《金属基复合材料设计与制备：表象学研究》将表象学的对象分析思想引入材料组织结构与性能研究，结合极限分析思路，将金属基复合材料的增强体参数、基体参数统一至表象的数理方程中求解，从而为复合材料的研究和设计创立了一个不同于传统材料或力学研究思路的解决方案。
　　《金属基复合材料设计与制备：表象学研究》共分七章。第一章概略介绍了金属基复合材料的基本概念和研究现状；第二章介绍金属基复合材料的工程制备方法和组织性能特点；第三章引入表象学分析方法，进行复合材料强化机制分析；第四章进行组织的表象学深入分析和建立表征方法；第五章重点探讨复合材料的力学强化机制并定义组织-性能关系；第六章进行复合材料的力学性能预测和强化效应评估；第七章介绍复合材料组织结构与性能的优化设计研究方法。

　　《金属基复合材料设计与制备：表象学研究》：
　　第1章 发展中的复合材料
　　1.1 复合材料概述
　　近代以来，材料、能源、信息和生物工程被称为现代社会经济的四大支柱，其中材料是其他三个产业技术的物质载体。材料的发展水平反映了社会进步的程度。例如，人类历史曾按石器时代、青铜器时代和铁器时代划分社会阶段，如图1.1所示。现代工业社会中，一个国家的富强程度也在一定程度上依赖于材料的发展水平。从人们的日常生活到工农业生产和国防建设，特别是现代航空航天工业，无一不体现出材料技术发展所带来的巨大影响。现代工业的迅速发展，使结构向大型化、高速化和轻量化发展。大型和高速结构物的强度和刚度与截面尺寸的平方成正比，而质量与截面尺寸的立方成正比。要降低能耗提高效率，就必须降低结构自重，由此产生的平方-立方关系的矛盾只有通过提高材料比强度和比刚度来化解。传统的金属、高分子和陶瓷材料，支撑了全社会的建设和发展。但是无论是上述哪一种单一材料，都难以满足现代人类社会发展对材料强度和刚度等性能不断提高的要求。矛盾只有通过发展新型材料来解决。复合材料正是适应现代科学技术发展的要求而兴起的。人们普遍认为，复合材料是第四类材料，是21世纪最有发展前景的新材料。
　　图1.1材料与技术演变史
　　复合材料是两种或两种以上性质不同的组分，由人工方法合成（或天然生成）的混合物，具有单一组分材料所不具备的性能。在复合材料中，呈空间连续分布的、体积分数较大的组分称为基体，另外一种或多种组分称为增强体或增强相。金属基复合材料的主要优势在于：①高比强度、高比模量；②良好的导热、导电性能；③热膨胀系数小、尺寸稳定性好；④良好的高温性能；⑤耐磨性好；⑥良好的断裂韧性和抗疲劳性能；⑦不吸潮、不老化、气密性好；等等。
　　复合材料的最大优点，是性能和组织的可设计性。人们可以通过目标结构的具体性能要求，根据性能—成本—制备加工条件，选择合适的增强体材料和基体材料，经过复合—成型加工—处理后进入应用。例如，在西安出土的处于新石器时代晚期（6500年前）的半坡村落遗址中，发现了真正意义上的房屋，其墙壁是用草泥糊在树枝扎成的密集的篱笆上，这种结构实现了能持久使用的支撑强度、防风雨、保暖、密封等多重功能。其中的二层次复合结构属于现在的“混杂复合材料”，与现在的钢筋水泥结构类似：树枝为骨架，相当于现在的钢筋，是当时能够得到的强度最高的材料；草泥相当于现在的短纤维晶须增强的复合材料，其中的草梗即是增强体，黄泥为连续的基体，发挥着连接树枝和草梗的作用，在干燥时具有足够硬度和强度、耐雨水冲刷。这些原材料在当时都容易获得，而且成本低廉，现在陕西关中许多人家仍旧在使用这种草泥来糊墙。
　　复合材料有很多种，可以按照不同标准进行分类。按用途分类，复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料两类。近来出现了结合结构性能和功能属性的所谓功能结构复合材料。按增强体的特点分类，复合材料可分为连续纤维增强复合材料和非连续体增强复合材料（如短纤维、晶须、颗粒等）两类。另外，还可以按照基体种类进行分类，这是比较通用的分类方法。按基体种类划分，复合材料可分为金属基复合材料（metal matrix composites，MMCs）、聚合物基复合材料（polymer matrix composites，PMCs）、陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，CMCs）、金属间化合物基复合材料（intermetallics matrix composites，IMCs）和碳基复合材料（carbon/carbon，C/C）五类。本书沿用后一种分类方法，并结合增强体特点来命名，如将短纤维、晶须和颗粒等增强金属基复合材料称为非连续体增强金属基复合材料（discontinuous reinforced metal matrix composites，DRMMCs）。
　　纳米复合材料、功能复合材料、功能结构复合材料、表面复合材料等复合材料新品种，是通过增强体的尺度（如纳米尺度的纳米粉末、纳米碳管、纳米晶须等），物理化学生物特性（电、磁、光、热，生物属性、活性、毒性、自愈性等）的有机组合，实现复合材料特有的复合效应、协同效应、倍增效应和感生效应等，满足机械、光电、电磁、生物等领域的需求。这些材料本书基本不涉及。
　　1.2DRMMCs的研究方法
　　1.2.1DRMMCs的四大要素
　　成分（composition/chemistry）、制备和加工处理工艺（fabrication/process）、组织结构（structure/organization）、性能和行为（property/performance）构成了现代先进材料全部要素的金字塔。其中，性能和行为处于支配地位，位于金字塔的尖顶位置，如图1.2所示。
　　图1.2先进材料四大要素的金字塔图
　　在这个四面体上，两两顶点构成了单因素关系。如P（组织）C（成分）研究成分对组织结构的影响规律，合金相图的研究即是实例。任意三个顶点构成的四个正三角形平面，即构成了双因素关系，如C（成分）S（组织）P（性能）研究，即成分与组织对性能影响研究，这是最广泛采用的方法。而C（成分）F（工艺）S（组织）P（性能）就构成了立体的四面体，是全方位研究材料的完整体系。对于一种确定成分的材料，改变制备方法或处理工艺，将带来组织结构的改变，从而改变材料的性能和行为。随着材料制备和加工处理技术的进步和发展，同一成分的材料可以有多种制备、成型、加工、处理方法，最后获得各种所需要的性能和行为。这一切工作的出发点都是获得具有特定性能或行为的材料或材料制成品。DRMMCs的构成同样遵循这一四面体法则，只不过其成分因素上升为组成（organization）因素，即基体（matrix）和增强体（reinforcement）因素之间又引入了异质材料的界面（interface）因素，处于CSF三角形平面内，也即DRMMCs中的界面与制备工艺、增强体含量和分布因素相关，直接影响DRMMCs的性能。因此，DRMMCs的研究分为三大类：材料设计、材料制备（加工、处理）和组织与性能表征。
　　1.2.2DRMMCs的设计
　　可设计性是先进复合材料最突出的优点。这里的可设计性是指构成人工复合材料的组分、组织结构、物理和力学性能、复合材料结构的行为等是可设计的。
　　自然界设计最合理、最精巧的复合材料是天然复合材料：动、植物主要功能结构或力学结构无一不体现出复合材料或复合结构的优点。植物中的代表——竹子的枝干，就是由高强度、高刚度的纤维和树脂基体组成的，这些组分使竹竿成为弯而不折、坚韧不屈的典型。动物躯体中的骨头本身就是典型的高性能复合材料/复合结构。从化学角度来看，骨头的主要成分是羟基磷灰石（hydroxyapatite，在骨头中的含量高达96%）与生物活性组织构成的复合材料。骨头的硬度和强度未必比常见的机械工程材料高，但是动物身体的结构能力要远高于机械结构。
　　金属基复合材料自从问世以来，以其性能优势在多个层面和领域获得了大量研究和应用。DRMMCs的研究领域几乎覆盖了所有的材料研究领域，不同复合材料的出现源于力学行为或其他某种特定性能的需求。因此，复合材料初始的设计方法是针对具体的性能要求，进行原材料选择和制备工艺方法优化，得到具有所需要性能或行为的复合材料。但是这种试探性方法并不能确保所制备的复合材料能够达到所需性能要求，更多的时候是失败的尝试。
　　随着DRMMCs研究和应用的深入，特别是发现复合效应已经不能单独用混合效应（混合定则，role of mixture，ROM）来解释，因此理性设计逐渐进入人们的视野。ROM的一般表示形式为
　　X=∑ViXi（1.1）
　　式中，X为所关注的研究对象特性，如断裂强度；Vi是第i种组分的体积分数（0　　在平行纤维方向的连续纤维增强复合材料中，许多种性能都接近或符合ROM。ROM因此也就成了连续纤维增强复合材料的设计准则：根据所需要强度、弹性模量或其他主要性能，结合成型工艺或技术，计算复合材料中需要的纤维体积分数以及品种。但是对DRMMCs来说，人们发现使用ROM时偏离太大。
　　到目前为止，复合材料设计的出发点是基体设计和增强体选择，在根据用途选定基体大类（树脂、金属或陶瓷）的前提下，根据性能要求和现实的制备条件，细化具体基体（如金属基类型中，具体可选钛合金、铝合金或镁合金等），然后选择增强体（金属或陶瓷，进一步细化为连续纤维、短切纤维、晶须、颗粒等），最后选择制备工艺。基体和增强体选定后，制备工艺的选择项就比较少了。如选定碳化硅晶须增强铝合金复合材料，则制备工艺可以选择常规粉末冶金法、液相共沉积法、搅拌铸造法（压力铸造、挤压铸造等）、晶须预制块进行调压浸渗法、高压浸渗法等。关于DRMMCs的设计，一般是按照基体、增强体含量、品种、粒度等参数进行设计研究，基本上采用上述经验模式进行摸索、试探。随着应用的扩大和技术的进步，亟须建立理性的设计原则和评判准则，指导复合材料的理性设计和制备，以充分发挥复合材料可设计的特性，使复合材料性能/行为最优化，这就是本书的核心内容。
　　关于DRMMCs的制备问题在第2章讨论。
　　1.3DRMMCs的组织与性能表征方法
　　DRMMCs组织与性能表征是其研究和应用的主要环节，该环节涉及以下研究领域。
　　1.3.1增强机理
　　与常规金属材料和连续纤维复合材料不同，DRMMCs中的基体是连续的，变形时增强体一般不发生塑性变形；通常增强体含量较高，尺寸较大（相对于合金中的弥散强化粒子而言）；具有较复杂的几何形状。增强体的这种非连续性特点决定了其不能长程分担外载荷；而其非塑性的刚性性质导致其受力时在基体中形成非均匀应力场，特别是应变呈不均匀分布（或应力应变集中），并对其临近基体的塑性流变产生约束作用。于是每一个增强体都产生了上述局部效应，大量具有这种微区效应的区域在宏观材料中就产生了整体上的效应，反映在流变应力或强度上，就是增强或强化效应。由于增强体/基体界面在几何上是连续的，增强体具有一定的空间尺度，因此增强体具有局部分担外载荷的能力。这些因素决定了不能用ROM方法来处理DRMMCs的强化问题。DRMMCs的增强或强化机制研究虽然取得了许多成果，但由于对增强体在远场力作用下的行为进行了过分简化的处理，甚至忽略了某些重要的强化作用，导致现有强化机理存在许多矛盾。例如，增强体种类与含量如何影响DRMMCs强度；随增强体含量的增加，许多复合材料工程比例极限和初始流动应力（名义屈服强度）出现先下降，后上升的规律，显然与基体强化理论或相间残余应力等模型相矛盾；晶须和短纤维即使长度小于临界长度，其增强效果也要强于颗粒，但又远远偏离ROM的预测值；等等。因此，只有全面、深入、系统地研究DRMMCs增强和强化机理，定量评价DRMMCs的组织和性能，才能为材料设计提供正确的理论指导。
　　1.3.2断裂机理
　　DRMMCs的损伤破坏断裂机制研究取得了大量的成果。MoriEshelby等方法建立了等效（球椭球）夹杂物理论，创立了分析具有非均匀组织的材料的内部力学问题的理论方法，进而依据该理论发展了椭球柱状夹杂物的应力应变分析方法，可以通过椭圆积分获得孤立夹杂物内外的应力应变场；数值计算研究、依据剪切套筒模型建立的经典临界长度方法，可进行孤立增强体的断裂等半定量力学行为分析。即使忽略增强体和基体之间的界面因素（不论结合强度如何），界面的法向应力和界面剪切应力（由相间残余应力、外载荷造成的远场应力等因素引起）以及和相邻增强体的交互作用也使得实际的应力应变场变得相当复杂。经典等效夹杂理论和临界长度理论是针对孤立增强体的情形，而实际DRMMCs中的相邻增强体距离很小，增强体间的交互作用不能忽略，这必然严重影响实际材料中应力应变场以及增强体纤维的临界长径比的估算。因此，根据DRMMCs实际组织参量来研究微区应力应变状态，可以得出更实际的结论。
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第1章 发展中的复合材料
1.1 复合材料概述
1.2 DRMMCs的研究方法
1.3 DRMMCs的组织与性能表征方法
1.4 DRMMCs组织与性能的表象学研究方法

第2章 制备与组织和性能特点
2.1 DRMMCs制备和加工方法概述
2.2 粉末冶金法制备铝基复合材料及制品
2.3 DRMMCs的性能和显微组织特征
2.4 DRMMCs的界面
2.5 本章小结

第3章 强化机制的表象学分析
3.1 陶瓷增强体与金属基体的协同效应
3.2 DRMMCs强化机制分类
3.3 基体强化的表象学研究——物理强化效应
3.4 复合材料强化的表象学方法——力学强化效应及表征
3.5 增强粒子断裂的临界条件
3.6 DRMMCs物理强化机制

第4章 显微结构的表象学研究
4.1 颗粒和短纤维增强金属基复合材料组织的表象分析
4.2 等强度分析方法和增强体的特征参量
4.3 增强体分布的数学特征
4.4 增强体的力学强化因子
4.5 残余应力效应及初始流变应力分析
4.6 物理强化和力学强化机制的关系
4.7 本章小结

第5章 力学性能表征
5.1 DRMMCs损伤与断裂研究现状
5.2 微区启裂的实验观察与分析
5.3 微裂纹长大机制
5.4 DRMMCs断裂过程的物理图像
5.5 本章小结

第6章 力学性能预测与评估
6.1 同分布比拟与弹性模量预报
6.2 断裂应变
6.3 比例极限
6.4 屈服极限
6.5 极限强度
6.6 本章小结

第7章 结构与性能优化设计
7.1 DRMMCs设计准则
7.2 增强体设计
7.3 基体设计
7.4 界面设计
7.5 DRMMCs优化设计要素
7.6 DRMMCs优化设计应用展望
7.7 本章小结
参考文献
致谢