金屬基復合材料參考文獻
文關鍵詞：金屬基復合材料有效性能結構拓撲優化
論文摘要：金屬基復合材料綜合了作為基體的金屬結構材料和增強物兩者的優點，具有高的強度性能和彈性模量、良好的疲勞性能等特點。由於製作工藝相對容易，和價格低廉，顆粒增強金屬基復合材料體現出了廣泛的商業價值，金屬基復合材料首先在航天和航空上得到應用，隨著其價格的不斷降低，它們在汽車、電子、機械等工業部門的應用也越來越廣。為此全球各大公司和研究機構對它的研究和應用開發正多層次大面積地展開。筆者閱讀了大量相關文獻，進而綜述了近些年來國內外學者對金屬基復合材料的研究，具有一定的現實意義。
一、顆粒隨機分布金屬基復合材料有效性能研究
九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究證明了可以用一個有限體積的代表體元來代替整體復合材料，模擬其細觀結構，從而建立復合材料的宏觀性能同其組分材料性能及細觀結構之間的定量關系。
隨著計算機技術的高速發展，數值分析方法在復合材料力學分析中成為不可缺少的工具，在做計算數值模擬時，建立合適的數學模型，是進行數值模擬計算復合材料等效性能的基礎。
基於有限元法的多尺度等效性能計算是目前一種行之有效的研究復合材料細觀結構與宏觀力學行為之間關系的重要方法。採用這種方法的前提是建立復合材料的有限元模型，包括隨機顆粒分布區域的幾何建模和網格剖分，然後才能進行多尺度計算。
對於復合材料等效性能計算的數值方法，國內外已經發展了名目繁多的各種數值方法。一般來說，可以分為反分析法、直接分析法。其中反分析法實質就是根據現場觀測結果，來反演復合材料力學參數。反分析法主要依賴於材料程的實測位移、本構模型以及材料參數的假定。由於現場觀測資料的獲取受客觀條件影響和對復合材料認識上的不足，往往造成模型和材料參數假定與實際差異很大，因而該方法在實際應用中遇到了一些困難。為此，人們試圖選擇另一種途徑---直接分析法來預測復合材料的力學參數。由於離散元元方法沒有很好解決對復合材料離散後的計算結果的誤差，因此基於離散單元法計算宏觀力學參數的研究較少目前主要是基於有限元法的數值分析法，其計算過程是首先建立顆粒材料的統計模型，然後模擬出不同尺度的復合材料"試件";這樣得到的復合材料"試件"，可以視為由基體和增強顆粒兩部分組成，其力學參數可以在實驗室分別確定，然後應用有限元方法進行分析，進而得到顆粒統計力學參數即。這一方法計算結果的正確性取決於顆粒統計模型的正確性以及有限元演算法的合理性，這一過程雖然有誤差，但是誤差不會比原位實測更大。該方法的不足之處在於為避免尺寸效應，模擬不同尺度"試件"時，增加了計算成木，並且當計算尺度增大時，"試件"內的顆粒數目明顯增加，給有限元的剖分和計算帶來了困難。
還有學者基於有限元方法，基於等效觀點，對顆粒增強復合材料的等效性能進行了研究，即根據一定的等效原則，宏觀地考慮顆粒對材料力學特性的影響，將整個顆粒增強復合材料均勻化、連續化，然後用有限元計算得到等效力學特性.按等效方式來分，主要有材料參數等效法、能量等效法等，這些等效方法有其適用的一面，但仍有一定局限性，例如等效體的尺寸效應問題等.關於材料參數的均勻化理論.作為一種研究復合材料宏觀性質的新方法，數學家們已進行了大量的研究，例如A.Bensousson,J.L.Lion、等針對小周期結構問題的漸進分析，給出了均勻化材料系數的概念；O.A.Oleinik等對具有小周期結構的均勻化理論和一階漸進分析理論進行了深入研究；T.Hou和陳志明等在此基礎上給出了一階漸進展開有限元的理論估計；崔俊芝等針對小周期結構提出了雙尺度禍合演算法。針對具有對稱性的基本胞體給出了高階漸進展式和有限元估計，並把此方法運用到工程計算中，從而使的均勻化從理論分析進入了數值計算。階段和實際應用階段，使得微觀構造十分復雜的非均質材料的宏觀力學參數計算成為現實，並且給出了計算周期性編制復合材料的等效力學參數的雙尺度方法。
在進行等效計算時，首先需建立材料的單胞模型，如二維單胞模型、二維多顆粒單胞模型、三維單胞模型、三維多顆粒單胞模型及代表體單元模型。武漢理工大學的瞿鵬程教授等，根據掃描電鏡試樣截面細觀圖，建立了有限元模型，並且成功預測出了SiC顆粒增強Al基復合材料等效彈塑性力學性能特徵曲線。Soppa根據體積含量10%Al2O3,增強6061Al基復合材料的實驗細觀圖，構件有限元分析模型，觀察殘余熱應力對PRMMCs變形和破壞的影響。Han等人採用三維多顆粒單胞模型研究PRMMCs的力學性能和裂紋的產生。
二、復合材料微結構拓撲優化研究
結構拓撲優化是結構形狀優化的發展，是布局優化的一個方面。當形狀優化逐漸成熟後，結構拓撲優化這一新的概念就開始發展，現在拓撲優化正成為國際結構優化領域一個最新的熱點。以Roderick Lakes（1987，1993）提出的具有負泊松比系數的泡沫材料以及對通過不同組分材料的復合可以獲得任何單相材料無法比擬的極端材料特性(如零膨脹系數、零剪切性能)新發現的闡述為標志，材料微結構的優化設計被納入拓撲優化領域。特別是由Sigmund於九十年代中期提出來的，現在己經成為材料研究領域的前沿課題之一。而在2002年的第9屆AIAA年會上Kalidindi等人提出了"微結構靈敏設計(MSD-Microstructure Sensitive Design)"概念，進一步完善與發展了微結構構型與組分優化設計的思想與體系。這些開創性的工作為復合材料與結構的拓撲優化設計奠定了堅實的基礎，進一步促進了材料微結構的優化設計。
復合材料的宏觀性能可由微結構單胞使用均勻化技術得到，通過對微結構單胞進行拓撲優化設計可獲得具有良好特性的復合材料，例如負的泊松比、負的熱膨脹系數、零剪切性能以及良好壓電特性的壓電材料。對單胞的拓撲優化設計，問題可分為兩類:一是滿足本構模量等於給定值的最小體積百分含量問題;二是滿足一系列體積約束和對稱條件的極值材料常數問題。Silva基於均勻化方法展開了具有極端性能的二維和三維壓電材料的優化設計;國內袁振、吳長春進行了極端性能的彈性材料優化設計，楊衛等採用優化准則法進行具有特定性能的微結構設計，實現了具有負泊松比的材料設計。基於傳熱性能的微結構優化設計目前還處於初期階段，張衛紅等基於均勻化方法進行材料的熱傳導性能預測，在給定材料用量下進行復合材料的設計，得到具有極端熱傳導性能的復合材料。
拓撲優化兼有尺寸優化和形狀優化的復雜性，微結構最終拓撲形式是未知的。以最小柔度作為目標函數的微結構拓撲優化而得到的蜂窩狀結構，為標準的規則正六邊行蜂窩結構。
三、小結
金屬基復合材料是近年來迅速發展起來的一種高技術新型工程材料，以其優越的性能受到國內外的高度重視。SiC顆粒增強鋁基復合材料是目前復合材料中最引人注目的體系之一，不論是在理論上還是在實驗上均是理想的復合材料研究對象。本文綜述了國內外對金屬基復合材料的有效性能研究和復合材料微結構拓撲優化，對金屬基復合材料研究具有一定的知道意義。
Ⅱ 什麼是金屬基復合材料
與非金屬基復合材料相比，金屬基復合材料的潛力尚未充分發揮，應用面比較窄，成熟的品種很少。這種情況一直到20世紀70年代中期才略有好轉。1974年，美國材料咨詢局第一次肯定了研製和使用金屬基復合材料的正確性，表示對這項工作要重視和支持。這主要是航空、航天、能源工業的發展提出的一系列嚴格的要求，看來只有依賴金屬基復合材料和精陶瓷才能夠解決。金屬基復合材料所用的增強劑除了石墨、硼(硼硅克)纖維外，還有高強度鋼絲、高熔點合金絲(鎢、鉬)和晶須(氧化鋁、碳化硅)等。這些纖維分別用來與鋁、鎂、鈦、銅和鎳鈷基高溫合金組成復合材料。
硼—鋁復合材料的研製起步最早，取得了一定效果。這種材料用於太空梭的中機身構架管，可減重80公斤。採用硼—鋁復合材料的飛機為數不多，目前只有F—111、S—3A等，此外還有「阿特拉斯」導彈的殼體。
硼—鋁復合材料最有希望的潛在用途是製造噴氣發動機的壓氣機及風扇葉片，如用其代替鈦合金可減重33％，節省成本45％左右。美國幾家主要發動機公司如普拉特•惠特尼、通用電器、TRW等均進行過硼—鋁復合材料風扇葉片的研究。JT8D發動機上試用硼—鋁壓氣機葉片，工作溫度達到300℃，此外，在TF—41—P3發動機上還試用了鈹—鋁壓氣機葉片。
石墨—鋁復合材料也具有很高的比強度和比模量，適合直升機、導彈、坦克和突擊浮橋使用。CH47直升機的傳動機，採用了多層石墨—鋁護板，大大減少了振動噪音，此外石墨—鋁和石墨—鎂將被用在人造衛星和大型空間結構上，如衛星支撐架、平面天線體、可折式拋物面天線助等。
鎳基和鈷基高溫合金使用高熔點鉬、鎢絲式晶須增強後成為耐熱復合材料。這項工作在許多國家開展多年，目的是為了滿足工作溫度和載荷日益提高的先進渦輪發動機的需要。利用這種耐熱復合材料製成實心渦輪葉片，可以提高渦輪的溫度和轉數，減少渦輪級數和冷卻氣體的消耗，為改進發動機創造了條件。採用加有二氧化釷和碳化鉿的鎢絲增強復合材料，工作溫度為1160～1200℃，至少比目前的渦輪工作溫度提高100℃。
利用氧化鋁晶須氈或單晶纖維增強熔點鉬鎢後，可以耐更高的溫度，在1650℃時的強度為鎢的兩倍，作為火箭噴口材料已通過試驗。
以鋼板為基體的各種層壓板也是一種通用的復合材料。例如波音767和757飛機上採用的一種包不銹鋼鋁板，可以代替鈦合金作為發動機的防火材料，重量輕而價格低。
另一種是以鋼板為基、多孔青銅的中間層、聚四氟乙烯塑料為表面層的三層復合材料，可用於製造載重汽車底盤襯套、機床導軌和在高溫腐蝕介質中工作的軸承。
超導電纜也是一種復合材料，它是以銅—錫合金為基體，埋人295根鈮線後組成，經過擴散處理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金屬化合物，它具有超導性，可以用於製造磁懸浮高速列車、核聚變反應堆電磁鐵、儲能超導感應器、超導發電機等新產品。
Ⅲ 金屬基復合材料損傷細觀力學分析
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Ⅳ 什麼叫金屬基復合材料，金屬面夾芯板算不算，參考文獻
算吧
Ⅳ 目前金屬基復合材料的制備工藝主要有哪些
（一）粉末冶金復合法
粉末冶金復合法基本原理與常規的粉末冶金法相同，包括燒結成形法、燒結制坯加塑法加工成形法等適合於分散強化型復合材料（顆粒強化或纖維強化型復合材料）的制備與成型。粉末冶金復合法的工藝主要優點是：基體金屬或合金的成分可自由選擇，基體金屬與強化顆粒之間不易發生反應；可自由選擇強化顆粒的種類、尺寸，還可多種顆粒強化；強化顆粒添加量的范圍大；較容易實現顆粒均勻化。缺點是：工藝復雜，成本高；製品形狀、尺寸受限制；微細強化顆粒的均勻分散困難；顆粒與基體的界面不如鑄造復合材料等。
（二）鑄造凝固成型法
鑄造凝固成型法是在基體金屬處於熔融狀態下進行復合。主要方法有攪拌鑄造法、液相滲和法和共噴射沉積法等。鑄造凝固成型鑄造復合材料具有工藝簡單化、製品質量好等特點，工業應用較廣泛。
1、原生鑄造復合法
原生鑄造復合法（也稱液相接觸反應合成技術Liquid Contact Reaction：LCR）是將生產強化顆粒的原料加到熔融基體金屬中，利用高溫下的化學反應強化相，然後通過澆鑄成形。這種工藝的特點是顆粒與基體材料之間的結合狀態良好，顆粒細小（0.25～1.5μm），均勻彌散，含量可高達40%，故能獲得高性能復合材料。常用的元素粉末有鈦、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。該方法可用於制備A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基復合材料，強化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。
2、攪拌鑄造法
攪拌鑄造法也稱摻和鑄造法等，是在熔化金屬中加入陶瓷顆粒，經均勻攪拌後澆入鑄模中獲得製品或二次加工坯料，此法易於實現能大批量生成，成本較低。該方法在鋁基復合材料的制備方面應用較廣，但其主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。原因有兩方面：①強化顆粒與熔體基本金屬之間容易產生化學反應；②強化顆粒不易均勻分散在鋁合金一類的合金熔體中，這是由於陶瓷顆粒與鋁合金的潤滑性較差，另一個問題是陶瓷顆粒容易與溶質原子一起在枝晶間產生偏析。
3、半固態復合鑄造法
半固態復合鑄造法是從半固態鑄造法發展而來的。通常金屬凝固時，初生晶以枝晶方式長大，固相率達0.2%左右時枝晶就形成連續網路骨架，失去宏觀流動性。如果在液態金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌則使樹枝晶網路骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態，懸浮於剩餘液相中，這種顆粒狀非枝晶的微組織在固相率達0.5%～0.6%仍具有一定的流變性。液固相共存的半固態合金因具有流變性，可以進行流變鑄造；半固態漿液同時具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、液相變點軟化，由於壓鑄時澆口處及型壁的剪切作用，可恢復流變性而充滿鑄型。強化顆粒或短纖維強化材料加入到受強烈攪拌的半固態合金中，由於半固態漿液球狀碎晶粒對添加顆粒的分散和捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液中均勻分布，改善了潤濕性並促進界面的結合。
4、含浸凝固法（MI技術）
含浸凝固法是一種將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體含浸於熔融基體金屬之中，讓基體金屬浸透預成型體後，使其凝固以制備復合材料的方法。有加壓含浸和非加壓含浸兩種方法。含浸法適合於強化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復合材料的制備。強化相含量可高達30%～80%；強化相與熔融金屬之間的反應得到抑止，不易產生偏折。但用顆粒作強化相時，預成形體的制備較困難，通常採用晶須、短纖維制備預成形體。熔體金屬不易浸透至預成形體的內部，大尺寸復合材料的制備較困難。
5、離心鑄造法
廣泛應用於空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復合材料，此方法簡單，具有成本低、鑄件緻密度高等優點，但是界面質量不易控制，難以形成連續長尺寸的復合材料。
6、加壓凝固鑄造法
該法是將金屬液澆注鑄型後，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬從液態到凝固均處於高壓下，故能充分浸滲，補縮並防止產生氣孔，得到緻密鑄件。鑄、鍛相結合的方法又稱擠壓鑄造、液態模鍛、鍛鑄法等。加壓凝固鑄造法可制備較復雜的MMCs零件，亦可局部增強。由於復合材料易在熔融狀態下壓力復合，故結合十分牢固，可獲得力學性能很高的零件。這種高溫下製成的復合坯，二次成型比較方便，可進行各種熱處理，達到對材料的多種要求。
7、熱浸鍍與反向凝固法
熱浸鍍與反向凝固法都是用來制備連續長尺寸包覆材料的方法。熱浸鍍主要用於線材的連續鍍層，主要控制通過鍍層區的長度和芯線通過該區的速度等。反向凝固法是利用薄帶作為母帶，以一定的拉速穿過反向凝固器，由於母帶的速度遠遠低於熔融金屬的速度，在母帶的表面附近形成足夠大的過冷度，熔融金屬以母帶表面開始凝固生長，配置在反向凝固器上方的一對軋輥，同時起到拉坯平整和焊合的作用。
8、真空鑄造法
真空鑄造法是先將連續纖維纏繞在繞線機上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機高分子化合物方法製成半固化帶，把預成型體放入鑄型中，加熱到500℃使有機高分子分解。鑄型的一端浸入基體金屬液，另一端抽真空，將金屬液吸入型腔浸透纖維。
（三）噴射成形法
噴射成形又稱噴射沉積（Spray Forming），是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，並使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強微細顆粒會合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平台上，凝固成復合材料。凝固的過程比較復雜，與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強體的送入角有關，過早凝固不能復合，過遲的凝固則使增強體發生上浮下沉而分布不勻。這種方法的優點是工藝快速，金屬大范圍偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復合材料發生界面反應，增強體分布均勻。缺點是出現原材料被氣流帶走和沉積在效應器壁上等現象而損失較大，還有復合材料氣孔率以及容易出現的疏鬆。利用噴射成形原理制備工藝有添加法（inert spray form-ing）和反應法（reactive spray forming）兩種。Osprey Metals研究的Osprey工藝是噴射成形法的代表，其強化顆粒與熔融金屬接觸時間短，界面反應得以有效抑制。反應噴射沉積法是使強化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動生成的方法。
（四）疊層復合法
疊層復合法是先將不同金屬板用擴散結合方法復合，然後採用離子濺射或分子束外延方法交替地將不同金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構成金屬基復合材料。這種復合材料性能很好，但工藝復雜難以實用化。目前這種材料的應用尚不廣泛，過去主要少量應用或試用於航空、航天及其它軍用設備上，現在正努力向民用方向轉移，特別是在汽車工業上有很好的發展前景。
（五）原位生成復合法
原位生成復合法也稱反應合成技術，金屬基復合材料的反應合成法是指藉助化學反應，在一定條件下在基體金屬內原位生成一種或幾種熱力學穩定的增強相的一種復合方法。這種增強相一般為具有高硬度、高彈性模量和高溫強度的陶瓷顆粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它們往往與傳統的金屬材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金屬及其合金，或（NiTi）（、AlTi）等金屬間化合物復合，從而得到具有優良性能的結構材料或功能材料。
金屬基復合材料的原位復合工藝基本上能克服其它工藝中常出現的一系列問題，如基體與增強體浸潤不良、界面反應產生脆性、增強體分布不均勻、對微小的（亞微米和納米級）增強體極難進行復合等。它作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生長法等。
1、直接氧化（DIMON）法
直接氧化法是由氧化性氣體在一定工藝條件下使金屬合金液直接氧化形成復合材料。通常直接氧化法的溫度比較高，添加適量的合金元素如Mg、Si等，可使反應速度加快。這類復合材料的強度、韌性取決於形成粒子的狀態和最終顯微組織形態。由於形成的增強體可以通過合金化及其反應熱力學進行判斷，因此可以通過合金化、爐內氣氛的控制來製得不同類型增強體的復合材料。
2、放熱彌散（XD）法
放熱彌散復合技術（Exothermic Dispersion）的基本原理是將增強相反應物料與金屬基粉末按一定的比例均勻混合，冷壓或熱壓成型，製成坯塊，以一定的加熱速率加熱，在一定的溫度下（通常是高於基體的熔點而低於增強相的熔點）保溫，使增強相各組分之間進行放熱化學反應，生成增強相。增強相尺寸細小，呈彌散分布。XD技術具有很多優點：①可合成的增強相種類多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；②增強相粒子的體積百分比可以通過控制增強相組分物料的比例和含量加以控制；③增強相粒子的大小可以通過調節加熱溫度加以控制；④可以制備各種MMC；⑤由於反應是在融熔狀態下進行，可以進一步近終形成型。XD技術是合成顆粒增強金屬基及金屬間化合物基復合材料的最有效的工藝之一。但用XD工藝製成的產品存在著較大孔隙度的問題，目前一般採用在反應過程中直接壓實來提高緻密度。
3、 SHS-鑄滲法
SHS-鑄滲法是將金屬基復合材料的自蔓延高溫合成技術（Self-Propagating High Temperature Synthesis）和液態鑄造法結合起來的一種新技術，包括增強顆粒的原位合成和鑄造成型兩個過程。當前，SHS-鑄滲法是有競爭力的反應合成工藝之一，但過程式控制制非常困難。其典型工藝為：利用合金熔體的高溫引燃鑄型中的固體SHS系，通過控制反應物和生成物的位置，在鑄件表面形成復合塗層，它可使SHS材料合成與緻密化、鑄件的成形與表面塗層的制備同時完成。
4、反應噴射沉積技術（RSD）
反應噴射沉積工藝（Reactive Spray Deposition）生成陶瓷顆粒的反應有氣—液反應、液—液反應、固—液反應和加鹽反應等多種類型。它綜合了快速凝固及粉末冶金的優點，並克服了噴射共沉積工藝中存在的如顆粒與基體接近機械結合、增強相體積分數不能太高等缺點，成為目前金屬基復合材料研究的重要方向之一。反應噴射沉積工藝過程為：金屬液被霧化前噴入高活性的固體顆粒發生液固反應，導致噴入的顆粒在霧化過程中溶解並與基體中的一種或多種元素反應形成穩定的彌散相，控制噴霧的冷卻速率以及隨後坯件的冷卻速率可以控制彌散相的尺寸。
Ⅵ 金屬基復合材料的性能有什麼特點，其應用如何
復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和專比模量大。例屬如碳纖維與環氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到熱膨脹系數幾乎等於零的材料。纖維增強材料的另一個特點是各向異性，因此可按製件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發動機風扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復合， 使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用於航天器、火箭導彈和原子能反應堆中。非金屬基復合材料由於密度小，用於汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合製成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。
Ⅶ 金屬基復合材料的介紹
金屬基復合材料（Metal Matrix Composite，MMC）一般是以金屬或合金為連續相而顆粒，晶須內或纖維形式的第二相容組成的復合材料。目前其制備和加工比較困難，成本相對較高，常用在航天航空和軍事工業上。現在復合材料生產加工技術已經相對比較成熟，民用，商用領域均有使用。
