第3章金屬基復(fù)合材料的設(shè)計

1、第第3 3章章 金屬基復(fù)合材料的設(shè)計金屬基復(fù)合材料的設(shè)計 1.1.金屬基復(fù)合材料設(shè)計的基本原則金屬基復(fù)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(fù)合復(fù)合材料的基本組成（基：了解金屬基復(fù)合復(fù)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(fù)合材料的設(shè)計原則和方法，：掌握金屬基復(fù)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(fù)合材料的各組分保持其相對獨立性，但是

2、并不盡管復(fù)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(jìn)，顯示出單一材料所不具有的新性能。重要的改進(jìn)，顯示出單一材料所不具有的新性能。 復(fù)合材料的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程，它涉及復(fù)合材料的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程，它涉及環(huán)境負(fù)環(huán)境負(fù)載載、設(shè)計要求、材料選擇、成形工藝、力學(xué)分析、檢、設(shè)計要求、材料選擇、成形工藝、力學(xué)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諸多因素。等諸多因素。 復(fù)合

3、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(fù)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(fù)合材料，以滿足工程實際對高計具有不同特性與性能的復(fù)合材料，以滿足工程實際對高 性能復(fù)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(fù)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(fù)合材料優(yōu)良的特性（高比強、高比模等）使復(fù)合材料在復(fù)合材料優(yōu)良的特性（高比強、高比模等）使復(fù)合材料在 不同應(yīng)用領(lǐng)域競爭中成為特別受歡迎的候選材料。不同應(yīng)用領(lǐng)域競爭中成為特別受歡迎的候選材料。 3.

4、1 3.1 金屬基復(fù)合材料的可設(shè)計性金屬基復(fù)合材料的可設(shè)計性3.1.1 3.1.1 復(fù)合材料的可設(shè)計性復(fù)合材料的可設(shè)計性復(fù)合材料在彈性模量、線脹系數(shù)和材料強度等方面具有復(fù)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(fù)合材料的幾何非線性及物理非明顯的各向異性性質(zhì)。復(fù)合材料的幾何非線性及物理非線性也是要特殊考慮的。復(fù)合材料的可設(shè)計性是它超過線性也是要特殊考慮的。復(fù)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(fù)合材料具有不同層次上的宏觀、細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)，可復(fù)合材料具有不同層次上的宏觀、細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)，可將復(fù)合材料分為六大類型。將復(fù)合材料分為

5、六大類型。復(fù)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(fù)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?jǐn)?shù)。一般來說，復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)以及增強體的體積分?jǐn)?shù)。一般來說，復(fù)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(fù)合材料層狀復(fù)合材料PRMCsPRMCs復(fù)合材料復(fù)合材料單向纖維增強復(fù)合材料單向纖維增強復(fù)合材料蜂窩夾心復(fù)合材料蜂窩夾心復(fù)合材料編織復(fù)合材料編織復(fù)合材料功能梯度復(fù)合材料功能梯度復(fù)合材料單向纖維增強復(fù)合材料是一種單向纖維增強復(fù)合材料是一種正交各向

6、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(fù)合而成碳纖維）與聚合物（如環(huán)氧樹脂）復(fù)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

7、，彈丸初速，彈丸初速930m/s930m/s，屬，屬于世界上威力相當(dāng)大的突擊步槍于世界上威力相當(dāng)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(jìn)行有效防護(hù)。其進(jìn)行有效防護(hù)。 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2.6kg2.6kg。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織(Co+WC)(Co+WC) 對環(huán)境與負(fù)載的要求

8、：對環(huán)境與負(fù)載的要求：機械負(fù)載機械負(fù)載熱應(yīng)力熱應(yīng)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(xué)方法實驗力學(xué)方法結(jié)構(gòu)宏觀性能結(jié)構(gòu)宏觀性能復(fù)合材料響應(yīng)：復(fù)合材料響應(yīng)：應(yīng)力場應(yīng)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(zhǔn)則強度準(zhǔn)則損傷機理損傷機理破壞過程破壞過程復(fù)合材料設(shè)計的基本步驟復(fù)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

9、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(fù)合材料設(shè)計的研究方法復(fù)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)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

10、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(dāng)屬吹奏樂器塤。多年的歷史。不過，最古老的樂器當(dāng)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）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

11、古學(xué)家初步推斷，五千年前，這女神廟和積石冢群址，考古學(xué)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

12、鼎被史學(xué)界譽為被史學(xué)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(fù)鍛打鋼反復(fù)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

13、 18 18世紀(jì)后期，以蒸汽機的世紀(jì)后期，以蒸汽機的發(fā)明為主要標(biāo)志，促進(jìn)了發(fā)明為主要標(biāo)志，促進(jìn)了鋼鋼鐵材料鐵材料發(fā)展。發(fā)展。 19 19世紀(jì)末，以電的發(fā)明為世紀(jì)末，以電的發(fā)明為標(biāo)志，促進(jìn)了標(biāo)志，促進(jìn)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(jì)中期，以原子能應(yīng)世紀(jì)中期，以原子能應(yīng)用為重要標(biāo)志，實現(xiàn)了用為重要標(biāo)志，實現(xiàn)了合成合成材料、半導(dǎo)體材料材料、半導(dǎo)體材料的工業(yè)化。的工業(yè)化。 20 20世紀(jì)世紀(jì)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(biāo)程技術(shù)和空間技術(shù)為主要標(biāo)志，促進(jìn)了志，促進(jìn)了各類新型材料

14、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

15、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(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料進(jìn)入信息時代進(jìn)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

16、。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(fēng)層，有管統(tǒng)；里邊是通風(fēng)層，有管道，保持體溫，如遇應(yīng)急道，保持體溫，如遇應(yīng)急情況，管道中就通氧，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(dāng)航天服充入高壓氣體當(dāng)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

17、，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(jìn)行太空行走時，航天員從艙內(nèi)氣壓環(huán)境進(jìn)入在進(jìn)行太空行走時，航天員從艙內(nèi)氣壓環(huán)境進(jìn)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

18、護(hù)材料已經(jīng)在東華大學(xué)預(yù)研成功，這種外層防護(hù)材防護(hù)材料已經(jīng)在東華大學(xué)預(yù)研成功，這種外層防護(hù)材料采用料采用高性能纖維和納米金屬粉末復(fù)合涂層高性能纖維和納米金屬粉末復(fù)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(xué)、熱光學(xué)、耐久性材料力學(xué)、熱光學(xué)、耐久性”三三重需求。重需求。 復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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

19、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(yīng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析。應(yīng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析。一般來說，從復(fù)合材料宏、細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度一般來說，從復(fù)合材料宏、細(xì)、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(xì)觀力學(xué)分析方細(xì)觀力學(xué)分析方法和宏觀力學(xué)分析方法。法和宏觀力學(xué)分析方法。選擇基體的原則選擇基體的原則1金屬基復(fù)合材金屬基復(fù)合材料的使用要求料的使用要求 2金屬基復(fù)合材金屬基復(fù)合材料組成的特點料組成的特

20、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(fù)合材料的基體選擇金屬基復(fù)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(fù)合材料性能比較結(jié)構(gòu)復(fù)合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(fù)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(fù)以上的高溫復(fù)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(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)件

21、金屬基復(fù)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(fù)合材料，用于鋁基和鎂基復(fù)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(fù)合的復(fù)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、

22、鐵基高溫合熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合金，金屬間化合物基復(fù)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(fù)合材料的基體功能件金屬基復(fù)合材料的基體 目前已有應(yīng)用的功能金屬基復(fù)合材料（不含雙金屬復(fù)合目前已有應(yīng)用的功能金屬基復(fù)合材料（不含雙金屬復(fù)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(dǎo)熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料、耐高溫摩擦的導(dǎo)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

23、鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬?；w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(fù)合材料所用的金屬基體均具有良好的導(dǎo)功能用金屬基復(fù)合材料所用的金屬基體均具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能，但有熱膨脹系數(shù)大、耐電熱、導(dǎo)電性和良好的力學(xué)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(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)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

24、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(jìn)制造技術(shù)優(yōu)化設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬與增強物做成復(fù)合將金屬與增強物做成復(fù)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(dǎo)熱性好的材料做基板集成電路：需用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)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(yīng)力，來提高器件可靠性。生熱應(yīng)力，來提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料有：用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料有： 高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復(fù)合材料；高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅

25、基復(fù)合材料； 高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復(fù)合材料；高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復(fù)合材料； 金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁基、銅基復(fù)合材料；金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強鋁基、銅基復(fù)合材料； 硼硼/ /鋁基復(fù)合材料等。鋁基復(fù)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(fù)合材料。鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復(fù)合材料。 高導(dǎo)熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料高導(dǎo)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、

26、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(fù)合材料。銀及合金等金屬基復(fù)合材料。 耐腐蝕的電池極板材料等。耐腐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(hù)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(hù)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

27、合金（復(fù)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(fù)合材料）蓄電池具有能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、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(yīng)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(yīng)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(yīng)具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱增強體應(yīng)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

28、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(fù)合材料的增強體選擇金屬基復(fù)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(jì)性合理的經(jīng)濟(jì)性功能復(fù)合材料是指主要以提供某些物理性能的復(fù)合材料，功能復(fù)合

29、材料是指主要以提供某些物理性能的復(fù)合材料，如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性、阻尼、摩擦、防熱等功能。如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性、阻尼、摩擦、防熱等功能。功能復(fù)合材料的設(shè)計原則主要是：功能復(fù)合材料的設(shè)計原則主要是：3.4 3.4 金屬基功能復(fù)合材料的設(shè)計金屬基功能復(fù)合材料的設(shè)計特點特點 3.4.13.4.1 功能復(fù)合材料調(diào)整優(yōu)值的途徑功能復(fù)合材料調(diào)整優(yōu)值的途徑 （1 1）調(diào)整復(fù)合度）調(diào)整復(fù)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(fù)合效應(yīng)創(chuàng)造新型功能復(fù)臺材料利用復(fù)合效應(yīng)創(chuàng)造新型功能復(fù)臺材料

30、功能復(fù)合材料不僅能通過線性效應(yīng)起作用（如復(fù)合度調(diào)節(jié)作用功能復(fù)合材料不僅能通過線性效應(yīng)起作用（如復(fù)合度調(diào)節(jié)作用利用加和效應(yīng)和相補效應(yīng)），更重要的是可利用非線性效應(yīng)設(shè)計出利用加和效應(yīng)和相補效應(yīng)），更重要的是可利用非線性效應(yīng)設(shè)計出許多新型的功能復(fù)合材料。許多新型的功能復(fù)合材料。 （1 1）乘積效應(yīng)的作用：乘積效應(yīng)是在復(fù)合材料兩組分之間產(chǎn)生可用）乘積效應(yīng)的作用：乘積效應(yīng)是在復(fù)合材料兩組分之間產(chǎn)生可用乘積關(guān)系表達(dá)的協(xié)同作用。乘積關(guān)系表達(dá)的協(xié)同作用。 （2 2）其他非線性效應(yīng)：除了乘積效應(yīng)外，還有系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)）其他非線性效應(yīng)：除了乘積效應(yīng)外，還有系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和共扼效應(yīng)等。和共扼效應(yīng)等。3.5

31、3.5 金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能設(shè)計金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能設(shè)計 3.5.1 3.5.1 連續(xù)纖維增強復(fù)合材料連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，稱為連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，稱為單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料。單向復(fù)合材料的強度和鋼度都隨方向而改變，有單向復(fù)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)

32、：（1）縱向彈性模量、（）縱向彈性模量、（2）橫向彈性模量、）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(fù)合材料的縱向彈性模量時，將復(fù)合材料看成是兩種在計算單向復(fù)合材料的縱向彈性模量時，將復(fù)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(fù)合材料有相同的拉伸應(yīng)變，基體將拉伸力固，且纖維、基體和復(fù)合材料有相同的拉伸應(yīng)變，基

33、體將拉伸力F通過界面完全傳遞給纖維。通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(fù)合材料橫向彈性模量的模型有兩種：計算單向纖維復(fù)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(yīng)力，即：基體具有相同的應(yīng)力，即：fT = m

34、T = cTII型：纖維含量高，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(rèn)為這基體緊密接觸，其間有基體材料，但很薄，可以認(rèn)為這部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應(yīng)變，即為部分變形與基體一致，纖維與基體有相同的應(yīng)變，即為并聯(lián)模型：并聯(lián)模型：fT = mT = cTEIcT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

35、量的彈性模量的極極大值。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(yīng)力，纖維與基體切應(yīng)力相同，但因切變模量不受純剪切應(yīng)力，纖維與基體切應(yīng)力相同，但因切變模量不同，切應(yīng)變不同，所以為同，切應(yīng)變不同，所以為等應(yīng)力模型等應(yīng)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(yīng)變，但切應(yīng)力不同，在扭矩作用下纖維與基體產(chǎn)生相同切應(yīng)變，但切應(yīng)力不同，所以為所以為等應(yīng)變模型等應(yīng)變模型。GIIc = GfVf + GmVm單向復(fù)合材料的正交各向異性，決定了材

36、料在縱、橫兩單向復(fù)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(yīng)不同，所以有兩個泊松比。個方向呈現(xiàn)的泊松效應(yīng)不同，所以有兩個泊松比。縱向泊松比：縱向泊松比：當(dāng)單向復(fù)合材料沿纖維方向受到拉伸時，當(dāng)單向復(fù)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(yīng)變與縱向應(yīng)變之比為縱向泊在橫向產(chǎn)生收縮，其橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比為縱向泊松比，即：松比，即：橫向泊松比：橫向泊松比：當(dāng)沿垂直于纖維方向彈性拉伸時，其縱向當(dāng)沿垂直于纖維方向彈性拉伸時，其縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變之比：應(yīng)變與橫向應(yīng)變之比：二、單向復(fù)合材料的強度二、單向復(fù)合材料的強度（一）縱向抗拉強度（一）縱向抗拉強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖玻

37、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(fù)合材料的變形性樹脂基復(fù)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(fù)金屬基和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，包含第合材料，包含第II階段；階段；脆性纖維增強復(fù)合材料，脆性纖維增強復(fù)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(fù)合材料有第性纖維復(fù)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(fù)合材階段，纖維和基體都處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)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(fù)合材料進(jìn)入變形第復(fù)合材料進(jìn)入變形第II階段時，纖維仍處于彈性狀態(tài)，階段時，纖維仍

38、處于彈性狀態(tài)，但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時復(fù)合材料的應(yīng)力為：但基體已產(chǎn)生塑性變形，此時復(fù)合材料的應(yīng)力為：由于載荷主要由纖維承擔(dān)，所以隨著變形的增加，纖由于載荷主要由纖維承擔(dān)，所以隨著變形的增加，纖維載荷增加較快，當(dāng)達(dá)到纖維抗拉強度時，纖維破斷，維載荷增加較快，當(dāng)達(dá)到纖維抗拉強度時，纖維破斷，此時基體不能支持整個復(fù)合材料載荷，復(fù)合材料隨之此時基體不能支持整個復(fù)合材料載荷，復(fù)合材料隨之破壞。破壞。以上公式應(yīng)滿足兩個條件：以上公式應(yīng)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) 基體的斷后伸長率大于纖維的斷后伸長率。基體的斷后伸長率大于纖維的斷后伸長率。c

39、Lu = fuVf + *mVm纖維、基體、復(fù)合材料的應(yīng)力纖維、基體、復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線Omatrixfibrecompositefufucu*mmumucLu = 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(yīng)變；體產(chǎn)生橫向拉伸或壓縮應(yīng)變；當(dāng)纖維間距離相當(dāng)大，即纖當(dāng)纖維間距離相當(dāng)大，即纖維體積分?jǐn)?shù)很小時，這種屈維體積分?jǐn)?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。（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

40、種屈曲模式較為常見。模式較為常見。 纖維增強金屬基復(fù)合材料特點纖維增強金屬基復(fù)合材料特點纖維增強纖維增強金屬基復(fù)合材料具有高比強度、比模量和高溫性能等特點。金屬基復(fù)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(yīng)用。纖維增強金屬基復(fù)合材料通常作架以及體育運動其它器械上的應(yīng)用。纖維增強金屬基復(fù)合材料通常作為高溫下應(yīng)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為高溫下應(yīng)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(fù)合材料的抗沖擊性能

41、有明顯影響。由于硼纖維和其它維增強金屬基復(fù)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(fù)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(fù)合材料的 抗蠕變性能高于基體合金?？谷渥冃阅芨哂诨w合金。 3.6.2 3.6.2 短纖維增強復(fù)合材料短纖維增強復(fù)合材料 單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的一個顯著特點：單向連續(xù)纖維增強復(fù)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(yīng)力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向?qū)优魅绻?/p>

42、個零件的應(yīng)力狀態(tài)可以精確地確定，就可用單向?qū)优髟O(shè)計制造層合板，使它與這個應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)完全匹配，這種情況下，單向復(fù)合材料具有優(yōu)越性。下，單向復(fù)合材料具有優(yōu)越性。但是如果零件的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測，或已經(jīng)知道在各個但是如果零件的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)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(zhǔn)方向上受力基本相同，雖然可用單向增強的層坯制成準(zhǔn)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，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

43、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(fù)合材料易使制造過程自纖維作為增強體，制造短纖維復(fù)合材料易使制造過程自動化，應(yīng)用大批量生產(chǎn)中的模塑技術(shù)，如模壓法和注模動化，應(yīng)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(fù)合材料零件法，可以高生產(chǎn)率制造出高精度的短纖維復(fù)合材料零件或結(jié)構(gòu)件?；蚪Y(jié)構(gòu)件。載荷作用于復(fù)合材料上時，纖維不直接受力，載荷作用載荷作用于復(fù)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

44、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(dāng)纖維長度比傳遞應(yīng)力的界面區(qū)長度大很多時，纖維末當(dāng)纖維長度比傳遞應(yīng)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(fù)合材料情況下，纖維末端的應(yīng)力傳遞作用變得短纖維復(fù)合材料情況下，纖維末端的應(yīng)力傳遞作用變得顯著，已不能忽略不計，同時復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖顯著，已不能忽略不計，同時復(fù)合材料的力學(xué)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(yīng)力為：的纖維應(yīng)力為：由于纖維末端附近高的應(yīng)力集中或由于纖維末端附近高的應(yīng)力集中或基體

45、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(yīng)力沿纖維長度的變化已知，如果切應(yīng)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(yīng)力分布事先是未知的，實際上，切應(yīng)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(yīng)力也增大。隨纖維長度增加，界面面積增大，中部拉應(yīng)力也增大。當(dāng)纖維中點的最大拉應(yīng)力恰好等于纖維裂紋強度時，纖當(dāng)纖維中點的最大拉應(yīng)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：l

46、lcr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(fù)給出了單向短纖維復(fù)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(fù)合材料的抗拉強度有根據(jù)纖維長度不同，單向短纖維復(fù)合材料的抗拉強度有不同的表達(dá)式：不同的表達(dá)式：一、復(fù)合材料的斷裂一、復(fù)合材料的斷裂復(fù)合材料受載，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力復(fù)合材料受載，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力水平達(dá)到一定數(shù)值時，裂紋將向水平達(dá)到一定數(shù)值時，裂紋將向前擴展；前擴展；裂紋擴展

47、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(dāng)一根纖維斷裂引起鄰近纖維應(yīng)力當(dāng)一根纖維斷裂引起鄰近纖維應(yīng)力集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復(fù)合材料整集中而過載，后者斷裂，依次類推，最終復(fù)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

48、在其周圍基體中形成應(yīng)力集中，使基體破壞，并最終導(dǎo)致材料整體破壞。成應(yīng)力集中，使基體破壞，并最終導(dǎo)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(fù)合材料的整體破壞。立即引起復(fù)合材料的整體破壞。是垂直于裂紋擴展方向的纖維，當(dāng)其應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時發(fā)生的。是垂直于裂紋擴展方向的纖維，當(dāng)其應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變時發(fā)生的。在復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料中，

49、基體因強度低，所以在材料受載時先于纖維變形，到復(fù)合材料完全斷裂時，纖維周圍的基體也隨之?dāng)嗔?。到?fù)合材料完全斷裂時，纖維周圍的基體也隨之?dāng)嗔选Ｈ袅鸭y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，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?；w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(yīng)

50、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(yīng)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(dāng)斷裂纖維端部與材料斷裂橫截面的距離很小（小于臨界尺寸的當(dāng)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），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(dāng)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(dāng)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

51、中切應(yīng)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(yīng)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(fù)合材料的沖擊性能特點：（一）復(fù)合材料的沖擊性能特點：(1) 單向復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性因纖維種類不同而有單向復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性因纖維種類不同而有所區(qū)別，而鋼的應(yīng)變速率敏感性也因強度不同而有差異。所區(qū)別，而鋼的應(yīng)變速率敏感性也因強度不同而有差異。低模量玻璃纖維復(fù)合材料對應(yīng)變速率變化敏感，當(dāng)沖擊低模量玻璃纖維復(fù)合材料對應(yīng)變速率變化敏感，當(dāng)沖擊拉伸應(yīng)變速率達(dá)到拉伸應(yīng)變速率達(dá)到103s-1，其強度、塑性和

52、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(fù)合材料的力學(xué)性能，對應(yīng)變速率變化不高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，對應(yīng)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(fù)合鋼的沖擊斷裂機理是穿晶解理或微孔聚集斷裂，復(fù)合材料的沖擊斷裂是各類損傷的積累或非積累破壞。材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(fù)合材料往往比低彈性模量復(fù)合材料的沖高彈性模量復(fù)合材料往往比低彈性模量復(fù)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(fù)合材料與玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃纖維-環(huán)氧復(fù)環(huán)氧復(fù)合材料的沖擊韌性。合材料的沖擊韌性。前者以纖維斷裂為

53、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(fù)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(fù)合材料的破壞模式，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(fù)合材料和玻璃纖維聚酯復(fù)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

54、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(fù)合材料的疲勞性（一）復(fù)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(fù)合材料，往往在高應(yīng)對于纖維復(fù)合材料，往往在高應(yīng)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(fù)雜的疲勞破壞和組合，表現(xiàn)出復(fù)雜的疲勞破

55、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(tuán)的物質(zhì)，它們分子中質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì)，它們分子中的一部分官能團(tuán)可與有機分子的一部分官能團(tuán)可與有機分子反應(yīng)，另一部分官能團(tuán)可與反應(yīng)，另一部分官能團(tuán)可與 無無機物表面的吸附水反應(yīng)，形成機物表面的吸附水反應(yīng)，形成牢固的粘合。偶聯(lián)劑在復(fù)合材牢固的粘合。偶聯(lián)劑在復(fù)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(tuán)反應(yīng)，又材料表面的某些基團(tuán)反應(yīng)，又能與基體樹脂反應(yīng)，從而增強能與基體樹脂反應(yīng)，從

56、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(fù)合材料的性能。度，提高了復(fù)合材料的性能。按偶聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及組成分按偶聯(lián)劑的化學(xué)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酸酯類和鋁酸化合物四大類。四大類。 帶缺口復(fù)合材料多向?qū)雍习?，受靜載時會產(chǎn)生低應(yīng)力脆性破壞，帶缺口復(fù)合材料多向?qū)雍习?，受靜載時會產(chǎn)生低應(yīng)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(fù)合材料的強度復(fù)合材料的強度彌散彌散增強原理位錯繞過理論增

57、強原理位錯繞過理論1 1）載荷主要由基體承擔(dān)）載荷主要由基體承擔(dān)，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(yīng)力）剪切應(yīng)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 =2bGm2)2)同樣根據(jù)同樣根據(jù)位錯理論位錯理論，當(dāng)位錯曲率半徑，當(dāng)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(yīng)力即為復(fù)合材料的屈服強度發(fā)生塑性變形，此時的剪切應(yīng)

58、力即為復(fù)合材料的屈服強度：pmcDbG3)3)由由體視學(xué)可得體視學(xué)可得： Dp=（2dp2/3Vp)1/2(1-Vp)1 1）載荷主要由基體承擔(dān)）載荷主要由基體承擔(dān)，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。v微粒直徑微粒直徑dp越小越小 ，微粒體積分?jǐn)?shù)，微粒體積分?jǐn)?shù)Vp越大，則增強效果越好越大，則增強效果越好fmcDbG復(fù)合材料的屈服強度為：復(fù)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

59、粒直徑；Vp為微粒體積分?jǐn)?shù)為微粒體積分?jǐn)?shù))1 (322pppmVVdbG（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強原理位錯理論2）載荷由基體和顆粒共同承擔(dān)）載荷由基體和顆粒共同承擔(dān)，且顆粒約束基體變形，且顆粒約束基體變形(微粒直徑大于微粒直徑大于1m)外載外載基體位錯基體位錯位錯在顆粒處遇阻位錯在顆粒處遇阻在顆粒處產(chǎn)生壓力集中在顆粒處產(chǎn)生壓力集中3.1 顆粒增強復(fù)合材料增強原理顆粒增強復(fù)合材料增強原理式中：式中：- -外外應(yīng)力應(yīng)力; ;n-應(yīng)力集中因子應(yīng)力集中因子 （式（式2）bGDnmpni顆粒處應(yīng)力值為：顆粒處應(yīng)力值為：（式（式1）式式2帶入式帶入式1得

60、：得： （式（式3）bGDmpi2當(dāng)當(dāng)i = p時，顆粒破壞，材料變形時，顆粒破壞，材料變形(p=Gp/c；p -顆粒強度，顆粒強度，Gp-顆粒剪切模量，顆粒剪切模量，c-常數(shù)常數(shù))cGbGDpmpi2cDbGGppmcVdVbGGpppm)1 (233.1.2 顆粒增強原理位錯理論顆粒增強原理位錯理論cDbGGfpmy2）載荷由基體和顆粒共同承擔(dān)）載荷由基體和顆粒共同承擔(dān)，并且顆粒約束基體變形（，并且顆粒約束基體變形（P24）復(fù)合材料的屈服強度為：復(fù)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；Gp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