第3章 金屬基復合材料的設(shè)計

1、第第3 3章章 金屬基復合材料的設(shè)計金屬基復合材料的設(shè)計 1.1.金屬基復合材料設(shè)計的基本原則金屬基復合材料設(shè)計的基本原則 2.2.基體材料選擇基體材料選擇 3.3.增強體材料選擇增強體材料選擇 主要主要 內(nèi)容內(nèi)容 基本基本 要求要求 了解了解：了解金屬基復合復合材料的基本組成（基：了解金屬基復合復合材料的基本組成（基 體、增強體）及各自的特點和功能。體、增強體）及各自的特點和功能。 掌握掌握：掌握金屬基復合材料的設(shè)計原則和方法，：掌握金屬基復合材料的設(shè)計原則和方法， 根據(jù)使用工況選擇性能與價格比合理的基體和增根據(jù)使用工況選擇性能與價格比合理的基體和增 強體。強體。 盡管復合材料的各組分保持其

2、相對獨立性，但是并不盡管復合材料的各組分保持其相對獨立性，但是并不 是各組分材料性能的簡單疊加，而是各組分之間是各組分材料性能的簡單疊加，而是各組分之間“取長補取長補 短短”，“協(xié)同作用協(xié)同作用”，極大地彌補了單一材料的缺點，有，極大地彌補了單一材料的缺點，有 著著 重要的改進，顯示出單一材料所不具有的新性能。重要的改進，顯示出單一材料所不具有的新性能。 復合材料的設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)過程，它涉及復合材料的設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)過程，它涉及環(huán)境負環(huán)境負 載載、設(shè)計要求、材料選擇、成形工藝、力學分析、檢、設(shè)計要求、材料選擇、成形工藝、力學分析、檢 測測測試測試、安全可靠性及成本、安全可靠性及成本等

3、諸多因素。等諸多因素。 復合材料的出現(xiàn)與發(fā)展為材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供了前所未復合材料的出現(xiàn)與發(fā)展為材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供了前所未 有的好時機。設(shè)計者可以根據(jù)外部環(huán)境的變化與要求來設(shè)有的好時機。設(shè)計者可以根據(jù)外部環(huán)境的變化與要求來設(shè) 計具有不同特性與性能的復合材料，以滿足工程實際對高計具有不同特性與性能的復合材料，以滿足工程實際對高 性能復合材料及結(jié)構(gòu)的要求。這種可設(shè)計的靈活性再加上性能復合材料及結(jié)構(gòu)的要求。這種可設(shè)計的靈活性再加上 復合材料優(yōu)良的特性（高比強、高比模等）使復合材料在復合材料優(yōu)良的特性（高比強、高比模等）使復合材料在 不同應用領(lǐng)域競爭中成為特別受歡迎的候選材料。不同應用領(lǐng)域競爭中成為

4、特別受歡迎的候選材料。 3.1 3.1 金屬基復合材料的可設(shè)計性金屬基復合材料的可設(shè)計性 3.1.1 3.1.1 復合材料的可設(shè)計性復合材料的可設(shè)計性 復合材料在彈性模量、線脹系數(shù)和材料強度等方面具有復合材料在彈性模量、線脹系數(shù)和材料強度等方面具有 明顯的各向異性性質(zhì)。復合材料的幾何非線性及物理非明顯的各向異性性質(zhì)。復合材料的幾何非線性及物理非 線性也是要特殊考慮的。復合材料的可設(shè)計性是它超過線性也是要特殊考慮的。復合材料的可設(shè)計性是它超過 傳統(tǒng)材料的最顯著的優(yōu)點之一。傳統(tǒng)材料的最顯著的優(yōu)點之一。 復合材料具有不同層次上的宏觀、細觀和微觀結(jié)構(gòu)，可復合材料具有不同層次上的宏觀、細觀和微觀結(jié)構(gòu)，可

5、 將復合材料分為六大類型。將復合材料分為六大類型。 復合材料設(shè)計問題要求確定增強體的幾何特征（連續(xù)纖復合材料設(shè)計問題要求確定增強體的幾何特征（連續(xù)纖 維、顆粒等）、基體材料、增強材料和增強體的微觀結(jié)維、顆粒等）、基體材料、增強材料和增強體的微觀結(jié) 構(gòu)以及增強體的體積分數(shù)。一般來說，復合材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)以及增強體的體積分數(shù)。一般來說，復合材料及結(jié)構(gòu) 設(shè)計大體上可分為如下步驟設(shè)計大體上可分為如下步驟. . 層狀復合材料層狀復合材料 PRMCsPRMCs復合材料復合材料單向纖維增強復合材料單向纖維增強復合材料 蜂窩夾心復合材料蜂窩夾心復合材料 編織復合材料編織復合材料 功能梯度復合材料功能梯度復合材料

6、單向纖維增強復合材料是一種單向纖維增強復合材料是一種正交各向異性正交各向異性材料材料, ,連續(xù)纖維連續(xù)纖維 在基體中呈同向平行排列在基體中呈同向平行排列。這種材料由纖維（如玻璃纖維、。這種材料由纖維（如玻璃纖維、 碳纖維）與聚合物（如環(huán)氧樹脂）復合而成碳纖維）與聚合物（如環(huán)氧樹脂）復合而成, ,具有優(yōu)良性能具有優(yōu)良性能。 模型示意圖模型示意圖 寧波大成公司以寧波大成公司以UHMWPEUHMWPE纖維單向纖維增強布制作的纖維單向纖維增強布制作的 2cm2cm厚插板可以有效防御以厚插板可以有效防御以AK-47AK-47為代表的突擊步槍為代表的突擊步槍 普通彈的攻擊普通彈的攻擊. . 目前我軍配備的

7、目前我軍配備的9595式突擊步槍，式突擊步槍， 口徑口徑5.8mm5.8mm，彈丸初速，彈丸初速930m/s930m/s，屬，屬 于世界上威力相當大的突擊步槍于世界上威力相當大的突擊步槍 之一之一; ;采用這種插板也完全可以對采用這種插板也完全可以對 其進行有效防護。其進行有效防護。 1cm1cm厚的碳化厚的碳化 硅或氧化鋁陶瓷塊材料加上約硅或氧化鋁陶瓷塊材料加上約5050 層層UHMWPEUHMWPE纖維單向纖維片制成的纖維單向纖維片制成的 防彈插板能夠抵御狙擊步槍穿甲防彈插板能夠抵御狙擊步槍穿甲 彈的攻擊，這樣一塊彈的攻擊，這樣一塊30cm30cm25cm25cm 的插板的插板重約重約2.

8、6kg2.6kg。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織(Co+WC)(Co+WC) 對環(huán)境與負載的要求：對環(huán)境與負載的要求： 機械負載機械負載 熱應力熱應力 潮濕環(huán)境潮濕環(huán)境 選擇材料：選擇材料： 基體材料基體材料 增強材料增強材料 幾何形狀幾何形狀 成型方法：成型方法： 工藝工藝 過程優(yōu)化設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計 代表性單元性能考察代表性單元性能考察 有限元方法有限元方法 實驗力學方法實驗力學方法 結(jié)構(gòu)宏觀性能結(jié)構(gòu)宏觀性能 復合材料響應：復合材料響應： 應力場應力場 溫度場等溫度場等 設(shè)計變量優(yōu)化設(shè)計變量優(yōu)化 損傷及破壞分析：損傷及破壞分析： 強度準則強度準則 損傷機理損傷機理 破壞過程破壞過程 復合材料設(shè)計

9、的基本步驟復合材料設(shè)計的基本步驟 材料、能源、信息、生物是現(xiàn)代文明的四大支柱材料、能源、信息、生物是現(xiàn)代文明的四大支柱 人類的文明史人類的文明史舊石器時代舊石器時代新石器時代新石器時代 青銅器時代青銅器時代鐵器時代鐵器時代多樣化時代多樣化時代 微芯片時代微芯片時代材料設(shè)計時代材料設(shè)計時代 人造材料時代人造材料時代材料時代材料時代 3.1.2 3.1.2 復合材料設(shè)計的研究方法復合材料設(shè)計的研究方法 石器時代石器時代 天然天然 材料材料 使用使用 石器：勞動生產(chǎn)工具。如石石器：勞動生產(chǎn)工具。如石 矢、石刀、石鏟、石鑿、石斧等矢、石刀、石鏟、石鑿、石斧等 石器的制造石器的制造 磨光石器磨光石器 發(fā)

10、展了發(fā)展了制陶技術(shù)，陶器是人類制陶技術(shù)，陶器是人類 第一個人工合成材料。第一個人工合成材料。 利用野生葛、苧麻等原料制成利用野生葛、苧麻等原料制成 織品。用石頭做建筑材料織品。用石頭做建筑材料 世界上最古老的樂器編鐘世界上最古老的樂器編鐘距今已經(jīng)有距今已經(jīng)有24002400 多年的歷史。不過，最古老的樂器當屬吹奏樂器塤。多年的歷史。不過，最古老的樂器當屬吹奏樂器塤。 塤是中國特有的閉口吹奏樂器，形狀多種多樣，大塤是中國特有的閉口吹奏樂器，形狀多種多樣，大 部分為平底、卵形。塤的材料以陶土為主，也有石部分為平底、卵形。塤的材料以陶土為主，也有石 制、骨制的。制、骨制的。 陶塤（陶塤（xunxun

11、）中華古韻中華古韻 紅山玉器紅山玉器還是個謎還是個謎 遼寧西部山區(qū)，發(fā)現(xiàn)了距今大約五千多年的大型祭壇、遼寧西部山區(qū)，發(fā)現(xiàn)了距今大約五千多年的大型祭壇、 女神廟和積石冢群址，考古學家初步推斷，五千年前，這女神廟和積石冢群址，考古學家初步推斷，五千年前，這 里曾經(jīng)存在過一個專門制作紅山玉器的部落里曾經(jīng)存在過一個專門制作紅山玉器的部落, ,具有國家雛形具有國家雛形 的原始文明社會。把中華文明史提前了一千多年。的原始文明社會。把中華文明史提前了一千多年。 青銅器時代青銅器時代 人類知道使用人類知道使用 天然的金和銅天然的金和銅 煉銅技術(shù)煉銅技術(shù) 鑄造技術(shù)鑄造技術(shù) 燒制陶器燒制陶器 青銅時代青銅時代 銅

12、是人類獲得的第二銅是人類獲得的第二 種人造材料。種人造材料。 青銅青銅銅錫合金，銅錫合金， 是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第 一個合金。一個合金。 春秋春秋. .金柄鐵劍金柄鐵劍 青銅鼎青銅鼎 被史學界譽為被史學界譽為“世界第世界第 八大奇跡八大奇跡”的四川三星堆青的四川三星堆青 銅面具銅面具 青銅文化青銅文化中國古代科技之花中國古代科技之花 鐵器時代鐵器時代 天然隕鐵敲打成天然隕鐵敲打成 最早使用鐵器最早使用鐵器 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)海棉狀海棉狀鐵鐵 凝固在爐渣中凝固在爐渣中 煉青銅煉青銅 鐵器時代鐵器時代 發(fā)現(xiàn)燒紅的鋼淬入冷發(fā)現(xiàn)燒紅的鋼淬入冷 水，可使鋼變得更硬，水，可使鋼變得更硬， 現(xiàn)在叫淬

13、火工藝現(xiàn)在叫淬火工藝。 浴以五牲之溺，浴以五牲之溺， 淬以五牲之脂。淬以五牲之脂。 反復鍛打鋼反復鍛打鋼 天工開物天工開物記載的古代冶煉金屬的場面記載的古代冶煉金屬的場面 中國古代冶煉技術(shù)中國古代冶煉技術(shù) 近代發(fā)展史近代發(fā)展史 18 18世紀后期，以蒸汽機的世紀后期，以蒸汽機的 發(fā)明為主要標志，促進了發(fā)明為主要標志，促進了鋼鋼 鐵材料鐵材料發(fā)展。發(fā)展。 19 19世紀末，以電的發(fā)明為世紀末，以電的發(fā)明為 標志，促進了標志，促進了無機材料無機材料發(fā)展發(fā)展 和和高分子材料高分子材料出現(xiàn)。出現(xiàn)。 20 20世紀中期，以原子能應世紀中期，以原子能應 用為重要標志，實現(xiàn)了用為重要標志，實現(xiàn)了合成合成 材

14、料、半導體材料材料、半導體材料的工業(yè)化。的工業(yè)化。 20 20世紀世紀7070年代，以計算機、年代，以計算機、 特別是微電子技術(shù)、生物工特別是微電子技術(shù)、生物工 程技術(shù)和空間技術(shù)為主要標程技術(shù)和空間技術(shù)為主要標 志，促進了志，促進了各類新型材料各類新型材料發(fā)發(fā) 展。展。 第一次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命 第二次技術(shù)革命第二次技術(shù)革命 第三次技術(shù)革命第三次技術(shù)革命 第四次技術(shù)革命第四次技術(shù)革命 總重量總重量7 7千噸，由不到一萬五千個金屬體焊在一起而成的艾菲爾鐵千噸，由不到一萬五千個金屬體焊在一起而成的艾菲爾鐵 塔是巴黎的象征，也是鋼鐵工業(yè)時代蓬勃發(fā)展的結(jié)晶。塔是巴黎的象征，也是鋼鐵工業(yè)時代蓬勃發(fā)展

15、的結(jié)晶。 鋼鐵工業(yè)時代的象征鋼鐵工業(yè)時代的象征 2.53GHz處理處理 器（左）器（左） 2.8GHz處理處理 器（右）器（右） Intel用納米工藝用納米工藝 生產(chǎn)的生產(chǎn)的6.5MB 芯芯 片（左）片（左） 刻滿刻滿SRAM芯片芯片 晶圓，集成晶體晶圓，集成晶體 管總數(shù)為管總數(shù)為3300億億 顆（右）顆（右） 利用信息材料和新的制備工藝制造大規(guī)模集成電路芯片，利用信息材料和新的制備工藝制造大規(guī)模集成電路芯片， 將人類將人類 社會帶入了信息時代。社會帶入了信息時代。 半導體材料半導體材料進入信息時代進入信息時代 十多年前的手機十多年前的手機 十多年前的照相機十多年前的照相機 中國神六航天飛船的

16、發(fā)射中國神六航天飛船的發(fā)射 飛船系統(tǒng)從神舟二飛船系統(tǒng)從神舟二 號開始的新老交替正號開始的新老交替正 式完成，式完成，4040歲以下的歲以下的 技術(shù)人員已占整個隊技術(shù)人員已占整個隊 伍的伍的8080以上。分系以上。分系 統(tǒng)副主任設(shè)計師以上統(tǒng)副主任設(shè)計師以上 關(guān)鍵技術(shù)崗位人員平關(guān)鍵技術(shù)崗位人員平 均年齡歲。均年齡歲。 神六飛船的神六飛船的”外衣外衣”材料材料 航天服三層，最外是限航天服三層，最外是限 制層，由一種制層，由一種高強度材料高強度材料 做成；中間是一個氣密系做成；中間是一個氣密系 統(tǒng)；里邊是通風層，有管統(tǒng)；里邊是通風層，有管 道，保持體溫，如遇應急道，保持體溫，如遇應急 情況，管道中就通

17、氧，以情況，管道中就通氧，以 供航天員呼吸之用。供航天員呼吸之用。 當航天服充入高壓氣體當航天服充入高壓氣體 之后，硬的像金屬，人活之后，硬的像金屬，人活 動就受到限制。所以，比動就受到限制。所以，比 較關(guān)鍵技術(shù)就是活動性的較關(guān)鍵技術(shù)就是活動性的 設(shè)計及有關(guān)材料。設(shè)計及有關(guān)材料。 與國外比，我們有不與國外比，我們有不 少創(chuàng)新，如俄航天服手少創(chuàng)新，如俄航天服手 腕利用織物彈性變形實腕利用織物彈性變形實 現(xiàn)活動，而我們采用的現(xiàn)活動，而我們采用的 是材料結(jié)構(gòu)變形是材料結(jié)構(gòu)變形, ,呈波呈波 紋狀紋狀. .這個波紋是由很這個波紋是由很 多等容結(jié)構(gòu)形成的。多等容結(jié)構(gòu)形成的。 “神七神七”太空服每件造價太

18、空服每件造價1.61.6億億 實現(xiàn)太空行走實現(xiàn)太空行走 在進行太空行走時，航天員從艙內(nèi)氣壓環(huán)境進入在進行太空行走時，航天員從艙內(nèi)氣壓環(huán)境進入 太空的真空環(huán)境，艙外太空服的質(zhì)量也是關(guān)鍵。估計太空的真空環(huán)境，艙外太空服的質(zhì)量也是關(guān)鍵。估計 每件造價為每件造價為20002000萬萬30003000萬美元。艙外太空服的外層萬美元。艙外太空服的外層 防護材料已經(jīng)在東華大學預研成功，這種外層防護材防護材料已經(jīng)在東華大學預研成功，這種外層防護材 料采用料采用高性能纖維和納米金屬粉末復合涂層高性能纖維和納米金屬粉末復合涂層，能滿足，能滿足 出艙工作時要面對的出艙工作時要面對的“材料力學、熱光學、耐久性材料力學

19、、熱光學、耐久性”三三 重需求。重需求。 復合材料的設(shè)計主要有功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計復合材料的設(shè)計主要有功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計 三大部分。另外還要求對設(shè)計的合理性和可靠性加以評三大部分。另外還要求對設(shè)計的合理性和可靠性加以評 價。價。 復合材料一體化制造系統(tǒng)是根據(jù)材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、復合材料一體化制造系統(tǒng)是根據(jù)材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、 工藝及可靠性評價平行發(fā)展的概念，這是一個系統(tǒng)工程。工藝及可靠性評價平行發(fā)展的概念，這是一個系統(tǒng)工程。 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原則由靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計過渡，因此工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原則由靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計過渡，因此 應對復合材料結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析。應對復合材料結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析

20、。 一般來說，從復合材料宏、細、微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度一般來說，從復合材料宏、細、微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度 來看，目前的分析手段主要有兩種來看，目前的分析手段主要有兩種: :細觀力學分析方細觀力學分析方 法和宏觀力學分析方法。法和宏觀力學分析方法。 選擇基體的原則選擇基體的原則 1 金屬基復合材金屬基復合材 料的使用要求料的使用要求 2 金屬基復合材金屬基復合材 料組成的特點料組成的特點 3 基體金屬與增基體金屬與增 強物的相容性強物的相容性 3.2 3.2 金屬基復合材料的基體選擇金屬基復合材料的基體選擇 3.2.1 3.2.1 選擇基體的原則選擇基體的原則 不同鋁合金性能與復合材料性能比較 結(jié)構(gòu)復合

21、材料的基體可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。結(jié)構(gòu)復合材料的基體可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。 （1） 用于用于450450以下的輕金以下的輕金 屬基體屬基體鋁、鎂合金鋁、鎂合金 （3 3） 用于用于10001000以上的高溫復以上的高溫復 合材料的金屬基體合材料的金屬基體鎳基、鎳基、 鐵基耐熱合金和金屬間化鐵基耐熱合金和金屬間化 合物合物 3.2.2 3.2.2 結(jié)構(gòu)件金屬基復合材料的基體結(jié)構(gòu)件金屬基復合材料的基體 目前最廣泛、最成熟的是目前最廣泛、最成熟的是 鋁基和鎂基復合材料，用于鋁基和鎂基復合材料，用于 航天飛機、人造衛(wèi)星、空間航天飛機、人造衛(wèi)星、空間 站、汽車發(fā)動機零件、剎

22、車站、汽車發(fā)動機零件、剎車 盤等。盤等。 （2 2） 用于用于450450700700的復合的復合 材料的金屬基體材料的金屬基體鈦合鈦合 金金 鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、 耐氧化、強度高等特點，可耐氧化、強度高等特點，可 在在450450700700使用，用于航使用，用于航 空發(fā)動機等零件?？瞻l(fā)動機等零件。 主要是鎳基、鐵基耐熱合主要是鎳基、鐵基耐熱合 金和金屬間化合物。較成金和金屬間化合物。較成 熟的是鎳基、鐵基高溫合熟的是鎳基、鐵基高溫合 金，金屬間化合物基復合金，金屬間化合物基復合 材料尚處于研究階段。材料尚處于研究階段。 3.2.3 3.2.3 功能件金屬基復

23、合材料的基體功能件金屬基復合材料的基體 目前已有應用的功能金屬基復合材料（不含雙金屬復合目前已有應用的功能金屬基復合材料（不含雙金屬復合 材料）主要有用于微電子技術(shù)的電子封裝和熱沉材料、高材料）主要有用于微電子技術(shù)的電子封裝和熱沉材料、高 導熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料、耐高溫摩擦的導熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料、耐高溫摩擦的 耐磨材料、耐腐蝕的電池極板材料等等。主要選用的金屬耐磨材料、耐腐蝕的電池極板材料等等。主要選用的金屬 基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。 功能用金屬基復合材料所用的金屬基體均具有良好的導功

24、能用金屬基復合材料所用的金屬基體均具有良好的導 熱、導電性和良好的力學性能，但有熱膨脹系數(shù)大、耐電熱、導電性和良好的力學性能，但有熱膨脹系數(shù)大、耐電 弧燒蝕性差等缺點弧燒蝕性差等缺點。 要求材料和器件具有優(yōu)良的要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能綜合物理性能，如同時具如同時具 有有高力學性能、高導熱、低熱膨脹、高導電率、高抗高力學性能、高導熱、低熱膨脹、高導電率、高抗 電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。 單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要 靠靠優(yōu)化設(shè)計和先進制造技術(shù)優(yōu)化設(shè)計和先進制造技術(shù)將金屬與增強物做

25、成復合將金屬與增強物做成復合 材料來滿足需求。材料來滿足需求。 微電子技術(shù)的電子封裝微電子技術(shù)的電子封裝 集成電路：需用熱膨脹系數(shù)小、導熱性好的材料做基板集成電路：需用熱膨脹系數(shù)小、導熱性好的材料做基板 和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn) 生熱應力，來提高器件可靠性。生熱應力，來提高器件可靠性。 用于電子封裝的金屬基復合材料有：用于電子封裝的金屬基復合材料有： 高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復合材料；高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復合材料； 高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復合材料；高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復合材料； 金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維

26、增強鋁基、銅基復合材料；金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強鋁基、銅基復合材料； 硼硼/ /鋁基復合材料等。鋁基復合材料等。 耐高溫摩擦的耐磨材料耐高溫摩擦的耐磨材料 碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強鋁、碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強鋁、 鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復合材料。鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復合材料。 高導熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料高導熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料 碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強鋁、銅、碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強鋁、銅、 銀及合金等金屬基復合材料。銀及合金等金屬基復合材料。 耐腐蝕的電池極板材料等。耐腐

27、蝕的電池極板材料等。 在兵器工業(yè)中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、自在兵器工業(yè)中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、自 放電率高而需經(jīng)常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出放電率高而需經(jīng)常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出 功率容易受電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響，在寒冷的氣候功率容易受電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響，在寒冷的氣候 條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣 就會影響坦克的作戰(zhàn)能力。貯氫合金（復合材料）蓄電池具有就會影響坦克的作戰(zhàn)能力。貯氫合金（復合材料）蓄電池具有 能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好

28、、壽命長等優(yōu)點，在能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、壽命長等優(yōu)點，在 未來主戰(zhàn)坦克蓄電池發(fā)展過程中具有廣闊的應用前景。未來主戰(zhàn)坦克蓄電池發(fā)展過程中具有廣闊的應用前景。 根據(jù)其形態(tài)增強體分為連續(xù)長纖維、短纖維、晶須、顆粒等。根據(jù)其形態(tài)增強體分為連續(xù)長纖維、短纖維、晶須、顆粒等。 增強體應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱增強體應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱 膨脹等性能。膨脹等性能。 （1 1）連續(xù)纖維）連續(xù)纖維 （2 2）晶須）晶須 （3 3）顆粒）顆粒 碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維 碳化硅、氧化鋁、氮化硅、硼酸鋁等碳

29、化硅、氧化鋁、氮化硅、硼酸鋁等 陶瓷顆粒材料，主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅、陶瓷顆粒材料，主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅、 碳化鈦、硼碳化鈦、硼 化鈦、碳化硼及氧化釔等化鈦、碳化硼及氧化釔等 3.3 3.3 金屬基復合材料的增強體選擇金屬基復合材料的增強體選擇 首先考慮關(guān)鍵的性能首先考慮關(guān)鍵的性能 兼顧其他性能兼顧其他性能 選擇性能分散性小的材料選擇性能分散性小的材料 采取盡可能簡單、方便的成型工藝采取盡可能簡單、方便的成型工藝 合理的經(jīng)濟性合理的經(jīng)濟性 功能復合材料是指主要以提供某些物理性能的復合材料，功能復合材料是指主要以提供某些物理性能的復合材料， 如導電、導熱、磁性、阻尼、摩擦、防熱等功

30、能。如導電、導熱、磁性、阻尼、摩擦、防熱等功能。 功能復合材料的設(shè)計原則主要是：功能復合材料的設(shè)計原則主要是： 3.4 3.4 金屬基功能復合材料的設(shè)計金屬基功能復合材料的設(shè)計特點特點 3.4.13.4.1 功能復合材料調(diào)整優(yōu)值的途徑功能復合材料調(diào)整優(yōu)值的途徑 （1 1）調(diào)整復合度）調(diào)整復合度 （2 2）調(diào)整聯(lián)接方式）調(diào)整聯(lián)接方式 （3 3）調(diào)整對稱性）調(diào)整對稱性 （4 4）調(diào)整尺度）調(diào)整尺度 （5 5）調(diào)整周期性）調(diào)整周期性 3.4.2 3.4.2 利用復合效應創(chuàng)造新型功能復臺材料利用復合效應創(chuàng)造新型功能復臺材料 功能復合材料不僅能通過線性效應起作用（如復合度調(diào)節(jié)作用功能復合材料不僅能通過線

31、性效應起作用（如復合度調(diào)節(jié)作用 利用加和效應和相補效應），更重要的是可利用非線性效應設(shè)計出利用加和效應和相補效應），更重要的是可利用非線性效應設(shè)計出 許多新型的功能復合材料。許多新型的功能復合材料。 （1 1）乘積效應的作用：乘積效應是在復合材料兩組分之間產(chǎn)生可用）乘積效應的作用：乘積效應是在復合材料兩組分之間產(chǎn)生可用 乘積關(guān)系表達的協(xié)同作用。乘積關(guān)系表達的協(xié)同作用。 （2 2）其他非線性效應：除了乘積效應外，還有系統(tǒng)效應、誘導效應）其他非線性效應：除了乘積效應外，還有系統(tǒng)效應、誘導效應 和共扼效應等。和共扼效應等。 3.5 3.5 金屬基復合材料力學性能設(shè)計金屬基復合材料力學性能設(shè)計 3.5

32、.1 3.5.1 連續(xù)纖維增強復合材料連續(xù)纖維增強復合材料 連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復合材料，稱為連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復合材料，稱為 單向連續(xù)纖維增強復合材料單向連續(xù)纖維增強復合材料。 單向復合材料的強度和鋼度都隨方向而改變，有單向復合材料的強度和鋼度都隨方向而改變，有五個特征五個特征 強度強度： （1）縱向抗拉強度、（）縱向抗拉強度、（2）縱向抗壓強度、）縱向抗壓強度、 （3）橫向抗拉強度、（）橫向抗拉強度、（4）橫向抗壓強度、）橫向抗壓強度、 （5）面內(nèi)抗剪強度。）面內(nèi)抗剪強度。 有有四個特征彈性常數(shù)四個特征彈性常數(shù)： （1）縱向彈性模量、（）縱向彈性模量、（2）橫向彈

33、性模量、）橫向彈性模量、 （3）主泊松比、（）主泊松比、（4）切變彈性模量。）切變彈性模量。 （一）縱向彈性模量（一）縱向彈性模量 在計算單向復合材料的縱向彈性模量時，將復合材料看成是兩種在計算單向復合材料的縱向彈性模量時，將復合材料看成是兩種 彈性體彈性體并聯(lián)并聯(lián)，并簡化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。，并簡化成有一定規(guī)則形狀和分布的模型。 假設(shè)：纖維連續(xù)、均勻、平行排列于基體中，纖維與基體粘接牢假設(shè)：纖維連續(xù)、均勻、平行排列于基體中，纖維與基體粘接牢 固，且纖維、基體和復合材料有相同的拉伸應變，基體將拉伸力固，且纖維、基體和復合材料有相同的拉伸應變，基體將拉伸力 F通過界面完全傳遞給纖維。通

34、過界面完全傳遞給纖維。 實際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界面結(jié)合強度實際上，由于纖維有屈曲、排列不整齊、界面結(jié)合強度 小等原因，使實驗值與計算值有一定差異，所以工程上小等原因，使實驗值與計算值有一定差異，所以工程上 常加一個修正系數(shù)常加一個修正系數(shù)k，則有：，則有： EcL = k EfVf + Em (1 Vf) 計算單向纖維復合材料橫向彈性模量的模型有兩種：計算單向纖維復合材料橫向彈性模量的模型有兩種： I型：纖維含量少，型：纖維含量少，纖維與基體的纖維與基體的串聯(lián)模型串聯(lián)模型，此時纖維與，此時纖維與 基體具有相同的應力，即：基體具有相同的應力，即：fT = mT = cT II型：纖

35、維含量高，型：纖維含量高，纖維呈束狀分布于基體中，必然與纖維呈束狀分布于基體中，必然與 基體緊密接觸，其間有基體材料，但很薄，可以認為這基體緊密接觸，其間有基體材料，但很薄，可以認為這 部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應變，即為部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應變，即為 并聯(lián)模型：并聯(lián)模型：fT = mT = cT EIcT是纖維全部分散、互不接觸，獨立時的橫向彈性模是纖維全部分散、互不接觸，獨立時的橫向彈性模 量，是模向彈性模量的極小值；量，是模向彈性模量的極小值； EIIcT是纖維全部接觸、連通時的橫向彈性模量，是橫向是纖維全部接觸、連通時的橫向彈性模量，是橫向 彈性模量的彈性

36、模量的極極大值。大值。 模型模型I：纖維與基體軸向串聯(lián)模型，在扭矩作用下，圓筒纖維與基體軸向串聯(lián)模型，在扭矩作用下，圓筒 受純剪切應力，纖維與基體切應力相同，但因切變模量不受純剪切應力，纖維與基體切應力相同，但因切變模量不 同，切應變不同，所以為同，切應變不同，所以為等應力模型等應力模型。 模型模型II：纖維與基體軸向并聯(lián)模型，即纖維被基體包圍，纖維與基體軸向并聯(lián)模型，即纖維被基體包圍， 在扭矩作用下纖維與基體產(chǎn)生相同切應變，但切應力不同，在扭矩作用下纖維與基體產(chǎn)生相同切應變，但切應力不同， 所以為所以為等應變模型等應變模型。 GIIc = GfVf + GmVm 單向復合材料的正交各向異性，

37、決定了材料在縱、橫兩單向復合材料的正交各向異性，決定了材料在縱、橫兩 個方向呈現(xiàn)的泊松效應不同，所以有兩個泊松比。個方向呈現(xiàn)的泊松效應不同，所以有兩個泊松比。 縱向泊松比：縱向泊松比：當單向復合材料沿纖維方向受到拉伸時，當單向復合材料沿纖維方向受到拉伸時， 在橫向產(chǎn)生收縮，其橫向應變與縱向應變之比為縱向泊在橫向產(chǎn)生收縮，其橫向應變與縱向應變之比為縱向泊 松比，即：松比，即： 橫向泊松比：橫向泊松比：當沿垂直于纖維方向彈性拉伸時，其縱向當沿垂直于纖維方向彈性拉伸時，其縱向 應變與橫向應變之比：應變與橫向應變之比： 二、單向復合材料的強度二、單向復合材料的強度 （一）縱向抗拉強度（一）縱向抗拉強度

38、 玻璃纖維、碳纖維、硼纖玻璃纖維、碳纖維、硼纖 維、陶瓷纖維增強的熱固維、陶瓷纖維增強的熱固 性樹脂基復合材料的變形性樹脂基復合材料的變形 特性只有特性只有I、IV階段；階段； 金屬基和熱塑性樹脂基復金屬基和熱塑性樹脂基復 合材料，包含第合材料，包含第II階段；階段； 脆性纖維增強復合材料，脆性纖維增強復合材料， 觀察不到第觀察不到第III階段，而韌階段，而韌 性纖維復合材料有第性纖維復合材料有第III階階 段。段。 在第在第I階段，纖維和基體都處于彈性變形狀態(tài)，復合材階段，纖維和基體都處于彈性變形狀態(tài)，復合材 料也處于彈性變形狀態(tài)，且料也處于彈性變形狀態(tài)，且 復合材料進入變形第復合材料進入變

39、形第II階段時，纖維仍處于彈性狀態(tài)，階段時，纖維仍處于彈性狀態(tài)， 但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時復合材料的應力為：但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時復合材料的應力為： 由于載荷主要由纖維承擔，所以隨著變形的增加，纖由于載荷主要由纖維承擔，所以隨著變形的增加，纖 維載荷增加較快，當達到纖維抗拉強度時，纖維破斷，維載荷增加較快，當達到纖維抗拉強度時，纖維破斷， 此時基體不能支持整個復合材料載荷，復合材料隨之此時基體不能支持整個復合材料載荷，復合材料隨之 破壞。破壞。 以上公式應滿足兩個條件：以上公式應滿足兩個條件： (1) 纖維受力過程中處于彈性變形狀態(tài)；纖維受力過程中處于彈性變形狀態(tài)； (2) 基體的斷后伸

40、長率大于纖維的斷后伸長率?；w的斷后伸長率大于纖維的斷后伸長率。 cLu = fuVf + *mVm 纖維、基體、復合材料的應力纖維、基體、復合材料的應力-應變曲線應變曲線 O matrix fibre composite fu fu cu *m mu mu cLu = fuVf + *mVm 屈曲的形式有兩種：屈曲的形式有兩種： （1）擠壓型）擠壓型 纖維彼此間反向彎曲，使基纖維彼此間反向彎曲，使基 體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮應變；體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮應變； 當纖維間距離相當大，即纖當纖維間距離相當大，即纖 維體積分數(shù)很小時，這種屈維體積分數(shù)很小時，這種屈 曲模式才可能發(fā)生。曲模式才可能發(fā)生。 （

41、2）剪切型）剪切型 纖維之間同向彎曲，基體主纖維之間同向彎曲，基體主 要產(chǎn)生剪切變形，這種屈曲要產(chǎn)生剪切變形，這種屈曲 模式較為常見。模式較為常見。 纖維增強金屬基復合材料特點纖維增強金屬基復合材料特點 纖維增強纖維增強金屬基復合材料具有高比強度、比模量和高溫性能等特點。金屬基復合材料具有高比強度、比模量和高溫性能等特點。 特別適用于航空航天工業(yè)、汽車結(jié)構(gòu)、保險杠、活塞連桿、自行車車特別適用于航空航天工業(yè)、汽車結(jié)構(gòu)、保險杠、活塞連桿、自行車車 架以及體育運動其它器械上的應用。纖維增強金屬基復合材料通常作架以及體育運動其它器械上的應用。纖維增強金屬基復合材料通常作 為高溫下應用的工程動力構(gòu)件。纖

42、維的分布位向以及纖維的含量對纖為高溫下應用的工程動力構(gòu)件。纖維的分布位向以及纖維的含量對纖 維增強金屬基復合材料的抗沖擊性能有明顯影響。由于硼纖維和其它維增強金屬基復合材料的抗沖擊性能有明顯影響。由于硼纖維和其它 陶瓷纖維的抗蠕變性能優(yōu)異，決定了陶瓷纖維增強金屬基復合材料的陶瓷纖維的抗蠕變性能優(yōu)異，決定了陶瓷纖維增強金屬基復合材料的 抗蠕變性能高于基體合金。抗蠕變性能高于基體合金。 3.6.2 3.6.2 短纖維增強復合材料短纖維增強復合材料 單向連續(xù)纖維增強復合材料的一個顯著特點：單向連續(xù)纖維增強復合材料的一個顯著特點： 就是沿纖維方向有較高的強度和模量，但在垂直于纖維方向就是沿纖維方向有較

43、高的強度和模量，但在垂直于纖維方向 強度和模量較小。強度和模量較小。 如果一個零件的應力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向?qū)优魅绻粋€零件的應力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向?qū)优?設(shè)計制造層合板，使它與這個應力狀態(tài)完全匹配，這種情況設(shè)計制造層合板，使它與這個應力狀態(tài)完全匹配，這種情況 下，單向復合材料具有優(yōu)越性。下，單向復合材料具有優(yōu)越性。 但是如果零件的應力狀態(tài)無法預測，或已經(jīng)知道在各個但是如果零件的應力狀態(tài)無法預測，或已經(jīng)知道在各個 方向上受力基本相同，雖然可用單向增強的層坯制成準方向上受力基本相同，雖然可用單向增強的層坯制成準 各向同性的層板，但在每一層內(nèi)，如在彎曲時受力最大各向同性的層板，

44、但在每一層內(nèi)，如在彎曲時受力最大 的表面層內(nèi)，在垂直纖維方向還是容易出現(xiàn)裂紋，所以的表面層內(nèi)，在垂直纖維方向還是容易出現(xiàn)裂紋，所以 在這種情況下，每一層最好是各向同性的。在這種情況下，每一層最好是各向同性的。 而制造這種各向同性層坯的有效方法，是用隨機取向短而制造這種各向同性層坯的有效方法，是用隨機取向短 纖維作為增強體，制造短纖維復合材料易使制造過程自纖維作為增強體，制造短纖維復合材料易使制造過程自 動化，應用大批量生產(chǎn)中的模塑技術(shù)，如模壓法和注模動化，應用大批量生產(chǎn)中的模塑技術(shù)，如模壓法和注模 法，可以高生產(chǎn)率制造出高精度的短纖維復合材料零件法，可以高生產(chǎn)率制造出高精度的短纖維復合材料零件

45、 或結(jié)構(gòu)件?；蚪Y(jié)構(gòu)件。 載荷作用于復合材料上時，纖維不直接受力，載荷作用載荷作用于復合材料上時，纖維不直接受力，載荷作用 于基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。于基體材料上，然后通過纖維與基體的界面?zhèn)鬟f到纖維。 當纖維長度比傳遞應力的界面區(qū)長度大很多時，纖維末當纖維長度比傳遞應力的界面區(qū)長度大很多時，纖維末 端的傳遞作用可以忽略不計，纖維可看成是連續(xù)的。在端的傳遞作用可以忽略不計，纖維可看成是連續(xù)的。在 短纖維復合材料情況下，纖維末端的應力傳遞作用變得短纖維復合材料情況下，纖維末端的應力傳遞作用變得 顯著，已不能忽略不計，同時復合材料的力學性能與纖顯著，已不能忽略不計，同時復合材料

46、的力學性能與纖 維長度密切相關(guān)。維長度密切相關(guān)。 距離纖維末端距離纖維末端z的纖維應力為：的纖維應力為： 由于纖維末端附近高的應力集中或由于纖維末端附近高的應力集中或 基體屈服，使纖維末端與基體脫膠，基體屈服，使纖維末端與基體脫膠， 一般一般 可忽略，則上式可改成：可忽略，則上式可改成： 如果切應力沿纖維長度的變化已知，如果切應力沿纖維長度的變化已知， 則據(jù)上式就可以計算出數(shù)值。則據(jù)上式就可以計算出數(shù)值。 實際上，切應力分布事先是未知的，實際上，切應力分布事先是未知的， 只能作為整個解的一部分來求。只能作為整個解的一部分來求。 隨纖維長度增加，界面面積增大，中部拉應力也增大。隨纖維長度增加，界

47、面面積增大，中部拉應力也增大。 當纖維中點的最大拉應力恰好等于纖維裂紋強度時，纖當纖維中點的最大拉應力恰好等于纖維裂紋強度時，纖 維長度稱為維長度稱為纖維的臨界長度纖維的臨界長度lcr： llcr時，短纖維才會像長纖維一樣起增強作用。時，短纖維才會像長纖維一樣起增強作用。 假設(shè)纖維與基體粘接牢固，纖維假設(shè)纖維與基體粘接牢固，纖維 的長度和直徑相同，不屈服，的長度和直徑相同，不屈服， Halpin-Tsai給出了單向短纖維復給出了單向短纖維復 合材料的彈性模量的計算公式：合材料的彈性模量的計算公式： 根據(jù)纖維長度不同，單向短纖維復合材料的抗拉強度有根據(jù)纖維長度不同，單向短纖維復合材料的抗拉強度有

48、 不同的表達式：不同的表達式： 一、復合材料的斷裂一、復合材料的斷裂 復合材料受載，當裂紋尖端應力復合材料受載，當裂紋尖端應力 水平達到一定數(shù)值時，裂紋將向水平達到一定數(shù)值時，裂紋將向 前擴展；前擴展； 裂紋擴展時，其尖端可能與附近裂紋擴展時，其尖端可能與附近 各種已存在的損傷或新形成的損各種已存在的損傷或新形成的損 傷（如纖維斷裂、基體變形和開傷（如纖維斷裂、基體變形和開 裂，纖維與基體脫膠等）相遇，裂，纖維與基體脫膠等）相遇， 使損傷區(qū)加大，裂紋繼續(xù)擴展，使損傷區(qū)加大，裂紋繼續(xù)擴展， 直到最終產(chǎn)生宏觀斷裂。直到最終產(chǎn)生宏觀斷裂。 (1) 接力破壞機理：接力破壞機理：當一根纖維斷裂引起鄰近纖

49、維應力當一根纖維斷裂引起鄰近纖維應力 集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復合材料整集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復合材料整 體破壞。體破壞。 (2) 脆性粘接斷裂機理：脆性粘接斷裂機理：斷裂的纖維在其周圍基體中形斷裂的纖維在其周圍基體中形 成應力集中，使基體破壞，并最終導致材料整體破壞。成應力集中，使基體破壞，并最終導致材料整體破壞。 (3) 最弱環(huán)節(jié)機理：最弱環(huán)節(jié)機理：與基體粘接強的纖維的一旦斷裂，與基體粘接強的纖維的一旦斷裂， 立即引起復合材料的整體破壞。立即引起復合材料的整體破壞。 是垂直于裂紋擴展方向的纖維，當其應變達到斷裂應變時發(fā)生的。是垂直于裂紋擴展方向的纖維，當其應變達到

50、斷裂應變時發(fā)生的。 在復合材料受載早期就有個別纖維產(chǎn)生這種損傷，隨著載荷增加，在復合材料受載早期就有個別纖維產(chǎn)生這種損傷，隨著載荷增加， 斷裂纖維數(shù)也增加。斷裂纖維數(shù)也增加。 復合材料中，基體因強度低，所以在材料受載時先于纖維變形，復合材料中，基體因強度低，所以在材料受載時先于纖維變形， 到復合材料完全斷裂時，纖維周圍的基體也隨之斷裂。到復合材料完全斷裂時，纖維周圍的基體也隨之斷裂。 若裂紋穿過基體擴展遇到纖維時，裂紋可能分叉，轉(zhuǎn)向平行于纖若裂紋穿過基體擴展遇到纖維時，裂紋可能分叉，轉(zhuǎn)向平行于纖 維方向擴展。裂紋可在基體內(nèi)，也可沿界面擴展，取決于界面與維方向擴展。裂紋可在基體內(nèi)，也可沿界面擴展

51、，取決于界面與 基體的相對強度。如果界面結(jié)合較弱，就將使纖維與基體脫膠。基體的相對強度。如果界面結(jié)合較弱，就將使纖維與基體脫膠。 這種損傷也發(fā)生在纖維與基體的界面上，它是由于斷裂纖維在基這種損傷也發(fā)生在纖維與基體的界面上，它是由于斷裂纖維在基 體中引起的應力集中因基體屈服而被松弛，使纖維斷裂裂紋在基體中引起的應力集中因基體屈服而被松弛，使纖維斷裂裂紋在基 體中擴展阻力增加，結(jié)果沿界面產(chǎn)生纖維拔出現(xiàn)象。體中擴展阻力增加，結(jié)果沿界面產(chǎn)生纖維拔出現(xiàn)象。 當斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很?。ㄐ∮谂R界尺寸的當斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很?。ㄐ∮谂R界尺寸的 一半），常出現(xiàn)纖維拔出損傷。一半）

52、，常出現(xiàn)纖維拔出損傷。 這是發(fā)生在層合板情況下的一種損傷。當裂紋穿過層合板的一個這是發(fā)生在層合板情況下的一種損傷。當裂紋穿過層合板的一個 鋪層擴展時，其尖端遇到相鄰鋪層的纖維，可能受到阻滯。鋪層擴展時，其尖端遇到相鄰鋪層的纖維，可能受到阻滯。 但因與裂紋尖端相鄰的基體中切應力很高，裂紋可能分枝出來，但因與裂紋尖端相鄰的基體中切應力很高，裂紋可能分枝出來， 開始在平行于鋪層平面的界面上擴展，形成分層裂紋。開始在平行于鋪層平面的界面上擴展，形成分層裂紋。 （一）復合材料的沖擊性能特點：（一）復合材料的沖擊性能特點： (1) 單向復合材料的應變速率敏感性因纖維種類不同而有單向復合材料的應變速率敏感性

53、因纖維種類不同而有 所區(qū)別，而鋼的應變速率敏感性也因強度不同而有差異。所區(qū)別，而鋼的應變速率敏感性也因強度不同而有差異。 低模量玻璃纖維復合材料對應變速率變化敏感，當沖擊低模量玻璃纖維復合材料對應變速率變化敏感，當沖擊 拉伸應變速率達到拉伸應變速率達到103s-1，其強度、塑性和韌性都比靜載，其強度、塑性和韌性都比靜載 荷時高；荷時高； 高模量碳纖維復合材料的力學性能，對應變速率變化不高模量碳纖維復合材料的力學性能，對應變速率變化不 敏感。敏感。 (2) 鋼的沖擊斷裂機理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，復合鋼的沖擊斷裂機理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，復合 材料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。材

54、料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。 (3) 高彈性模量復合材料往往比低彈性模量復合材料的沖高彈性模量復合材料往往比低彈性模量復合材料的沖 擊韌性差，如碳纖維擊韌性差，如碳纖維-環(huán)氧復合材料與玻璃纖維環(huán)氧復合材料與玻璃纖維-環(huán)氧復環(huán)氧復 合材料的沖擊韌性。合材料的沖擊韌性。 前者以纖維斷裂為主要損傷模式，斷裂擴展能低，后者前者以纖維斷裂為主要損傷模式，斷裂擴展能低，后者 以纖維拔出和分層裂紋為損傷模式，斷裂擴展能高。以纖維拔出和分層裂紋為損傷模式，斷裂擴展能高。 1. 纖維方向的影響纖維方向的影響 纖維與基體的界面強度強烈地影響復合材料的破壞模式，從而影纖維與基體的界面強度強烈地影響復合

55、材料的破壞模式，從而影 響材料的沖擊能。響材料的沖擊能。 對玻璃纖維對玻璃纖維-聚酯復合材料和玻璃纖維聚酯復合材料和玻璃纖維-環(huán)氧樹脂試驗表明，前者環(huán)氧樹脂試驗表明，前者 的界面強度可通過表面處理大幅度變化，而后者的界面即使未經(jīng)的界面強度可通過表面處理大幅度變化，而后者的界面即使未經(jīng) 過表面處理也能形成很強的粘接，所以界面強度變化較小。過表面處理也能形成很強的粘接，所以界面強度變化較小。 （一）復合材料的疲勞性（一）復合材料的疲勞性 能特點：能特點： 對大多數(shù)各向同性材料，在受交對大多數(shù)各向同性材料，在受交 變載荷作用時，往往出現(xiàn)一個單變載荷作用時，往往出現(xiàn)一個單 一的疲勞主裂紋并控制最終的疲

56、一的疲勞主裂紋并控制最終的疲 勞破壞。勞破壞。 對于纖維復合材料，往往在高應對于纖維復合材料，往往在高應 力區(qū)出現(xiàn)較大規(guī)模的損傷，如界力區(qū)出現(xiàn)較大規(guī)模的損傷，如界 面開膠、基體開裂、分層和纖維面開膠、基體開裂、分層和纖維 斷裂等，這些損傷還會相互影響斷裂等，這些損傷還會相互影響 和組合，表現(xiàn)出復雜的疲勞破壞和組合，表現(xiàn)出復雜的疲勞破壞 行為，而很少出現(xiàn)單一裂紋控制行為，而很少出現(xiàn)單一裂紋控制 的破壞機理。的破壞機理。 1. 基體、增強纖維種類的影響基體、增強纖維種類的影響 偶聯(lián)劑：偶聯(lián)劑：是一類具有兩不同性是一類具有兩不同性 質(zhì)官能團的物質(zhì)，它們分子中質(zhì)官能團的物質(zhì)，它們分子中 的一部分官能團

57、可與有機分子的一部分官能團可與有機分子 反應，另一部分官能團可與反應，另一部分官能團可與 無無 機物表面的吸附水反應，形成機物表面的吸附水反應，形成 牢固的粘合。偶聯(lián)劑在復合材牢固的粘合。偶聯(lián)劑在復合材 料中的作用在于它既能與增強料中的作用在于它既能與增強 材料表面的某些基團反應，又材料表面的某些基團反應，又 能與基體樹脂反應，從而增強能與基體樹脂反應，從而增強 了增強材料與樹脂之間粘合強了增強材料與樹脂之間粘合強 度，提高了復合材料的性能。度，提高了復合材料的性能。 按偶聯(lián)劑的化學結(jié)構(gòu)及組成分按偶聯(lián)劑的化學結(jié)構(gòu)及組成分 為為有機鉻絡(luò)合物、硅烷類、鈦有機鉻絡(luò)合物、硅烷類、鈦 酸酯類和鋁酸化合物

58、酸酯類和鋁酸化合物四大類。四大類。 帶缺口復合材料多向?qū)雍习澹莒o載時會產(chǎn)生低應力脆性破壞，帶缺口復合材料多向?qū)雍习澹莒o載時會產(chǎn)生低應力脆性破壞， 但在受疲勞載荷時，卻對缺口不敏感，這是它的一個明顯優(yōu)點，但在受疲勞載荷時，卻對缺口不敏感，這是它的一個明顯優(yōu)點， 稱為稱為“擬脆性擬脆性”。 (2) 顆粒顆粒增強增強復合材料的強度復合材料的強度 彌散彌散增強原理位錯繞過理論增強原理位錯繞過理論 1 1）載荷主要由基體承擔）載荷主要由基體承擔，彌散微粒阻礙基體位錯運動；，彌散微粒阻礙基體位錯運動； 微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果愈大微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果愈大。 （式中：（式

59、中：Gm- -基體剪切模量；基體剪切模量；b- -柏氏矢量；柏氏矢量；-剪切應力）剪切應力） 1)1)根據(jù)根據(jù)位錯理論位錯理論，位錯的曲率，位錯的曲率變徑：變徑：R = 2 bGm 2)2)同樣根據(jù)同樣根據(jù)位錯理論位錯理論，當位錯曲率半徑，當位錯曲率半徑R=Df/2時，基體發(fā)生位錯運動，即時，基體發(fā)生位錯運動，即 發(fā)生塑性變形，此時的剪切應力即為復合材料的屈服強度發(fā)生塑性變形，此時的剪切應力即為復合材料的屈服強度： p m c D bG 3)3)由由體視學可得體視學可得： Dp=（2dp2/3Vp)1/2(1-Vp) 1 1）載荷主要由基體承擔）載荷主要由基體承擔，彌散微粒阻礙基體位錯運動；，

60、彌散微粒阻礙基體位錯運動； 微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果愈大。微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果愈大。 v微粒直徑微粒直徑dp越小越小 ，微粒體積分數(shù)，微粒體積分數(shù)Vp越大，則增強效果越好越大，則增強效果越好 f m c D bG 復合材料的屈服強度為：復合材料的屈服強度為： 式中：式中：Gm為基體剪切模量；為基體剪切模量；b為柏氏矢量；為柏氏矢量；Df為微粒之間的距離為微粒之間的距離 dp為微粒直徑；為微粒直徑；Vp為微粒體積分數(shù)為微粒體積分數(shù) )1 ( 3 2 2 p p p m V V d bG （微粒直徑小于（微粒直徑小于0.1m） 3.1.2 顆粒增強原理位錯理論顆粒增