金属基复合材料参考文献
文关键词：金属基复合材料有效性能结构拓扑优化
论文摘要：金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。笔者阅读了大量相关文献，进而综述了近些年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。
一、颗粒随机分布金属基复合材料有效性能研究
九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系。
随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟计算复合材料等效性能的基础。
基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。
对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材料参数的假定。由于现场观测资料的获取受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。为此，人们试图选择另一种途径---直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法，其计算过程是首先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料"试件";这样得到的复合材料"试件"，可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度"试件"时，增加了计算成木，并且当计算尺度增大时，"试件"内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算带来了困难。
还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性.按等效方式来分，主要有材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例如等效体的尺寸效应问题等.关于材料参数的均匀化理论.作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如A.Bensousson,J.L.Lion、等针对小周期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；O.A.Oleinik等对具有小周期结构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；T.Hou和陈志明等在此基础上给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计，并把此方法运用到工程计算中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料的等效力学参数的双尺度方法。
在进行等效计算时，首先需建立材料的单胞模型，如二维单胞模型、二维多颗粒单胞模型、三维单胞模型、三维多颗粒单胞模型及代表体单元模型。武汉理工大学的瞿鹏程教授等，根据扫描电镜试样截面细观图，建立了有限元模型，并且成功预测出了SiC颗粒增强Al基复合材料等效弹塑性力学性能特征曲线。Soppa根据体积含量10%Al2O3,增强6061Al基复合材料的实验细观图，构件有限元分析模型，观察残余热应力对PRMMCs变形和破坏的影响。Han等人采用三维多颗粒单胞模型研究PRMMCs的力学性能和裂纹的产生。
二、复合材料微结构拓扑优化研究
结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。以Roderick Lakes（1987，1993）提出的具有负泊松比系数的泡沫材料以及对通过不同组分材料的复合可以获得任何单相材料无法比拟的极端材料特性(如零膨胀系数、零剪切性能)新发现的阐述为标志，材料微结构的优化设计被纳入拓扑优化领域。特别是由Sigmund于九十年代中期提出来的，现在己经成为材料研究领域的前沿课题之一。而在2002年的第9届AIAA年会上Kalidindi等人提出了"微结构灵敏设计(MSD-Microstructure Sensitive Design)"概念，进一步完善与发展了微结构构型与组分优化设计的思想与体系。这些开创性的工作为复合材料与结构的拓扑优化设计奠定了坚实的基础，进一步促进了材料微结构的优化设计。
复合材料的宏观性能可由微结构单胞使用均匀化技术得到，通过对微结构单胞进行拓扑优化设计可获得具有良好特性的复合材料，例如负的泊松比、负的热膨胀系数、零剪切性能以及良好压电特性的压电材料。对单胞的拓扑优化设计，问题可分为两类:一是满足本构模量等于给定值的最小体积百分含量问题;二是满足一系列体积约束和对称条件的极值材料常数问题。Silva基于均匀化方法展开了具有极端性能的二维和三维压电材料的优化设计;国内袁振、吴长春进行了极端性能的弹性材料优化设计，杨卫等采用优化准则法进行具有特定性能的微结构设计，实现了具有负泊松比的材料设计。基于传热性能的微结构优化设计目前还处于初期阶段，张卫红等基于均匀化方法进行材料的热传导性能预测，在给定材料用量下进行复合材料的设计，得到具有极端热传导性能的复合材料。
拓扑优化兼有尺寸优化和形状优化的复杂性，微结构最终拓扑形式是未知的。以最小柔度作为目标函数的微结构拓扑优化而得到的蜂窝状结构，为标准的规则正六边行蜂窝结构。
三、小结
金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种高技术新型工程材料，以其优越的性能受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，不论是在理论上还是在实验上均是理想的复合材料研究对象。本文综述了国内外对金属基复合材料的有效性能研究和复合材料微结构拓扑优化，对金属基复合材料研究具有一定的知道意义。
Ⅱ 什么是金属基复合材料
与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年，美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼(硼硅克)纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝(钨、钼)和晶须(氧化铝、碳化硅)等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。
硼—铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重80公斤。采用硼—铝复合材料的飞机为数不多，目前只有F—111、S—3A等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。
硼—铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片，如用其代替钛合金可减重33％，节省成本45％左右。美国几家主要发动机公司如普拉特•惠特尼、通用电器、TRW等均进行过硼—铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D发动机上试用硼—铝压气机叶片，工作温度达到300℃，此外，在TF—41—P3发动机上还试用了铍—铝压气机叶片。
石墨—铝复合材料也具有很高的比强度和比模量，适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47直升机的传动机，采用了多层石墨—铝护板，大大减少了振动噪音，此外石墨—铝和石墨—镁将被用在人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线助等。
镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年，目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片，可以提高涡轮的温度和转数，减少涡轮级数和冷却气体的消耗，为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料，工作温度为1160～1200℃，至少比目前的涡轮工作温度提高100℃。
利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后，可以耐更高的温度，在1650℃时的强度为钨的两倍，作为火箭喷口材料已通过试验。
以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音767和757飞机上采用的一种包不锈钢铝板，可以代替钛合金作为发动机的防火材料，重量轻而价格低。
另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料，可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和在高温腐蚀介质中工作的轴承。
超导电缆也是一种复合材料，它是以铜—锡合金为基体，埋人295根铌线后组成，经过扩散处理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金属化合物，它具有超导性，可以用于制造磁悬浮高速列车、核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电机等新产品。
Ⅲ 金属基复合材料损伤细观力学分析
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Ⅳ 什么叫金属基复合材料，金属面夹芯板算不算，参考文献
算吧
Ⅳ 目前金属基复合材料的制备工艺主要有哪些
（一）粉末冶金复合法
粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。
（二）铸造凝固成型法
铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法
原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。
2、搅拌铸造法
搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。
3、半固态复合铸造法
半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%～0.6%仍具有一定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。
4、含浸凝固法（MI技术）
含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大尺寸复合材料的制备较困难。
5、离心铸造法
广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。
6、加压凝固铸造法
该法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔，得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。加压凝固铸造法可制备较复杂的MMCs零件，亦可局部增强。由于复合材料易在熔融状态下压力复合，故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。这种高温下制成的复合坯，二次成型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。
7、热浸镀与反向凝固法
热浸镀与反向凝固法都是用来制备连续长尺寸包覆材料的方法。热浸镀主要用于线材的连续镀层，主要控制通过镀层区的长度和芯线通过该区的速度等。反向凝固法是利用薄带作为母带，以一定的拉速穿过反向凝固器，由于母带的速度远远低于熔融金属的速度，在母带的表面附近形成足够大的过冷度，熔融金属以母带表面开始凝固生长，配置在反向凝固器上方的一对轧辊，同时起到拉坯平整和焊合的作用。
8、真空铸造法
真空铸造法是先将连续纤维缠绕在绕线机上，用聚甲丙烯酸等能分解的有机高分子化合物方法制成半固化带，把预成型体放入铸型中，加热到500℃使有机高分子分解。铸型的一端浸入基体金属液，另一端抽真空，将金属液吸入型腔浸透纤维。
（三）喷射成形法
喷射成形又称喷射沉积（Spray Forming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。利用喷射成形原理制备工艺有添加法（inert spray form-ing）和反应法（reactive spray forming）两种。Osprey Metals研究的Osprey工艺是喷射成形法的代表，其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。
（四）叠层复合法
叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。
（五）原位生成复合法
原位生成复合法也称反应合成技术，金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金属及其合金，或（NiTi）（、AlTi）等金属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料。
金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等。它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。
1、直接氧化（DIMON）法
直接氧化法是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料。通常直接氧化法的温度比较高，添加适量的合金元素如Mg、Si等，可使反应速度加快。这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织形态。由于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断，因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料。
2、放热弥散（XD）法
放热弥散复合技术（Exothermic Dispersion）的基本原理是将增强相反应物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率加热，在一定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点）保温，使增强相各组分之间进行放热化学反应，生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥散分布。XD技术具有很多优点：①可合成的增强相种类多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；②增强相粒子的体积百分比可以通过控制增强相组分物料的比例和含量加以控制；③增强相粒子的大小可以通过调节加热温度加以控制；④可以制备各种MMC；⑤由于反应是在融熔状态下进行，可以进一步近终形成型。XD技术是合成颗粒增强金属基及金属间化合物基复合材料的最有效的工艺之一。但用XD工艺制成的产品存在着较大孔隙度的问题，目前一般采用在反应过程中直接压实来提高致密度。
3、 SHS-铸渗法
SHS-铸渗法是将金属基复合材料的自蔓延高温合成技术（Self-Propagating High Temperature Synthesis）和液态铸造法结合起来的一种新技术，包括增强颗粒的原位合成和铸造成型两个过程。当前，SHS-铸渗法是有竞争力的反应合成工艺之一，但过程控制非常困难。其典型工艺为：利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。
4、反应喷射沉积技术（RSD）
反应喷射沉积工艺（Reactive Spray Deposition）生成陶瓷颗粒的反应有气—液反应、液—液反应、固—液反应和加盐反应等多种类型。它综合了快速凝固及粉末冶金的优点，并克服了喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结合、增强相体积分数不能太高等缺点，成为目前金属基复合材料研究的重要方向之一。反应喷射沉积工艺过程为：金属液被雾化前喷入高活性的固体颗粒发生液固反应，导致喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。
Ⅵ 金属基复合材料的性能有什么特点，其应用如何
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和专比模量大。例属如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。
Ⅶ 金属基复合材料的介绍
金属基复合材料（Metal Matrix Composite，MMC）一般是以金属或合金为连续相而颗粒，晶须内或纤维形式的第二相容组成的复合材料。目前其制备和加工比较困难，成本相对较高，常用在航天航空和军事工业上。现在复合材料生产加工技术已经相对比较成熟，民用，商用领域均有使用。
