顆粒增強復合材料的案例
碳化硅顆粒增強鋁基復合材料
與傳統的金屬材料相比，顆粒增強鋁基復合材料不僅兼有金屬的高塑性、高韌性和增強顆粒的高模量、高硬度，同時具有各向同性，是應用前景很廣的材料。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料可用來制造衛星及航空結構材料，如衛星支架、結構連接件、管材、各種型材、導彈翼、制導元件；制造飛機零部件等，發展這種材料具有重要的戰略意義。
碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，其增強體顆粒價格低廉，可用常規方法制造加工，便于批量生產。研發成本低、效果好的制備工藝是當前材料領域的一個熱點。
一、粉末冶金法。
粉末冶金法具有一些獨特的優點，如可任意調節增強相的體積分數（最高可達７０％），較準確地控制成分比，且其增強顆粒的粒徑在納米范圍內可調。此外，粉末冶金工藝的燒結溫度較低，可有效減輕增強體與基體間的有害界面反應，制得的復合材料具有良好的力學性能。近年來，進一步開發出機械合金化-粉末冶金法。該法制備的復合材料，其增強體顆粒分布均勻，粒度在納米至微米范圍內可調，增強相的體積分數可高達７０％，與基體的界面結合良好，所制備的復合材料力學性能優異。美國ＤＷＡ 公司采用機械合金化-粉末冶金法生產了碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，已將其應用于汽車、飛機、航天器等。
二、壓力鑄造法。
此法是將液態或半液態金屬基復合材料或金屬以一定速度填充壓鑄模型腔，或增強材料預制體的空隙中，在壓力作用下使其快速凝固成形而制備出金屬基復合材料，包括擠壓鑄造法、離心鑄造法、氣體壓力滲透鑄造法等。目前，生產應用中使用較多的是擠壓鑄造法，其具體方法是：首先把碳化硅顆粒增強相以適當的粘結劑粘結制成預制塊，然后裝入鑄模，澆入精煉的鋁基體金屬熔體，并立即加壓使熔融的金屬熔體浸滲到預制塊中，凝固之后即得碳化硅顆粒增強鋁基復合材料。
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<p>復合材料是用經過選擇的、含有一定數量比的兩種或兩種以上的組元，經過人工復合、組成多相、三維結合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。顆粒增強體是用以改善復合材料的力學性能，提高斷裂功、耐磨性、硬度，增進耐蝕性的顆粒狀材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C （石 墨）等。 </p><p>顆粒增強復合材料作為一種新的結構材料有著廣闊的發展前景。本篇文章采用COMSOL軟件對顆粒增加復合材料結構進行了參數化建模，并計算了添加顆粒后的壓縮變形性能。顆粒增強復合體結構的建模基于<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/comsol" rel="noopener noreferrer" target="_blank">COMSOL軟件</a>中的App開發器編制了程序實現了不同粒徑和數量的非干涉顆粒隨機生成模型，幾何模型如下圖所示：</p><div contenteditable="false" width="100%">
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<img src="https://img.jishulink.com/upload/202107/e62e2e3673a9420a8db4bf2f55c48d0a.png" title="Untitled1.png" alt="Untitled1.png" style="max-width: 760px; width: 678px; height: 399px;" width="678" height="399" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202107/e62e2e3673a9420a8db4bf2f55c48d0a.png?
展開 關于python腳本在abaqus中實現顆粒增強材料建模的這件事
1.為什么要用python腳本來建模
因為在做畢業設計的過程中接觸到顆粒增強材料的建模思路，通過abaqus的用戶界面（GUI）難以實現，列如在正方體內隨機生成一個球體，而要求球體的位置和體積大小隨機。有細心的小伙伴會發現，分析一下需求其實可以知道，通過選一個隨機的半徑生成一個球體，再把球體組裝到基體中，這樣很簡單就能實現需求。但面臨其他需求的時候呢，諸如隨意生成100個球體，而且要求位置和半徑隨機，這樣通過手動添加會十分困難，而且這樣也十分不明智，所以用到腳本來建模。
2.別的學者和專家是怎么建模的
西南交大的康國政老師和他的團隊在這方面做了大量工作，推薦文章去閱讀他們寫的文章（屬實筆者水平受限，哈哈哈）。如果你也正好是，做材料增強顆粒方面的研究，下面是幾篇比較典型的文章，值得一看。
基于周期性邊界條件的顆粒增強金屬基復合材料棘輪行為的數值模擬 (1)
金屬玻璃基復合材料增韌機理的數值模擬.pdf
原位顆粒增強金屬基復合材料的斷裂行為研究.pdf
當看完康老師的部分工作你應該會選擇是使用Fortran還是python來實現你自己的工作，下面第三部分僅僅針對想通過Python的童鞋。（python相對來說學習成本較低，語法比較通俗易懂，如何選擇就看各人了）
3.從哪里學習開源的（腳本和模型）知識
首先肯定是掌握一定的python語法基礎。
推薦閱讀python在abaqus中的應用，如果有需要pdf的話在評論區留言哦！
接下來，有一定基礎之后推薦閱讀這個大佬的GitHub，Abaqus/python_script at first · wuhuiguo/Abaqus · GitHub，無悔大佬的程序，一步一步如何實現都比較詳細，建議去他的主頁去看。
展開 
二維隨機多邊形骨料腳本
概述
為了最優化混凝土、瀝青混合料等顆粒增強復材料的力學性能，對其細觀結構開展數值模擬仿真分析，開展級配優化設計和研究具有重要的意義。而建立包含隨機形狀，隨機尺寸和隨機位置的骨料顆粒是進行顆粒增強復合材料力學性能數值模擬分析的前提和基礎。
小編在前一篇文章中給大家分享了一種建立三維隨機骨料模型https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1850204的方法。本期小編將給大家帶來二維隨機骨料模型的建模方法。
2. 二維隨機骨料模型建模方法
方法一：將顆粒增強復合材料結構離散為體素模型，根據骨料含量模型中的一部分單元被假設為增強材料（骨料），另一部分單元作為基體材料（水泥、瀝青、樹脂等），該模型可用于研究骨料含量對材料力學性質的影響。
方法二：將顆粒增強復合材料中的增強材料（骨料）假設為圓形、橢圓形或正多邊形顆粒；該模型可考慮骨料的含量、隨機分布和級配，但是由于骨料的形狀為固定形狀（與實際相差太遠），無法體現不同骨料之間的形狀特點的隨機性。
方法三：將顆粒增強復合材料中的骨料結構考慮為隨機多邊形，該模型可較好的考慮骨料的含量、隨機分布、級配和骨料形狀的隨機性。
3.單個隨機多邊形骨料模型建模方法
本文按照以下步驟，基于ABAQUS使用Python建立單個隨機多邊形骨料：
第一步根據所需的骨料級配，在一定粒徑下建立所需尺寸的外接圓（該圓為虛擬圓，下配圖僅為參考圖）。
第二步選取外接圓上一定數量（應大于等于3，可隨機定義）的點。
第三步將所選的點依次連接。
4.
展開 abaqus隨機骨料投放，顆粒增強復合材料建模 ￥50
<p>內含4種隨機投放模型：</p><p>1、基體為圓柱，隨機投放的兩種半徑范圍的實心顆粒</p><p>2、基體為圓柱，隨機投放空心有厚度球體，球體半徑固定</p><p>3、三維大小隨機、位置隨機球體投放，基體為四面體</p><p>4、隨機大小、位置、傾斜角的正六邊形（可設置倒角，不干涉）投放，基體為正四邊形</p><p><span style="color: rgb(25, 27, 31);">球體之間互不干涉，可自定義基體尺寸，球體大小、位置、體積占比。</span></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202509/attachment/87f43732e2054029811fb62f55efaf1b.png" style="display: inline-block;"><img src="https://img.jishulink.com/202509/attachment/87f43732e2054029811fb62f55efaf1b.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202509/attachment/87f43732e2054029811fb62f55efaf1b.png?
展開 三維隨機多面體骨料（隨機多邊形）建模
隨機骨料模型
混凝土、瀝青混合料等顆粒增強復材料的級配及骨料含量顯著影響其宏觀力學特性。為了最優化混凝土、瀝青混合料等顆粒增強復材料的力學性能，對其細觀結構開展數值模擬仿真分析，開展級配優化設計和研究具有重要的意義。而建立包含隨機形狀，隨機尺寸和隨機位置的骨料顆粒是進行顆粒增強復合材料力學性能數值模擬分析的前提和基礎。 此外在磨削分析中，將磨料建模為指定粒徑的隨機凸多面體可更好的考慮磨具中的磨粒對被磨削固體表面擠壓和沿表面運動所引起的損失或材料流失。
2.建模方法
目前對于三維隨機骨料模型，主要有以下三種建模方法：
方法一：將顆粒增強復合材料結構離散為體素模型，根據骨料含量模型中的一部分單元被假設為增強材料（骨料），另一部分單元作為基體材料（水泥、瀝青、樹脂等），該模型可用于研究骨料含量對材料力學性質的影響。
方法二：將顆粒增強復合材料中的增強材料（骨料）假設為圓形、橢圓形或正多面體顆粒；該模型可考慮骨料的含量、隨機分布和級配，但是由于骨料的形狀為固定形狀（與實際相差太遠），無法體現不同骨料之間的形狀特點的隨機性。
方法三：將顆粒增強復合材料中的骨料結構考慮為隨機多面體，該模型可較好的考慮骨料的含量、隨機分布、級配和骨料形狀的隨機性。
本文主要介紹該類型隨機多面體（多邊形）骨料模型的建模方法。
3.單個隨機多面體（多邊形）骨料模型
本文按照以下步驟，基于ABAQUS開發Python腳本：
第一步根據所需的骨料級配，在一定粒徑下建立所需尺寸的外接球。
第二步建立與球體外切的正六面體模型。
展開 復合材料力學介紹—— 基本概念和分類 附復合材料力學文檔下載
復合材料按照增強材料的形式，大致分為3類：
顆粒增強復合材料，包括非金屬顆粒+非金屬基體（如混凝土）、金屬顆粒+非金屬基體（如固體火箭劑）和非金屬顆粒+金屬基體（金屬陶瓷）；
纖維增強復合材料，由于纖維比塊狀同樣材料的強度大得多，通過纖維增強，可極大提升比剛度和比強度；其中纖維通常有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維等；基體通常有樹脂基體、金屬基體陶瓷基體和碳基體等；此外，纖維增強復合材料按纖維形狀、尺寸可分為連續纖維、短纖維和纖維布等；
層合復合材料，通過兩層或多層不同的復合材料形成。
其中，纖維增強復合材料和層合復合材料是該系列討論的重點。
最后
本文簡要介紹了復合材料的基本概念和分類，下文將主要介紹常用的纖維、基體，及其應用。
下載地址：復合材料力學
展開 ANSYS混凝土三維隨機骨料 混凝土細觀 隨機球體 顆粒增強復合材料建模
模型構建
1、CAD模型生成
首先采用CAD隨機球體顆粒插件在AutoCAD內構建三維球體幾何模型：
插件可指定生成隨機分布的不相交的球體顆粒，同時生成與球體顆粒裝配的帶有孔洞的長方體基體。同時對顆粒的粒徑大小、比例等都能進行控制。
將生成的三維球體幾何模型導出為.sat格式文件備用。
2、ANSYS Workbench 導入
打開ANSYS Workbench，在幾何內進行導入預先保存的.sat文件：
后續進行網格劃分等操作，在ANSYS Workbench內進行即可：
插件下載
建模用到的CAD插件下載：
CAD隨機球體顆粒插件
展開 各種二維三維混凝土骨料、再生骨料、顆粒增強復合材料幾何微觀模型
? 二維——多邊形骨料（再生骨料）
可控參數：模型尺寸，顆粒占比，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，骨料間距可設置，多邊形可控制凹凸性，投放比例最高可達80%。
? 二維——疊層骨料（左右為多邊形，中間為橢圓）
可控參數：模型尺寸，總顆粒占比，橢圓或者多邊形所占比例，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，多邊形可控制凹凸性，橢圓長徑比可調控，投放比例最高可達80%，疊層位置可控。
? 三維——球骨料
可控參數：模型尺寸，顆粒占比，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，投放比例根據級配會有所變化。
? 二維——邊界為特殊形狀，內嵌骨料可選
可控參數：模型尺寸，總顆粒占比，橢圓或者多邊形所占比例，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，多邊形可控制凹凸性，橢圓長徑比可調控，投放比例最高可達80%。
? 三維——隨機分布纖維
可控參數：模型尺寸，纖維數量或者體積分數，級配范圍（纖維直徑、長度+纖維數量），可加邊界（目前未做），也可做成空心管（目前未做），投放比例根據級配會有所變化，纖維可選為實體或者線（桿單元），纖維傾角可控，纖維之間進行重疊檢測。
? 三維——橢球骨料
可控參數：模型尺寸，總顆粒占比，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，橢圓長徑比可調控，投放比例根據級配變化。
? 二維——橢圓骨料
可控參數：模型尺寸，總顆粒占比，級配范圍（體積分數+顆粒大小），可加邊界（一層及以上均可），再生骨料可控制其比例，橢圓長徑比可調控，投放比例最高可達80%。
展開 一種新型金剛石增強銅基復合材料增材制造工藝
為了解決電子器件的散熱問題，需要先進的熱管理材料和制備技術。其中，金剛石增強銅基復合材料是目前應用最廣泛的熱管理材料之一。這種復合材料利用金剛石強化相的高熱導率和低熱膨脹系數，以及銅基體材料的優異導熱導電性能和良好的機械加工性能，具有很多優勢。因此，在航空航天、電子器件和國防軍用等高端技術領域，金剛石增強銅基復合材料得到了廣泛應用。
目前，金剛石增強銅基復合材料的制備主要采用固態制備方法和液態制備方法。這些方法需要在高溫高壓的條件下進行，不僅制造成本高，而且制造效率低下。此外，復合材料樣品的尺寸還受到加工模具和高溫加熱設備內部空間的限制。為了克服上述問題，超聲波增材制造方法成為一種理想的選擇。這種方法屬于低溫制造方法，具有加工溫度低、工藝設計自由度高、清潔高效等優勢。通過超聲波增材制造方法，可以降低金剛石增強銅基復合材料的制造成本，并實現復雜幾何形狀的制造。
02
成果掠影
近期，哈爾濱工業大學張洪濤教授和何鵬教授帶領的團隊通過對金剛石增強相顆粒的表面金屬化處理和空間位置約束，并在超聲波低溫固結技術下實現了金剛石強化相顆粒在層壓復合材料中穩定存在及其復合材料的自由成形和加工制備。該研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、聚焦離子束（FIB）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析了cr-金剛石與銅基質的微觀結構和界面構型。此外，利用電子后向散射衍射（EBSD）方法評價了cr-金剛石顆粒周圍基體的微觀結構演化。結果表明，鉻-金剛石由于劇烈的塑性變形，與基體形成了良好的固體粘合。Dia/Cu復合材料的導熱系數為428.07 ± 3.3W/mK，金剛石體積分數為8.8%。
展開 
哈工大張洪濤何鵬教授|一種新型金剛石增強銅基復合材料增材制造工藝
超聲波增材制造方法作為一種低溫制造方法，能夠有效解決制備過程中的一些問題，為金剛石增強銅基復合材料的制備提供了新的途徑，
團隊提出的金剛石增強銅基復合材料快速短流程超聲固相增材制造工藝為顆粒增強金屬基復合材料制備提供了新的工藝思路，對熱管理類材料的發展和我國核心技術產業的進步具有重要意義。
內容作者：杜榮茂
來源：天天老師說科研，編輯：張維官，審核：王穎
哈工大《MSEA》：金屬基復合材料的柔性強化新方法！
SiC、B4C等剛性陶瓷顆粒作為增強體，其模量及強度較基體合金相差近10倍，復合材料在受載過程中增強體難以發生協調變形，導致復合材料不能完全發揮應有的增強效率。
用于混凝土的可彎曲熱塑性復合材料增強材料
易于彎曲的熱塑性復合材料棒材和電纜，用于加固和預應力混凝土，徹底改變了施工的耐久性。
Sireg（Arcore，意大利）和Arkema（法國Colombes）聯手開發和制造用于混凝土的復合鋼筋（鋼筋）以及使用熱塑性樹脂Elium by Arkema代替傳統熱固性溶液的預應力混凝土應用電纜。
復合鋼筋和電纜不會生銹或腐蝕，對雪清除鹽和用于除冰的化學品相對不敏感，并且具有有趣的重量與強度比。當考慮生命周期成本時，這些性能已經使它們成為經濟可行且更有效的環氧涂層鋼筋替代品。
圖1：玻璃/鉺復合棒
復合增強材料的使用還允許使用海水代替淡水，并在混凝土攪拌中使用鹽污染的聚集體。這對世界上淡水稀缺的沿海或干旱地區具有重要意義。
主要優點：
> Elium鋼筋可以重新加熱然后彎曲，降低定制形狀的成本
> TP復合材料可以將棒組裝成柔性電纜
>混凝土預制設備與用于鋼絞線的設備相同
>用于預應力的TP復合材料徹底改變了建筑的耐久性
此外，最近出版的新標準為復合材料鋼筋和電纜在鋼筋混凝土和預應力混凝土中的廣泛應用鋪平了道路。預計這種類型的應用程序將在未來幾年內顯著增長，并成為全球復合材料部署的主要領域之一。
例如，拉擠成型占北美復合材料最終產品市場總量的3％，2016年估計價值7.9億美元。分析師預計到2020年復合年增長率約為5％，達到10.5億美元，其中建筑和基礎設施成為主要增長點部門。
圖2：玻璃/鉺棒的拉擠成型
2016年全球玻璃鋼螺紋鋼市場規模估計為5304萬美元，預計到2021年將達到9100萬美元，2016年至2021年的復合年增長率為11.40％。市場增長歸因于新的FRP螺紋鋼需求增長，北美的結構缺陷和功能過時的橋梁，以及高速公路，橋梁和建筑物以及海洋結構和海濱應用等其他應用。
展開 可按一定分布規律生成隨機生成多邊形骨料Python腳本 ￥20
可用于模擬顆粒增強復合材料（比如SiCp/Al）、混凝土等。
