复合材料及其成型技术课件

复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术曹韩学曹韩学复合材料及其成型技术曹韩学复合材料及其成型技术曹韩学复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术一、复合材料定义一、复合材料定义一、复合材料定义一、复合材料定义 第一节第一节 什么是复合材料什么是复合材料从广义上讲，复合材料是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同化学性质化学性质化学性质化学性质的组分的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由由两种或两种以上不同两种或两种以上不同相态相态相态相态的组分的组分所组成的材料。所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。一、复合材料定义一、复合材料定义 第一节第一节 什么是复合材料从什么是复合材料从复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术史上最牛的钉子户史上最牛的钉子户我们住在复合材料里我们住在复合材料里复合材料无所不在！复合材料无所不在！史上最牛的钉子户我们住在复合材料里复合材料无所不在！史上最牛的钉子户我们住在复合材料里复合材料无所不在！复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术木质素木质素纤维素纤维素树木也是一种复合材料树木也是一种复合材料木质素树木也是一种复合材料木质素树木也是一种复合材料复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术燕子窝：泥土燕子窝：泥土草复合材料草复合材料燕子窝：泥土燕子窝：泥土草复合材料草复合材料复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术进化的复合材料进化的复合材料-海胆牙齿海胆牙齿进化的复合材料进化的复合材料-贝壳贝壳进化的复合材料进化的复合材料-海胆牙齿进化的复合材料海胆牙齿进化的复合材料-贝壳贝壳复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢玻璃钢冷却塔复合材料玻璃钢玻璃钢冷却塔复合材料玻璃钢复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强风机叶片复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢游艇玻璃钢游艇玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢游艇玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢游艇复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术1.1.机车导流罩机车导流罩2.2.司机室司机室3.3.外顶板外顶板4.4.上顶板和下层地板上顶板和下层地板5.5.内墙板内墙板6.6.通过台通过台7.7.卫生间卫生间8.8.外部门板外部门板9.9.设备保护外壳设备保护外壳10.10.内板家具内板家具 和座椅和座椅11.11.行李箱行李箱12.12.内板隔板和门板内板隔板和门板玻璃钢玻璃钢/复合材料在轨道交通车辆中的应用复合材料在轨道交通车辆中的应用1.机车导流罩机车导流罩2.司机室司机室3.外顶板外顶板4.上顶板和下层地板上顶板和下层地板复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术A380A380复合材料复合材料的使用比例为的使用比例为22%22%，A340-600A340-600的比例为的比例为12%12%。A380复合材料的使用比例为复合材料的使用比例为22%，A340-600的比例为的比例为复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术19971997年服役，目前年服役，目前世界世界性能最佳性能最佳性能最佳性能最佳的制的制空空战机之一战机之一 55%55%55%55%机身采用机身采用高高高高強度強度強度強度、低重量、低重量、低重量、低重量的复的复合材料合材料1997年服役，目前世界性能最佳的制空战机之一年服役，目前世界性能最佳的制空战机之一复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术美国美国F/A-18歼击机歼击机美美UH60A型直升飞机型直升飞机美国美国F/A-18歼击机美歼击机美UH60A型直升飞机型直升飞机复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术B-777B-777上用的先进材料上用的先进材料B-777上用的先进材料上用的先进材料复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低低)温，独特温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。想材料。二、复合材料的特点二、复合材料的特点二、复合材料的特点二、复合材料的特点 复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术三、复合材料的意义三、复合材料的意义三、复合材料的意义三、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如例如：火箭壳体材料对射程的影响，火箭壳体材料对射程的影响，飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材料发展预测如下航空发动机材料发展预测如下三、复合材料的意义三、复合材料的意义复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术四、复合材料的分类四、复合材料的分类四、复合材料的分类四、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。复合材料复合材料性能高低性能高低常用复合材料常用复合材料先进复合材料先进复合材料用用 途途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料四、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。四、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术结构复合材料的分类：结构复合材料的分类：按按基基体体相相的的性性质质分分聚合物基聚合物基聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基碳基碳基复合材料复合材料热固热固热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑热塑热塑性树脂基性树脂基橡胶橡胶橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃玻璃玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物基基结构复合材料的分类：按基体相的性质分热固性树脂基高温陶瓷基轻结构复合材料的分类：按基体相的性质分热固性树脂基高温陶瓷基轻复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术按按增增强强体体的的形形态态分分叠层式叠层式叠层式叠层式复合材料复合材料片材增强片材增强片材增强片材增强复合材料复合材料颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强复合材料复合材料人工人工人工人工晶片晶片晶片晶片天然天然天然天然片状物片状物片状物片状物微米微米微米微米颗粒颗粒颗粒颗粒纳米纳米纳米纳米颗粒颗粒颗粒颗粒不连续纤维不连续纤维不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料晶须晶须晶须晶须增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料短切纤维短切纤维短切纤维短切纤维增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料单向纤维单向纤维单向纤维单向纤维增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料二维织物二维织物二维织物二维织物增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料三维织物三维织物三维织物三维织物增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料按增强体的形态分叠层式复合材料人工晶片微米颗粒不连续纤维复合按增强体的形态分叠层式复合材料人工晶片微米颗粒不连续纤维复合复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其增强相的各种形态复合材料及其增强相的各种形态纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状复合材料及其增强相的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状复合材料及其增强相的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术第二节第二节 金属基复合材料概述金属基复合材料概述金属基复合材料金属基复合材料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料传统的金属材料来说，具有来说，具有较较高的高的比强度比强度比强度比强度与与比刚度比刚度比刚度比刚度。而与而与树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导电性导电性与与耐热性耐热性耐热性耐热性。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高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能高冲击性能高冲击性能。金属基复合材料金属基复合材料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定了它已决定了它已从诞生从诞生之日起之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领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应用并且其应用领域正在逐步扩大。域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。第二节第二节 金属基复合材料概述金属基复合材料相对于传统的金属金属基复合材料概述金属基复合材料相对于传统的金属复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料的分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金属为基体以金属为基体，以高强度的第二相为以高强度的第二相为以高强度的第二相为以高强度的第二相为增强体增强体增强体增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可可可可按按按按用途用途用途用途来进行、来进行、来进行、来进行、按基体按基体按基体按基体来进行、也可来进行、也可按增强体按增强体按增强体按增强体来进行。来进行。1.1.按用途分类按用途分类按用途按用途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料一、金属基复合材料的分类金属基复合材料是以金属为基体，以一、金属基复合材料的分类金属基复合材料是以金属为基体，以复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术2.2.按基体分类按基体分类铝基复合材料铝基复合材料镍基复合树树镍基复合树树钛基复合材料钛基复合材料按基体按基体(1)(1)(1)(1)铝基复合材料铝基复合材料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应用得最广应用得最广的一种。由于的一种。由于铝的铝的铝的铝的基体基体基体基体为为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，因此具有结构，因此具有良好的良好的塑性和韧性塑性和韧性塑性和韧性塑性和韧性，再加之，再加之它所具有的它所具有的易加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉价格低廉价格低廉等优点，为其等优点，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。2.按基体分类铝基复合材料按基体按基体分类铝基复合材料按基体(1)铝基复合材料铝基复合材料复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是用各用各用各用各种铝合金种铝合金种铝合金种铝合金。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能铝合金具有更好的综合性能铝合金具有更好的综合性能铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性对复合材料的性能需要能需要来决定。来决定。在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术(2)(2)(2)(2)镍基复合材料镍基复合材料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镍及镍合金为基体镍及镍合金为基体制造的。由于镍的制造的。由于镍的高温性能优良高温性能优良高温性能优良高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工高温下工作的零部件作的零部件。人们研制人们研制镍基复合材料镍基复合材料镍基复合材料镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它的一个重要目的，即是希望用它来制造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提高燃汽轮机的工作温度度。但目前由于但目前由于制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺及及可靠性可靠性可靠性可靠性等问题尚未解决，所以还等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。未能取得满意的结果。(2)镍基复合材料人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即镍基复合材料人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术(3)(3)(3)(3)钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛钛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比强度更高的比强度更高的比强度更高的比强度。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保持其强度能更好地保持其强度能更好地保持其强度能更好地保持其强度。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超音速速时，时，钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性。随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计，采用采用更细长的机冀更细长的机冀和和其它冀型其它冀型，为此需要，为此需要高刚度的材料高刚度的材料高刚度的材料高刚度的材料，而，而纤维增强钛纤维增强钛纤维增强钛纤维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。(3)钛基复合材料因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提钛基复合材料因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术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料中最常用的增强体是最常用的增强体是硼纤维硼纤维硼纤维硼纤维，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。基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中最常用的增强体是硼基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中最常用的增强体是硼复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术3.3.按增强体分类按增强体分类纤维增强复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料层状复合材料层状复合材料按增强体按增强体(1)(1)(1)(1)纤维增强复合材料纤维增强复合材料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的不同根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同可分为可分为长纤长纤长纤长纤维维维维、短纤维短纤维短纤维短纤维和和晶须晶须晶须晶须，它们均属于，它们均属于一维增强体一维增强体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材料均表现出明显的均表现出明显的各向异性各向异性各向异性各向异性特征。特征。3.按增强体分类纤维增强复合材料按增强体按增强体分类纤维增强复合材料按增强体(1)纤维增强复合材纤维增强复合材复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术当当韧性金属基体韧性金属基体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高强度脆性纤维高强度脆性纤维增强时，增强时，基体的屈服基体的屈服基体的屈服基体的屈服和和塑性流动塑性流动塑性流动塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强弹性模量的增强弹性模量的增强弹性模量的增强具有相当大的作用。具有相当大的作用。(2)(2)(2)(2)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料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硬质是指弥散的硬质增强相的体积增强相的体积增强相的体积增强相的体积超过超过超过超过20202020的复合材料，而不包括那种的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比弥散质点体积比弥散质点体积比弥散质点体积比很低的很低的弥散强化金属。弥散强化金属。分为分为分为分为外加外加外加外加和和和和内生内生内生内生两种。两种。两种。两种。当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术(3)(3)(3)(3)层状复合材料层状复合材料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型性较好的金属基体材料在韧性和成型性较好的金属基体材料在韧性和成型性较好的金属基体材料在韧性和成型性较好的金属基体材料中中中中，含有，含有重复排列的重复排列的高强度高强度高强度高强度、高模量高模量高模量高模量片层状增强物片层状增强物的复合材的复合材料。料。层状复合材料的层状复合材料的强度强度强度强度和和大尺寸增强物的性能大尺寸增强物的性能大尺寸增强物的性能大尺寸增强物的性能比较接近，比较接近，而与而与晶须或纤维类晶须或纤维类小尺寸增强物的性能小尺寸增强物的性能小尺寸增强物的性能小尺寸增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于结构件的大小相当于结构件的大小，因此因此增强物中的缺陷增强物中的缺陷增强物中的缺陷增强物中的缺陷可以成为可以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裂纹的核心裂纹的核心。(3)层状复合材料层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能层状复合材料层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术由于由于薄片增强的强度薄片增强的强度薄片增强的强度薄片增强的强度不如不如纤维增强相高纤维增强相高，因此，因此层状结构层状结构复合材料的强度复合材料的强度受到了限制。受到了限制。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，薄片增强物薄片增强物薄片增强物薄片增强物对强度和对强度和对强度和对强度和模量都有增强效果模量都有增强效果模量都有增强效果模量都有增强效果，这与，这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具有明显的优越性。明显的优越性。由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术二、金属基复合材料特性二、金属基复合材料特性二、金属基复合材料特性二、金属基复合材料特性 复合材料是由复合材料是由多种组分多种组分的材料组的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。成，许多性能优于单一组分的材料。1.1.高比强度、高比模量（刚度）高比强度、高比模量（刚度）比强度比强度 =强度强度/密度密度 MPa/MPa/（g/cmg/cm3 3）比模量比模量 =模量模量/密度密度 GPa/GPa/（g/cmg/cm3 3）、增强体增强体或者或者基体基体是比重小的物是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；是完全致密的；、增强体多是强度很高的纤维。、增强体多是强度很高的纤维。比强度比较比强度比较碳纤维碳纤维 树脂树脂硼纤维硼纤维 树脂树脂玻璃纤维玻璃纤维 树脂树脂钛钛钢钢铝铝二、金属基复合材料特性二、金属基复合材料特性 复合材料是由多种组分的材料组成复合材料是由多种组分的材料组成复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术例如，例如，普通碳钢普通碳钢普通碳钢普通碳钢的密度为的密度为7.8 g/cm7.8 g/cm3 3。玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂基基基基复合材料的密度为复合材料的密度为1.51.52.0 g/cm2.0 g/cm3 3，只有普通碳钢的，只有普通碳钢的1/41/41/51/5，比铝合金还要轻，比铝合金还要轻1/1/左右，而左右，而机械强度机械强度机械强度机械强度却能超过普通碳却能超过普通碳钢的水平。钢的水平。若按若按比强度比强度比强度比强度计算，计算，玻璃纤维增强的树脂玻璃纤维增强的树脂玻璃纤维增强的树脂玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超基复合材料不仅超过过碳钢碳钢碳钢碳钢，而且可超过某些特殊，而且可超过某些特殊合金纲合金纲合金纲合金纲。碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维复合材料、复合材料、有机纤维有机纤维有机纤维有机纤维复合材料具有比复合材料具有比玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维复合复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。例如，普通碳钢的密度为例如，普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增强树。玻璃纤维增强树复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在工作状态下产生共振。工作状态下产生共振。纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强复合材料具有复合材料具有很好的减振性能很好的减振性能很好的减振性能很好的减振性能。2.2.热膨胀系数小，尺寸稳定性好热膨胀系数小，尺寸稳定性好 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在工作复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在工作复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术3.3.良好的高温性能良好的高温性能目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在35035011001100 C C范范围内变动；围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达陶瓷基复合材料的使用温度可达14001400 C C；碳碳/碳复合材料的使用温度最高可达碳复合材料的使用温度最高可达28002800 C C。不同不同SiCSiC纤维复合材纤维复合材料的使用温料的使用温度范围。度范围。3.良好的高温性能目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为良好的高温性能目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为35复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术4.4.良好的疲劳性能和断裂韧度良好的疲劳性能和断裂韧度 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。循环次数循环次数应力应力碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢玻璃钢铝合金铝合金 复复合合材材料料具具有有较较高高的的疲疲劳劳强强度度。实实验验表表明明：r r70708080b b，而而钢钢的的疲疲劳劳强强度度只只有有抗抗拉拉强度的强度的40405050。纤纤维维复复合合材材料料平平均均几几千千到到几几万万根根纤纤维维/cm/cm2 2，即即使使有有少少数数纤纤维维断断裂裂亦亦不不会会影影响响到到其其承承载载能能力力，故破断安全性好。故破断安全性好。4.良好的疲劳性能和断裂韧度良好的疲劳性能和断裂韧度 纤维增强复合材料对缺口及纤维增强复合材料对缺口及复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术5.5.工艺性能优良工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能优良的工艺性能优良的工艺性能优良的工艺性能，能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。复杂、数量少制品的制造。6.6.耐磨性好耐磨性好7.7.不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好5.工艺性能优良工艺性能优良6.耐磨性好耐磨性好7.不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术第三节第三节 金属基复合材料的设计金属基复合材料的设计一、复合材料的可设计性一、复合材料的可设计性一、复合材料的可设计性一、复合材料的可设计性 复合材料可以复合材料可以根据不同的用途要求根据不同的用途要求根据不同的用途要求根据不同的用途要求，灵活地进行产品，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。设计，具有很好的可设计性。可设计性是指：可设计性是指：可设计性是指：可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及其设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。u力学（结构）设计力学（结构）设计给制品一定的强度和刚度给制品一定的强度和刚度u功能设计功能设计给制品除力学性能外的其他性能给制品除力学性能外的其他性能u工艺设计工艺设计对复合材料的制备工艺进行设计对复合材料的制备工艺进行设计第三节第三节 金属基复合材料的设计一、复合材料的可设计性金属基复合材料的设计一、复合材料的可设计性 复复复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 结构复合材料不仅可根据材料在使用中结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求受力的要求进进行行组元选材设计组元选材设计组元选材设计组元选材设计，更重要的是还可进行，更重要的是还可进行复合结构设计复合结构设计复合结构设计复合结构设计，即，即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的合材料来说，是由能承受载荷的增强体组元增强体组元增强体组元增强体组元与能连接增强与能连接增强体又起传递力作用的体又起传递力作用的基体组元基体组元基体组元基体组元构成。由不同的增强体和不构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 对于对于结构件结构件结构件结构件来说，可以根据来说，可以根据受力情况受力情况受力情况受力情况合理布置增强材料，合理布置增强材料，达到达到节约材料节约材料、减轻质量减轻质量的目的。的目的。对于有对于有耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的蚀性能好的基体树脂基体树脂基体树脂基体树脂和和增强材料增强材料增强材料增强材料；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过都可以方便地通过选择合适的原材料选择合适的原材料选择合适的原材料选择合适的原材料来满足要求。来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹弹弹弹性模量性模量性模量性模量、层间剪切强度层间剪切强度层间剪切强度层间剪切强度低等缺点。低等缺点。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术二、金属基复合材料的二、金属基复合材料的二、金属基复合材料的二、金属基复合材料的基体基体基体基体选择选择选择选择1.1.选择的基本原则选择的基本原则（1 1）根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料。）根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料。（2 2）根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体。）根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体。（3 3）选择的基体要求与增强体具有良好的相容性（浸润性）。）选择的基体要求与增强体具有良好的相容性（浸润性）。二、金属基复合材料的基体选择二、金属基复合材料的基体选择1.选择的基本原则（选择的基本原则（1）根据不同）根据不同复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 在制备在制备金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料时，时，液态金属对增强材料的浸液态金属对增强材料的浸润性润性，则直接影响到，则直接影响到界面粘结强度界面粘结强度界面粘结强度界面粘结强度。浸润性浸润性浸润性浸润性是表示是表示液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度。好的浸润性好的浸润性好的浸润性好的浸润性意味着意味着液体液体(基体基体)将在增强材料上铺展开将在增强材料上铺展开来来，并，并覆盖整个增强材料表面覆盖整个增强材料表面。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术2.2.结构件结构件结构件结构件金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体 用于航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材用于航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材料要求具有高的料要求具有高的比强度比强度比强度比强度、比刚度比刚度比刚度比刚度，有高的，有高的结构效率结构效率结构效率结构效率，因此，因此大多选择大多选择铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金和和镁及镁合金镁及镁合金镁及镁合金镁及镁合金作为基体金属。作为基体金属。在发动机、燃气轮机中所需的结构材料，是耐热结构在发动机、燃气轮机中所需的结构材料，是耐热结构材料，工作温度为材料，工作温度为65065012001200。钛合金钛合金钛合金钛合金基体复合材料可耐基体复合材料可耐650650高温，而高温，而镍、钴基复合材料镍、钴基复合材料镍、钴基复合材料镍、钴基复合材料可在可在12001200下使用。下使用。2.结构件金属基复合材料的基体结构件金属基复合材料的基体 用于航空、航天、汽车、用于航空、航天、汽车、复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术（1 1）用于）用于450450以下的以下的轻金属基体轻金属基体-铝、镁合金铝、镁合金铝、镁合金铝、镁合金u连续纤维连续纤维增强金属复合材料增强金属复合材料选选纯铝纯铝纯铝纯铝或含合金元素或含合金元素少的少的单相铝合金单相铝合金单相铝合金单相铝合金为基体。为基体。u颗粒、晶须颗粒、晶须增强金属基复合材料增强金属基复合材料选择具有高强度选择具有高强度的的铝合金铝合金铝合金铝合金作为基体。作为基体。铝基复合材料活塞铝基复合材料活塞颗粒增强铝基原位复合材料颗粒增强铝基原位复合材料（1）用于）用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体-铝、镁合金连续纤维增强铝、镁合金连续纤维增强复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术（2 2）用于）用于450450700700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体u钛合金钛合金可在可在450450650650使用，增强体为使用，增强体为高性能碳高性能碳高性能碳高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒等。等。SiC纤维纤维（2）用于）用于450700的复合材料的金属基体钛合金的复合材料的金属基体钛合金可在可在4复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术（3 3）用于）用于10001000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体u镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基、铁基耐热合金和金属间化合物较成熟的是较成熟的是镍基、铁基高温合金。镍基、铁基高温合金。（3）用于）用于1000以上的高温复合材料的金属基体镍基、铁基耐以上的高温复合材料的金属基体镍基、铁基耐复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术3.3.功能件功能件功能件功能件金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体u用于用于电子封装电子封装的金属基复合材料的金属基复合材料-高碳化硅颗粒含高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模量、超高模量石墨纤量的铝基、铜基复合材料，高模量、超高模量石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝、铜基复合材料，硼石纤维增强铝、铜基复合材料，硼/铝复合材料等。铝复合材料等。u用于用于耐磨零部件耐磨零部件耐磨零部件耐磨零部件的金属基复合材料的金属基复合材料u用于用于集电和电触头集电和电触头的金属基复合材料的金属基复合材料3.功能件金属基复合材料的基体用于电子封装的金属基复合材料功能件金属基复合材料的基体用于电子封装的金属基复合材料-复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术三、金属基复合材料的三、金属基复合材料的三、金属基复合材料的三、金属基复合材料的增强体增强体增强体增强体选择选择选择选择u增强体应具有增强体应具有高比强度高比强度、高模量高模量、高温强度高温强度、高硬高硬度度、低热膨胀低热膨胀等等。u增强体应具有增强体应具有良好的化学稳定性良好的化学稳定性。u增强体与基体金属应具有良好的增强体与基体金属应具有良好的浸润性浸润性和和相容性相容性。（1 1）连续纤维）连续纤维（2 2）晶须）晶须（3 3）颗粒）颗粒ZnO晶须晶须AlAl2 2O O3 3纤维纤维SiCSiC颗粒颗粒三、金属基复合材料的增强体选择增强体应具有高比强度、高模量、三、金属基复合材料的增强体选择增强体应具有高比强度、高模量、复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术四、金属基复合材料的四、金属基复合材料的四、金属基复合材料的四、金属基复合材料的界面设计界面设计界面设计界面设计1.1.界面的特征与设计界面的特征与设计 复合材料的界面：复合材料的界面：复合材料的界面：复合材料的界面：指指基体与增强物之间基体与增强物之间化学成分化学成分化学成分化学成分有显著变化的、有显著变化的、构成构成彼此结合的、能起彼此结合的、能起载荷传递作用载荷传递作用载荷传递作用载荷传递作用的微小区域。的微小区域。复合材料的界面虽然复合材料的界面虽然很小很小很小很小，但它是有尺寸的，约，但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微几个纳米到几个微几个纳米到几个微几个纳米到几个微米米米米，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态不均匀分布状态。四、金属基复合材料的界面设计四、金属基复合材料的界面设计1.界面的特征与设计界面的特征与设计 复合复合复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术界面通常界面通常界面通常界面通常包含以下几个部分：包含以下几个部分：基体和增强物的部分基体和增强物的部分原始接触面原始接触面原始接触面原始接触面；基体与增强物相互作用基体与增强物相互作用生成的反应产物生成的反应产物生成的反应产物生成的反应产物，此，此产物与基产物与基产物与基产物与基体及增强物体及增强物体及增强物体及增强物的接触面；的接触面；基体和增强物基体和增强物的的互扩散层互扩散层互扩散层互扩散层；增强物上的增强物上的表面涂层表面涂层表面涂层表面涂层；基体和增强物上基体和增强物上的的氧化物及它们的反应产物之间的接氧化物及它们的反应产物之间的接氧化物及它们的反应产物之间的接氧化物及它们的反应产物之间的接触面触面触面触面等。等。界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的互扩散层；界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的互扩散层；复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术界面界面界面界面是是复合材料的特征复合材料的特征，可将，可将界面的机能界面的机能界面的机能界面的机能归纳为以下归纳为以下几种效应。几种效应。(1)(1)传递效应传递效应传递效应传递效应 界面能传递力，即界面能传递力，即将外力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)(2)阻断效应阻断效应阻断效应阻断效应 结合适当的界面有结合适当的界面有阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展、中中中中断材料破坏断材料破坏断材料破坏断材料破坏、减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中的作用。的作用。(3)(3)不连续效应不连续效应不连续效应不连续效应 在界面上产生在界面上产生物理性能的不连续性物理性能的不连续性物理性能的不连续性物理性能的不连续性和和界面摩擦出现界面摩擦出现界面摩擦出现界面摩擦出现的现象，如的现象，如抗电性抗电性、电感应性电感应性、磁性磁性、耐热性耐热性、尺寸稳定性尺寸稳定性等。等。界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 (4)(4)散射和吸收效应散射和吸收效应散射和吸收效应散射和吸收效应 光波光波、声波声波、热弹性波热弹性波、冲击波冲击波等在界面等在界面产生散射和吸收产生散射和吸收产生散射和吸收产生散射和吸收，如，如透光性透光性、隔热性隔热性、隔音性隔音性、耐耐机械冲击机械冲击及及耐热冲击耐热冲击性等。性等。(5)(5)诱导效应诱导效应诱导效应诱导效应 一种一种物质物质物质物质(通常是增强物通常是增强物)的表面结构的表面结构的表面结构的表面结构使另一种使另一种(通常是聚合物基体通常是聚合物基体)与与之接触的物质的结构之接触的物质的结构由于由于由于由于诱导作用而发生改变诱导作用而发生改变诱导作用而发生改变诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如，由此产生一些现象，如强的弹性强的弹性、低的膨胀性低的膨胀性、耐冲击性耐冲击性和和耐热性耐热性等。等。(4)散射和吸收效应散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击波光波、声波、热弹性波、冲击波复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料中的界面复合材料中的界面复合材料中的界面复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一并不是一个单纯的几何面，而是一个个多层结构的过渡区域多层结构的过渡区域多层结构的过渡区域多层结构的过渡区域，界面区是从，界面区是从与增强体内部性质不与增强体内部性质不同的某一点开始同的某一点开始，直到，直到与基体内整体性质相一致的点与基体内整体性质相一致的点间的间的区域。区域。界面上产生的这些效应界面上产生的这些效应界面上产生的这些效应界面上产生的这些效应，是，是任何一种单体材料所没有任何一种单体材料所没有的特性的特性，它对复合材料具有重要作用。，它对复合材料具有重要作用。复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术界面区域的界面区域的结构与性质结构与性质结构与性质结构与性质都不同于都不同于两相中的任一相两相中的任一相。从结构上来分，这一从结构上来分，这一界面区界面区界面区界面区由由五个亚层五个亚层五个亚层五个亚层组成组成(见下图见下图所示所示)：界面区域示意图界面区域示意图界面区域示意图界面区域示意图1 1一外力场；一外力场；2-2-基体；基体；3-3-基体表面区；基体表面区；4-4-相互渗透区；相互渗透区；5 5一增强体表面；一增强体表面；6-6-增强体增强体界面区域的结构与性质都不同于两相中的任一相。界面区域示意界面区域的结构与性质都不同于两相中的任一相。界面区域示意复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术实验表明，实验表明，金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料由于由于容易发生界面反应容易发生界面反应，生成生成脆性大的界面反应层脆性大的界面反应层脆性大的界面反应层脆性大的界面反应层，在低应力条件下在低应力条件下，界面就会，界面就会破坏，从而破坏，从而降低复合材料的整体性能降低复合材料的整体性能。若若基体为合金基体为合金，则还易出现则还易出现某元素在界面上富集的现象某元素在界面上富集的现象某元素在界面上富集的现象某元素在界面上富集的现象。有关有关金属基复合材料的界面控制金属基复合材料的界面控制研究主要有以下两方研究主要有以下两方面：面：（1 1 1 1）对增强材料进行表面处理）对增强材料进行表面处理）对增强材料进行表面处理）对增强材料进行表面处理在增强材料组元上在增强材料组元上预先涂层预先涂层预先涂层预先涂层以改善增强材料与基体的以改善增强材料与基体的浸润性浸润性，同时涂层还应起到，同时涂层还应起到防止发生反应的防止发生反应的阻挡层作用阻挡层作用阻挡层作用阻挡层作用。镀镍碳纤维镀镍碳纤维实验表明，金属基复合材料由于容易发生界面反应，生成脆性大实验表明，金属基复合材料由于容易发生界面反应，生成脆性大复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术（2 2 2 2）选择金属元素）选择金属元素）选择金属元素）选择金属元素改变基体的合金成分改变基体的合金成分，造成，造成某一元素在界面上富集某一元素在界面上富集某一元素在界面上富集某一元素在界面上富集形成阻挡层形成阻挡层来来控制界面反应控制界面反应控制界面反应控制界面反应。在在碳纤维增强碳纤维增强碳纤维增强碳纤维增强A1A1A1A1复合材料复合材料复合材料复合材料中，在碳纤维上涂中，在碳纤维上涂Ti-BTi-BTi-BTi-B涂层；涂层；在在碳纤维增强碳纤维增强碳纤维增强碳纤维增强MgMgMgMg复合材料复合材料复合材料复合材料中采用中采用SiOSiOSiOSiO2 2 2 2作涂层；在作涂层；在硼纤维增强硼纤维增强硼纤维增强硼纤维增强A1A1A1A1复合材料复合材料复合材料复合材料中用中用SiCSiCSiCSiC涂层等都是涂层等都是在增强材料表面预先涂层在增强材料表面预先涂层的的例子。例子。另外，在另外，在C/A1C/A1复合材料中，常用复合材料中，常用含含含含TiTiTiTi的的的的AlAlAlAl合金合金合金合金，由于，由于TiTi的富集的富集形成一层形成一层松散的钛化物阻挡层松散的钛化物阻挡层松散的钛化物阻挡层松散的钛化物阻挡层，可大大，可大大提高复合提高复合材料的拉伸强度和抗冲击性材料的拉伸强度和抗冲击性。（2）选择金属元素在碳纤维增强）选择金属元素在碳纤维增强A1复合材料中，在碳纤复合材料中，在碳纤复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术五、金属基复合材料的力学性能设计五、金属基复合材料的力学性能设计五、金属基复合材料的力学性能设计五、金属基复合材料的力学性能设计1.1.连续纤维增强复合材料的力学性能设计连续纤维增强复合材料的力学性能设计（1 1 1 1）单向复合材料及其结构模型）单向复合材料及其结构模型）单向复合材料及其结构模型）单向复合材料及其结构模型定义：定义：定义：定义：连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。续纤维增强复合材料。结构模型（图）结构模型（图）结构模型（图）结构模型（图）并联模型并联模型 纤维与基体有纤维与基体有相同的应变相同的应变；串联模型串联模型 纤维与基体有纤维与基体有相同的应力相同的应力。五、金属基复合材料的力学性能设计五、金属基复合材料的力学性能设计1.连续纤维增强复合材料的力连续纤维增强复合材料的力复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术四个特征弹性常数：四个特征弹性常数：纵向弹性模量，横向弹性模量，纵向弹性模量，横向弹性模量，纵向弹性模量，横向弹性模量，纵向弹性模量，横向弹性模量，主泊松比，切变模量主泊松比，切变模量主泊松比，切变模量主泊松比，切变模量。五个特征强度值：五个特征强度值：纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗拉强度，横向抗拉强度，纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度纵向抗压强度，横向抗压强度，面内抗剪强度。复合材料的强度和弹性模量由复合材料的复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组分、材组分、材料的特性、增强体的取向、体积分数料的特性、增强体的取向、体积分数决定。决定。（2 2 2 2）力学性能特征值）力学性能特征值）力学性能特征值）力学性能特征值四个特征弹性常数：纵向弹性模量，横向弹性模量，主泊松比，切四个特征弹性常数：纵向弹性模量，横向弹性模量，主泊松比，切复合材料及其成型技术复