体材料 增强材料增强材料 几何形状几何形状 成型方法：成型方法： 工艺工艺 过程优化设计过程优化设计 代表性单元性能考察代表性单元性能考察 有限元方法有限元方法 实验力学方法实验力学方法 结构宏观性能结构宏观性能 复合材料响应：复合材料响应： 应力场应力场 温度场等温度场等 设计变量优化设计变量优化 损伤及破坏分析：损伤及破坏分析： 强度准则强度准则 损伤机理损伤机理 破坏过程破坏过程 复合材料设计

9、的基本步骤复合材料设计的基本步骤 材料、能源、信息、生物是现代文明的四大支柱材料、能源、信息、生物是现代文明的四大支柱 人类的文明史人类的文明史旧石器时代旧石器时代新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代多样化时代多样化时代 微芯片时代微芯片时代材料设计时代材料设计时代 人造材料时代人造材料时代材料时代材料时代 3.1.2 3.1.2 复合材料设计的研究方法复合材料设计的研究方法 石器时代石器时代 天然天然 材料材料 使用使用 石器：劳动生产工具。如石石器：劳动生产工具。如石 矢、石刀、石铲、石凿、石斧等矢、石刀、石铲、石凿、石斧等 石器的制造石器的制造 磨光石器磨光石器 发

10、展了发展了制陶技术，陶器是人类制陶技术，陶器是人类 第一个人工合成材料。第一个人工合成材料。 利用野生葛、苎麻等原料制成利用野生葛、苎麻等原料制成 织品。用石头做建筑材料织品。用石头做建筑材料 世界上最古老的乐器编钟世界上最古老的乐器编钟距今已经有距今已经有24002400 多年的历史。不过，最古老的乐器当属吹奏乐器埙。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，也有石部分为平底、卵形。埙的材料以陶土为主，也有石 制、骨制的。制、骨制的。 陶埙（陶埙（xunxun

11、）中华古韵中华古韵 红山玉器红山玉器还是个谜还是个谜 辽宁西部山区，发现了距今大约五千多年的大型祭坛、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。的原始文明社会。把中华文明史提前了一千多年。 青铜器时代青铜器时代 人类知道使用人类知道使用 天然的金和铜天然的金和铜 炼铜技术炼铜技术 铸造技术铸造技术 烧制陶器烧制陶器 青铜时代青铜时代 铜

12、是人类获得的第二铜是人类获得的第二 种人造材料。种人造材料。 青铜青铜铜锡合金，铜锡合金， 是人类历史上发现的第是人类历史上发现的第 一个合金。一个合金。 春秋春秋. .金柄铁剑金柄铁剑 青铜鼎青铜鼎 被史学界誉为被史学界誉为“世界第世界第 八大奇迹八大奇迹”的四川三星堆青的四川三星堆青 铜面具铜面具 青铜文化青铜文化中国古代科技之花中国古代科技之花 铁器时代铁器时代 天然陨铁敲打成天然陨铁敲打成 最早使用铁器最早使用铁器 发现发现海棉状海棉状铁铁 凝固在炉渣中凝固在炉渣中 炼青铜炼青铜 铁器时代铁器时代 发现烧红的钢淬入冷发现烧红的钢淬入冷 水，可使钢变得更硬，水，可使钢变得更硬， 现在叫淬

13、火工艺现在叫淬火工艺。 浴以五牲之溺，浴以五牲之溺， 淬以五牲之脂。淬以五牲之脂。 反复锻打钢反复锻打钢 天工开物天工开物记载的古代冶炼金属的场面记载的古代冶炼金属的场面 中国古代冶炼技术中国古代冶炼技术 近代发展史近代发展史 18 18世纪后期，以蒸汽机的世纪后期，以蒸汽机的 发明为主要标志，促进了发明为主要标志，促进了钢钢 铁材料铁材料发展。发展。 19 19世纪末，以电的发明为世纪末，以电的发明为 标志，促进了标志，促进了无机材料无机材料发展发展 和和高分子材料高分子材料出现。出现。 20 20世纪中期，以原子能应世纪中期，以原子能应 用为重要标志，实现了用为重要标志，实现了合成合成 材

14、料、半导体材料材料、半导体材料的工业化。的工业化。 20 20世纪世纪7070年代，以计算机、年代，以计算机、 特别是微电子技术、生物工特别是微电子技术、生物工 程技术和空间技术为主要标程技术和空间技术为主要标 志，促进了志，促进了各类新型材料各类新型材料发发 展。展。 第一次技术革命第一次技术革命 第二次技术革命第二次技术革命 第三次技术革命第三次技术革命 第四次技术革命第四次技术革命 总重量总重量7 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。塔是巴黎的象征，也是钢铁工业时代蓬勃发展

15、的结晶。 钢铁工业时代的象征钢铁工业时代的象征 2.53GHz处理处理 器（左）器（左） 2.8GHz处理处理 器（右）器（右） Intel用纳米工艺用纳米工艺 生产的生产的6.5MB 芯芯 片（左）片（左） 刻满刻满SRAM芯片芯片 晶圆，集成晶体晶圆，集成晶体 管总数为管总数为3300亿亿 颗（右）颗（右） 利用信息材料和新的制备工艺制造大规模集成电路芯片，利用信息材料和新的制备工艺制造大规模集成电路芯片， 将人类将人类 社会带入了信息时代。社会带入了信息时代。 半导体材料半导体材料进入信息时代进入信息时代 十多年前的手机十多年前的手机 十多年前的照相机十多年前的照相机 中国神六航天飞船的

16、发射中国神六航天飞船的发射 飞船系统从神舟二飞船系统从神舟二 号开始的新老交替正号开始的新老交替正 式完成，式完成，4040岁以下的岁以下的 技术人员已占整个队技术人员已占整个队 伍的伍的8080以上。分系以上。分系 统副主任设计师以上统副主任设计师以上 关键技术岗位人员平关键技术岗位人员平 均年龄岁。均年龄岁。 神六飞船的神六飞船的”外衣外衣”材料材料 航天服三层，最外是限航天服三层，最外是限 制层，由一种制层，由一种高强度材料高强度材料 做成；中间是一个气密系做成；中间是一个气密系 统；里边是通风层，有管统；里边是通风层，有管 道，保持体温，如遇应急道，保持体温，如遇应急 情况，管道中就通

17、氧，以情况，管道中就通氧，以 供航天员呼吸之用。供航天员呼吸之用。 当航天服充入高压气体当航天服充入高压气体 之后，硬的像金属，人活之后，硬的像金属，人活 动就受到限制。所以，比动就受到限制。所以，比 较关键技术就是活动性的较关键技术就是活动性的 设计及有关材料。设计及有关材料。 与国外比，我们有不与国外比，我们有不 少创新，如俄航天服手少创新，如俄航天服手 腕利用织物弹性变形实腕利用织物弹性变形实 现活动，而我们采用的现活动，而我们采用的 是材料结构变形是材料结构变形, ,呈波呈波 纹状纹状. .这个波纹是由很这个波纹是由很 多等容结构形成的。多等容结构形成的。 “神七神七”太空服每件造价太

18、空服每件造价1.61.6亿亿 实现太空行走实现太空行走 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 每件造价为每件造价为20002000万万30003000万美元。舱外太空服的外层万美元。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 料采用料采用高性能纤维和纳米金属粉末复合涂层高性能纤维和纳米金属粉末复合涂层，能满足，能满足 出舱工作时要面对的出舱工作时要面对的“材料力学、热光学、耐久性材料力学

19、、热光学、耐久性”三三 重需求。重需求。 复合材料的设计主要有功能设计、结构设计和工艺设计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三大部分。另外还要求对设计的合理性和可靠性加以评 价。价。 复合材料一体化制造系统是根据材料设计、结构设计、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。应对复合材料结构进行动态分析

20、。 一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度一般来说，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来看，目前的分析手段主要有两种: :细观力学分析方细观力学分析方 法和宏观力学分析方法。法和宏观力学分析方法。 选择基体的原则选择基体的原则 1 金属基复合材金属基复合材 料的使用要求料的使用要求 2 金属基复合材金属基复合材 料组成的特点料组成的特点 3 基体金属与增基体金属与增 强物的相容性强物的相容性 3.2 3.2 金属基复合材料的基体选择金属基复合材料的基体选择 3.2.1 3.2.1 选择基体的原则选择基体的原则 不同铝合金性能与复合材料性能比较 结构复合

21、材料的基体可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。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。 （1） 用于用于450450以下的轻金以下的轻金 属基体属基体铝、镁合金铝、镁合金 （3 3） 用于用于10001000以上的高温复以上的高温复 合材料的金属基体合材料的金属基体镍基、镍基、 铁基耐热合金和金属间化铁基耐热合金和金属间化 合物合物 3.2.2 3.2.2 结构件金属基复合材料的基体结构件金属基复合材料的基体 目前最广泛、最成熟的是目前最广泛、最成熟的是 铝基和镁基复合材料，用于铝基和镁基复合材料，用于 航天飞机、人造卫星、空间航天飞机、人造卫星、空间 站、汽车发动机零件、刹

22、车站、汽车发动机零件、刹车 盘等。盘等。 （2 2） 用于用于450450700700的复合的复合 材料的金属基体材料的金属基体钛合钛合 金金 钛合金具有比重轻、耐腐蚀、钛合金具有比重轻、耐腐蚀、 耐氧化、强度高等特点，可耐氧化、强度高等特点，可 在在450450700700使用，用于航使用，用于航 空发动机等零件。空发动机等零件。 主要是镍基、铁基耐热合主要是镍基、铁基耐热合 金和金属间化合物。较成金和金属间化合物。较成 熟的是镍基、铁基高温合熟的是镍基、铁基高温合 金，金属间化合物基复合金，金属间化合物基复合 材料尚处于研究阶段。材料尚处于研究阶段。 3.2.3 3.2.3 功能件金属基复

23、合材料的基体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。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功

24、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 弧烧蚀性差等缺点弧烧蚀性差等缺点。 要求材料和器件具有优良的要求材料和器件具有优良的综合物理性能综合物理性能，如同时具如同时具 有有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗高力学性能、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。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，而要单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要 靠靠优化设计和先进制造技术优化设计和先进制造技术将金属与增强物做

25、成复合将金属与增强物做成复合 材料来满足需求。材料来满足需求。 微电子技术的电子封装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。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：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；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

26、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； 硼硼/ /铝基复合材料等。铝基复合材料等。 耐高温摩擦的耐磨材料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、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。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、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。银及合金等金属基复合材料。 耐腐蚀的电池极板材料等。耐腐

27、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

28、、寿命长等优点，在能量密度高、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。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。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。膨胀等性能。 （1 1）连续纤维）连续纤维 （2 2）晶须）晶须 （3 3）颗粒）颗粒 碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维 碳化硅、氧化铝、氮化硅、硼酸铝等碳

29、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、陶瓷颗粒材料，主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅、 碳化钛、硼碳化钛、硼 化钛、碳化硼及氧化钇等化钛、碳化硼及氧化钇等 3.3 3.3 金属基复合材料的增强体选择金属基复合材料的增强体选择 首先考虑关键的性能首先考虑关键的性能 兼顾其他性能兼顾其他性能 选择性能分散性小的材料选择性能分散性小的材料 采取尽可能简单、方便的成型工艺采取尽可能简单、方便的成型工艺 合理的经济性合理的经济性 功能复合材料是指主要以提供某些物理性能的复合材料，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

30、能。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：功能复合材料的设计原则主要是： 3.4 3.4 金属基功能复合材料的设计金属基功能复合材料的设计特点特点 3.4.13.4.1 功能复合材料调整优值的途径功能复合材料调整优值的途径 （1 1）调整复合度）调整复合度 （2 2）调整联接方式）调整联接方式 （3 3）调整对称性）调整对称性 （4 4）调整尺度）调整尺度 （5 5）调整周期性）调整周期性 3.4.2 3.4.2 利用复合效应创造新型功能复台材料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（如复合度调节作用功能复合材料不仅能通过线

31、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。许多新型的功能复合材料。 （1 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。乘积关系表达的协同作用。 （2 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）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。和共扼效应等。 3.5 3.5 金属基复合材料力学性能设计金属基复合材料力学性能设计 3.5

32、.1 3.5.1 连续纤维增强复合材料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，有单向复合材料的强度和钢度都随方向而改变，有五个特征五个特征 强度强度： （1）纵向抗拉强度、（）纵向抗拉强度、（2）纵向抗压强度、）纵向抗压强度、 （3）横向抗拉强度、（）横向抗拉强度、（4）横向抗压强度、）横向抗压强度、 （5）面内抗剪强度。）面内抗剪强度。 有有四个特征弹性常数四个特征弹性常数： （1）纵向弹性模量、（）纵向弹性模量、（2）横向弹

33、性模量、）横向弹性模量、 （3）主泊松比、（）主泊松比、（4）切变弹性模量。）切变弹性模量。 （一）纵向弹性模量（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 弹性体弹性体并联并联，并简化成有一定规则形状和分布的模型。，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。通

34、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 常加一个修正系数常加一个修正系数k，则有：，则有： EcL = k EfVf + Em (1 Vf) 计算单向纤维复合材料横向弹性模量的模型有两种：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，型：纤维含量少，纤维与基体的纤维与基体的串联模型串联模型，此时纤维与，此时纤维与 基体具有相同的应力，即：基体具有相同的应力，即：fT = mT = cT II型：纤

35、维含量高，型：纤维含量高，纤维呈束状分布于基体中，必然与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：并联模型：fT = mT = cT EIcT是纤维全部分散、互不接触，独立时的横向弹性模是纤维全部分散、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；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 弹性模量的弹性

36、模量的极极大值。大值。 模型模型I：纤维与基体轴向串联模型，在扭矩作用下，圆筒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，所以为同，切应变不同，所以为等应力模型等应力模型。 模型模型II：纤维与基体轴向并联模型，即纤维被基体包围，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，在扭矩作用下纤维与基体产生相同切应变，但切应力不同， 所以为所以为等应变模型等应变模型。 GIIc = GfVf + GmVm 单向复合材料的正交各向异性，

37、决定了材料在纵、横两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。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：纵向泊松比：当单向复合材料沿纤维方向受到拉伸时，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：松比，即： 横向泊松比：横向泊松比：当沿垂直于纤维方向弹性拉伸时，其纵向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：应变与横向应变之比： 二、单向复合材料的强度二、单向复合材料的强度 （一）纵向抗拉强度（一）纵向抗拉强度

38、 玻璃纤维、碳纤维、硼纤玻璃纤维、碳纤维、硼纤 维、陶瓷纤维增强的热固维、陶瓷纤维增强的热固 性树脂基复合材料的变形性树脂基复合材料的变形 特性只有特性只有I、IV阶段；阶段； 金属基和热塑性树脂基复金属基和热塑性树脂基复 合材料，包含第合材料，包含第II阶段；阶段； 脆性纤维增强复合材料，脆性纤维增强复合材料， 观察不到第观察不到第III阶段，而韧阶段，而韧 性纤维复合材料有第性纤维复合材料有第III阶阶 段。段。 在第在第I阶段，纤维和基体都处于弹性变形状态，复合材阶段，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，且料也处于弹性变形状态，且 复合材料进入变形第复合材料进入变

39、形第II阶段时，纤维仍处于弹性状态，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：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，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，复合材料随之此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。破坏。 以上公式应满足两个条件：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；纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸

40、长率大于纤维的断后伸长率。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、复合材料的应力纤维、基体、复合材料的应力-应变曲线应变曲线 O matrix fibre composite fu fu cu *m mu mu cLu = fuVf + *mVm 屈曲的形式有两种：屈曲的形式有两种： （1）挤压型）挤压型 纤维彼此间反向弯曲，使基纤维彼此间反向弯曲，使基 体产生横向拉伸或压缩应变；体产生横向拉伸或压缩应变； 当纤维间距离相当大，即纤当纤维间距离相当大，即纤 维体积分数很小时，这种屈维体积分数很小时，这种屈 曲模式才可能发生。曲模式才可能发生。 （

41、2）剪切型）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体主纤维之间同向弯曲，基体主 要产生剪切变形，这种屈曲要产生剪切变形，这种屈曲 模式较为常见。模式较为常见。 纤维增强金属基复合材料特点纤维增强金属基复合材料特点 纤维增强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。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

42、维的分布位向以及纤维的含量对纤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。抗蠕变性能高于基体合金。 3.6.2 3.6.2 短纤维增强复合材料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：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就是沿纤维方向有较

43、高的强度和模量，但在垂直于纤维方向 强度和模量较小。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。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各向同性的层板，

44、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。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法，可以高生产率制造出高精度的短纤维复合材料零件

45、 或结构件。或结构件。 载荷作用于复合材料上时，纤维不直接受力，载荷作用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。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显著，已不能忽略不计，同时复合材料

46、的力学性能与纤 维长度密切相关。维长度密切相关。 距离纤维末端距离纤维末端z的纤维应力为：的纤维应力为： 由于纤维末端附近高的应力集中或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，基体屈服，使纤维末端与基体脱胶， 一般一般 可忽略，则上式可改成：可忽略，则上式可改成： 如果切应力沿纤维长度的变化已知，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。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，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。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。随纤维长度增加，界

47、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 维长度称为维长度称为纤维的临界长度纤维的临界长度lcr： llcr时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。时，短纤维才会像长纤维一样起增强作用。 假设纤维与基体粘接牢固，纤维假设纤维与基体粘接牢固，纤维 的长度和直径相同，不屈服，的长度和直径相同，不屈服， Halpin-Tsai给出了单向短纤维复给出了单向短纤维复 合材料的弹性模量的计算公式：合材料的弹性模量的计算公式： 根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度有根据纤维长度不同，单向短纤维复合材料的抗拉强度有

48、 不同的表达式：不同的表达式： 一、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，裂纹将向水平达到一定数值时，裂纹将向 前扩展；前扩展； 裂纹扩展时，其尖端可能与附近裂纹扩展时，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、基体变形和开伤（如纤维断裂、基体变形和开 裂，纤维与基体脱胶等）相遇，裂，纤维与基体脱胶等）相遇， 使损伤区加大，裂纹继续扩展，使损伤区加大，裂纹继续扩展， 直到最终产生宏观断裂。直到最终产生宏观断裂。 (1) 接力破坏机理：接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤

49、维应力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，最终复合材料整集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材料整 体破坏。体破坏。 (2) 脆性粘接断裂机理：脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中形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。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：最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂，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。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。是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到

50、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，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。断裂纤维数也增加。 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，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。到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。 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，取决于界面与维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展

51、，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。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。 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。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。一半）

52、，常出现纤维拔出损伤。 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。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，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。开始在平行于铺层平面的界面上扩展，形成分层裂纹。 （一）复合材料的冲击性能特点：（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单向复合材料的应变速率敏感性

53、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。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 拉伸应变速率达到拉伸应变速率达到103s-1，其强度、塑性和韧性都比静载，其强度、塑性和韧性都比静载 荷时高；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。敏感。 (2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合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。材

54、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与玻璃纤维-环氧复环氧复 合材料的冲击韧性。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。以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。 1. 纤维方向的影响纤维方向的影响 纤维与基体的界面强度强烈地影响复合材料的破坏模式，从而影纤维与基体的界面强度强烈地影响复合

55、材料的破坏模式，从而影 响材料的冲击能。响材料的冲击能。 对玻璃纤维对玻璃纤维-聚酯复合材料和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。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（一）复合材料的疲劳性 能特点：能特点： 对大多数各向同性材料，在受交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

56、一的疲劳主裂纹并控制最终的疲 劳破坏。劳破坏。 对于纤维复合材料，往往在高应对于纤维复合材料，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行为，而很少出现单一裂纹控制 的破坏机理。的破坏机理。 1. 基体、增强纤维种类的影响基体、增强纤维种类的影响 偶联剂：偶联剂：是一类具有两不同性是一类具有两不同性 质官能团的物质，它们分子中质官能团的物质，它们分子中 的一部分官能团

57、可与有机分子的一部分官能团可与有机分子 反应，另一部分官能团可与反应，另一部分官能团可与 无无 机物表面的吸附水反应，形成机物表面的吸附水反应，形成 牢固的粘合。偶联剂在复合材牢固的粘合。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，又材料表面的某些基团反应，又 能与基体树脂反应，从而增强能与基体树脂反应，从而增强 了增强材料与树脂之间粘合强了增强材料与树脂之间粘合强 度，提高了复合材料的性能。度，提高了复合材料的性能。 按偶联剂的化学结构及组成分按偶联剂的化学结构及组成分 为为有机铬络合物、硅烷类、钛有机铬络合物、硅烷类、钛 酸酯类和铝酸化合物

58、酸酯类和铝酸化合物四大类。四大类。 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，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，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， 称为称为“拟脆性拟脆性”。 (2) 颗粒颗粒增强增强复合材料的强度复合材料的强度 弥散弥散增强原理位错绕过理论增强原理位错绕过理论 1 1）载荷主要由基体承担）载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体位错运动；，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，增强效果愈大微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。 （式中：（式

59、中：Gm- -基体剪切模量；基体剪切模量；b- -柏氏矢量；柏氏矢量；-剪切应力）剪切应力） 1)1)根据根据位错理论位错理论，位错的曲率，位错的曲率变径：变径：R = 2 bGm 2)2)同样根据同样根据位错理论位错理论，当位错曲率半径，当位错曲率半径R=Df/2时，基体发生位错运动，即时，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发生塑性变形，此时的剪切应力即为复合材料的屈服强度： p m c D bG 3)3)由由体视学可得体视学可得： Dp=（2dp2/3Vp)1/2(1-Vp) 1 1）载荷主要由基体承担）载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体位错运动；，

60、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。微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。 v微粒直径微粒直径dp越小越小 ，微粒体积分数，微粒体积分数Vp越大，则增强效果越好越大，则增强效果越好 f m c D bG 复合材料的屈服强度为：复合材料的屈服强度为： 式中：式中：Gm为基体剪切模量；为基体剪切模量；b为柏氏矢量；为柏氏矢量；Df为微粒之间的距离为微粒之间的距离 dp为微粒直径；为微粒直径；Vp为微粒体积分数为微粒体积分数 )1 ( 3 2 2 p p p m V V d bG （微粒直径小于（微粒直径小于0.1m） 3.1.2 颗粒增强原理位错理论颗粒增