基于离子聚合物金属基复合材料线性驱动单元的性能_赵刚[1]

第４６卷　第１期吉林大学学报（工学版）　Ｖｏｌ．４６　Ｎｏ．１２０１６年１月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｊａｎ．２０１６基于离子聚合物金属基复合材料

线性驱动单元的性能

赵　刚，孙壮志，郭华君，隋志阳，李　芳，赵华兴

（哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨１５０００１）

摘　要：为提高输出力，设计了一种新型线性驱动单元，首先通过化学沉积镀的方式制备了ＩＰＭＣ材料，采用表层分割等方法制备线性驱动单元模型，建立了疲劳脱落评价方法，并分析

了悬臂梁驱动的打卷现象，最后利用ＩＰＭＣ实验测试平台对方波电压下线性驱动单元性能进

行研究。结果表明：控制电压小于４Ｖ，长宽比小于３．５，可减少高电压、大尺寸打卷现象；沿运

动方向的输出力随电压增加先增大后减小，４Ｖ时最大输出力为２．１５×１０－２　Ｎ，是悬臂梁输出

能力的４倍，而输出位移不随电压变化；垂直运动方向的输出力不随电压变化，与悬臂梁输出

能力相当，而位移输出随着电压增加先增大后减小，４Ｖ时最大输出位移为４１ｍｍ；疲劳脱落

分析结果证实了线性驱动单元选取３～４Ｖ电压驱动，性能最佳。

关键词：自动控制技术；离子聚合物复合材料（ＩＰＭＣ）；线性驱动单元；疲劳脱落；打卷

中图分类号：ＴＰ１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１６）０１－０２２１－０７

ＤＯＩ：１０．１３２２９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｄｘｂｇｘｂ２０１６０１０３３

Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｏｎｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＺＨＡＯ　Ｇａｎｇ，ＳＵＮ　Ｚｈｕａｎｇ－ｚｈｉ，ＧＵＯ　Ｈｕａ－ｊｕｎ，ＳＵＩ　Ｚｈｉ－ｙａｎｇ，ＬＩ　Ｆａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｈｕａ－ｘｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｉｏｎｉｃ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｍｅｔａｌ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＩＰＭＣ），ａ　ｎｏｖｅｌｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｐａｒｅ　ＩＰＭＣｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｉｓｐａｔｉｏｎ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ　ｕｎｄｅｒ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ＩＰＭＣ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｉｓｐａｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　４Ｖ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈａｎ　３．５．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｓｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　２．１５×１０－２　Ｎ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　４Ｖ，ｗｈｉｃｈｉｓ　ｆｏｕｒ　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｋｅｅｐｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｈｅ

收稿日期：２０１４－０６－１３．

基金项目：国家自然科学基金项目（５０９０５０３７）；中央高校基本科研业务费专项项目（ＨＥＵＣＦ１４０７１３）．

作者简介：赵刚（１９５６－），男，教授．研究方向：仿生制造．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｇａｎｇ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

通信作者：孙壮志（１９８７－），男，博士研究生．研究方向：智能驱动器，仿生人工肌肉，水下推进技术．

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｚｈｕａｎｇｚｈｉ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

吉林大学学报（工学版）第４６卷

ｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ａｌｏｎｇ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｌｓｏｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｌｓｏ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｓ　４１ｍｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　４Ｖ．Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒａｎｇｅｓ　ｆｒｏｍ　３Ｖｔｏ　４Ｖ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｉｏｎｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＩＰＭＣ）；ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ；ｃｒｉｓｐａｔｉｏｎ

０　引　言

有关离子聚合物金属复合材料（Ｉｏｎｉｃｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＩＰＭＣ）的研究自１９９２年开始逐渐深入，其低电压驱动、低噪声、大形变、特殊的水下性能等优点得到了学术界的充分肯定，且被广泛应用于航空、医疗及仿生等领域中［１－３］。在现阶段的研究中，ＩＰＭＣ主要被应用于制造一些微小的仿生器件，如仿生机器人［４－８］、仿生医用装备［９，１０］等。

鉴于ＩＰＭＣ自身兼备驱动器及执行机构两部分功能，可直接应用于微型机器人的驱动与执行，Ｍｃｄａｉｄ等［１１］制作了一种自适应调节的两自由度控制器，实验证实了在不同的操作环境下两自由度优于一个自由度的设计方案；Ｋｒｕｕｓｍａａ等［１２］提出了一种柔性精密控制链式机械手，该机械手能准确、快速地满足工作要求；基于ＩＰＭＣ驱动及集成传感的特性，Ｆｕ等［１３］设计了一种力耦合的外科手术机器人，采用ＩＰＭＣ作为驱动器间接驱动执行机构，并验证其能够实现手术要求的切割深度；Ｃｈａｎｇ等［１４］研究了一种多自由度的水上行走机器人，工作性能稳定，实验证实其行走速度可达到２ｍｍ／ｓ；Ｓｈｉ等［１５］研制了一种多功能水下机器人，可以实现在水下行走、旋转、漂浮等运动，实验测试了漂浮及行走速度。上述研究证明了ＩＰＭＣ在仿生机器人领域具有广泛的应用潜能，各类设计极具新颖性，然而，研究重点却主要集中于单条ＩＰＭＣ直接或者间接驱动，无法满足实践应用的需要。随着研究的深入，国内外研究人员发现单片悬臂梁模型的ＩＰＭＣ尖端输出力小（毫牛级）且工作周期短，鉴于目前工艺改进提高寿命问题的效果不佳，因此，设计创新结构来改善ＩＰＭＣ力输出性能是解决此类问题的突破口。本文作者针对提高ＩＰＭＣ输出力的问题，提出了一种创新型线性驱动单元结构，采用化学沉积法制备了ＩＰＭＣ材料，基于表层分割的方法制备了线

性驱动单元，通过ＩＰＭＣ实验测试平台对不同电压激励下的线性驱动单元性能进行实验研究。

１　线性驱动单元建模

１．１　疲劳脱落分析

金属基ＩＰＭＣ的制备大都采用化学镀的方法沉积于聚合物基膜的表层，制备完成后金属粒子均匀散布于基膜表层两侧，在电压激励时，阳极侧的金属粒子因空间减小逐渐压缩，阴极侧的金属粒子逐渐膨胀开裂［１６］，如图１所示。当样条形变曲率较小时，因阳极侧金属粒子挤压，表层电阻逐渐变小，而阴极侧金属粒子开裂，电阻逐渐增大，此时表层电阻主要受曲率半径变化的影响；当曲率增大到一定程度，两侧金属粒子曲率变化超过其晶格压缩与拉伸极限，出现表层疲劳脱落，导致电阻急剧升高，此时的表层电阻值完全取决于金属粒子与基膜的结合程度。因此，产生疲劳脱落现象的根本原因是大曲率的周期性弯曲

。

图１　疲劳脱落过程示意图

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ１．２　线性驱动单元模型

ＩＰＭＣ作为一种阳离子交换膜，在电压激励作用下，膜内阳离子迁移运动引起基膜表层两侧离子浓度的变化产生应变，最终，两侧应变诱导其弯曲［１７］。传统的ＩＰＭＣ电致动特性主要基于悬臂梁的模型，即端侧激励诱导弯曲。通过变换位

·

２

２

２

·

第１期赵　刚，等：基于离子聚合物金属基复合材料线性驱动单元的性能

置施加激励发现，中端激励可诱导ＩＰＭＣ实现一定曲率半径的形变运动，其致动模型如图２所示。考虑到单悬臂梁结构的驱动，无法保证稳定的尖端力线性输出，

同时，输出方向是瞬时变化，因此，利用中端激励致动模型及端侧激励悬臂梁模型三段组合的方法，设计了线性驱动单元模型

。

图２　中端激励致动模型图

Ｆｉｇ

．２　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｉｄｄｌｅ　ｉｎｃｅｎｔｉｖｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ线性驱动单元的设计是通过控制单片ＩＰＭＣ条的“拱桥式”运动而实现，需要解决两大关键问题，即分段给电与相邻段反向供电。分段给电驱动的原模型使用多个驱动电极，

增加了制作的难度。相邻段反向供电需要复杂的表层结构设计，如裁剪及打孔等，加剧表面应力集中，且采用各类导线连接、表层涂覆导电材料等手段，增加了ＩＰＭＣ的致动负担，

造成了线路混乱。为了克服上述问题，

设计了一种新型线性驱动结构，如图３所示，模型结构中，交叉沟槽的结构实现分段给电，

而上下两片电极中交叉沟槽采用交叉结构，

配图３　单驱动片结构图

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｓｔｒｉｐ

合交叉连接电极实现相邻段反向供电，同时，采用单对电极驱动方案。制备过程中采用表层分割进行分段处理，并制作交叉连接电极结构，完成单驱动片的制备后，

装配两单驱动片及一对驱动电极即可获得线性驱动单元，如图４所示，其中η为疲劳脱落角，Ｌｈ为沿运动方向的单元位移，Ｌｖ为垂直运动方向的变化位移

。

图４　线性驱动单元模型简图

Ｆｉｇ．４　Ｓｉｍｐ

ｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ２　线性驱动单元的模型制备

２．１　ＩＰＭＣ的实验制备

实验采用银基ＩＰＭＣ材料，通过化学沉积镀的方式制备获得。实验材料选用美国杜邦公司的Ｎａｆｉｏｎ－

１１７基膜、硝酸银、氨水、葡萄糖等材料，反应的方程式如下：

２Ａｇ（ＮＨ３）２ＯＨ＋Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→２Ａｇ↓＋Ｃ６Ｈ１５Ｏ７Ｎ＋３

ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ（１

） 制备工艺过程如下：

（１

）基膜的粗化及活化处理采用金相砂纸均匀粗化打磨，

保证基膜两侧具有相同的打磨深度；基膜的活化处理，将打磨完成的基膜用去离子水清洗，清洗完毕后置于超声波振动２～３次，依次经过２ｍｏｌ／Ｌ的稀盐酸、１５％双氧水及蒸馏水于８０℃水浴活化３０ｍｉｎ，去除表层的有机物及无机物等杂质。处理完毕后，在８０℃水浴中使用２ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ溶液浸泡３０ｍｉｎ。

（２

）离子交换完成活化的基膜置于０．０３ｍｏｌ／Ｌ的银氨溶液中，静置１４ｈ，

使离子交换达到平衡状态。（３

）电极沉积采用０．２５ｍｏｌ／Ｌ葡萄糖作为还原剂，每１０ｍｉｎ添加１０ｍＬ，

均匀滴加，共添加６～７次。（４

）电极修饰沉积后的基膜浸泡在０．０３ｍｏｌ／Ｌ的银氨溶液中２ｈ，再次滴加葡萄糖进行还原。为了保证电极修饰质量，

重复修饰过程一次。２．２　线性驱动单元的模型制备流程

采用自制的银基ＩＰＭＣ材料及表层沟槽切割设备等制作线性驱动单元模型，具体制备流程如下：

·

３２２·

吉林大学学报（工学版）

第４６卷

（１

）单驱动片的分段处理在去离子水的环境下，采用水切割法在ＩＰＭＣ表层均匀切割斜向沟槽，

按１∶１∶１的表面比将ＩＰＭＣ单驱动片平分为３段，背面沿交叉方向切割相同深度的沟槽。均匀对称的结构组合可抵消表面应力分布的偏移，故不同的驱动片间应保证结构对称。

（２

）交叉连接电极的制备在交叉的导电沟槽的长度投影方向，对称制作方形凸起，其余部分进行剪边处理，避免驱动电路发生短路现象。

（３

）线性驱动单元的装配采用轻质的连接块对称连接两单驱动片，分别在中间段处内侧及外表面对称位置处贴上微型驱动电极，作为电压激励源。最终制作完成的单驱动片及线性驱动单元模型，

如图５所示

。图５　单驱动片及线性驱动单元模型图Ｆｉｇ．５　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｓｔｒｉｐ　

ａｎｄｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　

ｕｎｉｔ３　实验结果及分析

３．１

　实验测试原理及方案

实验测试过程在ＩＰＭＣ实验测试平台上完成，测试平台的工作原理图如图６所示，主要包括输出力、位移及电流测试单元组成，利用数据采集图６　ＩＰＭＣ实验测试平台原理图

Ｆｉｇ．６　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＩＰＭＣ　ｅｘｐ

ｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔ　ｐ

ｌａｔｆｏｒｍ卡对数据进行收集后处理。信号发生器采用ＳＰ１６５１型数字合成低频功率信号发生器，

力的测试过程是通过微型力传感器将信号传输到ＰＣＩ－６０４２Ｅ数据采集卡，经由ＬａｂＶＩＥＷ在ＰＣ上显

示，而位移测试采用型号为ＦＴ５０７０Ｆ的激光位移传感器实现数据反馈。测试时，将线性驱动单元模型一端固定。

整个实验测试过程在空气中完成，实验测试前保证ＩＰＭＣ充分吸水。实验选取尺寸为６０ｍｍ×１５ｍｍ×０．２ｍｍ（长×宽×高）的ＩＰＭＣ材料制作线性驱动单元，在２～６Ｖ方波电压下测试线性驱动单元的最大输出力及位移变化，同时，实验研究了不同长度下（

宽高不变）的单悬臂梁样条的性能。为保证实验测试的准确性，对每组实验各测试３组，测试结果取平均值处理。

３．２　单片悬臂梁模型的性能分析

实验研究发现，ＩＰＭＣ电压过高及长度过长会出现打卷现象，

自末端至夹持端加速弯曲，如图７所示。ＩＰＭＣ机电驱动服从Ｋａｎｎｏ的线性动态模型，即在外界激励下驱动内部等效电路，经由逐级传递产生驱动电流，诱导上下层的应变产生应

图７　ＩＰＭＣ打卷现象图

Ｆｉｇ．７　Ｃｒｉｓｐａｔｉｏｎ　ｐ

ｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ＩＰＭＣ力变化，最终实现其机械致动过程。ＩＰＭＣ作为一种典型的机电一体化产品，

过低的电压激励会使得末端局部无法正常获得激励信号，而其余部分则获得过高的激励信号，导致末端各处电压分布不均，引起应力分布变化，产生打卷现象。增加悬臂梁的驱动长度，相当于增加等效驱动电路数量，且化学沉积镀无法保证表层粒子的均匀生长，使得镀层厚度不均，造成等效电路的电阻值参差不齐，引起末端电压分布不均匀，外部表现为打卷现象；

过高的激励电压，加速电阻升高过程导致表层电阻分布变化、应力不均，最终也表现出打卷现

象。为了实现合理的分段尺寸布局，

避免打卷现象的发生，实验测试了多组不同尺寸与不同电压激励下的单片ＩＰＭＣ材料的电制动特性，

结果表·

４２２·

第１期赵　刚，等：基于离子聚合物金属基复合材料线性驱动单元的性能

明，控制驱动电压小于４Ｖ，试样长宽比小于３．５时，ＩＰＭＣ的悬臂梁驱动模型可以降低打卷现象发生的次数。

基于以上分析，选取尺寸为４０ｍｍ×１５ｍｍ×０．２ｍｍ的ＩＰＭＣ样条，

在不同电压下，对样条尖端输出力进行测试，得到如图８所示的ＩＰＭＣ尖端力输出曲线图。由图８可知，电压激励为２～３．

５Ｖ时该样条具有相对较大的输出力，最大值为０．４９×１０－２　

Ｎ，尖端输出力最大值与最小值的变动保持在３０％左右，

变化幅度较小，尖端输出力致动能力基本为０．４０×１０－２　

Ｎ，

因此，现阶段，单片ＩＰＭＣ直接或间接驱动只可以应用于小型的传感器、微型的机械抓手等器件

。

图８　ＩＰＭＣ尖端力输出曲线图Ｆｉｇ．８　Ｔｉｐ　

ｆｏｒｃｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ＩＰＭＣ３．３　线性驱动单元模型的性能分析

在不同的电压下，采用ＩＰＭＣ实验测试平台对线性驱动单元的最大输出力及位移进行测试，得到图９及图１０所示的线性驱动单元性能曲线

。

图９　线性驱动单元双向力输出曲线图

Ｆｉｇ．９　Ｔｗｏ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｏｕｔｐ

ｕｔ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｎｉｔ由图９可知，沿运动方向的输出力随着电压的升高先增加后减小，电压激励为４～５Ｖ时表现出较大的力输出值，

电压激励为４Ｖ时，最大力输出值为２．１５×１０－２　

Ｎ；垂直运动方向输出力基本不随电压变化而变化，平均值为０．３９×１０－２　Ｎ

。

图１０　线性驱动单元双向位移输出曲线图Ｆｉｇ．１０　Ｔｗｏ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｕｔｐ

ｕｔｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｃｔｕａｔｏｒ　

ｕｎｉｔ沿运动方向的平均输出值为１．６０×１０－２　

Ｎ，

显著大于垂直运动方向平均输出值，是其输出能力的４倍；

垂直运动方向的力输出接近单悬臂梁下力输出能力，而沿运动方向的力输出是单悬臂梁力输出能力的４倍。

由图１０可知，随着电压的升高，垂直运动方向的输出位移随着电压的增加先增大后减小，在电压激励为４Ｖ时，最大值为４１ｍｍ，平均输出值为３２．７８ｍｍ；水平运动方向的位移输出较小，平均输出值为２２．２２ｍｍ，

基本不随电压变化而变化；垂直运动方向的位移输出能力是沿着运动方向输出能力的１．５倍。

线性驱动单元的性能分析结果说明，该单元设计具有优异的沿运动方向的水平力输出及垂直于运动方向的位移性能，显著改善了单悬臂梁模型的微力输出性能，且结构简单、制备方便，为后期应用开发奠定了基础。

３．４　线性驱动单元的疲劳脱落分析

疲劳脱落现象是ＩＰＭＣ工作失效的主要原因之一，线性驱动单元的设计同时兼顾大的应力输出及持久的工作性能，

防止大曲率周期性运动引起的疲劳脱落，因此，建立了一套疲劳脱落评价方法，其计算公式如下：

η＝ａ

ｒｃｔａｎ（Ｌｖ／Ｌｈ）（２） 由图１

１可知，疲劳脱落角随着电压激励的增加先增大后减小，在电压激励为４Ｖ时，具有最大疲劳脱落角为６０．１５°，而３～５Ｖ电压时疲劳脱落角较为稳定，保持５０°左右。这表明，电压激励为３～５Ｖ时线性驱动单元的疲劳脱落程度随着电压激励的升高先增加后减小，在４Ｖ电压时疲劳脱落最严重。鉴于大电压激励信号会加速表面电阻变化，加快疲劳脱落，影响线性驱动单元的工

·

５２２·

吉林大学学报（工学版）

第４６卷

作性能，同时，兼顾其性能输出规律，保证线性驱动单元在不发生疲劳脱落影响工作周期的基础上提高其性能输出，供给电压选取３～４Ｖ较为适宜

。

图１１　疲劳脱落变化曲线图

Ｆｉｇ．１１　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ

４　结　论

（１

）设计了一种新型线性驱动单元，通过化学沉积法制备了ＩＰＭＣ，提出了线性驱动单元的制备流程，解决了分段给电与相邻段反向供电问题，制作了线性驱动单元。

（２）Ｋａｎｎｏ的线性动态模型说明等效电路电压分布不均产生打卷现象，应控制激励电压小于４Ｖ，长宽比小于３．５，同时，测试实验样条在不同电压激励下的尖端平均输出力为０．４０×１０

－２　

Ｎ。

（３

）沿运动方向的输出力随电压增加先增大后减小，４Ｖ时最大输出力为２．１５×１０－２　Ｎ，平均输出力为１．６０×１０－２　Ｎ，

是悬臂梁输出能力的４倍，而输出位移不随电压而变化，平均输出位移为２２．２２ｍｍ；

垂直运动方向的输出力不随电压变化而变化，平均输出力为０．３９×１０－２　

Ｎ，

与悬臂梁输出能力相当，

而位移输出随着电压激励的增加先增大后减小，４Ｖ时最大输出位移为４１ｍｍ，平均输出位移为３２．７８ｍｍ。垂直运动方向的位移输出能力是沿着运动方向的１．５倍，沿着运动方向力输出能力是垂直运动方向的４倍。该单元设计改善了微力输出的单悬臂梁模型性能，为后期应用开发奠定了基础。

（４

）大曲率的周期性弯曲可诱导疲劳脱落，线性驱动单元疲劳分析表明，电压激励为３～５Ｖ时，疲劳脱落程度变化较为明显，４Ｖ时疲劳脱落最严重，兼顾线性驱动单元的性能及工作周期，选用３～４Ｖ电压驱动。

参考文献：

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ｏｏｒ　Ｍ．Ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｉｏｎｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ，ｎａｎｏａｃｔｕａｔｏｒｓ　ａｎｄ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｍｕｓｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，５７５９：４９－

６３．［４］Ｙｉｍ　Ｗ，Ｌｅｅ　Ｊ，Ｋｉｍ　Ｋ　Ｊ．Ａｎ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｍｕｓｃｌｅ　ａｃｔｕａ－

ｔｏｒ　ｆｏｒ　ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，２００７，２（２）：３１－４１．［５］Ｃｈｅｎ　Ｚ，Ｕｍ　Ｔ　Ｉ，Ｂａｒｔ－Ｓｍｉｔｈ　Ｈ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　

ｆａｂｒｉｃａｔｅｄｏｆ　ｉｏｎｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒ－ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ａｃｔｕａｔｏｒｃａｐａｂｌｅ　ｏｆ　３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　ｍｏｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｓｅｎ－ｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，２０１１，１６８（１）：１３１－１３９．［６］Ｓｈａｈｉｎｐｏｏｒ　Ｍ．Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ｖｅｎｕｓ　ｆｌｙｔｒａｐ（

ｄｉ－ｏｎａｅａ　ｍｕｓｃｉｐｕｌａ　ｅｌｌｉｓ）ｍａｄｅ　ｗｉｔｈ　ｉｏｎｉｃ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｅｔ－ａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，２０１１，６（４）：１－

１１．［７］魏传新，陈洪达，尹达一．

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构［Ｊ］．光学精密工程，２０１５，２３（１１）：３１６８－

３１７５．Ｗｅｉ　Ｃｈｕａｎ－ｘｉｎ，Ｃｈｅｎ　Ｈｏｎｇ－ｄａ，Ｙｉｎ　Ｄａ－ｙｉ．Ｓｐａｔｉａｌｃｏｍｐｌｉａｎｔ　ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｒｏｓｓ－ｓｐｒｉｎｇ　ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｐｉｖｏｔ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２３（１１）：３１６８－３１７５．［８］马立，肖金涛，周莎莎，

等．杠杆式尺蠖压电直线驱动器［Ｊ］．光学精密工程，２０１５，２３（１）：１８４－１９０．Ｍａ　Ｌｉ，Ｘｉａｏ　Ｊｉｎ－ｔａｏ，Ｚｈｏｕ　Ｓｈａ－ｓｈａ，ｅｔ　ａｌ．Ｌｉｎｅａｒ　ｌｅ－ｖｅｒ－ｔｙｐｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｃｈｗｏｒｍ　ａｃｔｕａｔｏｒ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２３（１）：１８４－１９０．［９］Ｎｇｕｙｅｎ　Ｔ　Ｔ，Ｇｏｏ　Ｎ　Ｓ，Ｎｇｕｙ

ｅｎ　Ｖ　Ｋ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｅ－ｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆ　ａ　ｆｌａｐ　ｃａｌｖｅ　ＩＰＭＣ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｗｉｔｈ　ａ　ｆｌｅｘｉｂｌｙ　ｓｕｐ－ｐｏｒｔｅｄ　ｄｉａｐｈｒａｇｍ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，２００８，１４１（２）：６４０－

６４８．［１０］Ｌｅｅ　Ｓ　Ｋ，Ｋｉｍ　Ｋ　Ｊ，Ｐａｒｋ　Ｈ　Ｃ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｐ

ｅｒｆｏｒｍ－ａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ＩＰＭＣ－ｄｒｉｖｅｎ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，５７５９：４３９－

４４６．·

６２２·

第１期赵　刚，等：基于离子聚合物金属基复合材料线性驱动单元的性能

［１１］Ｍｃｄａｉｄ　Ａ　Ｊ，Ａｗ　Ｋ　Ｃ，Ｈａｅｍｍｅｒｌｅ　Ｅ，ｅｔ　ａｌ．Ａｄａｐ－ｔｉｖｅ　ｔｕｎｉｎｇ　ｏｆ　ａ　２ＤｏＦ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｒｏｂｕｓｔ　ｃｅｌｌ　ｍａ－

ｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ＩＰＭＣ　ａｃｔｕａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉ－

ｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，２１（１２）：１－１１．

［１２］Ｋｒｕｕｓｍａａ　Ｍ，Ｈｕｎｔ　Ａ，Ｐｕｎｎｉｎｇ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｌｉｎｋｅｄｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｉｏｎ－ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

（ＩＰＭＣ）ｊｏｉｎｔｓ　ｆｏｒ　ｓｏｆｔ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ［Ｃ］∥

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａ－ｔｉｏｎ，Ｐａｓａｄｅｎａ，ＣＡ，２００８：３５８８－３５９３．

［１３］Ｆｕ　Ｌｉ－ｘｕｅ，Ｍｃｄａｉｄ　Ａ　Ｊ，Ａｗ　Ｋ　Ｃ．Ａ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｍｐｌｉａｎｔｓｕｒｇｉｃａｌ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ｔｏｏｌ　ｗｉｔｈ　ＩＰＭＣ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｅ－

ｇｒａｔｅｄ　ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｃ］∥Ｆｏｕｒｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｓｍａｒｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ，Ｈｏｎｇ　Ｋｏｎｇ，２０１３：１－１１．

［１４］Ｃｈａｎｇ　Ｙｉ－ｃｈｕ，Ｋｉｍ　Ｗ　Ｊ．Ａｑｕａｔｉｃ　ｉｏｎｉｃ－ｐｏｌｙｍｅｒ－

ｍｅｔａｌ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｓｅｃｔｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ－ｄｏｆ　ｌｅｇｓ

［Ｊ］．ＡＳＭＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，１８（２）：５４７－５５５．

［１５］Ｓｈｉ　Ｌｉ－ｗｅｉ，Ｇｕｏ　Ｓｈｕ－ｘｉａｎｇ，Ａｓａｋａ　Ｋ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｕｌ－ｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔ［Ｃ］∥Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ－

ａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ，２０１０：８７３－８７８．

［１６］Ｐｕｎｎｉｎｇ　Ａ，Ｋｒｕｕｓｍａａ　Ｍ，Ａａｂｌｏｏ　Ａ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅ－ｓｉｓｔａｎｃｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ＩＰＭＣ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ａｃｔｕａ－

ｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，２００７，１３３（１）：２００－２０９．

［１７］Ｔａｄｏｋｏｒｏ　Ｓ，Ｙａｍａｇａｍｉ　Ｓ，Ｔａｋａｍｏｒｉ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｎａｆｉｏｎ－Ｐｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ａｃｕｔａｔｏｒｓ（ＩＣＰＦ）ｂｙ　ｉｏｎｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，２０００，３９８７：９２－１０２．

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金属基复合材料的现状与展望

金属基复合材料的现状与 展望 学院：萍乡学院 专业：无机非金属材料 学号：13461001 姓名：蒋家桐

摘要综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合 涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况. 同时报道了目前本领域研究存在的问 题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景. 关键词颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料 随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1 ] . 复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC) 是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料. 这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60 年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支. 目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料. 1 进展情况 目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al , Mg ,Ti 等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体. 增强 纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼 化物和碳化物等. 用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上 只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用 前景[2 ] . 1. 1 纤维增强金属基复合材料 纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优 点,而成为复合材料的主要类型. 1. 2 颗粒增强金属基复合材料 由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、 日本等少数发达国家用于军事工业. 为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属 基复合材料的研究上. 这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单, 成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用. 可见,颗粒增强金属基复 合材料是非常有发展前途的. 金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强

金属基复合材料的种类与性能

金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 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的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 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动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具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。

聚合物基复合材料 知识点总结

第二章增强材料 1.增强材料的品种： 1）无机纤维：（1）玻璃纤维 （2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维 （3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维 2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）： ①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯 （2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇 2.玻璃纤维的分类： 1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2% 2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）…… 3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉） 3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻 璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法） 4.玻璃纤维的力学特性： 1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征 2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释： （1）Griffith微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低 （2）分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。 3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低 4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6% 5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空） 1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗 3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。S：右捻，Z：左捻。增加抱合力 4）股数N：指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N） 6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度

金属基复合材料的研究进展

金属基复合材料的研究进展 姓名：@@@ 学号：@@@@ 学院：@@@@ 专业：@@@@

目录 1金属基复合材料发展史 (1) 2金属基复合材料的制造方法 (1) 2.1扩散法 (1) 2.1.1扩散粘结法 (1) 2.1.2无压力金属渗透法 (2) 2.1.3预制体压力浸渗法 (2) 2.2沉积法 (2) 2.2.1反应喷射沉积法(RAD) (2) 2.2.2溅射沉积法 (2) 2.2.3化学气象沉积法 (2) 2.3液相法 (2) 2.4熔体搅拌法 (3) 3金属基复合材料的应用概况 (3) 3.1金属基复合材料的范畴界定 (3) 3.2金属基复合材料全球市场概况 (3) 3.2.1MMCs在陆上运输领域的应用 (4) 3.2.2MMCs在电子/热控领域的应用 (4) 3.2.3MMCs在航空航天领域的应用 (5) 3.2.4MMCs在其它领域的应用 (5) 3.3中国的金属基复合材料研究现状 (7) 4金属基复合材料研究的前沿趋势 (7) 4.1金属基复合材料结构的优化 (7) 4.1.1多元/多尺度MMCs (8) 4.1.2微结构韧化MMCs (8) 4.1.3层状MMCs (8) 4.1.4泡沫MMCs (8) 4.1.5双连续/互穿网络MMCs (8) 4.2结构-功能一体化 (8) 4.2.1高效热管理MMCs (8) 4.2.2低膨胀MMCs (9) 4.2.3高阻尼MMCs (9) 4.3碳纳米管增强金属基纳米复合材料 (9) 5总结与展望 (9) 参考文献 (10)

金属基复合材料的研究进展 摘要：在过去的三十年里，金属基复合材料凭借其结构轻量化和优异的耐磨、热学和电学性能，逐渐在陆上运输(汽车和火车)、热管理、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用，确立了作为新材料和新技术的地位。本文概述了金属基复合材料的发展历史和制造方法。并且在综述金属基复合材料的研究与应用现状的基础上，对其研究的前沿趋势进行了展望。 关键词：金属基复合材料；制造方法；性能；应用；前沿展望 金属基复合材料（MMCs），是在各金属材料基体内用多种不同复合工艺，加进增强体，以改进特定所需的机械物理性能。金属基复合材料在比强度、比钢度、导电性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。因此，金属基复合材料在新兴高科技领域，宇航、航空、能源及民用机电工业、汽车、电机、电刷、仪器仪表中日益广泛应用。 1金属基复合材料发展史 近代金属基复合材料的研究始于1924年Schmit[1]关于铝/氧化铝粉末烧结的研究工作。在30年代，又出现了沉淀强化理论[2,3]，并在以后的几十年中得到了很快地发展。到了60年代，金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。到了80年代，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞，从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了飞快地发展。土耳其的S.Eroglu等用离子喷涂技术制得了NiCr-Al/MgO-ZrO2功能梯度涂层。目前，金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视，特别是航空航天部门推进系统使用的材料，其性能已经接近了极限。因此，研制工作温度更高、比钢度、比强度大幅度增加的金属基复合材料，已经成为发展高性能材料的一个重要方向。1990年美国在航天推进系统中形成了3 250万美元的高级复合材料（主要为MMC）市场，年平均增长率为16%，远远高于高性能合金的年增长率[4]。到2000年，金属基复合材料的市场价值达到了1.5亿美元，国防/航空用金属基复合材料已占市场份额的80%[5]。预计到2005年市场对金属基复合材料的需求量将达161 t，平均年增长率为4.4%。 2金属基复合材料的制造方法 金属基复合材料的种类繁多，制造方法多样，但总体上可以归纳为4种生产方法。2.1扩散法 扩散法是将作为基本的金属粉末与裸露或有包覆层的纤维在一起压型和烧结，或在基体金属的薄箔之间置入增强剂进行冷压或热压制成金属基复合材料的方法[6]。 2.1.1扩散粘结法 这种方法常用于粉末冶金工业。对于颗粒、晶须等增强体可以采用成熟的粉末冶金法，即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结，也可以用热等压工艺。对于连续增强体比较复杂，需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用，再浸入液态金属中制成复合丝，最后把复合丝排列并夹入金属薄片后热压烧结，对于难熔金属

聚合物基复合材料的发展现状和最新进展

聚合物基复合材料的发展现状和最新进展 摘要聚合物基复合材料以聚合物为基体，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等为增强材料复合而成。主要包括热固性复合材料和热塑性复合材料。本文先介绍聚合物基复合材料的最新性能研究，再简单介绍下最近几年的研究热点，最后从应用角度谈一谈聚合物基复合材料的发展现状和最近进展。 关键词聚合物基复合材料发展现状最近进展 一、引言 我国聚合物基复合材料的研究始于1958 年，第一个产品就是我们所熟知的玻璃钢。我国热塑性树脂基复合材料开始于20世纪80年代末期，近20年来取得了快速发展。迄今，我国已经成功将碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维增强高性能聚合物基复合材料实用化，其中高强度玻璃纤维增强复合材料已达到国际先进水平，形成了年产500t的规模[1]。随着科技的高速发展，传统聚合物基复合材料已不能满足使用需求，对高性能、耐高温、耐磨损、耐老化性能的研究不断深入。新型复合材料的出现也给该领域带来了更大的发展前景，进而在军事、航空航天、交通，乃至日常生活中的广泛运用也使得该领域具有巨大的发展空间和良好的市场前景[2]。 二、性能研究进展 常见的高性能耐高温聚合物材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能，将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤

维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强，已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选[3]。美国一家PI复合材料供应商，主要生产不含MDA型PI／碳纤维、玻璃纤维、石英纤维单向带、织物以及预制品。该公司开发的900HT材料的瓦约为426℃，使用温度最高816℃，可采用热压罐、模压以及某些液体模塑工艺加工[4]。该材料还具有十分优异的热氧化稳定性，因此尤其适用于制造在高温氧气环境中长期工作的发动机以及机身部件[5]。 聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、臭氧、氧、水、温度、湿度、微生物、化学介质等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”[6]。环境因素对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。陈跃良等分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响[7]，也提出了复合材料老化寿命预测方法。 对于大多数聚合物材料而言，阻燃性能不佳，加入阻燃剂往往是必须的。从阻燃剂发展趋势来看,以高效、价廉、无卤素、无污染为特征的无机类阻燃剂符合世界各国发展环保型材料,推进可持续发展战略的政策要求。无机阻燃剂可以单独使用,也可以与有机阻燃剂复配使用,产生协同效应,起到很好的阻燃效果,是目前阻燃剂发展的主流。而其中的氢氧化物阻燃剂被认为是最有发展前途的、环境友好的无机阻燃剂, 成为近几年各国研究的热点[8]。Kazuki等研究发现了含

先进金属基复合材料制备科学基础

项目名称：先进金属基复合材料制备科学基础首席科学家：张荻上海交通大学 起止年限：2012.1-2016.8 依托部门：上海市科委

一、关键科学问题及研究内容 针对国家空天技术、电子通讯和交通运输领域等对先进金属基复合材料的共性重大需求和先进金属基复合材料的国内外发展趋势，本项目以克服制约国内先进金属复合材料制备科学的瓶颈问题为出发点，针对下列三个关键科学问题开展先进金属基复合材料制备科学基础研究： (1). 先进金属基复合材料复合界面形成及作用机制 界面是是增强相和基体相连接的“纽带”，也是力学及其他功能，如导热、导电、阻尼等特性传递的桥梁，其构造及其形成规律将直接影响复合材料的最终的组织结构和综合性能。因此，界面结构、界面结合及界面微区的调控是调控金属复合材料性能的最为关键的一环。揭示基体成分、添加元素、增强体特性复合工艺对复合过程中的界面的形成、加工变形、服役过程中的界面结构、特征的演变规律和效应，以及在多场下的组织演变规律和对复合材料的性能变化极为关键。复合效应的物理基础正是源于金属基体与增强体的性质差异，而在金属基复合材料复合制备过程中，二者的差异无疑会直接或间接地影响最终的复合组织和界面结构。因此，要想建立行之有效的金属基复合材料组分设计准则和有效调控先进金属基复合材料的结构与性能，就必须从理论上认识先进金属基复合材料的复合界面形成及作用机制。 (2). 先进金属基复合材料复合制备、加工成型中组织形成机制及演化规律 金属基复合材料的性能取决于其材料组分和复合结构，二者的形成不仅依赖于复合制备过程，还依赖于包括塑性变形、连接、热处理等后续加工和处理过程。只有在掌握金属基复合材料的组织结构演变规律的基础上，才有可能通过优化工艺参数精确调控微观组织，进而调控复合材料的性能。 (3). 使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制 先进金属基复合材料中，由于增强体与金属基体的物理和力学性能之间存在巨大差异，造成在界面点阵分布不均匀，同时近界面基体中由于热错配，残余应力等导致晶体学缺陷含量较高。因此，在使役过程中，先进金属基复合材料的力学性能不仅取决于其材料组分，更加取决于增强体在基体中的空间分布模式、界面结合状态和组织与性能之间的耦合响应机制。只有揭示使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制，才能真正体现先进金属基复合材料中增强体与基体的优势互补，充分利用其巨大潜力，也才可能优化复合和界面结构设计。

金属基复合材料综述

金属基复合材料综述 专业： 学号： 姓名： 时间：

金属基复合材料综述 摘要：新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。其中复合材料，特别是金属基复合材料在新材料技术领域中占有重要的地位。金属基复合材料对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此倍受人们重视。本文概述了金属基复合材料的发展历史及研究现状，对金属基复合材料的分类、性能、应用、制备方法、等进行了综述，提出了金属基复合材料研究中存在的问题，探讨了金属基复合材料的发展趋势。 关键词：金属基复合材料；分类；性能；应用；制备；发展趋势 Abstract: The research development and application of new composites are one of the important matters in modern high science and technology. This paper summarizes the met al matrix composites and the development history of the present situation and the classific ation of the metal matrix composites, performance, application and preparation methods, w as reviewed, and put forward the metal matrix composites the problems existing in the res earch, discusses the metal matrix composites trend of development. Keywords: Metal matrix composites; Classification; Performance; Application; Preparation; Development trend. 1.引言 复合材料是继天然材料，加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。按通常的说法，复合材料是指两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同的复合方法所得到的宏观多相材料。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料性能的要求日益提高。常希望复合材料即具有良好的综合性能，又具有某些特殊性能。金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。相信随着科学技术的不断发展，新的制造方法的出现，高性能增强物价格的不断降低，金属基复合材料在各方面将有越来越广阔的应用前景。

铝基复合材料综述

铝基复合材料综述 XXXXXXXXXXX 摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。 关键词铝基复合材料种类性能制备应用 Abstract Al-based alloys have advantages in the field of the aerospace by the advantages of small density , anti-function ,good thermal performance and so on. This article discussed the kinds ,performance ,approach , use and development prospect of Al-based alloys. Key words Al-based alloys kind performance approach use

1.引言 自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2.铝基复合材料分类 按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。 3.铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 4.铝基复合材料特点 在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\ 、

金属基复合材料

14.3.2金属-非金属复合材料 14.3.2.1金属基复合材料的性能特征 金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。 14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用 表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL 复合材料。连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。美国海军武器中心研制的SiC p/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiC p/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。 MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。 MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiC f/Ti 也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。 表14.101 B/Al复合材料的应用 表14.102 其他MMC的应用背景

复合材料综述

金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用* 付鹏，郝旭暖，高亚红，谷玉丹，陈焕铭 （宁夏大学物理电气信息工程学院，银川750021） 摘要综述了国内外在金属基陶瓷复合材料制备技术方面的最新研究进展与应用现状，展望了 国内金属基陶瓷复合材料的未来发展。 关键词金属基陶瓷复合材料制备技术应用 Development and Future Applications of Metal Matrix Composites Fabrication Technique FU Peng, HAO Xunuan, GAO Yahong, GU Yudan, CHEN Huanming (School of Physics & Electrical Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021) Abstract Recent development and future applications of metal matrix compositesfabrication technique are reviewed and some prospects of the development in metal matrix composites at home are put forward. Key words metal-based ceramic composites, fabrication technique, applications 前言：现代高技术的发展对材料的性能日益提高，单料已很难满足对性能的综合要求，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。陶瓷的高强度、高硬度、高弹性模量以及热化学性稳定等优异性能是其主要特点，但陶瓷所固有的脆性限制着其应用范围及使用可靠性[1—3]。因此，改善陶瓷的室温韧性与断裂韧性，提高其在实际应用中的可靠性一直是现代陶瓷研究的热点。与陶瓷基复合材料相比，通常金属基复合材料兼有陶瓷的高强度、耐高温、抗氧化特性，又具有金属的塑性和抗冲击性能，应用范围更广，诸如摩擦磨损类材料、航空航天结构件、耐高温结构件、汽车构件、抗弹防护材料等。 1 金属基陶瓷复合材料的制备 金属基陶瓷复合材料是20世纪60年代末发展起来的，目前金属基陶瓷复合材料按增强体的形式可分为非连续体增强（如颗粒增强、短纤维与晶须增强）、连续纤维增强(如石墨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等)[4—6]。实际制备过程中除了要考虑基体金属与增强体陶瓷之间的物性参数匹配之外，液态金属与陶瓷间的浸润性能则往往限制了金属基陶瓷复合材料的品种。目前，金属基陶瓷复合材料的制备方法主要有以下几种。 1.1 粉末冶金法 粉末冶金法制备金属基陶瓷复合材料即把陶瓷增强体粉末与金属粉末充分混合均匀后进行冷压烧结、热压烧结或者热等静压，对于一些易于氧化的金属，烧结时通入惰性保护气体进行气氛烧结。颗粒增强、短纤维及晶须增强的金属基陶瓷复合材料通常采用此种方法，其主要优点是可以通过控制粉末颗粒的尺寸来实现相应的力学性能，而且，粉末冶金法制造机械零件是一种终成型工艺，可以大量减少机加工量，节约原材料，但粉末冶金法的生产成本并不比熔炼法低[7]。 1.2 熔体搅拌法 熔体搅拌法是将制备好的陶瓷增强体颗粒或晶须逐步混合入机械或电磁搅拌的液态或半

金属基复合材料的应用及前景

附录： 题目：金属基复合材料的应用级展望 院（系）轻纺工程系 专业高分子材料加工技术 届别2012届 学号0919080102 姓名汪振峰 指导老师袁淑芳老师 黎明职业大学 2011年12月

金属基复合材料的应用及展望 汪振峰 （黎明大学，福建泉州，362000） 摘要:金属基复合材料是近几年来复合材料研究中的热点。本文综述了金属基复合材料的分类、性能特点、制备方法,总结了其主要进展及应用。 关键词:金属基复合材料；特点；应用 1、前言 随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求，推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展。复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题，推进了材料的进展。 复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。 金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一。 2、金属基复合材料的分类 金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。 2.1按基体分类： 2.1.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。 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。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。

聚合物基复合材料试题

第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？

共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章

聚合物基复合材料

聚合物基复合材料 摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。 关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的

金属基复合材料性能的影响因素

金属基复合材料性能的影响因素 摘要：金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优点，近年来发展非常迅速。但其性能一致性差的问题制约了其应用，因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。本文综述了基体、增强体、基体与增强体相容性、工艺、界面等因素对金属基复合材料性能的影响。 关键词：金属基复合材料性能影响因素设计 1 引言 金属基复合材料被誉为21世纪的材料, 它兼有金属的塑性和韧性，以及其它材料如陶瓷的高强度和高刚度，而且比重小，因此具有较高的比强度、比刚度和更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点，从而在机械、汽车、航空航天、兵器、电子等许多领域得到了应用[1~3]。 尽管金属基复合材料在过去的30年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展，但是还没有在工业上得到广泛的应用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍[4~5]。目前在国内发展复合材料，关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。这就涉及到复合材料的设计问题，而性能决定了复合材料在工程上的应用，所以性能的影响因素一直是研究的热点。但是由于金属基复合材料的强化机理不明确，至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲目性。因此对复合材料性能的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破的重要课题。 2 影响金属基复合材料的因素 2.1 基体的影响 不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基体强度越高，复合材料的强度越高，而是存在一个最佳匹配[6]。姜龙涛等[7]对AlN颗粒在不同铝合金中的增强行为的研究表明，在低强度的L3纯铝上可以得到最大的增强率，而在高强度的LY12合金上没有得到高的增强率，相比之下具有良好塑性和较高强度的LD2合金作为基体时，具有较高的强度。而康国政等[8]认为基体本身的强度较低时，复合材料中基体的强度将有较大幅度的提高，因此对基体本身强度较低的复合材料通过基体原位性能的大幅度提高使复合材料抗拉强度的提高十分明显。这些研究都说明基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。

金属基复合材料的制备方法

金属基复合材料的制备方 法 Newly compiled on November 23, 2020

金属基复合材料的制备技术 摘要：现代科学技术的发展和工业生产对材料的要求日益提高，使普通的单一材料越来越难以满足实际需要。复合材料是多种材料的统计优化，集优点于一身，具有高强度、高模量和轻比重等一系列特点。尤其是金属基复合材料(MMCs)具有较高工作温度和层间剪切强度，且有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列的金属特性，是一种优良的结构材料。 Abstract: The development of modern science and technology and industrial production of materials requirements increasing, the ordinary single material is more and more difficult to meet the actual needs. Composite material is a variety of statistical optimization, set merit in a body, has the advantages of high strength, high modulus and light specific gravity and a series of characteristics. Especially the metal matrix composite ( MMCs ) has the high working temperature and interlaminar shear strength, and a conductive, thermal conductivity, wear resistance, moisture, do not bleed, dimensional stability, aging and a series of metal properties, is a kind of structural material. 关键词：复合材料(Composite material)、发展概况(Development situation)、金属基复合材料(Metal base composite materia l)、发展前景(Development prospect) 正文： 一：复合材料简介 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。[1] 二：金属基复合材料简介