材料化學(xué) 課件 10 復(fù)合材料制備

2023年8月8日高等材料化學(xué)教育部新材料領(lǐng)域工程碩博士核心課程第十一章：復(fù)合材料制備01

復(fù)合材料概論02聚合物基復(fù)合材料制備03

金屬基復(fù)合材料制備04

陶瓷基復(fù)合材料制備05

有機-無機雜化材料制備01

復(fù)合材料概論11.1復(fù)合材料概述復(fù)合材料(CompositeMaterials)概念：兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)原理結(jié)合在一起，組成具有新

宏觀性能的材料組成：基體相(Matrix):連續(xù)相，保護、固結(jié)增強相，傳遞荷載，阻止裂紋擴展

增強相(Reinforcement):分散相，承受荷載和顯示功能界面相(Interface):通過化學(xué)鍵和物理鍵將基體和增強體有機地組合條件：

復(fù)合材料是人類為了某些需求制造的，而不是天然就存在的；

復(fù)合材料至少包含兩種物理或化學(xué)性能不同的獨立組元；

復(fù)合材料的性能取決于自身組元性質(zhì)的優(yōu)化結(jié)合11.1復(fù)合材料概述特點：

復(fù)合材料是一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；

復(fù)合材料中各組元保持各自的固有特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；

復(fù)合材料具有可設(shè)計性；

復(fù)合材料的組分在復(fù)合后仍保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；

復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同11.1.1復(fù)合材料分類圖11.1

復(fù)合材料的分類11.1復(fù)合材料概述11.1.2復(fù)合材料命名按基體材料類型：聚合物基、金屬基、陶瓷基、碳基例如：環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、氧化鋁基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料命名基體材料增強體材料基體和增強體材料按增強體材料類型：纖維增強、顆粒增強、晶須增強例如：碳纖維增強復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強復(fù)合材料按增強體和基體材料名稱：纖維(顆?；蚓ы?增強樹脂基復(fù)合材料例如：碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強碳化硅基復(fù)合材料

書寫：Cf/Epoxy、SiCp/Al、Al2O3w/SiC（增強體/基體）02

聚合物基復(fù)合材料制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.1聚合物基復(fù)合材料概述聚合物基復(fù)合材料基本特點

比強度、比模量高，通常為金屬材料的3倍多

耐疲勞性能好，破損安全性能高，疲勞強度極限最高可達到抗張強度80%

過載時安全性好，其構(gòu)件不會突然失去承載能力

阻尼減振性好：復(fù)合材料有較高的自振頻率，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振

具有多種功能性：瞬時耐高溫、耐燒蝕性好；優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能；

良好的摩擦性能；優(yōu)良的耐腐蝕性能；有特殊的光、電學(xué)特性

良好的加工工藝性：

根據(jù)制品使用條件、性能要求選擇纖維、基體，具有可設(shè)計性

根據(jù)制品形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法

可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省材料和工時11.2.2預(yù)浸料/預(yù)混料的制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備聚合物基復(fù)合材料的制備

選擇相應(yīng)的成型工藝，使半成品形成有形的成品

預(yù)浸料/預(yù)混料的制備預(yù)浸料：連續(xù)纖維浸漬樹脂后的半成品預(yù)混料：非連續(xù)纖維與樹脂浸漬或混合后的半成品（1）預(yù)浸料制造熱固性預(yù)浸料：由連續(xù)纖維或織物及樹脂（包括固化劑等添加組分）組成，一般沒有其他填料。根據(jù)浸漬設(shè)備或制造方式不同，熱固性預(yù)浸料制造分為輪鼓纏繞法和陣列排鋪法，按浸漬樹脂狀態(tài)又分為濕法（溶液預(yù)浸）和干法（熱熔體預(yù)浸）熱塑性預(yù)浸料：根據(jù)樹脂狀態(tài)的不同，可分為預(yù)浸漬技術(shù)和后浸漬技術(shù)。預(yù)浸漬技術(shù)特點是預(yù)浸料中樹脂完全浸漬纖維，而后預(yù)浸技術(shù)的特點是樹脂以粉末、纖維、或包層等形式存在于預(yù)浸料中，對纖維的完全浸漬是后續(xù)成型過程中完成的11.2聚合物基復(fù)合材料制備（2）預(yù)混料制造片狀模塑料和團狀模塑料：是一類可直接進行模壓成型，不需要事先進行固化、干燥等其他工序的纖維增強熱固性模塑料通常根據(jù)片狀模塑料和團狀模塑料、玻璃氈增強熱塑性塑料、注射模塑料這三種不同形態(tài)的塑料來分別進行預(yù)混料的制造玻璃氈增強熱塑性塑料：是一種類似于熱固性片狀模塑料的半成品，它的力學(xué)性能與熱固性片狀模塑料相似，甚至?xí)茫?/p>

具有生產(chǎn)過程無污染、成型周期短、廢品及制品可回收利用等優(yōu)點注射模塑料：一般使用雙螺桿擠出機制造，將連續(xù)纖維紗束與熔融態(tài)樹脂基體混合后擠出，然后由切割機切成長度為3~6mm

顆粒，便于后期注射成型11.2.3聚合物基復(fù)合材料的成型工藝聚合物基復(fù)合材料的制備方法有很多，其中較為重要的有手糊成型工藝、模壓成型工藝、噴射成型工藝、擠出成型工藝、樹脂傳遞成型工藝11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.2

聚合物基復(fù)合材料制備方法11.2.3.1聚合物基復(fù)合材料制備成型特點1聚合物基復(fù)合材料合成與制品成型是同時完成，該材料的制備過程也就是其制品生產(chǎn)過程

在復(fù)合材料成型過程中，增強體的形狀變化不大，但基體的形狀有較大的變化;

成型工藝對制品的性能有很大的影響，如制備過程中的材料的界面黏結(jié)、氣孔率等對材料的層間結(jié)合

強度有主要的影響;

根據(jù)制品結(jié)構(gòu)和使用時受力狀況來選擇成型工藝;大型制品可一次整體成型，簡化制品結(jié)構(gòu)，減少

組成零件和連接件數(shù)量，減輕制品重量如，單向受力桿件和梁應(yīng)采用拉擠法，因拉擠成型可保證制品在順著纖維方向具有最大的強度和剛度；薄殼構(gòu)件可采用連續(xù)纖維纏繞工藝，以滿足各個方向具有不同的強度和剛度要求2樹脂基復(fù)合材料成型比較方便：樹脂在固化前具有一定的流動性，纖維又很柔軟，依靠模具容易形成要求形狀和尺寸；一種復(fù)合材料可用多種方法成型，綜合考慮，選擇最簡單和最經(jīng)濟成型方法11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.3.2成型工藝流程11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.3

復(fù)合材料制品生產(chǎn)流程1手糊成型工藝(HandLay-up)(1)工藝特點及基本流程概念：手糊成型工藝又稱接觸成型工藝。是手工作業(yè)把增強纖維織物和樹脂交替鋪在模具上，然后固化成型特點：優(yōu)點

成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)；

設(shè)備簡單、投資少、

見效快；

工藝簡單、生產(chǎn)技術(shù)易掌握；

易于滿足產(chǎn)品設(shè)計需要，可在產(chǎn)品不同部位任意增補增強材料

缺點

生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長、不宜大批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定性不高；

生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工

時粉塵多，易對施工人員造成傷害11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.4

手糊成型工藝流程圖(2)手糊成型的制造過程a)模具準備模具是手糊成型中的主要設(shè)備。設(shè)計時，要綜合考慮各方面因素。模具必須要符合制品設(shè)計的精度要求以及有足夠的剛度和強度，要容易脫模，造價要便宜模具結(jié)構(gòu)形式

陰模陽模

敞口式對模模具材料主要有木模、石膏模、樹脂模、玻璃模和金屬模等，其中金屬模應(yīng)用較多b)涂脫模劑根據(jù)所用樹脂類型、制品形狀與結(jié)構(gòu)等因素選擇脫模劑。所選用的脫模劑應(yīng)確保制品固化后能順利脫模，保持制品表面光潔、平整，又可保證模具完好，且可重復(fù)使用，涂脫膜劑要均勻涂抹，不得漏涂c)膠衣制備為了改善制品的表面質(zhì)量，延長其使用壽命，通常要為制品制備一層膠衣。它可以是純膠衣樹脂，也可以是表面氈增強樹脂制成。膠衣層厚度通常為0.3~0.4mm，可以用噴涂方法或刷涂方法制得d)裱糊鋪層可分為干法手糊和濕法手糊。干法手糊就是將預(yù)浸膠布按樣板剪裁，裱糊時稍加熱使樹脂軟化，然后裱貼在模具上。濕法手糊是一邊刷膠一邊在模具上鋪布裱貼，它可以使膠液浸透增強材料并有利于增強材料與模具貼合e)固化成型通常采用無壓常溫固化。制品從凝膠到具備一定硬度和定型，一般需要較長的固化時間，成型后達到脫模強度通常要用24h，若要達到更高使用強度，固化時間要長達一個月之久f)脫模和修整當(dāng)制品固化到脫模強度（即制品已具有維持自己形狀的強度）時便可進行脫模，如手糊聚酯樹脂制品，一般在成型24h可達到脫模強度。脫模后的制品要進行機械加工，除去飛邊、毛刺、修補表面及內(nèi)部缺陷(3)手糊成型制品的厚度控制手糊成型熱固性樹脂基復(fù)合材料制品的厚度是影響制品性能的主要參數(shù)厚度工藝系數(shù)=實際厚度/設(shè)計厚度當(dāng)厚度工藝系數(shù)大于1時，則稱為超重；當(dāng)厚度系數(shù)小于1時，則稱為厚度不足(4)手糊成型工藝應(yīng)用手糊成型工藝在樹脂基復(fù)合材料成型工藝中仍占相當(dāng)大的比重。用手糊工藝可生產(chǎn)風(fēng)機葉片、各類漁船和游艇、汽車殼體、大型雷達天線罩、飛機的蒙皮等和一些民用制品，如活動房、浴盆等02

聚合物基復(fù)合材料制備2模壓成型工藝(CompressionMolding)(1)工藝特點及基本過程概念：將模塑料(粉料、纖維預(yù)浸料等)置于陰模型腔內(nèi)，合上陽模，借助壓力和熱量作用，使物料熔化充滿型腔，形成與型腔形狀相同的制品，再經(jīng)加熱使其固化，冷卻后脫模。該技術(shù)是熱固性樹脂基復(fù)合材料和某些熱塑性樹脂基復(fù)合材料的主要成型方法特點：優(yōu)點

重復(fù)性好、成型時間短，效率高；

制品的內(nèi)應(yīng)力很低，且翹曲變形也很小，機械性能較穩(wěn)定；

可成

型較大的平板狀制品；

制品致密，質(zhì)量高，收縮率低，尺寸穩(wěn)定性較好；

生產(chǎn)效率高

缺點

不適合對存在凹陷、側(cè)面斜度或小孔等的復(fù)雜制品采用模壓成型；

模具制造復(fù)雜，投資較大，適合于

批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品基本過程：1）預(yù)壓，主要目的是改善制品質(zhì)量、提高模塑效率等。是將模塑粉或纖維預(yù)浸料等預(yù)先壓制成一定形狀的

操作過程；

2）預(yù)熱，主要是改進模塑料的加工性能，縮短成型周期等。是把模塑料在成型前先進行加熱的操作過程；

3）模壓，將計量的物料加入模具型腔內(nèi)，閉合模具，排出氣體，在規(guī)定的模塑溫度和壓力下保持一段時間，

然后脫模，取出制品，清理模具11.2聚合物基復(fù)合材料制備(2)模壓成型工藝a)模具準備通常為金屬模具。脫模劑的涂刷，在模具型腔內(nèi)、外涂刷脫模劑，常用脫模劑有油酸、石蠟、有機硅油等b)加料加料量嚴格定量。定量加料法有重量法、計數(shù)法和容量法。重量法準確，一般用于尺寸要求精確；容量法不如重量法準確，一般用于粉料計算；計數(shù)法只用于預(yù)壓物料加料圖11.5

模壓成型工藝流程圖c)合模合模分為兩步：陽模未接觸物料前，需低壓(1.5~3MPa)、快速；當(dāng)接觸物料后，應(yīng)開始放慢閉模速度，改用高壓(15~30MPa)、慢速，以免損壞嵌件，并使模內(nèi)空氣排出d)排氣將物料中殘余的揮發(fā)物、物料帶入的空氣和水汽排除過程。其目的是為了保證制品的密實性，避免制品產(chǎn)生氣泡和分層e)固化固化速度的快慢取決于樹脂的分子結(jié)構(gòu)。一般相對分子量低、支鏈少，固化劑容易與活潑基團反應(yīng)，固化速度就快；反之，相對分子質(zhì)量高，粘度大，不利于活潑基團縮合，固化速度就慢f)保壓時間保壓時間的長短決定制品的質(zhì)量。過短，會導(dǎo)致樹脂固化不完全，過長，則會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常保壓時間在30秒到幾分鐘不等g)脫模脫模通常是靠頂桿來完成h)清理模具模壓后將模具清理干凈，清理后涂上脫模劑以便下次使用I)后處理保證樹脂制品固化完全；減少制品水份及揮發(fā)物；消除制品的內(nèi)應(yīng)力等(3)模壓成型工藝的應(yīng)用模壓成型工藝應(yīng)用于制造衛(wèi)星天線罩、車輛的外殼、保險杠、傳動軸油盤、輪轂、彈簧片、全塑汽車車體、水箱、整體浴室、居室門、座椅等3纏繞成型工藝(FilamentWinding

)(1)概念及工藝特點概念：是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上，常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工

藝，是一種制備各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡單方法特點：優(yōu)點

①能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強度；②比強度高；③可靠性高；④生產(chǎn)效率高；⑤成本低

缺點

①纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏繞任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品；②制品強度方向性比較明

顯，層間剪切強度低，對加工設(shè)備性能要求較高

(2)纏繞成型工藝（1）干法纏繞：采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。干法纏繞能夠準確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)點：生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100～200m/min；工作環(huán)境較清潔，產(chǎn)品質(zhì)量高。缺點：纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，投資較大；干法纏繞制品的層間剪切強度較低（2）濕法纏繞：將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。優(yōu)點：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好；③纖維排列平行度好；④纖維上的樹脂膠液可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高。缺點：①樹脂浪費大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少（3）半干法纏繞：纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省去了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域圖11.6

纏繞成型工藝流程圖芯模纏繞控制膠槽及纏繞小車纖維圖11.7

纏繞成型工藝設(shè)備示意圖(3)纏繞成型設(shè)備芯模成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出芯模設(shè)計的基本要求要有足夠的強度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時的切削力等；能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；④制造簡單，造價便宜，取材方便纏繞成型芯模材料分兩類熔、溶性材料：是指石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸?，制品纏繞成型后，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用組裝式芯模材料：常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等，還有內(nèi)襯材料。內(nèi)襯材料是制品的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等纏繞機纏繞機是實現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備，對纏繞機的要求是：①能夠?qū)崿F(xiàn)制品設(shè)計的纏繞規(guī)律和排紗準確；②操作簡便；③生產(chǎn)效率高；④設(shè)備成本低(4)纏繞成型工藝應(yīng)用纏繞成型工藝主要適合成型大型旋轉(zhuǎn)體制品。如壓力容器（氣瓶、魚雷殼體）、輸送石油、水、天然氣的化工管道及大型儲罐；火箭發(fā)動機放熱殼體等4拉擠成型工藝(Pultrusion)(1)概念及特點概念：將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料型材方法。一般只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化程度，最后固化在加熱箱中完成。該工藝適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材，如棒、管、實體型材(工字形、槽形、方形型材)等特點：是連續(xù)成型，制品長度不受限制，力學(xué)性能尤其是縱向力學(xué)性能突出，結(jié)構(gòu)效率高，制造成本較低，自動化程度高，制品性能穩(wěn)定。與其他纖維復(fù)合材料成型方式相比，拉擠成型技術(shù)屬于性能優(yōu)異且經(jīng)濟的型材生產(chǎn)方式，非常適合大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維復(fù)合材料型材(2)拉擠成型工藝典型的拉擠成型工藝：送紗、浸膠、預(yù)成型、固化成型、牽引和切割工序組成圖11.8

拉擠成型工藝示意圖(3)分類按工藝過程連續(xù)性，分為間斷拉擠成型和連續(xù)拉擠成型?，F(xiàn)代拉擠成型復(fù)合材料95%以上是采用連續(xù)拉擠成型(4)應(yīng)用主要用作工字型、角型、異型截面管材，實芯棒以及上述斷面構(gòu)成的組合截面型材。主要用于電氣、電子、化工防腐、文體用品、土木工程和陸上運輸?shù)?噴射成型工藝(Spray-up

Molding

)(1)概念及特點概念：將含有固化劑的樹脂體系和含有引發(fā)劑的樹脂體系分別從噴槍的兩個噴嘴中噴涂到型腔內(nèi)，與此同時，也運用噴槍上的切割器將連續(xù)纖維切成短纖維(25mm),待噴涂到規(guī)定的厚度，利用輥筒滾壓，將其壓實，固化成型制品，其中制品纖維的質(zhì)量分數(shù)控制在30~40%左右為宜特點：優(yōu)點

1)生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用較少設(shè)備投資實現(xiàn)中批量生產(chǎn)；3)用玻璃纖維無捻初紗代

替織物，材料成本低；4)產(chǎn)品整體性好無接縫；5)可自由調(diào)變產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂比例

缺點

1)現(xiàn)場污染大；2)制品樹脂含量高；3)制品強度較低(2)噴射成型工藝玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進劑加熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模圖11.9

噴射成型工藝流程圖(3)噴射成型工藝參數(shù)纖維：專用無捻初紗，含量控制在25~45%，長度一般為25~50mm;樹脂含量和粘度：含膠量約為60%左右，含膠量過低，纖維浸潤不均，粘結(jié)不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，觸變度以1.5~4為宜，在此范圍內(nèi)膠液易于噴射霧化噴射量：應(yīng)始終保持膠液噴射量與纖維切割量的比例適宜且穩(wěn)定。噴射量與噴射壓力和噴嘴直徑有關(guān)，噴嘴直徑在1.2~3.5mm之間選定，可使噴膠量在8~60g/s之間調(diào)變噴槍夾角：對樹脂與引發(fā)劑在槍外混合均勻度影響極大，選用20

夾角為宜，噴槍口與成型表面距離350~400mm噴霧壓力：要能保證兩組分樹脂均勻混合。適宜的壓力同膠液粘度有關(guān)，若粘度在0.2Pa.s時，霧化壓力為0.3~0.35MPa(4)應(yīng)用噴射成型工藝適合于大型船體、機器外罩、汽車車身、浴盆、整體衛(wèi)生間及大型浮雕產(chǎn)品等6樹脂傳遞模塑成型工藝(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特點概念：是一種采用對模方法制備樹脂基復(fù)合材料制品方法。該方法是通過壓力將樹脂注入密閉的模腔，浸潤已排鋪好的纖維織物坯件，然后固化成型。是一種不采用預(yù)浸漬料的成型方法特點：①可以制造兩面光的制品；②成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；③RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康；④增強材料可以任意方向鋪放，容易實現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建廠投資少，上馬快。(2)RTM工藝預(yù)成型坯制造

將增強纖維按要求制成一定形狀，然后放入模具中，一般是整體織物結(jié)構(gòu)或三維編織結(jié)構(gòu)充模

在模具閉合鎖緊后，在一定條件下將樹脂注入模具，樹脂在浸漬纖維增強體的同時將空氣趕出。當(dāng)多余樹脂從模具溢膠口開始流出時，停止樹脂注入固化

在模具充滿后，通過加熱使樹脂發(fā)生反應(yīng)、交聯(lián)固化，理想的固化反應(yīng)開始時間是在模具剛剛充滿時。固化應(yīng)在一定的壓力下進行開模

當(dāng)固化反應(yīng)進行完全后，打開模具取出制件，為使制件固化完全可進行后處理圖11.10RTM成型工藝示意圖(3)RTM成型控制主要工藝參數(shù)(a)注膠壓力：在較低的壓力下完成樹脂壓注。措施：降低樹脂粘度、采用適當(dāng)?shù)哪＞咦⒛z口和排氣口設(shè)計、采用適當(dāng)?shù)睦w維排布設(shè)計、降低注膠速率(b)注膠速率：高的注膠速率，有利于氣泡的排除，提高生產(chǎn)效率，但伴隨著壓力的升高(c)注膠溫度：高的注膠溫度能縮短樹脂的工作期；過低溫度會使樹脂粘度增大，使壓力升高，阻礙樹脂正常浸滲纖維的能力；較高的溫度還有利于體系氣泡的排出(4)RTM成型工藝對樹脂工藝性的要求室溫或較低溫度下具有低粘度和一定的適用期(48h);樹脂對增強材料具有良好的浸潤性、匹配性；樹脂不含溶劑或揮發(fā)物、固化無小分子物體放出；

樹脂在固化溫度下具有良好的反應(yīng)性，且后處理溫度不應(yīng)過高(5)RTM成型工藝對增強材料的要求

鋪覆性好，容易制成與制品相同形狀；

耐沖刷性好，在樹脂注入過程中能保持鋪覆原位；

對樹脂阻力較小，易被樹脂浸透；

機械強度高；

鋪覆時用時短、效率高(6)RTM成型工藝應(yīng)用RTM技術(shù)適用范圍很廣，已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、風(fēng)力發(fā)電機葉片、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等02

聚合物基復(fù)合材料制備2模壓成型工藝(CompressionMolding)(1)工藝特點及基本過程概念：將模塑料(粉料、纖維預(yù)浸料等)置于陰模型腔內(nèi)，合上陽模，借助壓力和熱量作用，使物料熔化充滿型腔，形成與型腔形狀相同的制品，再經(jīng)加熱使其固化，冷卻后脫模。該技術(shù)是熱固性樹脂基復(fù)合材料和某些熱塑性樹脂基復(fù)合材料的主要成型方法特點：優(yōu)點

重復(fù)性好、成型時間短，效率高；

制品的內(nèi)應(yīng)力很低，且翹曲變形也很小，機械性能較穩(wěn)定；

可成

型較大的平板狀制品；

制品致密，質(zhì)量高，收縮率低，尺寸穩(wěn)定性較好；

生產(chǎn)效率高

缺點

不適合對存在凹陷、側(cè)面斜度或小孔等的復(fù)雜制品采用模壓成型；

模具制造復(fù)雜，投資較大，適合于

批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品基本過程：1）預(yù)壓，主要目的是改善制品質(zhì)量、提高模塑效率等。是將模塑粉或纖維預(yù)浸料等預(yù)先壓制成一定形狀的

操作過程；

2）預(yù)熱，主要是改進模塑料的加工性能，縮短成型周期等。是把模塑料在成型前先進行加熱的操作過程；

3）模壓，將計量的物料加入模具型腔內(nèi)，閉合模具，排出氣體，在規(guī)定的模塑溫度和壓力下保持一段時間，

然后脫模，取出制品，清理模具11.2聚合物基復(fù)合材料制備(2)模壓成型工藝a)模具準備通常為金屬模具。脫模劑的涂刷，在模具型腔內(nèi)、外涂刷脫模劑，常用脫模劑有油酸、石蠟、有機硅油等b)加料加料量嚴格定量。定量加料法有重量法、計數(shù)法和容量法。重量法準確，一般用于尺寸要求精確；容量法不如重量法準確，一般用于粉料計算；計數(shù)法只用于預(yù)壓物料加料圖11.5

模壓成型工藝流程圖c)合模合模分為兩步：陽模未接觸物料前，需低壓(1.5~3MPa)、快速；當(dāng)接觸物料后，應(yīng)開始放慢閉模速度，改用高壓(15~30MPa)、慢速，以免損壞嵌件，并使模內(nèi)空氣排出d)排氣將物料中殘余的揮發(fā)物、物料帶入的空氣和水汽排除過程。其目的是為了保證制品的密實性，避免制品產(chǎn)生氣泡和分層e)固化固化速度的快慢取決于樹脂的分子結(jié)構(gòu)。一般相對分子量低、支鏈少，固化劑容易與活潑基團反應(yīng)，固化速度就快；反之，相對分子質(zhì)量高，粘度大，不利于活潑基團縮合，固化速度就慢f)保壓時間保壓時間的長短決定制品的質(zhì)量。過短，會導(dǎo)致樹脂固化不完全，過長，則會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常保壓時間在30秒到幾分鐘不等g)脫模脫模通常是靠頂桿來完成h)清理模具模壓后將模具清理干凈，清理后涂上脫模劑以便下次使用I)后處理保證樹脂制品固化完全；減少制品水份及揮發(fā)物；消除制品的內(nèi)應(yīng)力等(3)模壓成型工藝的應(yīng)用模壓成型工藝應(yīng)用于制造衛(wèi)星天線罩、車輛的外殼、保險杠、傳動軸油盤、輪轂、彈簧片、全塑汽車車體、水箱、整體浴室、居室門、座椅等3纏繞成型工藝(FilamentWinding

)(1)概念及工藝特點概念：是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上，常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工

藝，是一種制備各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡單方法特點：優(yōu)點

①能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強度；②比強度高；③可靠性高；④生產(chǎn)效率高；⑤成本低

缺點

①纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏繞任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品；②制品強度方向性比較明

顯，層間剪切強度低，對加工設(shè)備性能要求較高

(2)纏繞成型工藝（1）干法纏繞：采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。干法纏繞能夠準確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)點：生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100～200m/min；工作環(huán)境較清潔，產(chǎn)品質(zhì)量高。缺點：纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，投資較大；干法纏繞制品的層間剪切強度較低（2）濕法纏繞：將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。優(yōu)點：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好；③纖維排列平行度好；④纖維上的樹脂膠液可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高。缺點：①樹脂浪費大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少（3）半干法纏繞：纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省去了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域圖11.6

纏繞成型工藝流程圖芯模纏繞控制膠槽及纏繞小車纖維圖11.7

纏繞成型工藝設(shè)備示意圖(3)纏繞成型設(shè)備芯模成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出芯模設(shè)計的基本要求要有足夠的強度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時的切削力等；能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；④制造簡單，造價便宜，取材方便纏繞成型芯模材料分兩類熔、溶性材料：是指石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸?，制品纏繞成型后，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用組裝式芯模材料：常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等，還有內(nèi)襯材料。內(nèi)襯材料是制品的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等纏繞機纏繞機是實現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備，對纏繞機的要求是：①能夠?qū)崿F(xiàn)制品設(shè)計的纏繞規(guī)律和排紗準確；②操作簡便；③生產(chǎn)效率高；④設(shè)備成本低(4)纏繞成型工藝應(yīng)用纏繞成型工藝主要適合成型大型旋轉(zhuǎn)體制品。如壓力容器（氣瓶、魚雷殼體）、輸送石油、水、天然氣的化工管道及大型儲罐；火箭發(fā)動機放熱殼體等4拉擠成型工藝(Pultrusion)(1)概念及特點概念：將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料型材方法。一般只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化程度，最后固化在加熱箱中完成。該工藝適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材，如棒、管、實體型材(工字形、槽形、方形型材)等特點：是連續(xù)成型，制品長度不受限制，力學(xué)性能尤其是縱向力學(xué)性能突出，結(jié)構(gòu)效率高，制造成本較低，自動化程度高，制品性能穩(wěn)定。與其他纖維復(fù)合材料成型方式相比，拉擠成型技術(shù)屬于性能優(yōu)異且經(jīng)濟的型材生產(chǎn)方式，非常適合大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維復(fù)合材料型材(2)拉擠成型工藝典型的拉擠成型工藝：送紗、浸膠、預(yù)成型、固化成型、牽引和切割工序組成圖11.8

拉擠成型工藝示意圖(3)分類按工藝過程連續(xù)性，分為間斷拉擠成型和連續(xù)拉擠成型。現(xiàn)代拉擠成型復(fù)合材料95%以上是采用連續(xù)拉擠成型(4)應(yīng)用主要用作工字型、角型、異型截面管材，實芯棒以及上述斷面構(gòu)成的組合截面型材。主要用于電氣、電子、化工防腐、文體用品、土木工程和陸上運輸?shù)?噴射成型工藝(Spray-up

Molding

)(1)概念及特點概念：將含有固化劑的樹脂體系和含有引發(fā)劑的樹脂體系分別從噴槍的兩個噴嘴中噴涂到型腔內(nèi)，與此同時，也運用噴槍上的切割器將連續(xù)纖維切成短纖維(25mm),待噴涂到規(guī)定的厚度，利用輥筒滾壓，將其壓實，固化成型制品，其中制品纖維的質(zhì)量分數(shù)控制在30~40%左右為宜特點：優(yōu)點

1)生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用較少設(shè)備投資實現(xiàn)中批量生產(chǎn)；3)用玻璃纖維無捻初紗代

替織物，材料成本低；4)產(chǎn)品整體性好無接縫；5)可自由調(diào)變產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂比例

缺點

1)現(xiàn)場污染大；2)制品樹脂含量高；3)制品強度較低(2)噴射成型工藝玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進劑加熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模圖11.9

噴射成型工藝流程圖(3)噴射成型工藝參數(shù)纖維：專用無捻初紗，含量控制在25~45%，長度一般為25~50mm;樹脂含量和粘度：含膠量約為60%左右，含膠量過低，纖維浸潤不均，粘結(jié)不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，觸變度以1.5~4為宜，在此范圍內(nèi)膠液易于噴射霧化噴射量：應(yīng)始終保持膠液噴射量與纖維切割量的比例適宜且穩(wěn)定。噴射量與噴射壓力和噴嘴直徑有關(guān)，噴嘴直徑在1.2~3.5mm之間選定，可使噴膠量在8~60g/s之間調(diào)變噴槍夾角：對樹脂與引發(fā)劑在槍外混合均勻度影響極大，選用20

夾角為宜，噴槍口與成型表面距離350~400mm噴霧壓力：要能保證兩組分樹脂均勻混合。適宜的壓力同膠液粘度有關(guān)，若粘度在0.2Pa.s時，霧化壓力為0.3~0.35MPa(4)應(yīng)用噴射成型工藝適合于大型船體、機器外罩、汽車車身、浴盆、整體衛(wèi)生間及大型浮雕產(chǎn)品等6樹脂傳遞模塑成型工藝(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特點概念：是一種采用對模方法制備樹脂基復(fù)合材料制品方法。該方法是通過壓力將樹脂注入密閉的模腔，浸潤已排鋪好的纖維織物坯件，然后固化成型。是一種不采用預(yù)浸漬料的成型方法特點：①可以制造兩面光的制品；②成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；③RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康；④增強材料可以任意方向鋪放，容易實現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建廠投資少，上馬快。(2)RTM工藝預(yù)成型坯制造

將增強纖維按要求制成一定形狀，然后放入模具中，一般是整體織物結(jié)構(gòu)或三維編織結(jié)構(gòu)充模

在模具閉合鎖緊后，在一定條件下將樹脂注入模具，樹脂在浸漬纖維增強體的同時將空氣趕出。當(dāng)多余樹脂從模具溢膠口開始流出時，停止樹脂注入固化

在模具充滿后，通過加熱使樹脂發(fā)生反應(yīng)、交聯(lián)固化，理想的固化反應(yīng)開始時間是在模具剛剛充滿時。固化應(yīng)在一定的壓力下進行開模

當(dāng)固化反應(yīng)進行完全后，打開模具取出制件，為使制件固化完全可進行后處理圖11.10RTM成型工藝示意圖(3)RTM成型控制主要工藝參數(shù)(a)注膠壓力：在較低的壓力下完成樹脂壓注。措施：降低樹脂粘度、采用適當(dāng)?shù)哪＞咦⒛z口和排氣口設(shè)計、采用適當(dāng)?shù)睦w維排布設(shè)計、降低注膠速率(b)注膠速率：高的注膠速率，有利于氣泡的排除，提高生產(chǎn)效率，但伴隨著壓力的升高(c)注膠溫度：高的注膠溫度能縮短樹脂的工作期；過低溫度會使樹脂粘度增大，使壓力升高，阻礙樹脂正常浸滲纖維的能力；較高的溫度還有利于體系氣泡的排出(4)RTM成型工藝對樹脂工藝性的要求室溫或較低溫度下具有低粘度和一定的適用期(48h);樹脂對增強材料具有良好的浸潤性、匹配性；樹脂不含溶劑或揮發(fā)物、固化無小分子物體放出；

樹脂在固化溫度下具有良好的反應(yīng)性，且后處理溫度不應(yīng)過高(5)RTM成型工藝對增強材料的要求

鋪覆性好，容易制成與制品相同形狀；

耐沖刷性好，在樹脂注入過程中能保持鋪覆原位；

對樹脂阻力較小，易被樹脂浸透；

機械強度高；

鋪覆時用時短、效率高(6)RTM成型工藝應(yīng)用RTM技術(shù)適用范圍很廣，已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、風(fēng)力發(fā)電機葉片、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等03

金屬基復(fù)合材料制備11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.1金屬基復(fù)合材料概述概念：金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposite）是以金屬及其合金為基體，與其他金屬或非金屬增強相進行復(fù)合的復(fù)合材料。金屬基體包括：鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、金屬間化合物基等特性：金屬基復(fù)合材料具有把金屬基體優(yōu)越的塑性和成型性與增強體的承載能力及把金屬基體高熱傳導(dǎo)性與增強體低熱膨脹系數(shù)結(jié)合起來的特點。與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度；與樹脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與陶瓷基復(fù)合材料相比，具有高韌性和高沖擊性能11.3.2金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)11.3.2.1

金屬基復(fù)合材料制備需考慮的條件A.制造過程中應(yīng)使增強材料按設(shè)計要求均勻分布于金屬基體中B.避免制備工藝不當(dāng)造成增強材料和金屬基體原有性能的下降C.合理選擇工藝參數(shù)，避免制備過程中發(fā)生各種不利界面反應(yīng)D.制造設(shè)備投資少，工藝簡單，可操作性強，方法應(yīng)適合于批量生產(chǎn)，盡可能滿足近終成型的要求，減少或避免后加工工序11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.2.2

金屬基復(fù)合材料制備方法圖11.11金屬基復(fù)合材料制備方法1固態(tài)制備方法(SolidStateFabrication)

金屬基體與增強材料均處于固態(tài)，其溫度控制在基體合金的液相線與固相線之間；

加工溫度較低，不發(fā)生嚴重的界面反應(yīng)，能較好地控制界面的熱力學(xué)和動力學(xué)

固態(tài)制備方法特點

固態(tài)制備工藝：主要有粉末冶金法、擴散結(jié)合法（熱壓法）、熱等靜壓法、熱軋法和拉拔法等11.3金屬基復(fù)合材料制備固態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，基體處于固態(tài)的制備方法。它是先將金

屬粉末或金屬箔與增強體（顆粒、晶須等）以一定的含量、分布混合排列，

再經(jīng)加熱、加壓，將基體和增強體粘結(jié)在一起（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)圖11.12

粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料工藝流程圖

概念：是用于制備、成型非連續(xù)增強型金屬基復(fù)合材料的一種傳統(tǒng)固態(tài)工藝方法，它是基于增強相共存下的金屬

粉體熱熔焊接工藝。該方法利用粉末冶金原理，將基體粉末和增強材料按設(shè)計要求在適當(dāng)條件下均勻混合

后經(jīng)熱壓制成型工藝過程：主要包括混合、固化和壓制三個過程（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)●

主要用于制造顆粒或晶須增強金屬基復(fù)合材料。一方面可以制造復(fù)合材料的坯料；另一方面可直接

制成尺寸、形狀準確的復(fù)合材料零件，可減少后續(xù)加工●

常用增強材料：SiCp、SiCw、Al2O3等顆粒、晶須及短纖維；常用基體金屬有：Al、Cu、Ti等優(yōu)點：

增強體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍；顆粒的體積分數(shù)可以任意調(diào)整，不受顆粒的尺寸與形狀

限制；可以實現(xiàn)制件的少或無切削或近靜成型基體合金粉末和顆粒（晶須）的混合均勻程度及基體粉末防止氧化的問題是整個工藝的關(guān)鍵缺點：

制造工序繁多，工藝復(fù)雜；制造成本較高；內(nèi)部組織不均勻，存在明顯的增強相富集區(qū)和貧乏

區(qū)；不易制備形狀復(fù)雜、尺寸大的制件（2）擴散粘接法(DiffusionBonding)概念：在較長時間的高溫及一定的塑性變形作用下，依靠接觸部位原子間的相互擴散進行復(fù)合的方法，亦稱熱壓

法或擴散焊接法，是制備纖維增強金屬基復(fù)合材料的主要方法基本原理：將增強纖維按設(shè)計要求與基體金屬制成復(fù)合材料預(yù)制片；將預(yù)制片裁剪成所需形狀、疊層排布，放入熱壓

模具中，在高溫高壓下，

熱壓成型，制成復(fù)合材料零件圖11.13

擴散粘結(jié)法工藝流程圖圖11.14

SiC纖維/Al基復(fù)合材料微觀組織

影響擴散粘結(jié)的工藝因素：溫度、壓力、保持時間和氣氛等

擴散粘結(jié)過程：

粘接表面接觸→界面擴散和體擴散→界面消失(1)預(yù)制片的制備：等離子噴涂法、液態(tài)金屬浸漬法和箔粘結(jié)法等等離子噴涂法：先將粗纖維（硼纖維、碳化硅單絲等）纏繞在圓筒上，纖維之間保持一定的距離，然后放在低真空噴涂裝置中噴涂基體金屬形成含有增強纖維的預(yù)制片液態(tài)金屬浸漬法：采用液態(tài)金屬浸漬纖維制成復(fù)合絲或帶，再將復(fù)合絲或帶按設(shè)計要求排列成復(fù)合片，供進一步熱壓箔粘結(jié)法：先將纖維用有機粘結(jié)劑黏貼在金屬箔上，或?qū)⒔饘俨瓑撼刹y狀，將纖維放在波紋中。兩片箔將纖維夾在其中組成預(yù)制片(2)熱壓過程：

熱壓過程在真空或保護氣氛下進行;

溫度的確定是接近或稍低于基體金屬固相線溫度；

壓力依據(jù)熱壓溫度選擇，一般，熱壓溫度高選用壓力小，熱壓溫度低則選用壓力大，但壓力過

大，溫度過低，均會使纖維受損傷，一般控制在10MPa以下；

熱壓時間一般為10~20min

熱壓法應(yīng)用：熱壓法是目前制造直徑較粗的硼纖維、碳纖維增強鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法；也是制造鎢絲/超合金、鎢絲/銅等復(fù)合材料的主要方法之一。其產(chǎn)品主要用于航天發(fā)動機葉片等（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)概念：是熱壓法的一種，用惰性氣體加壓，工件在各個方向上受到均勻壓力的作用。工藝過程：將金屬基體(粉末或箔)與增強體(纖維、晶須、顆粒)按一定比例排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬包套內(nèi)，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱加壓（氬氣介質(zhì)），得到金屬基復(fù)合材料圖11.15

Bf/Al管復(fù)合材料制造工藝流程（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)工藝有三種：

先升壓后升溫：其特點是無需將工件壓力升到最終所要求的最高壓力，隨著溫度的升高，氣體膨脹，壓力不斷

升高達到所需壓力，這種工藝適合于用金屬包套工件的制造

先升溫后升壓：此工藝對于用玻璃包套制造復(fù)合材料比較適合，因為玻璃在一定溫度下軟化，加壓時不會發(fā)生

破裂，又可有效傳遞壓力

同時升溫升壓：這種工藝適合于低壓成型、裝入量大、保溫時間長的工件制造工藝參數(shù)：

溫度：一般選擇溫度低于熱壓溫度，以防止嚴重的界面反應(yīng)，在幾百到2000C范圍內(nèi)選擇；壓力：根據(jù)基體金屬在高溫下變形的難易程度而定，一般高于擴散粘結(jié)壓力，在100~200MPa,對于易變形的金屬，相應(yīng)的壓力選擇低一些，對于難變形的金屬，選擇高些；保溫保壓時間：主要依據(jù)工件的大小確定，工件越大，保溫時間越長，一般為30min到數(shù)小時（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)優(yōu)點：

產(chǎn)品組織均勻致密，無縮孔、氣孔等缺陷；產(chǎn)品形狀、尺寸精確，性能均勻缺點：設(shè)備投資大，工藝周期長，成本高應(yīng)用：

熱等靜壓適用于多種復(fù)合材料的管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造，特別適用于鈦、金屬間化合物、超

合金基復(fù)合材料的制備（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法變形法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料進一步加工成型。特點：由于是在固態(tài)下進行加工，速度快，纖維與基體作用時間短，纖維損傷??；但良好的界面結(jié)合不能保證，且因高應(yīng)力易造成纖維破壞（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱軋法：主要用來將已經(jīng)復(fù)合好的金屬基復(fù)合材料坯錠進一步加工成板材。也可將金屬箔和連續(xù)纖維組成的預(yù)制片軋成板材。該方法主要是完成金屬基體與增強體之間的粘結(jié)。為了提高粘結(jié)強度，通常在纖維表面涂上銀、銅等涂層，經(jīng)過反復(fù)加熱和軋制最終制成復(fù)合材料

熱軋法制造C/Al復(fù)合材料：將鋁箔與涂銀纖維交替鋪層，然后將其在基體的固相點附近軋制。也可以用等離子噴涂法做成預(yù)制帶，疊層后熱軋；

Be/Al復(fù)合材料：是先將Be絲纏繞在鈦箔上，用等離子噴涂9091Al合金或用粘結(jié)劑固定，然后疊層熱軋制與金屬材料軋制相比，長纖維-金屬箔軋制時每次的變形量小，軋制道次多；

對于顆粒或晶須增強的金屬基復(fù)合材料，先經(jīng)粉末冶金或熱壓成坯，再軋制成復(fù)合材料例如：SiCp/Al、SiCw/Cu、Al2O3w/Al、

Al2O3w/Cu（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱擠壓和熱拉法：主要用于顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料坯料的進一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等，對制造金屬絲增強金屬基復(fù)合材料是很有效的方法。經(jīng)過擠壓、拉拔后，復(fù)合材料的組織變得均勻，缺陷減少或消除，性能明顯提高，短纖維、晶須還有一定的擇優(yōu)取向，縱軸拉伸強度顯著提高

熱拉法與熔浸法組合：將用熔浸法制成的預(yù)浸線封入真空不銹鋼型中，通過加熱到一定溫度，再經(jīng)拉模拉拔，可制造出復(fù)合棒或管；

拉拔溫度應(yīng)取金屬基體的固相線附近，由于此時金屬基體的塑性變形阻力小，可以將纖維的機械損傷控制在最小的限度內(nèi)，同時減少拉拔力；

拉拔主要是為了消除預(yù)成型體內(nèi)的空隙，使其致密化利用變形壓力加工制造復(fù)合材料時，若加大金屬基體的塑性變形，纖維與基體將在界面處產(chǎn)生很大的應(yīng)力，容易造成界面的剝離，纖維表面損傷甚至破壞，且在復(fù)合材料中將產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，影響復(fù)合材料性能；

對于熱拔法，與其他變形壓力加工相比，該方法可以將基體金屬的塑性變形控制在比較小的程度，在拉拔過程中，由于纖維主要受到拉的作用，幾乎沒有彎曲應(yīng)力，將避免纖維的斷裂和界面的剝離（5）爆炸焊接法概念：是采用炸藥的爆炸為能源，由于炸藥的高速引爆和沖擊作用下，在瞬間使兩塊金屬板在碰撞點產(chǎn)生高應(yīng)變，使材料發(fā)生塑性變形，在基體中，和基體與增強體的接觸處產(chǎn)生焊接形成復(fù)合材料。爆炸焊接前，應(yīng)將金屬絲等編織或固定好，基體與金屬絲必須除去表面氧化膜和污物。工藝特點：

加載壓力和界面高溫作用時間短，基體與增強體界面反應(yīng)可能性小，焊合區(qū)的厚度在幾十微米級；

復(fù)合界面無明顯擴散層，不會產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，產(chǎn)品性能穩(wěn)定；

可制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材，還可以一次作業(yè)制備多塊復(fù)合材料板；

采用的是塊式法生產(chǎn)，無法連續(xù)生產(chǎn)寬度較大的復(fù)合坯料，而且爆炸所帶來的振動和噪音難以控制爆炸焊接法在復(fù)合制備難焊接金屬往往不適用，因為其焊接接頭強度差異很大，存在分層現(xiàn)象；

為了提高焊接接頭的強度和可靠性，需進行：熱處理，以減少或完全消除高硬度熔化區(qū)對接頭斷裂的影響，使殘余應(yīng)力場重新分布；軋制或鍛造，通過塑性變形來消除裂紋和未焊透形式的缺陷應(yīng)用：適合制造金屬層合板和金屬絲增強金屬基復(fù)合材料，如鋼絲/鋁、鉬絲/鈦、鎢絲/鎳等復(fù)合材料03

金屬基復(fù)合材料制備2

液態(tài)制備方法(LiquidStateFabrication)液態(tài)金屬基復(fù)合材料制備的共同特點是基體處于熔融狀態(tài)。該方法關(guān)鍵技術(shù)是有效控制高溫下的界面反應(yīng)及基體的氧化反應(yīng)這種方法可用來直接制造復(fù)合材料零件，也可用來制造復(fù)合絲、復(fù)合帶、坯錠等作為二次加工成零件的原料，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)

液態(tài)制備方法特點液態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強體

復(fù)合的制備方法。為了減少高溫下的界面反應(yīng)，改善界面潤濕性，通常可采

用加壓浸滲、增強體表面處理和基體中添加合金元素等措施

液態(tài)制備工藝：主要有擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、液態(tài)金屬攪拌鑄造法等11.3金屬基復(fù)合材料制備（1）擠壓鑄造法概念：是通過壓機將液態(tài)金屬壓入增強材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的一種方法。其工藝過程是：將增強材料制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱放入同樣預(yù)熱的模具中，熔融金屬進入模具，對熔體金屬加壓滲透纖維預(yù)制件中成型圖11.17擠壓鑄造工藝流程圖圖11.16擠壓滲透裝置特點及應(yīng)用：主要用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件，且制造成本低；由于高壓的作用，可以促進熔體對增強材料的潤濕，增強材料一般不需要表面處理；熔體與增強材料在高溫下接觸時間短，一般不會發(fā)生嚴重的界面反應(yīng)主要工藝參數(shù)：預(yù)制件預(yù)熱溫度、熔體溫度、壓力大小。壓力一般在70~100MPa，要求模具和預(yù)制件要有足夠的

強度圖11.18擠壓鑄造法工藝原理(a)增強體預(yù)制件預(yù)熱(b)預(yù)制件放入模具(c)注入金屬基體溶液(d)加壓使金屬滲入預(yù)制件(e)加壓凝固(f)冷卻從模具中取出制件（2）真空壓力浸漬法概念：是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料制成預(yù)制件，再制備金屬基復(fù)合材料。它兼有真空吸鑄和壓力鑄造的優(yōu)點。熔體進入預(yù)制件有三種方法：底部壓入、頂部注入和壓入法

預(yù)制件的制作圖11.19

預(yù)制件制造工藝流程圖(a)

壓制成型工藝流程；(b)

抽吸成型工藝流程

工藝過程浸漬爐由高壓殼體、熔化金屬的加熱爐、預(yù)制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成圖11.20

底部壓入式浸漬爐結(jié)構(gòu)簡圖圖11.21

真空壓力浸漬法工藝流程

主要工藝參數(shù)：

預(yù)制件預(yù)熱溫度

金屬熔體溫度

浸漬壓力

冷卻速度。金屬熔體溫度越高，流動性越好，越容易充填到預(yù)制件中；預(yù)制件溫度越高，金屬熔體不會因滲入預(yù)制件而迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分

真空壓力浸漬法特點：

浸漬在真空中進行，壓力下凝固，無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷，組織致密，材料性能好；

工藝簡單、參數(shù)易于控制，可直接制成復(fù)合材料零件，基本無需后續(xù)加工

它的缺點是：工藝周期長、投資大、制造大尺寸零件需要大型設(shè)備

應(yīng)用：適用于多種基體金屬和各類增強體的復(fù)合材料（3）液態(tài)金屬攪拌鑄造法概念：是將顆粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻的分散在金屬熔體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件以制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法稱為液態(tài)金屬攪拌鑄造法分類：根據(jù)工藝特點及所選用的設(shè)備可分為旋渦法、無旋渦攪拌法和復(fù)合鑄造法旋渦法：是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器形成金屬熔體的旋渦，依旋渦的負壓抽吸作用，使顆粒進入金屬熔體中。

然后將含有顆粒的金屬熔體注入模具型腔，冷凝后從模具中取出金屬基復(fù)合材料制件主要工藝參數(shù)：攪拌速度（一般控制在500~1000r/min）、基體熔體溫度（選在基體金屬液相線溫度以上100°C）、顆粒加入速度特點及應(yīng)用：工藝簡單，制造成本低廉。主要用于制造含較粗顆粒（直徑50~100m）的耐磨復(fù)合材料，如Al2O3/Al-Mg、C（石墨）/Al等復(fù)合材料圖11.22

旋渦攪拌法設(shè)備簡圖

無旋渦法：也叫無旋渦攪拌法。將熔煉好的金屬熔體注入可抽真空或通惰性氣體保護并能保溫的攪拌爐中，加入顆粒增強物，攪拌器在真空或充壓條件下進行高速攪拌，使細小的顆粒均勻分散在熔體中，并與金屬基體潤濕復(fù)合，澆鑄獲得顆粒增強金屬基復(fù)合材料制品主要工藝參數(shù)：攪拌器由主、副兩攪拌器組成，主攪拌器具有同軸多槳葉，旋轉(zhuǎn)速度高，在1000~2500r/min范圍，副攪拌器沿坩堝壁緩慢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速小于100r/min，起著消除旋渦和將黏附在坩堝壁上顆粒刮離并帶入金屬熔體中；金屬熔體溫度一般高于液相線50°C；攪拌時間20min左右；與旋渦法相比，該方法在真空或氬氣中攪拌，有效防止金屬的氧化和氣體吸入特點及應(yīng)用：該方法制備的金屬基復(fù)合材料中熔體中氣體含量低、顆粒分布均勻，鑄成的錠坯氣孔率小，組織致密，性能好。適合于多種顆粒和基體，主要用于鋁合金，包括形變鋁合金和鑄造鋁合金

復(fù)合鑄造法：用機械攪拌將顆?；烊虢饘偃垠w中。攪拌是在半固態(tài)金屬中進行。通過對加熱溫度的控制，將金屬熔體中的固相粒子的質(zhì)量分數(shù)控制在40%~60%。加入的顆粒在半固態(tài)金屬中與固相金屬粒子相互碰撞、摩擦，導(dǎo)致顆粒與液態(tài)金屬潤濕并在金屬熔體中均勻分散。復(fù)合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，鑄成零件或坯料特點及應(yīng)用：工藝簡單，生產(chǎn)率高，制造成本低。適用于多種基體和多種顆粒，可以用來制造顆粒細小、含量高的顆粒增強金屬基復(fù)合材料，也可以用來制造晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料存在問題：該方法現(xiàn)存的問題是基體合金體系的選擇受限較大，要求必須選擇同樣的體系和溫度，才能析出大量的初晶相，并達到40%~60%圖11.23

復(fù)合鑄造法工藝裝置簡圖3原位自生成法(InSituProcesses)

增強體是從金屬基體中原位形核長大的，具有穩(wěn)定的熱力學(xué)特性，增強體與基體間相容性好，界面結(jié)合強；通過合理地選擇反應(yīng)元素或化合物的類型、成分及其反應(yīng)性，可有效的控制原位生成增強體的種類、大小、

分布和數(shù)量；由于增強相是從液態(tài)基體中原位生長，因此可以用鑄造方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的構(gòu)件；

在保證材料具有很好的韌性和高溫性能的同時，可較大幅度的提高復(fù)合材料的強度和彈性模量;

原位反應(yīng)大都伴有氧化或氣體放出，復(fù)合材料易形成微氣孔，還可能形成氧化夾雜，影響材料的組織性能

原位自生成制備方法特點概念：原位自生成法是指增強材料在復(fù)合材料制造過程中在基體中自己生成和生長的方法基本原理：在一定條件，通過元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。增強材料可以共晶的形式從基體凝固析出，也可由加入的相應(yīng)的元素之間的反應(yīng)、合成熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間的反應(yīng)生成，前者獲得定向凝固共晶復(fù)合材料，后者得到反應(yīng)自生成復(fù)合材料原位反應(yīng)產(chǎn)生的增強相主要為氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等，如Al2O3、AlN、TiC和TiB2

原位自生成制備技術(shù)（1）定向凝固法概念：具有共晶成分的合金加熱熔化后，在凝固過程中，通過控制冷凝方向，在基體中生長出排列整齊的、類似纖維的條狀或片狀共晶增強材料，得到金屬基復(fù)合材料定向凝固速率大小直接影響定向凝固共晶復(fù)合材料中增強相的體積分數(shù)和形狀。在一定溫度梯度下，條狀或?qū)悠瑺钤鰪娤嗟拈g距

與凝固速率V之間存在以下關(guān)系：

2V=常數(shù)在滿足平面凝固生長條件下，增加定向凝固時的溫度梯度，可以加快定向組織的生長速度，同時可以降低條狀或?qū)悠g距，有利于提高定向凝固共晶復(fù)合材料的性能在不同凝固速率下獲得原位復(fù)合材料的橫截面，鎳合金基體被蝕刻掉，露出TaC纖維特點及應(yīng)用：

定向凝固共晶復(fù)合材料，纖維與基體界面具有最低能量，用于高溫結(jié)構(gòu)材料（如發(fā)動機的葉片和渦輪葉片），常用的基體金屬為鎳基和鈷基合金及金屬間化合物。定向凝固共晶復(fù)合材料也可以作為功能復(fù)合材料，主要應(yīng)用于磁、電和熱相互作用或疊加效應(yīng)的壓電、電磁和熱磁等功能器件，如InSb/NiSb

可做磁阻無接觸電開關(guān)等存在問題：定向凝固速率非常低，可選擇的共晶材料體系有限，共晶增強材料的體積分數(shù)無法調(diào)整Someimportantinsitucompositesystems（2）反應(yīng)自生成法反應(yīng)自生成法又分為：金屬定向氧化Lanxide法、XD法和液相反應(yīng)自生成法

Lanxide法金屬直接氧化法(DIMOX):高溫金屬液暴露于空氣中，使其表面首先氧化產(chǎn)生一層氧化膜，里面金屬再通過氧化層逐漸向表面擴散，暴露空氣后又被氧化，如此反復(fù)，形成復(fù)合材料金屬無壓浸滲法(PRIMEX):一是液態(tài)金屬在環(huán)境氣氛下向陶瓷預(yù)制件中滲透；二是液態(tài)金屬與周圍氣體的反應(yīng)生成新的增強粒子。復(fù)合材料的組織性能通過調(diào)整熔體成分、氣氛分壓和溫度XD法:基本原理是將預(yù)期構(gòu)成增強材料的兩種固態(tài)粉末與基體金屬粉末均勻混合，加熱至基體熔點以上溫度發(fā)生反應(yīng)，生

成增強相，然后再經(jīng)鑄造、擠壓成型XD法特點及應(yīng)用：

增強相原位生成，具有熱穩(wěn)定性；增強相的類型、形態(tài)可以選擇和設(shè)計；各種金屬或金屬間化合物均可以作基體；復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)金屬加工進行二次加工

XD材料包括Al、Ti、Ni和Cu基復(fù)合材料。增強相包括硼化物、氮化物和碳化物，其形狀可以是顆粒、晶須和桿狀。已用該方法制備出TiC/Al、TiB2/Al等液相反應(yīng)自生成法:是在熔融金屬基體中加入或通入能生成某種顆粒的元素或化合物，在一定溫度發(fā)生反應(yīng)，生成細小

彌散顆粒，獲得復(fù)合材料。如在Al熔體中加入Ti元素，形成Al-Ti合金，加入碳或通入碳氫化合物與

Al中的Ti反應(yīng)生成TiC，然后澆鑄成型。原料在鋁液中可能反應(yīng)：Ti+CH4

TiC+2H2(鋁液中)4沉積法(Deposition)沉積法:可以分為噴涂沉積與噴射沉積，用它們制備金屬基復(fù)合材料的工藝方法大多是由金屬材料表

面強化技術(shù)衍生而來的噴涂沉積:主要應(yīng)用于纖維增強金屬基復(fù)合材料的預(yù)制層制備，也可用于制備復(fù)合層狀材料的坯料。噴涂沉積主要是以等離子體或電弧加熱金屬基體形成高溫金屬氣體，通過噴涂氣體將其沉積到沉積基板上噴射沉積:則主要用于制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料。該方法是將金屬基體霧化為細小的金屬液滴，同時通過一個或多個噴嘴向霧化金屬液滴中噴射加入增強顆粒，使之與霧化金屬液滴一起在基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強金屬基復(fù)合材料特點:噴涂沉積與噴射沉積的特點是對增強體與金屬基體的潤濕性要求低，增強體與熔融金屬基體的

接觸時間短，界面反應(yīng)量少，金屬基體的選擇范圍廣等04

陶瓷基復(fù)合材料制備11.4陶瓷基復(fù)合材料制備11.4.1陶瓷基復(fù)合材料概述概念：陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrixComposite）是以陶瓷為基體，與增強相進行復(fù)合的復(fù)合材料。陶瓷基體包括：

氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和玻璃等特性：具有強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性能好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和比重小等特點11.4.2陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)11.4.2.1

粉末冶金法(PowderMetallurgyProcess)概念：粉末冶金法也稱為粉體壓制燒結(jié)或混合壓制法。它包括：無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)法等工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強劑、黏結(jié)劑和助燒劑）

球磨、超聲混合均勻

冷/熱壓成型

燒結(jié)特點及應(yīng)用：燒結(jié)時加壓/常壓，使復(fù)合材料更加致密；燒結(jié)過程會有體積收縮，易產(chǎn)生裂紋。該法適用于顆粒、晶須

和短纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(1)無壓燒結(jié)成型法(PressurelessSintering)

概念是指在常壓下，具有一定形狀陶瓷素坯在高溫下經(jīng)過物理化學(xué)過程變?yōu)橹旅堋杂?、體積穩(wěn)定的具有一定性能的固結(jié)體的工藝方法。所謂“無壓”是相對于“熱壓”和“氣氛加壓”而言，即燒結(jié)過程是在沒有外加驅(qū)動力的情況下進行的，主要靠系統(tǒng)本身自由能的變化，即粉末表面積減少，表面能下降

傳質(zhì)無壓燒結(jié)過程中物質(zhì)傳遞可通過固相擴散來進行，也可通過蒸發(fā)凝聚來進行。對于某些單靠固相燒結(jié)無法致密的材料，常采用添加燒結(jié)助劑的方法，在高溫下生成液相，通過液相傳質(zhì)來達到燒結(jié)致密的目的

燒結(jié)助劑作用高溫下會產(chǎn)生有利于致密化的液相，降低燒結(jié)溫度能降低固相擴展的晶界能抑制材料晶粒異常長大，使材料顯微結(jié)構(gòu)均勻化陶瓷基復(fù)合材料無壓燒結(jié)比單相陶瓷燒結(jié)要困難得多；與單相陶瓷材料燒結(jié)相比，要獲得致密的陶瓷基復(fù)合材料需加入更多的燒結(jié)助劑

影響因素

選用原料的粒度、純度、活性、粒度分布等

第二相(顆粒、纖維、晶須)分散均勻性

素坯密度

燒結(jié)助劑種類和添加量

燒結(jié)工藝參數(shù)(氣氛、升溫速度、保溫時間等)

特點工藝簡單，設(shè)備易制造，成本低，并且易于制備復(fù)雜形狀制品和批量生產(chǎn)，適應(yīng)于工業(yè)化生產(chǎn)

無壓燒結(jié)是在沒有外加驅(qū)動力的情況下進行的，材料的致密度和性能比熱壓、熱等靜壓等工藝制

得的材料低（2）

熱壓燒結(jié)成型法(Hot-PressingSintering

)

概念熱壓燒結(jié)成型是使松