原位反应合成铝基纳米复合材料的研究.pptVIP

金属基复合材料 江苏大学 材料科学与工程学院 第2章 增强体材料 2.1 增强体的分类 2.2 纤维类增强体 2.3 晶须及颗粒类增强体 2.4 金属丝 2.5 其它增强体 课程回顾 * 思考题 1、提高碳纤维性能的主要措施有哪些？ 2、晶须作为金属基复合材料增强体有哪些优势，还存在什么问题？ * 第3章 金属基复合材料的设计 3.1 金属基复合材料的可设计性 3.2 基体材料选择 3.3 增强体材料选择 3.4 力学性能设计 3.5 物理性能设计 * 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。 * 复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。如连续纤维增强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。 复合材料设计问题要求确定基体材料、增强材料的几何特征（连续纤维、颗粒等）、增强材料的微观结构以及体积分数。 * 图3-1 典型复合材料结构 (a)单向纤维增强复合材料；(b)颗粒增强复合材料；(c)层状复合材料；(d)蜂窝夹心复合材料；(e)编织复合材料；(f)功能梯度复合材料 * 图3-2 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 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。 * 3.1.3 复合材料的虚拟设计 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，是一个系统工程。图3-3是复合材料一体化系统的流程框图。 * 图3-3 复合材料结构的一体化模拟设计与制造流程 * 选择基体的原则 1 金属基复合材料的使用要求 2 金属基复合材料组成的特点 3 基体金属与增强体的相容性 3.2 基体材料选择 3.2.1 选择基体的原则 * 大致可分为轻合金基体和耐热合金基体两大类。 （1） 用于450℃以下的轻金属基体—铝、镁合金 （2） 用于450～700℃的复合材料的金属基体—钛合金 （3） 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体—镍基、铁基耐热合金和金属间化合物 3.2.2 结构件金属基复合材料的基体 * 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。 * 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 增强体材料选择 * 3.4 金属基复合材料力学性能设计 3.4.1 连续纤维增强复合材料力学性能设计 3.4.1.1 单向增强复合材料的弹性 复合材料的弹性模量由组分材料的特性、增强物的取向和体积含量决定。求弹性模量的解析法有两种，即求严格解的方法和利用包围法求近似解。 （1）纵向弹性模量：连续纤维平行排列于基体中，得到单向增强复合材料。沿纤维方向称为纵向（L），垂直纤维方向称为横向（T）； （2）横向弹性模量； （3）剪切弹性模量； （4）纵向泊松比μLT：在单向纤维增强复合材料中，当沿纤维方向受拉伸（或压缩）时，在弹性范围内横向应变与纵向应变之比。 * 3.4.1.2 单向增强复合材料的强度 （1）纵向拉伸强度