思考题第3章金属基复合材料的设计3.1金属基复合材料的可设计性3.1.1复合材料的可设计性复合材料的出现与发展为材料及结构设计者提供了前所未有的好时机。设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料，以满足工程实际对高性能复合材料及结构的要求。这种设计的灵活性再加上复合材料优良的特性（高比强、高比模等）使复合材料在不同应用领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料。复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。如连续纤维增强复合材料在弹性模量、线胀系数和材料强度等方面具有明显的各向异性性质。复合材料的可设计性是它超过传统材料的最显著的优点之一。复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构。复合材料设计问题要求确定基体材料、增强材料的几何特征（连续纤维、颗粒等）、增强材料的微观结构以及体积分数。图3-2复合材料设计的基本步骤3.1.2复合材料设计的研究方法工程结构设计原则由静态设计向动态设计过渡，因此应对复合材料结构进行动态分析。一般来说，从复合材料宏、细、微观结构的特征尺度来看，目前的分析手段主要有两种：细观力学分析方法和宏观力学分析方法。3.1.3复合材料的虚拟设计复合材料的设计主要有功能设计、结构设计和工艺设计三大部分。另外，还要求对设计的合理性和可靠性加以评价。复合材料一体化制造系统是根据材料设计、结构设计、工艺及可靠性评价平行发展的概念，是一个系统工程。图3-3是复合材料一体化系统的流程框图。图3-3复合材料结构的一体化模拟设计与制造流程选择基体的原则大致可分为轻合金基体和耐热合金基体两大类。3.2.3功能件金属基复合材料的基体目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀等性能。3.4金属基复合材料力学性能设计3.4.1连续纤维增强复合材料力学性能设计3.4.1.1单向增强复合材料的弹性复合材料的弹性模量由组分材料的特性、增强物的取向和体积含量决定。求弹性模量的解析法有两种，即求严格解的方法和利用包围法求近似解。（1）纵向弹性模量：连续纤维平行排列于基体中，得到单向增强复合材料。沿纤维方向称为纵向（L），垂直纤维方向称为横向（T）；（2）横向弹性模量；（3）剪切弹性模量；（4）纵向泊松比μLT：在单向纤维增强复合材料中，当沿纤维方向受拉伸（或压缩）时，在弹性范围内横向应变与纵向应变之比。3.4.1.2单向增强复合材料的强度（1）纵向拉伸强度（2）纤维临界体积分数和最小体积分数（3）纵向压缩强度（4）横向拉压强度（5）剪切强度3.4.2纤维增强金属基复合材料特点纤维增强金属基复合材料具有高比强度、比模量和高温性能等特点。特别适用于航空航天工业、汽车结构、保险杠、活塞连杆、自行车车架以及体育运动其它器械上的应用。一般纤维增强金属基复合材料的疲劳性能由于加入了高强度的纤维而得到了改善和提高。纤维增强金属基复合材料通常作为高温下应用的工程动力构件。由于硼纤维和其它陶瓷纤维的抗蠕变性能优异，决定了陶瓷纤维增强金属基复合材料的抗蠕变性能高于基体合金。3.4.3短纤维及颗粒增强金属基复合材料3.4.3.1短纤维增强复合材料（1）非连续纤维增强复合材料的弹性模量（a）单向短纤维复合材料的模量（b）随机取向的短纤维复合材料的模量（c）具有一定方向性的短纤维复合材料的模量（2）非连续纤维增强复合材料的强度（a）单向短纤维复合材料的强度（b）随机取向的短纤维复合材料的强度3.4.3.2颗粒增强复合材料的弹性和强度（1）颗粒增强复合材料的弹性（2）颗粒增强复合材料的强度3.4.3.3晶须和颗粒增强金属基复合材料特点晶须和颗粒增强金属基复合材料克服了长纤维增强金属基复合材料的各向异性、生产工艺复杂及成本高等缺点，具有性能优异，生产制造方法简单等特点。应用于航空、航天、机械、体育器材，特别是在以汽车为代表的各种运输工具等领域。晶须与颗粒增强金属基复合材料往往应用于高温部件，颗粒与晶须增强金属基复合材料在提高其强度与模量的同时，也降低了其塑性与韧性。3.4.4复合材料结构设计复合材料的结构设计涉及到结构形状、所受环境载荷、边界条件及初始条件、连接情况、结构的功能和特点、承载能力和破坏机