【正文】 增強體的應用 受到限制。 以 纖維增強金屬基復合材料 為例，則表現為 縱向強度 與 橫向強度 的差異。 43 材料強度 可以定義為 材料發(fā)生破壞的最弱橫截面上的平均應力 。 44 在 靜態(tài)拉伸應力條件下 ，判別抗拉強度時，是 按原始截面 計算的 材料試樣能夠承受的最大張應力或極限張應力 。 45 復合材料 強度 同 組分性能 間的關系可用如下的公式表示： MMFFC VV ..* ??? ?? 式中， ?C*表示復合材料的抗拉強度，即復合材料 原始面積上的 應力； ?F為 所有纖維上的 平均應力； ?M是 基體在斷裂時 的平均應力； VF和 VM是纖維和基體的體積分數。 47 McDaniels等人對此曾用 鎢絲銅基復合系 進行了研究，并將 復合材料的強度繪成纖維體積比的函數 ，如下圖所示。 50 上述公式應該采用 纖維的有效強度 ，由于脆性纖維的 拉伸強度范圍相當大， 故有效強度值卻不能簡單測定 。 52 當 弱纖維斷裂 時，引起 三種重要的變化 。 (B)破斷纖維裂紋周圍的 靜應力集中 會降低材料的有效強度。 53 第一種變化也與基體內的 纖維臨界載荷傳遞長度 有關。 54 在 臨界載荷傳遞長度 以下的纖維段上， 纖維承載能力的減少量 等于 基體剪切應力回傳給破斷纖維段上的 載荷之差 。 56 破斷纖維端周圍的 應力集中效應 也會 降低復合材料的有效強度 。 因為基體中 裂紋頂端的最大應力值 接近于 基體的抗拉強度 而 低于纖維的斷裂應力 。 因此在這種復合系統(tǒng)中， 裂紋頂端周圍的應力集中 不會導致不穩(wěn)定的裂紋生長。 58 負荷 裂紋 纖維 基體 負荷 裂紋 復合材料中的裂紋鈍化 (a)界面開裂 (b)基體剪切變形和開裂 (a) (b) 59 而在 氧化鋁 鈦合金 系統(tǒng)中，纖維和基體的強度比更接近于 2:1，這時 裂紋頂端的應力集中 會使復合材料 嚴重脆化 和 降低強度 。 60 在纖維破斷位置上 ，由于受到束縛， 破斷纖維的兩端會在基體中產生剪切應力 。 如果 最鄰近的纖維 沒有破壞，則 不會有局部應力傳到更遠的纖維上 。 62 二維裂紋的擴展 箭頭表示纖維上的剪切應力 負荷 63 如果這些力 平均分配在最近鄰的六根纖維上 及平均纖維應力是 ，則在纖維斷裂時， 加給鄰近纖維的局部附加張應力 就是 ， 或者說每鄰近纖維上的附加張應力是 。 65 當弱纖維斷裂時， 復合材料應力狀態(tài)的第三種變化 與由此產生的 沖擊波 有關。 動載斷裂能 主要被試樣所吸收，但關于它 對復合材料抗拉強度的影響 還沒有定量的研究。 雖然對纖維有效強度能預測的復合材料，可以采用 混合定則 計算復合材料強度。 67 2．橫向強度 金屬基復合材料的 橫向性能的預測比縱向性能復雜。 68 在 預測橫向模量值 時，所采用的假設如下： (1)兩組元 在達到斷裂應力前 都是 線彈性 的； (2)界面結合是完好的； (3)纖維排列是規(guī)則的。 71 復合材料歸一化橫向剛度EF /FM 成分剛度比 EF/FM 圓纖維正方排列的復合材料的歸一化橫向剛度 72 上圖表明，金屬基體內的 增強纖維 對 橫向模量 有很大影響。 73 這種 橫向模量的增強作用 并不能代表 復合材料的橫向強度 ，因為復合材料都 在最弱的橫截面上破壞 。 74 ４、復合材料組分的相容性 由于復合材料包含有 兩種或兩種以上的相 ，要使組分間具有良好的配合，則這兩相間必須具備 物理相容性 和 化學相容性 。 化學相容性問題 主要與復合材料加工過程中的 界面結合 、 界面化學反應 以及 環(huán)境的化學反應 等因素有關。 77 基體和增強體之間 的一個非常重要的物理關系 是 熱膨脹系數 ，因為 基體通常是韌性較好的材料 ，因此最好是基體有較高的熱膨脹系數。 78 對于 脆性材料的增強物 ，一般都是 抗壓強度大于抗拉強度 、 處于壓縮狀態(tài)比較有利 。 79 化學相容性 是一個更加復雜的問題。 例如，在平衡狀態(tài)下 凝固的共晶復合材料 ，對于這類晶體，其 兩相化學勢相等 ，而 比表面能效應 也最小。 81 對于 非平衡態(tài)復合材料 ，化學相容性問題要嚴重得多。 還有 纖維和環(huán)境的化學反應 也是加工過程中遇到酌一個嚴重問題。 熱沖擊 也會使纖維損傷。 對于像硼 鋁這樣的 低溫金屬基復合材料 ，可以靠 盡量降低制造溫度 來避免兩相間的化學反應。 像 硼 鎂 或 鎢 銅等 復合系，因為 兩相間不反應，不互镕 ，因此可以采用 熔液滲透法 制造。 (1)?F兩相反應的自由能 ； (2)U化學勢 ； (3)T表面能 ； (4)D晶界擋散系數 ； 85 第一個問題 ? F， 不僅對 制造過程 ，而且對 高溫應用過程 都是很重要的。設計高溫復合材料的材料工作者應該確定 所選系統(tǒng) 可能發(fā)生的反應的自由能變化。 如果 各組分相間的化學勢不等 ，常常會導致 界面不穩(wěn)定 而使纖維性能下降。 87 兩相混合物的表面能 可能非常高，因而 使界面很不穩(wěn)定 。而對 碳化鎢加鈷復合系 來說，其 表面能關系則是有利的 。 例如，鎢絲增強鎳合金中碰到的一個重要問題即是鎳向鎢晶界擴散，從而導致鎢絲再結晶溫度下降。 在復合材料中，如果 某一相的間隙氫濃度偏高 ，便會危及另一相 從而會發(fā)生氫脆 。在設計這些結構時，問題之一就涉及到平方 — 立方尺寸關系，即結構的強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。 91 復合材料的一個主要目標就是應用像硼那樣極高強度的共價結合纖維與適合于結構制造和應用的基體來克服這些限制。 目前關于硼 — 鋁復合材料的研究主要包括以下幾個方面的內容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領域中顯得尤為重要。 (3)改進硼 — 鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可能降低。硼 — 鋁復合材料的橫向抗拉強度和剪切強度大約與鋁合金基體的強度相等．這就比樹脂基材料可能達到的強度要高得多。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y構的耐久性也常常是重要的。 94 二、硼鋁復合材料 作為結構應用來說，選擇復合材料組元的主要目標是高比模量和高比強度，硼 鋁復 合材料因此在研究與發(fā)展上受到了很大的重視。與這些要求有關的纖維主要性能已列于表 6— 2中，在表中的每一種纖維與硼纖維相比都各有缺點。氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。高模量石墨纖維似乎很有吸引力，但它以紗線形式出現卻是一個嚴重缺點，因為用固態(tài)制造方法很難使金屬滲入為數一萬根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會與纖維起劇烈反應。冷拉鈹絲性能好，但生產成本太高也限制了其應用。將鎢絲電阻加熱到 1100—1300℃ 并連續(xù)拉過反應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。 140um硼纖維的室溫密度為 2． 55g／ cm3。 98 此外，硼纖維還具有良好的高溫性能，它在 600℃ 時仍保持 75％強度，在600℃ 和 700℃ 時的蠕變性能比鎢還好。 99 2．基 體 硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的綜合性能。對于高溫下使用的復合材料．還要求基體具有較好的抗蠕變性和抗氧化性。 100 目前普遍使用的鋁臺金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結鋁等。 101 三、鋁基復合材料的制造 復合材料的制造包括將復合材料的組分組裝并壓合成適于制造復合材料零件的形狀。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。大多數硼 — 鋁復合材料是用預制品或中間復合材料制造的。 103 1．揮發(fā)性粘合劑工藝