金屬基復(fù)合材料

1、金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料內(nèi)容1234金屬基復(fù)合材料概述金屬基復(fù)合材料概述5金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料制備工藝金屬基復(fù)合材料制備工藝金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料( (硼鋁基復(fù)合材料硼鋁基復(fù)合材料) )一、金屬基復(fù)合材料概述 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們越來越高。 在方面，不但要求強(qiáng)度高，還要求其重量要輕，尤其是在航空航天領(lǐng)域。正是為滿足上述要求而誕生的。 金屬基復(fù)合材料（MMC）是以金屬或合金為基體，以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒為增強(qiáng)相的非均質(zhì)混合物，共同點(diǎn)是具有連續(xù)的金屬基體。 金屬基復(fù)合材料相對于傳統(tǒng)的金屬材料

2、來說，具有較高的比強(qiáng)度與比剛度；與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能；與樹脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性。5構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)，也是其發(fā)展的動力。金屬基復(fù)合材料的使用要求v在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。 作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。 高性能航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)：要求有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。 選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳

3、化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復(fù)合材料可用于航空發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。 在汽車發(fā)動機(jī)中要求其零件具有耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)。v選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維/鋁基復(fù)合材料。如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動機(jī)活塞、缸套等零件。二、金屬基復(fù)合材料的分類 金屬基復(fù)合材料是，而制得的復(fù)合材料。基體基體p鋁基復(fù)合材料p鎂基復(fù)合材料p鈦基復(fù)合材料p鎳基復(fù)合材料p銅基復(fù)合材料增強(qiáng)體增強(qiáng)體p顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料p短纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料p長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料p層狀復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)，因此具有良好的，再加之它所具有

4、的、及等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。 在制造鋁基復(fù)合材料時，通常并不是使用純鋁而是。這主要是由于與純鋁相比，。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據(jù)實(shí)際中對復(fù)合材料的性能需要來決定。1、鋁基復(fù)合材料 以鎳及鎳合金為基體制造 鎳的高溫下工作的零部件，以鎳為基體（含量一般大于50%）的高溫合金，在6501000范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化性、抗燃?xì)飧g能力。2、鎳基復(fù)合材料 鎳基復(fù)合材料廣泛地用來制造噴氣發(fā)動機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，如工作葉片，導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。11 鈦比其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。因此，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)速

5、度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。 隨著速度的進(jìn)一步加快，為此需要高剛度的材料，而纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料恰可滿足這種對材料剛度的要求。最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近。3、鈦基復(fù)合材料表-1 基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)表-2 一些增強(qiáng)纖維的典型性能纖維種類規(guī)格拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量 (GPa)密度（g/cm3）鎢芯硼纖維140m34503803.0碳化硅纖維140m34503072.8碳化硅纖維15m28002592.74硼纖維140m36004002.5S-玻璃纖維7m4100802.5高模石墨纖維7m20004001.95T300碳化硅纖維7m35

6、302301.76FP氧化鋁纖維20m13803803.9氧化鋁纖維17m15002003.2米格-2580% 鎳基合金鋼SR-71 93% 鈦合金三、金屬基復(fù)合材料制備工藝 固態(tài)法：擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法 液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造 噴射成型法：添加法、反應(yīng)法 原位生長法：共晶合金定向凝固法、直接金屬氧化法、反應(yīng)自生成法表-3 常用的金屬基復(fù)合材料制備工藝擴(kuò)散結(jié)合 在一定的溫度和壓力下，把表面新鮮清潔的相同或不同的金屬，通過表面原子的互相擴(kuò)散而連接在一起。 擴(kuò)散結(jié)合是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)

7、行的。 擴(kuò)散結(jié)合的過程：粘接表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜破壞；發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面密著粘接；熱擴(kuò)散界面最終消失，粘接過程完成。 擴(kuò)散結(jié)合是一種制造連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝方法。中，增強(qiáng)纖維與基體的結(jié)合主要分為三個關(guān)鍵步驟：擴(kuò)散結(jié)合的工藝過程a)金屬箔復(fù)合法 b)金屬無緯帶重疊法 c)表面鍍有金屬的纖維結(jié)合法 采用擴(kuò)散結(jié)合方式制備金屬基復(fù)合材料，工藝相對復(fù)雜，工藝參數(shù)控制要求嚴(yán)格，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。 但擴(kuò)散結(jié)合是連續(xù)纖維增強(qiáng)并能按照鋪層要求排布的唯一可行的工藝。 在擴(kuò)散結(jié)合工藝中，增強(qiáng)纖維與基體的濕潤問題容易解決，而

8、且在熱壓時可通過控制工藝參數(shù)的辦法來控制界面反應(yīng)。 在金屬基復(fù)合材料的早期生產(chǎn)中大量采用擴(kuò)散結(jié)合工藝。擴(kuò)散結(jié)合的特點(diǎn)四、金屬基復(fù)合材料的界面1、金屬基復(fù)合材料的界面 類 型 1類 型 2類 型 3纖維與基體纖維與基體互不反應(yīng)但纖維與基體形成界面反應(yīng)層鎢絲/銅Al2O3 纖維/銅Al2O3 纖維/銀硼纖維(BN表面涂層)/鋁不銹鋼絲/鋁SiC 纖維/鋁硼纖維/鋁硼纖維/鎂鍍鉻的鎢絲/銅碳纖維/鎳鎢絲/鎳合金共晶體絲/同一合金鎢絲/銅鈦合金碳纖維/鋁（ 580 C）Al2O3 纖維/鈦硼纖維/鈦硼纖維/鈦-鋁SiC 纖維/鈦SiO2 纖維/鈦2、金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合 在金屬基復(fù)合材料中，需要在

9、增強(qiáng)相和基體界面上建立一定的結(jié)合力。在不同的界面結(jié)合受載時，如結(jié)合太弱，纖維大量拔出，強(qiáng)度低；結(jié)合太強(qiáng)，纖維受損，材料脆斷，既降低強(qiáng)度，又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合形式 ：第一類界面。主要依靠增強(qiáng)劑的粗糙表面的機(jī)械“錨固”力結(jié)合。：第二類界面。如相互溶解嚴(yán)重，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p傷增強(qiáng)劑，降低復(fù)合材料的性能。如采用熔浸法制備鎢絲增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料以及碳纖維/鎳基復(fù)合材料在600C下碳在鎳中先溶解后析出的現(xiàn)象等。：第三類界面。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)相之間的界面處存在著化學(xué)勢梯度。只要存在著有利的動力學(xué)條件，就可能

10、發(fā)生相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。3、金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化及界面設(shè)計(jì) 改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性以及控制界面反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生，進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)，是金屬基復(fù)合材料界面研究的重要內(nèi)容。 從界面優(yōu)化的觀點(diǎn)來看，增強(qiáng)劑與基體在潤濕后又能發(fā)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，達(dá)到化學(xué)結(jié)合，有利于增強(qiáng)界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。 23界面優(yōu)化以及界面設(shè)計(jì)一般有以下幾種途徑：增強(qiáng)劑的表面改性處理（1）改善增強(qiáng)劑的力學(xué)性能(保護(hù)層);（2）改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性和粘著性(潤濕層);（3）防止增強(qiáng)劑與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)(阻擋層);（4）減緩增強(qiáng)劑與基體之間因

11、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應(yīng)力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象(過渡層、匹配層)。 常用的增強(qiáng)材料的表面(涂層)處理方法有：PVD、CVD、電化學(xué)、溶膠-凝膠法等。金屬基體改性（添加微量合金元素） 在金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性或有效控制界面反應(yīng)。（1）控制界面反應(yīng)。如在純鈦中加入合金元素Al、Mo、V、 Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應(yīng)速度常數(shù)。 （2）增加基體合金的流動性，降低復(fù)合材料的制備溫度和時間。如采用液態(tài)浸滲法制備鋁基復(fù)合材料時，在鋁液中加入一定量的Si元素，明顯地降低了鋁合金的熔點(diǎn)、提高了鋁液的流動性，因而降低了復(fù)合材料的浸滲溫度。 （

12、3）改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性。如將3%的合金元素鎂作為活性元素添加到鋁中后，可使液態(tài)鋁的表面能下降。 五、鋁基復(fù)合材料 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材料，例如波音747、巨型火箭、宇航飛行器等。在設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)時，問題之一就涉及到平方立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度隨其尺寸的平方增加，而重量卻隨其線尺寸的立方增加。所以，要保證大型結(jié)構(gòu)的機(jī)動性和高效率，就需要更完善的設(shè)計(jì)和更好的材料。 復(fù)合材料的一個主要目標(biāo)就是應(yīng)用像硼那樣極高強(qiáng)度的共價結(jié)合纖維與適合于結(jié)構(gòu)制造和應(yīng)用的基體來克服這些限制，而鋁則是被選用最廣的基體材料。 硼鋁復(fù)合材料在研究上很重視。硼鋁基復(fù)合材料 與樹脂基復(fù)合材料相比，硼

13、鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強(qiáng)度也較高，橫向抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度大約與鋁合金基體的強(qiáng)度相等。比樹脂基材料可能達(dá)到的強(qiáng)度要高得多。 硼鋁基復(fù)合材料還具有高的導(dǎo)電件和導(dǎo)熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂復(fù)性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y(jié)構(gòu)的耐久性也是非常重要的。而硼鋁基復(fù)合材料的優(yōu)越性能則為其應(yīng)用提供了有利的保障。增強(qiáng)纖維 對增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)性好、價格低以及易于制造成復(fù)合材料。 與這些要求有關(guān)的纖維主要性能已列于表-2，在表中的每一種纖維與硼纖維相比都各有缺點(diǎn)。 玻璃纖維強(qiáng)度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。 氧化鋁纖維的比

14、模量和比強(qiáng)度較低且價格昂貴。 碳化硅纖維與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用。但其密度比硼高30、且強(qiáng)度較低。 高模量石墨纖維似乎很有吸引力，但它以紗線形式出現(xiàn)卻是一個嚴(yán)重缺點(diǎn)，因?yàn)橛霉虘B(tài)制造方法很難使金屬滲入為數(shù)一萬根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會與纖維起劇烈反應(yīng)。28 硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。將鎢絲電阻加熱到11001300并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得一定厚度的硼沉積層，這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。目前大量供應(yīng)的纖維有100um和140um兩種直徑，有的纖維帶有2um厚的碳化硅涂層，其目的是為了改進(jìn)纖維的抗氧化性能。140um硼纖維的室溫密度為2

15、.55gcm3。由于硼纖維的表面具有高的殘余壓縮應(yīng)力，因此纖維易操作處理，并對表面磨損和腐蝕不敏感，這是硼纖維的一項(xiàng)很有意義的特性。 此外，硼纖維還具有良好的高溫性能，它在600時仍保持75強(qiáng)度，在600和700時的蠕變性能比鎢還好。但在500以上短時間暴露于氧氣中纖維的強(qiáng)度就會嚴(yán)重受損，在表面涂一層碳化硅正是為了防止這種破壞作用?；w 硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的結(jié)合性能、較高的斷裂韌性、較強(qiáng)的阻止在纖維斷裂或劈裂處的裂紋擴(kuò)展能力、較強(qiáng)的抗腐蝕性、較高的強(qiáng)度等。 目前普遍使用的鋁臺金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁等。這其中最普遍的是采用變形鋁為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材

16、料。2、硼鋁基復(fù)合材料的制造 復(fù)合材料的制造包括將復(fù)合材料的組分組裝并壓合成適于制造復(fù)合材料零件的形狀。 常用的工藝有兩種: 一、纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進(jìn)行; 二、先加工成復(fù)合材料的預(yù)制品，然后再將預(yù)制品制成最終形狀的零件。 前一種工藝類似于鑄件，后一種則類似于先鑄錠然后再鍛成零件的形狀。 制造過程可分為三個階段：纖維排列、復(fù)合材料組分的組裝壓合和零件層壓。 大多數(shù)硼鋁基復(fù)合材料是用預(yù)制品或中間復(fù)合材料制造的。前述的兩種工藝具有十分相似的制造工藝，這就是把樹脂粘合的或者是等離子噴涂的條帶預(yù)制品再經(jīng)過熱壓擴(kuò)散結(jié)合。揮發(fā)性粘合劑工藝 這種工藝是最直接的方法，幾乎不需要什么重要設(shè)備或?qū)ｉT

17、技術(shù)。制造預(yù)制品的材料包括成卷的硼纖維、鋁合金箔、氣化后不留殘?jiān)囊讚]發(fā)樹脂以及樹脂的溶劑。鋁箔的厚度應(yīng)結(jié)合適當(dāng)?shù)睦w維間距來選擇，通常為50 75um。 所用的纖維排列方法有兩種： 一、單絲滾筒纏繞 二、從纖維盤的線架用多絲排列成連續(xù)條帶33 前一種工藝?yán)脻L筒纏繞可能做成幅片，其尺寸等于滾筒的寬度和圍長。由于簡單的螺桿機(jī)構(gòu)便能保證纖維盤的移動與滾筒轉(zhuǎn)動相配合，故能使間距非常精確和滿足張力控制。 纏繞鼓(基體箔材)纖維定向定間距纏繞 涂敷聚合物粘結(jié)劑定位 第二種纖維排列法是制造連續(xù)多絲條帶，它要求更完善的設(shè)備條件。目前的設(shè)備可同時輸出600根脆性絲。等離子噴涂工藝 等離子噴涂的硼鋁帶用同樣的方

18、法制造，只是不噴揮發(fā)性粘合劑，而在纖維箔片上噴一層基體鋁合金，將纖維和箔片粘在一起。因?yàn)檫x擇的等離子噴涂合金與箔基體相同，所以這兩種材料都變成基體的一部分。鋁合金粉注入到灼熱的等離子氣流中并在放熱區(qū)內(nèi)被熔化。熔融質(zhì)點(diǎn)打在纖維箔片上并急冷到纖維的反應(yīng)溫度以下。由于纖維周圍充滿了等離子焰射流中含有的惰性氣體，因而能防止纖維氧化。35 等離子噴涂的優(yōu)點(diǎn)是，纖維在纏繞筒上就被基體固定住，因而纖維間距好控制，噴涂條帶的耐久性和強(qiáng)度好，以及易于復(fù)合粘結(jié)。 纖維定向定間距纏繞 等離子噴涂基體粉末定位 用揮發(fā)性粘合劑和等離子噴涂工藝生產(chǎn)的“毛料”預(yù)制帶還必須經(jīng)疊片和壓合才能做成復(fù)合材料，采用揮發(fā)性粘合劑方法時

19、，粘合劑必需在熱壓結(jié)之前排除。這一步驟直接在高壓焊合之前進(jìn)行，因?yàn)樵跇渲澈蟿]發(fā)之后必須依靠機(jī)械作用使纖維和鋁箔保持原位。 疊片過程包括先把頂制品剪切成一定形狀，然后將其鋪放在熱壓?；蚱綁喊迳?。剪切時一般采用比較簡單的單片剪切。剪切機(jī)可以類似于板金剪切機(jī)、剪刀或糕點(diǎn)扣模。 假若使用平板熱壓，通常要將疊層封裝在套內(nèi)，因?yàn)榭刂茪夥諏Ψ乐逛X或硼在高溫下氧化是很重要的。在平板之間壓制的典型封裝復(fù)合材料的基體與硼纖維各占50(體積比)。 若要制造復(fù)雜形狀的零件，則使用成型模具熱壓疊層，這種疊層可以含有許多復(fù)雜形狀的單片。層片用滾壓剪切的方法切割，其方法與扣制糕點(diǎn)類似，隨后將這些層片疊好并在葉形模具中壓

20、制。這兩種工藝都能用來熱壓長零件。2、硼鋁基復(fù)合材料的二次加工 二次加工是指對基本的復(fù)合材料型件如平板、梁和管等所進(jìn)行的加工、包括成型、連接機(jī)械加工和熱處理等工藝過程。成型 硼鋁基復(fù)合材料的成型涉及到它的組分強(qiáng)而近于脆性的纖維和軟而延性的鋁。 纖維在室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時具有完全彈性的應(yīng)力應(yīng)變特性，在高溫下具有很高的抗蠕變能力，不會有什么塑性延伸。 由于纖維對復(fù)合材料的束縛，使得材料的最大軸向斷裂延伸率小于1，致使零件的加工制造在很多情況下是在復(fù)合材料熱壓過程中用易于彎曲的預(yù)制板加工成最終形狀的。連接 硼鋁基復(fù)合材料與承載結(jié)構(gòu)的的連接是復(fù)合材料應(yīng)用中最重要的工程領(lǐng)域之一。 硼鋁基復(fù)合材料的連接技術(shù)是基

21、于鋁的連接而并不考慮硼同硼連接。其目的是想要得到高剪切強(qiáng)度的基體連接而不使復(fù)合材料的機(jī)械性能降低。 連結(jié)工藝包括固態(tài)擴(kuò)散結(jié)合、使用釬料的釬焊、不用焊料的鋁的熔焊技術(shù)和低溫釬焊。：標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝是把釬焊箔放入需要連接的零件之間并在接觸壓力下在進(jìn)行爐中釬焊。和也是復(fù)合材料的有效連接方法機(jī)械加工 硼纖維硬度高(莫氏硬度為9) 硼鋁基復(fù)合材料的機(jī)械加工比較困難 對單層件來說 板金剪切技術(shù)就可以勝任 拉伸試樣的加工問題通常采用砂輪切割或電加工的方法來解決 用標(biāo)準(zhǔn)的浸有金剛石的黃銅切割輪可得到良好的切割表面，出于硼自身的清潔作用，鋁不會沾污或損傷具有合適粒度的砂輪。3、機(jī)械性能彈性模量 彈性模量決定了結(jié)構(gòu)

22、在載荷下的尺寸，用硼鋁基復(fù)合材料來增強(qiáng)或加固金屬結(jié)構(gòu)也取決于對其彈性模量的了解，正是組元材料模量的比值決定了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的載荷分配。 單向增強(qiáng)硼鋁基復(fù)合材料可以看作是一種正交材料，它在橫向上各向同性并具有五個獨(dú)立的彈性常數(shù)。然而，硼鋁基復(fù)合材料經(jīng)常作薄片使用，這種薄片也是復(fù)雜疊層的結(jié)構(gòu)單元。于是可以把它作為一個處于平面應(yīng)力狀態(tài)的正交薄片來對待，因而只需四個獨(dú)立的彈性常數(shù)。這些常數(shù)是軸向彈性模量E11、橫向彈模量E22，主泊松比12和平面剪切模量G12。組元硼纖維和鋁基體的彈性常數(shù)見表-4。硼鋁復(fù)合材料的縱向彈性模量E11，可用混合定則公式相當(dāng)精確地計(jì)算即E11=EF.VF+EM.VM式中角注F和M

23、表示纖維和基體，而V表示體積百分比。表4 硼纖維與鋁基體的彈性常數(shù)橫向彈性模量的關(guān)系較為復(fù)雜，但理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值符合，如右圖所示。彈性模量的各向異性并不大，對于通常使用的50纖維體積比的復(fù)合材料來說，縱向與橫向模量的比值約為3：2，它們的縱向與橫向的比彈性模量大約為最普通用的工程合金的300和200。 縱向與橫向模量均隨溫度的增加而下降。復(fù)合材料模量的下降主要是由于基體模量的下降所致。如果試樣軸相對纖維軸轉(zhuǎn)動，四個獨(dú)立的彈性常數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)的變化。硼6061鋁復(fù)合材料的縱向和橫向彈性模量強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變特性 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最終性能是原材料的性能、成分以及加工和制造過程的結(jié)果。然而，由于纖維與基體

24、分布的獨(dú)立性和各相之間反應(yīng)熱力學(xué)的可觀察性，使得復(fù)合材料這種冶金和結(jié)構(gòu)的體系比以往大多數(shù)的工程材料更適于作定量分析的描述。 硼鋁基復(fù)合材料的軸向拉伸特性取決于增強(qiáng)纖維的性能和復(fù)合材料的纖維含量。復(fù)合材料軸向強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變受纖維性能制約。 右圖為硼鋁基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變典型曲線。圖中給出了制造狀態(tài)(F狀態(tài))和熱處理狀態(tài)的兩種特性。 這兩種曲線都有一個初始的直線區(qū)域，然后在另一個直線區(qū)域之前有個過渡的非線性區(qū)域，最后在斷裂之前有一個非線性區(qū)域。這種應(yīng)力應(yīng)變曲線不僅反映了硼鋁復(fù)合構(gòu)料的特性，而且其它金屬基復(fù)合材料也有類似的特征。典型硼鋁復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線 左圖為復(fù)合材料的特性與殘余應(yīng)力的作用示意圖，它包括含50硼纖維的復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變特性和纖維與基體組元的應(yīng)力應(yīng)變特性。在冷卻時，基體發(fā)生塑性和彈性收縮，而纖維只發(fā)生彈性收縮，基體中留下的平均凈拉伸殘余應(yīng)力的大小等于纖維中的凈壓縮殘余應(yīng)力。前述的復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的三個變形階段分別對應(yīng)著基體纖維的彈性彈性、塑性屈服彈性和塑性彈性特性。基體纖維及復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 硼鋁基復(fù)合材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，這主要是由于增強(qiáng)纖維的抗拉強(qiáng)度高。其它一些因素如基體成分和殘余應(yīng)力則是次要原因。上圖為復(fù)合材料強(qiáng)度與纖維含量的關(guān)系。對于一定的纖維類型，復(fù)合材料的強(qiáng)度一般隨纖維含量的增加而增加。 軸向抗拉強(qiáng)度107N