(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211046777.2 (22)申请日 2022.08.30 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 怯喜周　钟武　彭艳杰　陈刚　 赵玉涛　 (74)专利代理 机构 南京智造力知识产权代理有 限公司 32382 专利代理师 包甄珍 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种金属基复合材料的设计与性能预测方 法 (57)摘要 本发明涉及金属基复合材料， 具体涉及一种 金属基复合材料的设计与性能预测方法。 本发明 采用基于模型复合材料物性和结构参数的有 限 元方法， 在模 型建立过程中充分考虑界面基体强 化微区对复合材料性能的影 响， 而且有效反映真 实的界面性能与脱粘行为对复合材料服役失效 的影响， 真实还原复合材料内部情况， 实现对金 属基复合材料的性能导向设计与性能预测， 具有 真实还原复合材 料特性、 性能预测准的特点。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 115424685 A 2022.12.02 CN 115424685 A 1.一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于， 方法包括模型材料设计 制备、 物性与界面参数测定、 有限元建模与特征参数确定和复合材料组织性能设计与预测 四个步骤， 实现对金属基复合材 料的设计与性能预测， 具体步骤如下： (1)模型材料设计制备： 根据复合材料的性能需求， 合理选取所需的金属基体和增强 体， 并采取相应的技 术工艺实现模型复合材 料的制备； (2)物性与界面参数测定： 首先确定模型复合材料的基体和增强体的强度、 断裂伸长 率、 弹性模量、 泊松比、 密度、 热膨胀系数、 热导率， 以及增强体的形貌、 分布和尺寸物性参 数； 其次， 测定模 型复合材料的应力 ‑应变曲线、 测定增强体强化微区的尺寸和性能， 统计增 强体的分布状态； (3)有限元建模与特征参数确定： 根据步骤(2)获得的物性参数， 复合材料性能、 增强体 分布， 建立三维有限元模型， 并模拟修正模型参数、 使模拟结果与包括应力应变曲线、 断裂 行为、 近界面强化区大小在内的模型复合材 料测定结果 一致； (4)复合材料组织性能设计与预测： 基于步骤(3)获得的有限元模型， 设计所需性能的 复合材料增强体含量、 尺寸、 形貌、 分布、 界面结构； 并进一步预测复合材料的物理性能、 力 学性能和失效行为。 2.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (1)中， 所述的性能需求， 包括力 学性能、 导热性能、 导电性能、 热膨胀性能和阻尼性能中的 至少一种。 3.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (1)中， 所述的金属基体， 为铝、 镁、 钛、 铁、 铜、 镍、 锆、 铌、 钽金属及其合金中的至少一种； 所 述的增强体为Si、 C、 SiC、 B4C、 Al2O3、 B2O3、 TiB2、 ZrB2、 Si3N4、 准晶、 高熵合金中的至少一种， 增 强体尺寸为0.02～200 μm， 增强体含量为0.5～50vol.％， 增强体形貌为球形、 多面体、 短棒 状、 层片状、 针 状或洋葱球 状。 4.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (1)中， 所述的技术工艺， 包括液态铸造、 半固态铸造、 挤压铸造法、 粉末冶金、 喷射成型、 无 压浸渗、 压力浸渗和3D打印； 所述的模 型复合材料， 是指依据性能需求， 基于上述金属基体、 增强体特性和技 术工艺， 初步制备获得的复合材 料。 5.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (2)中， 所述的物性与界面参数测定， 其中断裂伸长率、 弹性模量、 泊松比、 密度、 热膨胀系 数、 热导率， 增强体的形貌、 分布、 尺寸， 以及模型复合材料的应力 ‑应变曲线采用行业标准 测量方法； 增强体强化微区的尺寸和性能， 则采用纳米压痕法， 压痕数目为界面两侧各20 个； 间隔： 5 00～800nm， 压深： 5 0‑100nm， 下压 速率： 0.01～0.0 5nm·s‑1。 6.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (2)中， 用修正模量Er来校正纳米压痕法中非完全刚性压头对压痕实验所造成的影响， Er与 材料弹性模量E、 压 头弹性模量Ei的关系如下: 其中 υ和 υi分别为被测材 料和压头的泊松比； 材 料的刚度可通过公式计算:权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115424685 A 2刚度S为实验中卸载曲线的最高点斜率， h为压痕深度， Er是定义的修正模 量， A为弹性变 形接触面的投影面积， P为 最大载荷， 材料的硬度计算式： H为维氏硬度， PMAX为最大载荷， A为压痕面积。 7.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (3)中， 增强体形貌、 尺寸和分布， 通过SEM扫描电镜扫描获取增强体形貌和尺寸， 基于模型 复合材料的SEM图、 借助Image ‑Pro构建有限元模型中增强体的分布； 所述的三维有限元模 型， 为采用商业有限元软件， 如： Abaqus、 ANSYS、 COMSOL、 MARC、 Hyperworks建立 的包含力、 热、 电和阻尼的耦合作用模型， 其中设定基体本构关系采用延性断裂准则(Ductile   damage)、 增强体则采用脆 性断裂准则(Brit tle cracking)、 界面采用线性牵拉 ‑分离准则。 8.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (3)中， 所述的模拟修正模型参数， 是指调整断裂准则类型和参数、 界面牵拉分离准则类型 和参数、 网格 类型、 受力类型， 使模拟结果与实验结果 一致， 从而确定模型参数。 9.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步骤 (4)中， 复合材料增强体 分布的测定， 通过公 式θ＝(A‑B)/A确定增强体 分散程度， 其中A为稀 疏分散的相 邻颗粒平均间距， B为密集分散的相邻颗粒平均间距， θ∈[0,1]， 当θ趋于0， 表明 颗粒分散均匀； 当θ 趋 于1， 表明颗粒分散不均， 有偏聚。 10.如权利要求1所述的一种金属基复合材料的设计与性能预测方法， 其特征在于： 步 骤(4)， 预测复合材料的性能， 是指基于模型复合材料物性和结构参数的有限元模型， 通过 改变增强体尺寸、 形态、 体积分数、 分布、 基体强度适配， 预测所设计复合材料的力学性能、 导热性能、 导电性能、 热膨胀性能、 阻尼、 断裂失效方式； 结合有多组变量的 “响应面法 ”等分 析方法对金属基复合材 料设计制备提供指导建议。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115424685 A 3