3第三章 金属基复合材料设计 .pptVIP

江苏大学 材料科学与工程学院 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。 选择基体的原则 3.2 金属基复合材料的基体选择 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 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。 3.3 金属基复合材料的增强体选择 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。 3.4 金属基功能复合材料的设计特点 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力学性能设计 3.5.1.1 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）泊松比：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，其横向应 变与纵向应变之比μLT称为纵向泊松比。 3.5.1.2 单向增强复合材料的强度 （1）纵向拉伸强度 （2）纤维临界体积分数和最小体积分数 （3）纵向压缩强度 （4）横向拉压强度 （5）剪切强度 3.5.2 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。 3.5.3 短纤维及颗粒增强金属基复合材料 3.5.3.1 短纤维增强复合材料 （1）非连续纤维增强复合材料的弹性模量 （a）单向短纤维复合材料的模量 （b）随机取向的短纤维复合材料的模量 （c）具有一定方向性的短纤维复合材料的模量 （2）非连续纤维增强复合材料的强度 （a）单向短纤维复合材料的强度 （b）随机取向的短纤维复合材料的强度 3.5.3.2 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 （2）颗粒增强复合材料的强度 3.5.3.3 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。 3.5.4 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。材料的热膨胀性能的重要性还在于它与材料抗热震的能力、受热后的热