第10章復(fù)合材料制備

1、復(fù)合材料復(fù)合材料基體基體增強體增強體n命名和分類命名和分類10.2 基本理論基本理論1、復(fù)合材料界面、復(fù)合材料界面 復(fù)合材料的界面是指基體與增強相一復(fù)合材料的界面是指基體與增強相一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域。 外力場外力場基體基體基體表面區(qū)基體表面區(qū)相互滲透區(qū)相互滲透區(qū)增強體表面區(qū)增強體表面區(qū)增強體增強體 A、界面效應(yīng)、界面效應(yīng) 可將界面的機能歸納為以下可將界面的機能歸納為以下5種效應(yīng)：種效應(yīng)：（1 1）傳遞效應(yīng)：）傳遞效應(yīng)：（2）阻斷效應(yīng)：）阻斷效應(yīng)：（3）不連續(xù)效應(yīng)：）不連續(xù)效應(yīng)：（4）散射和吸收效應(yīng)：）散射和吸收效應(yīng)：（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：）誘導(dǎo)效應(yīng)：B、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度、界

2、面的結(jié)合狀態(tài)和強度復(fù)合材料都要求有合適的復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度界面結(jié)合強度。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料；界面結(jié)合較差的復(fù)合材料；界面結(jié)合過強的復(fù)合材料；界面結(jié)合過強的復(fù)合材料；界面結(jié)合最佳態(tài)。界面結(jié)合最佳態(tài)。2、復(fù)合理論、復(fù)合理論一、復(fù)合材料增強機制一、復(fù)合材料增強機制1 、 顆粒增強復(fù)合材料增強機制顆粒增強復(fù)合材料增強機制基體和顆粒共同承受外來載荷；基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒阻礙基體位錯運動；顆粒阻礙基體位錯運動；裂紋的擴展在顆粒前受阻。裂紋的擴展在顆粒前受阻。顆粒增強復(fù)合材料的屈服強度可有下式表示：顆粒增強復(fù)合材料的屈服強度可有下式表示：CV1dVbGG3PPPmy）（221

3、式中：式中： y 復(fù)合材料屈服強度；復(fù)合材料屈服強度；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量； b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑；C 常數(shù)常數(shù) VP 顆粒體積分數(shù)；顆粒體積分數(shù)； Gp 顆粒的切變模量。顆粒的切變模量。 2、 彌散增強復(fù)合材料增強機制彌散增強復(fù)合材料增強機制基體是承受外來載荷的主要相；基體是承受外來載荷的主要相；顆粒阻礙基體位錯運動顆粒阻礙基體位錯運動裂紋的擴展在顆粒前受阻裂紋的擴展在顆粒前受阻彌散增強復(fù)合材料的屈服強度可由下式表示：彌散增強復(fù)合材料的屈服強度可由下式表示：)1 (3V2db21P2myPVG式中：式中： y 復(fù)合材料屈服強度；復(fù)合材料屈服強度

4、；Gm 基體的切變模量；基體的切變模量； b 為柏氏矢量；為柏氏矢量； d 顆粒直徑；顆粒直徑； VP 顆粒體積分數(shù)。顆粒體積分數(shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強機制纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強機制 基體：不是主承力相。基體：不是主承力相。 纖維：主承力相。纖維：主承力相。 假定：理想結(jié)合，泊松比相同；假定：理想結(jié)合，泊松比相同； 在外力作用下。在外力作用下。短纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度可由下式表示：短纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度可由下式表示： fmfcFfFVV2ll 11式中：式中：m* 與纖維的屈服應(yīng)變同時發(fā)生的基體應(yīng)力；與纖維的屈服應(yīng)變同時發(fā)生的基體應(yīng)力； fF 纖維的

5、平均拉伸應(yīng)力；纖維的平均拉伸應(yīng)力； Vf 纖維的體積分數(shù)；纖維的體積分數(shù)； l 纖維的長度；纖維的長度； lc 最大拉應(yīng)力等于纖維斷裂強度時纖維的強度，最大拉應(yīng)力等于纖維斷裂強度時纖維的強度， 纖維的臨界長度，。纖維的臨界長度，?？傻茫嚎傻茫海?）l / lc愈大，復(fù)合材料的拉伸強度愈大。愈大，復(fù)合材料的拉伸強度愈大。 當(dāng)當(dāng)l / lc10時，時， 增強效果可達到連續(xù)纖維的增強效果可達到連續(xù)纖維的95%。（2）引入纖維直徑）引入纖維直徑d ， （l /d ）c 為纖維臨界長徑比為纖維臨界長徑比 ， 當(dāng)（當(dāng)（l /d ）c 10 時，時， 復(fù)合材料可獲得理想的增強效果。復(fù)合材料可獲得理想的增強效

6、果。 fmfcFfFVV2ll 11分析上式分析上式二、復(fù)合材料的復(fù)合法則二、復(fù)合材料的復(fù)合法則混合定律混合定律1、混合定律：、混合定律： 復(fù)合材料滿足以下條件復(fù)合材料滿足以下條件:（1）均質(zhì)，無內(nèi)應(yīng)力；）均質(zhì)，無內(nèi)應(yīng)力；（2）各向同性及線彈性材料；）各向同性及線彈性材料；（3）粘結(jié)牢靠。）粘結(jié)牢靠。 復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系 Xc = Xm Vm + XfVf 或或 Xc = XfVf + Xm（1 - Vf） 式中：式中： X：材料的性能，如強度、彈性模量、密度等；：材料的性能，如強度、彈性模量、密度等； V：材料的體積百分比。：材料的體積百分比。2

7、、連續(xù)纖維單向增強復(fù)合材料、連續(xù)纖維單向增強復(fù)合材料 彈性模量彈性模量 、泊松比、剪切強度等性能均符泊松比、剪切強度等性能均符合合混合定律?；旌隙伞?如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個系數(shù)。因子前面乘以一個系數(shù)。 在平行于纖維長度方向的強度計算，主要在平行于纖維長度方向的強度計算，主要考慮基體的強度和纖維與基體的結(jié)合強度?？紤]基體的強度和纖維與基體的結(jié)合強度。 3、短纖維增強復(fù)合材料、短纖維增強復(fù)合材料 短纖維復(fù)合材料的強度與纖維長度的關(guān)系示意圖短纖維復(fù)合材料的強度與纖維長度的關(guān)系示意圖 強度強度纖維長度，以纖維長度，以lc為單位為單位單

8、相復(fù)合材料，單相復(fù)合材料，Vf0.5將玻璃加熱至熔融狀態(tài)，使將玻璃加熱至熔融狀態(tài)，使其從漏嘴流出，再進行高速其從漏嘴流出，再進行高速拔絲的方法。而且一般是使拔絲的方法。而且一般是使用多個漏嘴，同時紡絲。用用多個漏嘴，同時紡絲。用這種方法既可制備連續(xù)纖維，這種方法既可制備連續(xù)纖維，也可以制備短纖維。也可以制備短纖維。 碳纖維可以用以下原材料制得：人造絲、石油（或煤的碳纖維可以用以下原材料制得：人造絲、石油（或煤的蒸溜殘碴）以及蒸溜殘碴）以及PAN（聚丙烯腈（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳系碳纖維）等。其特性也因原材料而有所差別。纖維）等。其特性也因原材料而有所差別。原絲

9、原絲制造制造改改性性的的丙丙烯烯纖纖維維穩(wěn)定穩(wěn)定化化硫硫酸酸脫脫氫氫，橋橋接接反反應(yīng)應(yīng)，嘧嘧啶啶聚聚合合物物碳化碳化在在氮氮氣氣中中加加熱熱一一千千至至兩兩千千度度穩(wěn)定穩(wěn)定化化碳碳、氮氮等等結(jié)結(jié)合合反反應(yīng)應(yīng)，脫脫氫氫反反應(yīng)應(yīng)表面表面處理處理表表面面形形成成氫氫氧氧基基，或或涂涂有有機機聚聚合合物物精整精整穩(wěn)穩(wěn)定定纖纖維維尺尺寸寸以以PAN作為原材料作為原材料 PAN基碳纖維高強度、重量輕、耐高溫、耐腐基碳纖維高強度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異的電性能等特點，世界總生產(chǎn)能力，躍居世蝕、優(yōu)異的電性能等特點，世界總生產(chǎn)能力，躍居世界高性能纖維的第二位。界高性能纖維的第二位。 聚丙烯腈（聚丙烯腈（P

10、AN）基碳纖維有兩大類，即大絲束）基碳纖維有兩大類，即大絲束碳纖維（碳纖維（LT）和小絲束碳纖維（）和小絲束碳纖維（CT）。）。20世紀世紀90年代中期以前世界上生產(chǎn)的都是年代中期以前世界上生產(chǎn)的都是CT型碳纖維。型碳纖維。1996年生產(chǎn)出位伸強度可以與年生產(chǎn)出位伸強度可以與CT型碳纖維相媲美的型碳纖維相媲美的LT型碳纖維。型碳纖維。 金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法：真空熱壓擴散結(jié)合、熱等靜壓、固態(tài)法：真空熱壓擴散結(jié)合、熱等靜壓、 超塑性成型超塑性成型/ /擴散結(jié)合、模壓、粉末冶金法。擴散結(jié)合、模壓、粉末冶金法。 2 2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反

11、壓鑄造、）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、 半固態(tài)鑄造。半固態(tài)鑄造。 3 3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。 4 4）原位生長法。）原位生長法。連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝 鋁合金鋁合金固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法 碳纖維碳纖維 鎂合金鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法 硼纖維硼纖維 鈦合金鈦合金 固態(tài)法固態(tài)法 SiCSiC纖維纖維 高溫合金高溫合金固態(tài)法固態(tài)法 氧化鋁纖維氧化鋁纖維 金屬間化合物金屬間化合物固態(tài)法固態(tài)法不連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝不連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝 鋁合金鋁合金固

12、態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法 顆粒顆粒 鎂合金鎂合金液態(tài)法液態(tài)法 晶須晶須 鈦合金鈦合金固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法 短纖維短纖維 高溫合金高溫合金原位生長法原位生長法 金屬間化合物金屬間化合物粉末冶金、原位生長法粉末冶金、原位生長法固態(tài)法（連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）固態(tài)法（連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝） 真空熱壓擴散結(jié)合真空熱壓擴散結(jié)合 金屬基復(fù)合材料（金屬基復(fù)合材料（MMCMMC）制備方法）制備方法4. 4. 粉末冶金法粉末冶金法（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝） 粉末冶金法也是一種

13、制備非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料常采用的工藝。其優(yōu)點如下：常采用的工藝。其優(yōu)點如下： 1）與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控； 2）可根據(jù)要求設(shè)計復(fù)合材料的性能；可根據(jù)要求設(shè)計復(fù)合材料的性能； 3）利于增強相與金屬基體的均勻混合。利于增強相與金屬基體的均勻混合。 4）其組織致密、細化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；其組織致密、細化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善； 5）利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。 但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點。但工藝流程較長，成本較高是這種工

14、藝的缺點。金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能 復(fù)合材料復(fù)合材料增強相含增強相含量量VoL%抗拉強度抗拉強度MPa拉伸模量拉伸模量GPa密度密度g/cm3BF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlSumica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 1

15、38100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.710.4 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大，耐熱硬度高及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等細微的缺陷很敏感。細微的缺陷很敏感。 陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。時其強度、模量有了提高。不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較不同金屬、

16、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較 陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝粉末冶金法陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝粉末冶金法 工藝流程：工藝流程： 原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結(jié)劑和助燒劑）原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）均勻混合（球磨、超聲等） 冷壓成形冷壓成形 （熱壓）燒結(jié)適用于顆粒、晶須和短纖維增韌（熱壓）燒結(jié)適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料。 漿體法（濕態(tài)法）漿體法（濕態(tài)法） 為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，可采用漿體（濕態(tài)）法制備顆粒、晶須和短題，可采用漿體（濕態(tài)）法制備顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。 其混合體為漿體形式?；旌象w中各組元保持其混合