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1、第六章第六章 金属基复合材料金属基复合材料1第一节第一节 金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们对对材科的要求材科的要求越来越高。越来越高。在在结构材料结构材料方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料金属基复合材料正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。2金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；而与而与树
2、脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的导电性导电性与与耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能。3金属基复合材料金属基复合材料的这些的这些优良的性能优良的性能决决定了它已定了它已从诞生之日起从诞生之日起就成了新材料家族就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。应用并且其应用领域正在逐步扩大。4一、金属基复合材料的种类一、金属基复合材料的种类金属基复合材料是金属基复合材料是以金属为基体以金属为基体，以以高强度的第二相为增强体高强度
3、的第二相为增强体而制得的复合材而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可料。因此，对这种材料的分类既可按基体按基体来进行、也可来进行、也可按增强体按增强体来进行。来进行。5 1按基体分类按基体分类(1)铝基复合材料铝基复合材料(2)镍基复合树树镍基复合树树(3)钛基复合材料钛基复合材料6(1)铝基复合材料铝基复合材料这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广的的一种。由于一种。由于铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的塑性和韧性塑性和韧性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉等
4、优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。7在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用时，通常并不是使用纯铝而是纯铝而是用各种铝合金用各种铝合金。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，铝合金具有更铝合金具有更好的综合性能好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。8(2)镍基复合材料镍基复合材料这种复合材料是以这种复合材料是以镍及镍合金为基体镍及镍合金为基体制制造的。由于镍的造的。由于镍的高温性能优良高温性能优良，因此这种复，因此这
5、种复合材料主要是用于制造合材料主要是用于制造高温下工作的零部件高温下工作的零部件。9人们研制人们研制镍基复合材料镍基复合材料的一个重要目的一个重要目的，即是希望用它来制造的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而进一步从而进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于制造工艺制造工艺及及可靠性可靠性等问题等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。尚未解决，所以还未能取得满意的结果。10(3)钛基复合材料钛基复合材料钛钛比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有更高的更高的比强度比强度。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金能更好地能更好地
6、保持其强度保持其强度。11因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超音速超音速时，时，钛比铝合钛比铝合金显示出了更大的优越性金显示出了更大的优越性。12随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要改变改变飞机的结构设计飞机的结构设计，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其其它冀型它冀型，为此需要，为此需要高刚度的材料高刚度的材料，而，而纤维纤维增强钛增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。13基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中钛基复合材
7、料中最常用的增强体是最常用的增强体是硼纤硼纤维维，这是由于，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。如下表所示。14 2.按增强体分类按增强体分类(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料(2)层状复合材料层状复合材料(3)纤维增强复合材料纤维增强复合材料15(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料这里的这里的颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是指弥散的是指弥散的硬质硬质增强相的体积超过增强相的体积超过20的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种弥散质点体积比弥散质点体积比很低的弥散很低的弥散强化金属。强化金属。16此外，此外，颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料
8、的的颗粒直径颗粒直径和颗粒间距很大，和颗粒间距很大，一般大于一般大于1um。在这种复合材料中，在这种复合材料中，增强相增强相是主要的是主要的承载相承载相，而，而基体基体的作用则在于的作用则在于传递载荷传递载荷和和便于加工便于加工。17虽然虽然颗粒复合材料颗粒复合材料的的强度强度通常取决于通常取决于颗粒的直径颗粒的直径、间距间距和和体积比体积比，但是基体性，但是基体性能也很重要。能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对除此以外，这种材料的性能还对界面界面性能性能及及颗粒排列的几何形状颗粒排列的几何形状十分敏感。十分敏感。18(2)层状复合材料层状复合材料这种复合材料是指这种复合材料是指在韧性和成
9、型性较在韧性和成型性较好的金属基体材料中好的金属基体材料中，含有，含有重复排列的重复排列的高高强度强度、高模量高模量片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。19层状复合材料的层状复合材料的强度强度和和大尺寸增强物的大尺寸增强物的性能性能比较接近，而与比较接近，而与晶须或纤维类晶须或纤维类小尺寸增小尺寸增强物的性能强物的性能差别较大。差别较大。因为因为增强薄片在二维方向上的尺寸增强薄片在二维方向上的尺寸相当相当于结构件的大小于结构件的大小，因此，因此增强物中的缺陷增强物中的缺陷可以可以成为成为长度和构件相同的长度和构件相同的裂纹的核心裂纹的核心。20由于由于薄片增强的强度薄片增强的强度不
10、如不如纤维增强相纤维增强相高高，因此，因此层状结构复合材料的强度层状结构复合材料的强度受到了受到了限制。限制。然而，在然而，在增强平面的各个方向增强平面的各个方向上，上，薄薄片增强物片增强物对强度和模量都有增强效果对强度和模量都有增强效果，这，这与与纤维单向增强的复合材料相比纤维单向增强的复合材料相比具有明显具有明显的优越性。的优越性。21(3)纤维增强复合材料纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维根据其长度根据其长度的不同的不同可分为可分为长纤维长纤维、短纤维短纤维和和晶须晶须，它，它们均属于们均属于一维增强体一维增强体。因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合
11、材料均表现均表现出明显的出明显的各向异性各向异性特征。特征。22当当韧性金属基体韧性金属基体用用高强度脆性纤维高强度脆性纤维增增强时，强时，基体的屈服基体的屈服和和塑性流动塑性流动是复合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性弹性模量的增强模量的增强具有相当大的作用。具有相当大的作用。232、金属基复合材料中增强体的性质、金属基复合材料中增强体的性质虽然各种复合材料中的增强体不同，虽然各种复合材料中的增强体不同，但它们都具有但它们都具有许多共性许多共性。由于由于纤维状增强物纤维状增强物能够能够最有效地增强最有效地增强金属基体金属基体，因此这里将对此进行
12、重点讨论。，因此这里将对此进行重点讨论。24对对纤维状增强体性能纤维状增强体性能的要求如下：的要求如下：(A)高强度高强度。纤维的高强度首先是为。纤维的高强度首先是为了了满足复合材料强度的需要满足复合材料强度的需要，其次还可，其次还可使整个加工制造过程简单使整个加工制造过程简单。25(B)高模量高模量。对于金属基复合材料而言，。对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了这种性能是非常重要的，这是为了使纤维承使纤维承载时载时，基体不会发生大的塑性流动基体不会发生大的塑性流动。(C)容易制造和价格低廉容易制造和价格低廉。如果。如果在重要在重要结构上结构上应用，这个条件对工业生产的要求是
13、应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的。十分必要的。26(D)化学稳定性好化学稳定性好。对所有纤维来说，对所有纤维来说，在空气中的稳定性在空气中的稳定性和和对基体材料的稳定性对基体材料的稳定性是很重要的。是很重要的。27(E)纤维的尺寸和形状纤维的尺寸和形状。对于采用。对于采用固相固相制造法的金属基复合材料制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维大直径的圆纤维更加合适。更加合适。由于由于纤维的表面积小纤维的表面积小，化学反应也比较化学反应也比较小小，故借助，故借助金属基体的塑性流动金属基体的塑性流动，这些，这些纤维纤维很容易和基体结合很容易和基体结合，28(F)性能的再现性与一致性性能的再现
14、性与一致性。对于对于脆性材料脆性材料或或高强度材料高强度材料，这种要求，这种要求是非常重要的。是非常重要的。由于由于复合材料的强度复合材料的强度取决于取决于纤维的束强纤维的束强度度，这种，这种束强度与每个纤维的强度束强度与每个纤维的强度有关。因有关。因此，需使此，需使各个纤维的强度驱于一致各个纤维的强度驱于一致。29(G)抗损伤或抗磨损性能抗损伤或抗磨损性能。脆性纤维脆性纤维对对湿暴露湿暴露或或表而磨损表而磨损特别敏感，特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。30一些增强纤维的典型性能一些增强纤维的典型性能 下表列出了一些下表列出了一些重要的增强纤维及
15、其性能重要的增强纤维及其性能31从表中可以看到，像从表中可以看到，像“火箭丝火箭丝”(钢钢丝丝)和和钨丝钨丝等等高强度丝高强度丝，就是，就是由于具有高由于具有高强度强度才成为特别有用的增强材料。才成为特别有用的增强材料。32-玻璃纤维玻璃纤维和和玻璃纤维玻璃纤维具有优良具有优良的比强度和低成本的比强度和低成本，因此可以说是树脂基，因此可以说是树脂基的最重要的增强纤维。的最重要的增强纤维。但由于这些纤维但由于这些纤维模量低模量低且且化学性质活化学性质活泼泼，所以很少用来增强金属。，所以很少用来增强金属。33氧化铝纤维氧化铝纤维是用从熔体中是用从熔体中提拉子晶的提拉子晶的方法方法生产的，这种单晶纤
16、维的典型直径为生产的，这种单晶纤维的典型直径为250um，具有很高的强度具有很高的强度。但。但氧化铝纤维氧化铝纤维对磨损很敏感对磨损很敏感，而且，而且很贵很贵。34用用硼纤维增强硼纤维增强铝合金和镁合金铝合金和镁合金时，具时，具有有很好的综合性能很好的综合性能。用用三氯化硼气体三氯化硼气体通过化学气相沉积法通过化学气相沉积法可获得硼纤维，可获得硼纤维，将硼沉积在将硼沉积在1200 的钨底的钨底丝上丝上。35用用钨作底丝钨作底丝，主要是由于它的，主要是由于它的再再现性好现性好、强度高强度高、价格低价格低且且化学纯度化学纯度高高，但有时也用，但有时也用碳单丝碳单丝及及其它金属丝其它金属丝作底丝。作
17、底丝。36硼纤维硼纤维具有一系列很突出的优点，具有一系列很突出的优点，它的它的比模量和比强度高比模量和比强度高，与固态铝和液，与固态铝和液态镁的态镁的化学相容性好化学相容性好，直径大直径大，再现性再现性好好且且价格适宜价格适宜。37 B4C纤维和纤维和SiC纤维已有实验室规模的纤维已有实验室规模的生产。这种纤维的生产。这种纤维的生产方法与硼纤维十分相生产方法与硼纤维十分相似似，也是，也是在钨或碳的底丝上用化学气相沉积在钨或碳的底丝上用化学气相沉积法生产法生产的。这些沉积物都是的。这些沉积物都是结晶体结晶体，对，对表面表面磨损磨损十分敏感。十分敏感。38B4C和和SiC纤维的纤维的结晶形结构结晶
18、形结构比比硼纤维硼纤维具有更好的抗蠕变性能具有更好的抗蠕变性能，因，因此这些纤维主要作为此这些纤维主要作为高温增强材料高温增强材料。39石墨纤维石墨纤维或或丝束丝束有有优良的比模量和比强优良的比模量和比强度度。其。其弹性模量弹性模量通常与通常与高温石墨化程度高温石墨化程度有关，有关，一般可达一般可达240250GPa。但由于这种纤维但由于这种纤维和熔融金属有反应和熔融金属有反应，使，使复合材料加工因维，从而复合材料加工因维，从而使其作为金属基体使其作为金属基体的增强体的应用的增强体的应用受到限制。受到限制。403、金属基复合材料的强度、金属基复合材料的强度由于大多数由于大多数金属基复合材料金属
19、基复合材料均表现出均表现出各向异性各向异性，所以，所以在各个方向上的强度在各个方向上的强度也不也不尽相同。尽相同。以以纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料为例，则为例，则表现为表现为纵向强度纵向强度与与横向强度横向强度的差异。的差异。41(1)纵向强度纵向强度材料强度材料强度与弹性性能不同，不代表整与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而个测试段上的平均性能，而主要代表局部主要代表局部区的性能区的性能。42材料强度材料强度可以定义为可以定义为材料发生破坏的最材料发生破坏的最弱横截面上的平均应力弱横截面上的平均应力。一般情况下，一般情况下，材料强度材料强度是指是指原始横截面原始横
20、截面积上的应力积上的应力，而不是瞬断面积上的应力。，而不是瞬断面积上的应力。43在在静态拉伸应力条件下静态拉伸应力条件下，判别抗拉强度，判别抗拉强度时，是时，是按原始截面按原始截面计算的计算的材料试样能够承受材料试样能够承受的最大张应力或极限张应力的最大张应力或极限张应力。对于对于高模量的金属基复合材料的断裂高模量的金属基复合材料的断裂，则是由于则是由于载荷不断增加载荷不断增加，纤维不断断裂纤维不断断裂，承承载能力相继下降载能力相继下降从而导致了材料的破坏。从而导致了材料的破坏。44复合材料复合材料强度强度同同组分性能组分性能间的关系间的关系可用如下的公式表示：可用如下的公式表示：式中，式中，
21、C*表示复合材料的抗拉强度，即复合表示复合材料的抗拉强度，即复合材料材料原始面积上的原始面积上的应力；应力；F为为所有纤维上的所有纤维上的平均平均应力；应力；M是是基体在断裂时基体在断裂时的平均应力；的平均应力；VF和和VM是纤维和基体的体积分数。是纤维和基体的体积分数。45如果如果没有孔隙及第三相没有孔隙及第三相存在，则应有存在，则应有 如果如果所有纤维的强度相近所有纤维的强度相近，剩下的基体，剩下的基体在纤维断裂时又不能承受载荷，这时在纤维断裂时又不能承受载荷，这时 F就等就等于于纤维的平均强度纤维的平均强度，而，而 M可以认为是可以认为是在基体在基体应变等于纤维断裂应变时应变等于纤维断裂
22、应变时的的基体应力基体应力。46McDaniels等人对此曾用等人对此曾用钨丝铜基复合钨丝铜基复合系系进行了研究，并将进行了研究，并将复合材料的强度绘成纤复合材料的强度绘成纤维体积比的函数维体积比的函数，如下图所示。，如下图所示。47高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则纤维体积比纤维体积比VF应应力力 48从图中可以看出，仅在从图中可以看出，仅在纤维体积比大于纤维体积比大于临界纤维体积比临界纤维体积比VF*时，下列公式才可适用时，下列公式才可适用如果如果纤维体积比比较低纤维体积比比较低，基体在全部纤维基体在全部纤维断裂后仍能承受载荷断裂后仍能承受载荷，这
23、与上面的假设不符。，这与上面的假设不符。49上述公式应该采用上述公式应该采用纤维的有效强度纤维的有效强度，由于脆性纤维的由于脆性纤维的拉伸强度范围相当大，拉伸强度范围相当大，故故有效强度值却不能简单测定有效强度值却不能简单测定。50 尽管尽管当纤维强度相近时当纤维强度相近时可以采用可以采用纤维纤维的平均强度的平均强度，但对硼这样的，但对硼这样的脆性纤维脆性纤维，用，用纤维纤维平均强度平均强度并不能很好地预测复合材料并不能很好地预测复合材料的的抗拉强度。抗拉强度。51当当弱纤维断裂弱纤维断裂时，引起时，引起三种重要的变化三种重要的变化。(A)由于由于破断纤维失去强度破断纤维失去强度，而使，而使该
24、处截该处截面上的强度降低面上的强度降低。(B)破断纤维裂纹周围的破断纤维裂纹周围的静应力集中静应力集中会降会降低材料的有效强度。低材料的有效强度。(C)破断纤维失去载荷时产生的破断纤维失去载荷时产生的动应力波动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。的瞬时承载能力。52 第一种变化也与基体内的第一种变化也与基体内的纤维临界载纤维临界载荷传递长度荷传递长度有关。有关。在纤维破断位置上，由于在纤维破断位置上，由于破断纤维失破断纤维失去载荷能力去载荷能力而使材料强度有相应的损失。而使材料强度有相应的损失。53 在在临界载荷传递长度临界载荷
25、传递长度以下的纤维段以下的纤维段上，上，纤维承载能力的减少量纤维承载能力的减少量等于等于基体剪基体剪切应力回传给破断纤维段上的切应力回传给破断纤维段上的载荷之差载荷之差。54如果如果载荷传递长度载荷传递长度是无限长，则确定是无限长，则确定这种纤维强度时，或者测试这种纤维强度时，或者测试一束纤维的抗一束纤维的抗拉强度拉强度，或者测试，或者测试每根纤维每根纤维，然后算出，然后算出该该组纤维所能承受的最大载荷组纤维所能承受的最大载荷。55破断纤维端周围的破断纤维端周围的应力集中效应应力集中效应也会也会降降低复合材料的有效强度低复合材料的有效强度。复合材料的一项重要性能复合材料的一项重要性能即是即是当
26、裂纹在当裂纹在垂直于外张力载荷的方向上扩展时垂直于外张力载荷的方向上扩展时，会受到会受到纤维基体界面的阻滞纤维基体界面的阻滞。因为基体中因为基体中裂纹顶端的最大应力值裂纹顶端的最大应力值接近接近于于基体的抗拉强度基体的抗拉强度而而低于纤维的断裂应力低于纤维的断裂应力。56例如，在例如，在硼铝复合材料硼铝复合材料中，在铝中扩展中，在铝中扩展的的裂纹顶端应力裂纹顶端应力可以达到可以达到350MPa，而纤维而纤维的的局部强度局部强度GPa。因此在这种复合系统中，因此在这种复合系统中，裂纹顶端周围裂纹顶端周围的应力集中的应力集中不会导致不稳定的裂纹生长。不会导致不稳定的裂纹生长。这种这种裂纹钝化形式裂
27、纹钝化形式示于下图。示于下图。57负荷负荷裂纹裂纹裂纹裂纹纤维纤维基体基体负荷负荷裂纹裂纹裂纹裂纹复合材料中的裂纹钝化复合材料中的裂纹钝化(a)界面开裂界面开裂(b)基体剪切变形和开裂基体剪切变形和开裂(a)(b)58而在而在氧化铝氧化铝-钛合金钛合金系统中，纤维和基体系统中，纤维和基体的强度比更接近于的强度比更接近于2:1，这时，这时裂纹顶端的应力集裂纹顶端的应力集中中会使复合材料会使复合材料严重脆化严重脆化和和降低强度降低强度。虽然虽然裂纹顶端本身裂纹顶端本身并没有严重削弱硼并没有严重削弱硼-铝铝复合材料，但复合材料，但局部应力集中局部应力集中是严重的。是严重的。59在纤维破断位置上在纤维
28、破断位置上，由于受到束缚，由于受到束缚，破破断纤维的两端会在基体中产生剪切应力断纤维的两端会在基体中产生剪切应力。因。因基体不能承担基体不能承担破断纤维原来承受的高载荷破断纤维原来承受的高载荷，这些剪切力主要由这些剪切力主要由最邻近的纤维承担最邻近的纤维承担。如果如果最邻近的纤维最邻近的纤维没有破坏，则没有破坏，则不会有不会有局部应力传到更远的纤维上局部应力传到更远的纤维上。60附加附加在未破断纤维上的局部张应力在未破断纤维上的局部张应力会会导致导致不稳定的裂纹扩展不稳定的裂纹扩展，因为，因为次邻近纤维次邻近纤维的破断的破断甚至会产生甚至会产生更大的剪切阻滞力更大的剪切阻滞力；下图给出了下图给
29、出了二维阻滞力二维阻滞力的示意图。的示意图。61二维裂纹的扩展二维裂纹的扩展二维裂纹的扩展二维裂纹的扩展箭头表示纤维上的剪切应力箭头表示纤维上的剪切应力箭头表示纤维上的剪切应力箭头表示纤维上的剪切应力负荷负荷负荷负荷62如果这些力如果这些力平均分配在最近邻的六根纤平均分配在最近邻的六根纤维上维上GPa时，则在纤维断裂时，时，则在纤维断裂时，加给邻近纤加给邻近纤维的局部附加张应力维的局部附加张应力GPa，GPa。63纤维断裂处的附加应力值最大，而在离纤维断裂处的附加应力值最大，而在离开断头端的距离等于开断头端的距离等于临界剪切传递长度临界剪切传递长度处，处，附加应力减小到零。附加应力减小到零。6
30、4当弱纤维断裂时，当弱纤维断裂时，复合材料应力状态的复合材料应力状态的第三种变化第三种变化与由此产生的与由此产生的冲击波冲击波有关。金属有关。金属基复合材料中的断裂通常用基复合材料中的断裂通常用声发射声发射检查。检查。动载断裂能动载断裂能主要被试样所吸收，但关于主要被试样所吸收，但关于它它对复合材料抗拉强度的影响对复合材料抗拉强度的影响还没有定量的还没有定量的研究。研究。65总之，总之，组分性能组分性能和和复合材料强度复合材料强度之间的之间的关系比弹性模量关系比弹性模量更为复杂更为复杂，因为，因为强度和局部强度和局部材料材料有关，而不是整个材料的平均常数。有关，而不是整个材料的平均常数。虽然对
31、纤维有效强度能预测的复合材料，虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，可以采用可以采用混合定则混合定则计算复合材料强度。但对计算复合材料强度。但对含脆性增强纤维的复合材料含脆性增强纤维的复合材料，这种计算就不，这种计算就不很精确了。很精确了。66 2横向强度横向强度金属基复合材料的金属基复合材料的横向性能的预测横向性能的预测比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。67在在预测横向模量值预测横向模量值时，所采用的假设如下：时，所采用的假设如下：(1)两组元两组元在达到断裂应力前在达到断裂应力前都是都是线弹性线弹性的；的；(2)界面结合是完好的；界面结合是完好的；(3)
32、纤维排列是规则的。纤维排列是规则的。68由这些假设可以推导出由这些假设可以推导出材料的横材料的横向刚度向刚度E22和复合材料和复合材料横向平面泊松横向平面泊松比如下：比如下：69下图为下图为纤维正方排列的纤维正方排列的复合材料横向复合材料横向模量同基体模量之比模量同基体模量之比是是纤维体积比纤维体积比的函数，的函数，也是也是纤维模量对基体模量之比纤维模量对基体模量之比的函数。的函数。70复复复复合合合合材材材材料料料料归归归归一一一一化化化化横横横横向向向向刚刚刚刚度度度度E EF F/F FMM成分刚度比成分刚度比成分刚度比成分刚度比E EF F/F/FMM圆纤维正方排列的复合材料的归一化横
33、向刚度圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度71上图表明，金属基体内的上图表明，金属基体内的增强纤维增强纤维对对横横向模量向模量有很大影响。有很大影响。例如，例如，60的硼的硼-铝复合材料的铝复合材料的横向横向模量接近于基体的三倍模量接近于基体的三倍。72这种这种横向模量的增强作用横向模量的增强作用并不能代表并不能代表复复合材料的横向强度合材料的横向强度，因为复合材料都，因为复合材料都在最弱在最弱的横截面上破坏的横截面上破坏。此外，由于此外，由于基体受到纤维的严重束缚基体受到纤维的严重束缚，复合材料的断裂应变复合材料的断裂应变比比非束缚基体材料的相非束缚基体材料的相应值应值要小得多。要小得多
34、。73、复合材料组分的相容性、复合材料组分的相容性由于复合材料包含有由于复合材料包含有两种或两种以上两种或两种以上的相的相，要使组分间具有良好的配合，则这，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备两相间必须具备物理相容性物理相容性和和化学相容性化学相容性。74对对金属基复合材料金属基复合材料而言，用而言，用薄片或纤维薄片或纤维增强增强金属基复合材料的金属基复合材料的物理相容性问题物理相容性问题一般一般都和都和压力变化压力变化，或，或热变化时反映材料伸缩性热变化时反映材料伸缩性能的能的材料常数材料常数有关。有关。化学相容性问题化学相容性问题主要与复合材料加工过主要与复合材料加工过程中的程中的
35、界面结合界面结合、界面化学反应界面化学反应以及以及环境的环境的化学反应化学反应等因素有关。等因素有关。75所谓所谓物理相容性问题物理相容性问题，是指，是指基体应基体应有足够的韧性和强度有足够的韧性和强度，从而能够，从而能够将外部将外部结构载荷均匀地传递到增强物上结构载荷均匀地传递到增强物上，而不，而不会有明显的不连续现象。会有明显的不连续现象。76基体和增强体之间基体和增强体之间的一个非常重要的的一个非常重要的物理关系物理关系是是热膨胀系数热膨胀系数，因为，因为基体通常是基体通常是韧性较好的材料韧性较好的材料，因此最好是基体有较高，因此最好是基体有较高的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的的热膨
36、胀系数。这是因为膨胀系数较高的相相从较高的加工温度冷却时从较高的加工温度冷却时将受到张应力。将受到张应力。77对于对于脆性材料的增强物脆性材料的增强物，一般都是，一般都是抗抗压强度大于抗拉强度压强度大于抗拉强度、处于压缩状态比较处于压缩状态比较有利有利。而对于像钛这类。而对于像钛这类高屈服强度的基体高屈服强度的基体，一般却要求避免一般却要求避免高的残余热应力高的残余热应力，因此，因此热热膨胀系数不应相差太大膨胀系数不应相差太大。78化学相容性化学相容性是一个更加复杂的问题。是一个更加复杂的问题。对于对于原生复合材料原生复合材料，在制造过程中是，在制造过程中是热力热力学平衡的学平衡的。例如，在平
37、衡状态下例如，在平衡状态下凝固的共晶复合凝固的共晶复合材料材料，对于这类晶体，其，对于这类晶体，其两相化学势相等两相化学势相等，而而比表面能效应比表面能效应也最小。也最小。79如果这种复合材料如果这种复合材料在偏离制造温度时在偏离制造温度时有明显的有明显的相变或浓度变化相变或浓度变化，就会产生，就会产生不稳不稳定问题定问题；在在人造复合材料人造复合材料中，两相间发生中，两相间发生有害有害反应的化学动力学过程反应的化学动力学过程也相当缓慢，一般也相当缓慢，一般可以满足相容性要求。可以满足相容性要求。80对于对于非平衡态复合材料非平衡态复合材料，化学相容性问，化学相容性问题要严重得多。如采用题要严
38、重得多。如采用石墨增强纤维时石墨增强纤维时，纤纤维的浸润和结合维的浸润和结合都非常困难，在使两相结合都非常困难，在使两相结合方面就会产生问题。方面就会产生问题。还有还有纤维和环境的化学反应纤维和环境的化学反应也是加工过也是加工过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性纤维程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性纤维的有害反应包括的有害反应包括应力腐蚀应力腐蚀和和氧化氧化。热冲击热冲击也也会使纤维损伤。会使纤维损伤。81纤维和基体间的直接反应纤维和基体间的直接反应则是则是更重要的更重要的相容性问题相容性问题。对于像硼对于像硼-铝这样的铝这样的低温金属基复合材低温金属基复合材料料，可以靠，可以靠尽量降低制造温
39、度尽量降低制造温度来避免两相间来避免两相间的化学反应。的化学反应。82对对蠕变强度低的基体蠕变强度低的基体，采用，采用高压低温高压低温工艺工艺也能获得良好的固结和粘合。也能获得良好的固结和粘合。像像硼硼-镁镁或或钨钨-铜等铜等复合系，因为复合系，因为两两相间不反应，不互镕相间不反应，不互镕，因此可以采用，因此可以采用熔液熔液渗透法渗透法制造。制造。83但对于但对于高温复合材料高温复合材料而言，以下的而言，以下的与化学与化学相容性有关的问题相容性有关的问题则十分重要。则十分重要。(1)F-两相反应的自由能两相反应的自由能；(2)U-化学势化学势；(3)T-表面能表面能；(4)D-晶界挡散系数晶界
40、挡散系数；84第一个问题第一个问题 F，不仅对不仅对制造过程制造过程，而，而且对且对高温应用过程高温应用过程都是很重要的。都是很重要的。纤维和基体反应的自由能变化纤维和基体反应的自由能变化代表代表该反该反应的驱动力应的驱动力，在高温下该值的大小变得更加，在高温下该值的大小变得更加重要。设计高温复合材料的材料工作者应该重要。设计高温复合材料的材料工作者应该确定确定所选系统所选系统可能发生的反应的自由能变化。可能发生的反应的自由能变化。85化学相容性的第二个问题是化学相容性的第二个问题是关于关于每个组每个组元中每个元素的化学势元中每个元素的化学势。如果如果各组分相间的化学势不等各组分相间的化学势不
41、等，常常会，常常会导致导致界面不稳定界面不稳定而使纤维性能下降。而使纤维性能下降。例如，欲用例如，欲用氧化铝和镍合金氧化铝和镍合金组成复合材组成复合材料，料，为防止铝扩散为防止铝扩散，铝，铝(和氧等和氧等)在两相中的在两相中的化学势必须相等。化学势必须相等。86两相混合物的表面能两相混合物的表面能可能非常高，因可能非常高，因而而使界面很不稳定使界面很不稳定。这个问题对。这个问题对晶须增强晶须增强复合材料复合材料是很重要的。而对是很重要的。而对碳化钨加钴复碳化钨加钴复合系合系来说，其来说，其表面能关系则是有利的表面能关系则是有利的。87由由晶界或表面扩散系数控制的晶界或表面扩散系数控制的二次扩散
42、二次扩散效应效应常使复合系中常使复合系中两组分相的关系两组分相的关系发生很大发生很大变化。变化。例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝再结晶温度下降。再结晶温度下降。88另外，还有一些另外，还有一些二次扩散效应二次扩散效应，如，如液态金属脆化液态金属脆化和和氢脆氢脆。在复合材料中，如果在复合材料中，如果某一相的间隙某一相的间隙氢浓度偏高氢浓度偏高，便会危及另一相，便会危及另一相从而会发从而会发生氢脆生氢脆。89第二节第二节 铝基复合材料铝基复合材料一、铝基复合材料的特点一、铝基复合材料的特
43、点 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音构材料，例如波音747大型运输机、远距离大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方计这些结构时，问题之一就涉及到平方立立方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。高效率，就需要更完善的设计和更好的材料
44、。90复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被选用最广的基体材料。选用最广的基体材料。目前关于硼目前关于硼铝复合材料的研究主要包括铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：以下几个方面的内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。这在航空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材
45、料及构件。用的材料及构件。(3)改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术，铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。促使其成本尽可能降低。91 与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。硼硼铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等这就比树脂大约与铝合金基体的强度相等这就比树脂基材料可能达到的强度要高得多。基材料可能达到的强度要高得多。92除上述特点外，硼除上述特点外，硼铝复合材料的其它重铝复合材料的其它重要物理性能与机械性能有，高
46、的导电件和要物理性能与机械性能有，高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。而硼性也常常是重要的。而硼铝复合材料的铝复合材料的优越性能则为其应用提供了有利的保障。优越性能则为其应用提供了有利的保障。93 二、硼铝复合材料二、硼铝复合材料 作为结构应用来说，选择复合材料组元的主作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目标是高比模量和高比强度，硼要目标是高比模量和高比强度，硼-铝复铝复合材
47、料因此在研究与发展上受到了很大的重合材料因此在研究与发展上受到了很大的重视。视。941增强纤维增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列于表于表62中，在表中的每一种纤维与硼纤维相中，在表中的每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。比都各有缺点。95玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和
48、比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高30、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应。维起剧烈反应。-钛合金钛合金Ti-6Al-4V的冷拉的冷拉丝材和沉淀硬化钢丝材和沉淀硬化钢“火箭火箭”
49、丝丝NS355，内于内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其应用。应用。96 硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有目前大量供应的纤维有100um和和140um两种直径，两种
50、直径，有的纤维带有有的纤维带有2um厚的碳化硅涂层，其目的是为厚的碳化硅涂层，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温硼纤维的室温密度为密度为255gcm3。由于硼纤维的表面具有高由于硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。义的特性。97此外，硼纤维还具有良好的高温性能，此外，硼纤维还具有良好的高温性能，它在它在600时仍保持时仍保持75强度，在强度，在600和和700时的蠕变性能比钨还好。时的蠕变性