上海工程技术大学王大中：首次提出多尺寸颗粒增强复合材料设计方案

复合材料具有单一材料无法比拟的优越综合性能。多年来，研究人员不断改进复合材料的制备工艺和加工工艺，使复合材料的性能和表面质量更加优异。近年来，复合材料的应用范围进一步扩大，复合材料的消费量逐年增加。在可预见的未来，复合材料的前景比以前光明得多。对于颗粒增强复合材料，常用的制备方法包括压力铸造、粉末冶金、压力浸渗和液体搅拌铸造。

传统的增强颗粒是不规则的粉末颗粒，这给复合材料的制备增加了许多不确定因素，如颗粒分布不均匀、界面反应、气体和夹杂物等。此外，增强颗粒的存在限制了复合材料加工质量的提高。复合材料加工中常见的问题包括颗粒破碎、颗粒脱粘、大空洞等。此外，切削应力在基体中的不均匀传递是颗粒破碎、空洞和脱粘的主要原因。因此，提高复合材料的整体性能和可靠性一直是复合材料加工领域的挑战。近年来，研究人员采用了许多方法，但效果有限。这些问题的根源是增强粒子的不规则性。因此，有必要研究复合材料中增强颗粒的规律性对加工质量的影响。

近日，上海工程技术大学王大中教授课题组首次提出了多尺寸颗粒增强型复合材料的设计方案，相关研究结果以题为“Mechanism of an approach based on bone microstructure to improve the machining quality for bionic multi-size particulate-reinforced composite”发表在复合材料力学国际知名期刊《Composite Structures》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114346

复合材料的微观结构是影响复合材料加工质量的核心因素之一。然而，其潜在机制尚不清楚。因此，对这种关系的研究可以为生产加工性能优异的复合材料指明明确的方向。受骨骼微结构分散应力功能的启发，提出了一种多尺寸颗粒增强复合材料模型，以生产加工性能更好的先进复合材料。同时，作者利用GaussAmp函数构建了不同粒径分布的SiCp/Al复合材料，并系统研究了其力学性能和加工质量。结果表明，当颗粒尺寸分布符合GaussAmp函数的右侧时，SiCp/Al复合材料的加工质量可以得到很大的提高。该结论有助于在复合材料加工过程中准确选择增强材料的粒度和含量，对提高颗粒增强复合材料的性能和加工质量具有深远的指导意义。

图1. 仿生多尺寸混杂SiCp/Al复合材料的设计机理。

图2. 拉伸模型中多尺寸混杂SiCp/Al复合材料的应力和应变特性。

图3. 节点温度随时间的变化。

图4. 多尺寸混杂SiCp/Al复合材料的切削温度特性。

图5. 多尺寸混杂SiCp/Al复合材料的已加工表面和亚表面特性。

作者根据GaussAmp函数的特点提出了粒度分布的配比准则，并将其应用于SiCp/Al复合材料，以提高材料的性能和加工质量。拉伸模拟分析表明，高应力区主要分布在细小的碳化硅颗粒上，较宽的粒径分布有利于应力分散，有效降低应力集中。此外，应变主要发生在颗粒间的铝基体上。由于各个方向应力应变的大小和方向不同，容易引起SiC颗粒的局部脱粘和破碎。另一方面，切削模拟结果表明，多尺寸碳化硅颗粒可以改善加工表面质量。具体来说，当模型中SiC颗粒的直径和含量选择符合GaussAmp函数的右侧时，亚表面损伤层和等效塑性应变层的损伤深度相对较小。此外，模型中切削力和切削温度较低。因此，对于多尺寸混杂SiCp/Al复合材料，应根据GaussAmp函数的右侧选择多尺寸SiC颗粒的直径和含量。

最后，多尺寸颗粒增强型复合材料可以大大提高加工质量和材料性能，为颗粒增强复合材料的精密加工和应用提供了很大的希望。此外，利用多尺寸粒子探索复合材料的发散思维并不仅限于SiCp/Al复合材料。这种发散思维对于研究其他类型多尺寸粒子的尺寸分布也是值得考虑的。对于多尺寸复合材料的应用，本研究将致力于将多尺寸复合材料的选择准则应用于未来的其他复合材料，如Al2O3/Al和TiC/Ti等。（文：梦落闲谭）

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。