材料合成與制備第四章復(fù)合材料的制備

《材料合成與制備》材料合成與制備第一章單晶材料的制備第二章非晶態(tài)材料的制備第三章薄膜的制備第四章復(fù)合材料的制備第五章功能陶瓷及結(jié)構(gòu)陶瓷的合成與制備第七章功能高分子材料的制備第六章常見材料生產(chǎn)制備工藝介紹第四章復(fù)合材料的制備

現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展、現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特點(diǎn)。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合要求，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。一、復(fù)合材料出現(xiàn)的必然性4.1概述二、復(fù)合材料的定義（各教科書說法不同，意見基本一致，沒有完全統(tǒng)一的說法）廣義的定義：

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的不同材料，通過一定的工藝復(fù)合而成的，性能優(yōu)于原單一材料的多相固體材料。注意：所研究的復(fù)合材料與化合物材料、混合材料的區(qū)別。主要體現(xiàn)在：多相體系和復(fù)合效果是復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)的“混合材料”和“化合材料”的兩大特征。舉例：砂子與石子混合，合金或高分子聚合物狹義定義：（通常研究的內(nèi)容：）用纖維、顆粒增強(qiáng)樹脂、金屬、無機(jī)非金屬材料所得的多相固體材料。由此可以得出：復(fù)合材料=增強(qiáng)材料＋基體材料例如：天然木材----纖維素纖維+木質(zhì)素鋼筋混凝土----砂、石、鋼筋+水泥玻璃鋼----玻璃纖維+熱固性樹脂四、復(fù)合材料發(fā)展史幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料－竹子、骨骼、貝殼等等古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和泥做屋頂五、復(fù)合材料的命名與分類命名方法：（1）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，最后加上“復(fù)合材料”（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）強(qiáng)調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。復(fù)合材料分類：按增強(qiáng)材料形態(tài)分類顆粒、纖維、層片按增強(qiáng)纖維種類分類長纖維、短纖維、晶須按基體材料分類金屬基、樹脂基、陶瓷基按材料作用分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料六、復(fù)合材料的性能共同的特點(diǎn)：取長補(bǔ)短，協(xié)同作用性能的可設(shè)計(jì)性可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序性能：取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量，其次是它們的結(jié)合界面、成型工藝等。1、取決于增強(qiáng)相的性能⑴.比強(qiáng)度比剛度高⑵.沖擊韌性和斷裂韌性高⑶.耐疲勞性好⑷.減震性⑸.熱膨脹系數(shù)小七、復(fù)合材料的性能比較裂紋擴(kuò)展示意圖材料密度g/cm3抗拉強(qiáng)度103MPa彈性模量105MPa比強(qiáng)度107cm比模量109cm鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃鋼2.01.060.40.530.20碳纖維/環(huán)氧1.451.501.41.030.97有機(jī)纖維/環(huán)氧1.41.40.81.00.57硼纖維/環(huán)氧2.11.382.10.661.0硼纖維/鋁2.651.02.00.380.57各種材料的比強(qiáng)度和比模量⑴、硬度陶瓷基>金屬基>樹脂基⑵、耐熱性樹脂基:60～250℃

金屬基:400～

800℃

陶瓷基:1000～

1500℃⑶、耐自然老化陶瓷基>金屬基>樹脂基2、取決于基體相的性能⑷、導(dǎo)熱導(dǎo)電性金屬基>陶瓷基>樹脂基⑸、耐蝕性陶瓷基和樹脂基>金屬基⑹、工藝性及生產(chǎn)成本陶瓷基>金屬基>樹脂基1、設(shè)計(jì)的三個層次：單層設(shè)計(jì)---微觀力學(xué)方法層合體設(shè)計(jì)---宏觀力學(xué)方法產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)---結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

八、復(fù)合材料設(shè)計(jì)層合體設(shè)計(jì)2、特點(diǎn)：

?

性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)（可調(diào)因素多）

?

材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)

?

性能預(yù)測性差

如:加和法沒有考慮界面結(jié)合的影響，預(yù)測性很差。九、復(fù)合材料的應(yīng)用戰(zhàn)車導(dǎo)彈陶瓷刀具1、航空航天、武器方面的應(yīng)用波音787“夢幻客機(jī)”半成機(jī)身材料為輕型復(fù)合材料，而波音777型客機(jī)機(jī)身輕型復(fù)合材料比例僅為12％。由此，“夢幻客機(jī)”更輕更省油。

2、信息電子、生物方面的應(yīng)用光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤，機(jī)殼和屏蔽修復(fù)和更換臟器、人造骨鋁木復(fù)合門窗汽車保險杠和底板、發(fā)動機(jī)罩等，甚至全復(fù)合材料汽車3、人類生活方面的應(yīng)用跳高撐桿4、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應(yīng)用復(fù)合地板玻璃鋼管道5、環(huán)境方面應(yīng)用十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料發(fā)展納米復(fù)合材料發(fā)展仿生復(fù)合材料4.2基體材料基體的作用:

固結(jié)增強(qiáng)相，均衡載荷和傳遞應(yīng)力,保持基本性質(zhì)。選材原則：強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，只作一般性考慮。兩者相容性，環(huán)境適應(yīng)性，工藝性，重點(diǎn)考慮。4.3增強(qiáng)材料

玻璃纖維低檔20～40元/Kg

芳綸纖維中檔200～400元/Kg

碳纖維高檔600～1000元/KgSiC纖維陶瓷顆粒

Al2O3纖維金屬絲金屬和陶瓷基1.

品種有堿玻璃纖維Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）中堿玻璃纖維Na2O(10.5～12.5%)用量少無堿玻璃纖維Ca-Al-B-Si系用量大高強(qiáng)玻璃纖維Mg-Al-Si系或B2O3系高彈玻璃纖維Mg-Al-Si系或B2O3系中加入BeO一.玻璃纖維GF2.

GF的制備→制玻璃球→鉑金坩堝熔融→小漏孔拉絲→涂浸潤劑→并股成紗→紡織成布、氈或帶。

粗紗30μm初級紗20μm中級紗10～20μm

高級紗3～10μm浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損。常用的有：石蠟乳液復(fù)合前須清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有機(jī)硅類不必清除3.GF的性能(1).力學(xué)性能

?

抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個數(shù)量級；

?

彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。因密度低～2.5，比模量高。

?

斷裂延伸率：低～3%

(2).熱學(xué)性能

?

導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低1～2個數(shù)量級

?

耐熱性：普通Na-Ca-Si玻纖<500℃;

耐熱玻纖(石英，高硅氧)<1200℃(3).

電性能堿玻璃電絕緣性差，隨濕度↗，絕緣性↘。無堿玻璃電絕緣性好。(4).耐蝕性纖維比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差。

二、碳纖維CF由有機(jī)纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)（脫氫、交聯(lián)、環(huán)化、石墨化）而得，主要成分為碳的無機(jī)纖維。具有重量輕、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、自潤滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。由于價格高，一般用于要求高強(qiáng)、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，如航天航空、高檔體育器材中。碳纖維編織布碳纖維板碳纖維碳纖維編織環(huán)碳管1．制備方法⑴．碳化法——

生產(chǎn)長纖維拉絲：制有機(jī)長纖維牽伸：規(guī)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其平行于軸向，提高結(jié)晶度。預(yù)氧化：低溫，～400℃

，防止熱塑化。碳化：1000～2000℃，保護(hù)性氣氛下，脫氫、交聯(lián)、環(huán)化，得亂層環(huán)狀石墨。石墨化：2000～3000℃，亂層環(huán)結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成聚合碳結(jié)晶。⑵．氣相法——

生產(chǎn)短纖維高溫分解小分子有機(jī)物，氣相沉積纖維結(jié)晶。2.CF性能

⑴．力學(xué)性能

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強(qiáng)度約為GF的2倍

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模量約為GF的3～5倍

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密度低1.7～2，所以比強(qiáng)度、比模量高。

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斷裂延伸率0.5～2%⑵．熱學(xué)性能升華溫度高達(dá)3800℃，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向?yàn)樨?fù)。⑶．物理性能導(dǎo)熱、導(dǎo)電、自潤滑。⑷．化學(xué)性能耐酸堿性強(qiáng)，高溫抗氧化性差。與金屬復(fù)合易引起界面反應(yīng)。芳綸編織布芳綸復(fù)合防彈衣芳綸纖維防彈頭盔自行車鏈輪航空、航天器三.芳綸纖維KF(高強(qiáng)度有機(jī)纖維)

性能⑴．力學(xué)性能

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縱向拉伸強(qiáng)度與CF相當(dāng)；密度低1.44，比強(qiáng)度大。

?

橫向強(qiáng)度低。

?

彈性模量CF>KF>GF

?

抗沖擊性能很好。⑵．熱學(xué)性能長期使用<200℃⑶．化學(xué)性能耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。四.其它纖維SiC纖維B纖維Al2O3纖維晶須4.4復(fù)合界面復(fù)合過程中，材料通過潤濕、滲透、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)形成一層成分、結(jié)構(gòu)不同于兩相的過渡層微區(qū)——界面?；w－擴(kuò)散層－化合物層－擴(kuò)散層－纖維基體纖維1.

物理結(jié)合（機(jī)械咬合+次價鍵結(jié)合）液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。極性樹脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié)合。非極性樹脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復(fù)合效果差。一．典型界面結(jié)合總之：物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多為物理結(jié)合。金屬基部分以物理方式結(jié)合。陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。2.

擴(kuò)散融合兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴(kuò)散，較常見。3.

化學(xué)結(jié)合化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時，性能反而下降。樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力，通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。金屬與陶瓷材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界面上形成化合物層，脆性大，對力學(xué)性能不利。尤其是高溫使用的材料，應(yīng)防止反應(yīng)發(fā)生。二.增強(qiáng)材料的表面處理為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對纖維進(jìn)行的預(yù)處理——表面改性。要點(diǎn)：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。樹脂基——提高化學(xué)結(jié)合金屬及陶瓷基——抑制化學(xué)反應(yīng)1．玻璃纖維引入偶聯(lián)劑。2.

碳纖維

?

氧化法----提高表面粗造度和極性。

?

沉積法----CVD沉積碳晶須。

?

電聚合法----接枝高分子支鏈3．芳綸等有機(jī)纖維等離子處理，使苯環(huán)氧化成-COOH、-OH；或接枝聚合生成高分子支鏈。4.與金屬基復(fù)合的纖維目的：提高浸潤性，抑制化學(xué)反應(yīng)。

?CF、BF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性差；

?

氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低；

?Al2O3反應(yīng)活性最低。措施：

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降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時間。

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涂覆隔離層。如CF、BF表面涂SiC。

?

鍍覆金屬層，改善浸潤性。如Al2O3纖維鍍Cu、Ni等。

成型固化工藝：成型：將預(yù)浸料鋪置成一定的形狀固化：在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并達(dá)到預(yù)定性能要求成型方法：手糊成型，壓力袋成型，樹脂注射和樹脂傳遞成型，噴射成型，模壓成型，注射成型，擠出成型，纖維纏繞成型，連續(xù)板材成型，離心澆注成型4.5樹脂基復(fù)合材料的制備方法4.5.1手糊工藝定義：用纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪敷成型，室溫（或加熱）、無壓（或低壓）條件下固化，脫模成制品的工藝方法。模具準(zhǔn)備樹脂膠液配制增強(qiáng)材料準(zhǔn)備涂脫模劑手糊成型固化脫模檢驗(yàn)制品后處理手糊成型工藝流程1.原材料選擇聚合物基體：能在室溫下凝膠、固化，且無低分子物產(chǎn)生能配制成粘度適當(dāng)?shù)哪z液（0.2~0.5Pa?S）無毒或低毒，價格便宜常用：不飽和聚酯樹脂（約占80%），環(huán)氧樹脂航空材料：雙馬來酰亞胺（濕熱型，斷裂韌性高）；聚酰亞胺（耐高溫、輻射，良導(dǎo)電性）增強(qiáng)材料：常用玻璃纖維及其織物（無堿纖維、中堿纖維、有堿纖維、玻璃纖維細(xì)布），少量碳纖維、芳倫纖維。常用外脫模劑：

薄膜型：聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃紙

混合溶液型：聚乙烯醇溶液

蠟型脫模劑：2.模具的設(shè)計(jì)與制造模具類型：單模（陽模、陰模），對模模具材料：玻璃鋼，木材、石膏－砂、可溶性鹽、低熔點(diǎn)金屬等3.原材料的準(zhǔn)備膠液粘度：粘度應(yīng)控制在0.2~0.8Pa?S之間，可通過稀釋劑調(diào)節(jié)凝膠時間：指在一定溫度條件下，樹脂中加入定量的引發(fā)劑、促進(jìn)劑或固化劑，從粘流態(tài)失去流動性，變成軟膠狀態(tài)的凝膠所需的時間。

膠液膠衣糊準(zhǔn)備：用來制作表面膠衣層（耐水型、自熄型、耐熱型、柔韌耐磨型）

膠衣糊4.糊制涂刷或噴涂，厚度一般為0.25~0.5mm鋪層控制：首先應(yīng)鋪放一層較柔軟的增強(qiáng)材料，形成一層富樹脂層鋪層接縫處理“階梯”接縫層拼接形式刷膠衣：糊制結(jié)構(gòu)層：5.固化凝膠階段定型閉（硬化）階段熟化（完全固化）階段固化過程：樹脂與填料置于型腔中合模加壓成型固化4.5.2模壓成型工藝(CompressionMolding)

定義：將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定的溫度和壓力作用下，固化成型并脫模后得到復(fù)合材料制品的一種方法。模壓成型工作循環(huán)料預(yù)熱和預(yù)成型料的稱量清洗嵌件，嵌件預(yù)熱清理壓模涂脫模劑放嵌件加料合模加熱加壓排氣加熱卸壓固化保溫保壓開模卸壓脫模塑件整形去應(yīng)力塑件送至下一工序片狀模塑料（SheetMoldingCompound

）：組成：不飽和聚酯樹脂糊+

短切纖維粗紗或玻璃纖維氈1.模壓料可模壓性：即模壓時應(yīng)具有良好的均勻性和流動性散狀模塑料（BulkMoldingCompound

）團(tuán)狀模塑料（DoughMoldingCompound

）模壓料預(yù)熱和預(yù)成型：改善工藝性能，縮短固化時間，降低成型壓力裝料量的估算：脫模劑的選用：內(nèi)＋外2.模壓工藝溫度制度：壓力制度：裝模溫度、升溫速度、最高溫度、恒溫、降溫、后固化溫度成型壓力、加壓時機(jī)、放氣壓制過程固化時間：即保溫時間4.5.3連續(xù)纏繞成型工藝(FilamentWindingProcess)4.5.3連續(xù)纏繞成型工藝將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑料制品的工藝過程。纏繞工藝：干法纏繞：設(shè)備成本高，勞動條件好，生產(chǎn)效率高濕法纏繞：成本低，產(chǎn)品氣密性好，生產(chǎn)環(huán)境差半干法纏繞：三大過程：預(yù)浸、纏繞、固化脫模。石膏、鋼、鋁、低熔點(diǎn)金屬、木材、水泥、石蠟、聚乙烯醇等所用材料：結(jié)構(gòu)形式：1.芯模實(shí)心或空心整體式芯模組合裝配式芯模石膏隔板組合式芯模管道芯模2.纏繞規(guī)律纏繞規(guī)律：描述紗片均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模表面以及芯模與導(dǎo)絲頭間運(yùn)動關(guān)系的規(guī)律纏繞線型：是連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布形式完整循環(huán)：螺旋纏繞時，纖維自芯模上某點(diǎn)開始，導(dǎo)絲頭經(jīng)過若干次往復(fù)運(yùn)動后，又纏回到原來的起始點(diǎn)上，這一段纏繞稱為一個完整循環(huán)。纏繞線型需滿足的要求：纖維既不重疊又不離縫，均勻連續(xù)布滿芯模表面纖維在芯模表面位置固定，不打滑纏繞線型分類：環(huán)向纏繞，縱向平面纏繞，螺旋纏繞環(huán)向纏繞：芯模繞自身軸線作勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭沿芯模筒體段軸線方向勻速移動，芯模轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭移動一個紗片寬度（軸向紗片寬），如此循環(huán)?？v向平面纏繞：導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，芯模繞自身軸慢速旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)絲頭轉(zhuǎn)一周，芯模轉(zhuǎn)動一個微小角度，反映在芯模表面為近似一個紗片的寬度。紗片依次連續(xù)纏繞到芯模上，各紗片均與極孔相切，相互間緊挨著而不交叉，纖維纏繞軌跡近似為一個平面單圓封閉曲線。螺旋纏繞（測地線纏繞）：芯模繞自身軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭依特定速度沿芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動，螺旋纏繞是一種連續(xù)的纖維纏繞過程，纏繞軌跡是由筒身段的螺旋線和封頭上的空間曲線所組成，纖維纏繞不僅在筒身段，而且也在封頭上進(jìn)行。特點(diǎn)是每束纖維都對應(yīng)極孔圓周上的一個切點(diǎn)，相同方向臨近紗片之間相接而不相交，不同方向的纖維則相交，當(dāng)纖維均勻纏滿芯模表面時，就構(gòu)成了雙層纖維層。固化制度：取決于樹脂系統(tǒng)性質(zhì)和制品的物化性能張力制度：采用逐層速減的張力制度，主要問題包括纖維初應(yīng)力的確定和張力速減制度3.纏繞工藝過程三種樹脂基復(fù)合材料制備方法的比較方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用手糊成型適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)備簡單、工藝簡便，可在產(chǎn)品任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料效率低、勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，制品力學(xué)性能低模壓成型生產(chǎn)率高，制品尺寸準(zhǔn)確重復(fù)性好，表面光潔，一般無須二次加工，易實(shí)現(xiàn)自動化模具設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高，制品尺寸受設(shè)備限制結(jié)構(gòu)件、連接件、防護(hù)件、電氣絕緣等連續(xù)纏繞纖維排列規(guī)整度和精度高，可以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，質(zhì)量穩(wěn)定效率高，制品結(jié)構(gòu)合理，比強(qiáng)度和比模量高設(shè)備投資費(fèi)用大中空容器，壓力容器，大型貯罐，管材等1、噴射成形工藝（spraymoulding）半機(jī)械化手糊法，與手糊成形工藝基本相同，但糊制→噴槍機(jī)械作業(yè)生產(chǎn)率高，節(jié)省原材料，制品整體性高，形狀尺寸不限。樹脂含量高，制品強(qiáng)度低，工作環(huán)境差不飽和聚酯樹脂，用于船體、車身、容器等大型部件。其它成型方法2、袋壓成形工藝（bagmoulding）加壓袋法手糊或注射成形未固化玻璃鋼→橡膠袋→加壓→加熱固化真空袋法手糊或注射成形未固化玻璃鋼→橡膠袋→抽真空→固化制品光滑，適應(yīng)各種樹脂；質(zhì)量高；但成本高；適于快速原型零件和產(chǎn)量不大的制品，不能生產(chǎn)復(fù)雜、大件制品。3、層壓成形工藝（laminationprocess）層疊膠布→模板之間→加熱、加壓固化→冷卻、脫模、修整→層壓板制品表面光，質(zhì)量好且穩(wěn)定，設(shè)備簡單，生產(chǎn)率高只能生產(chǎn)板材，且尺寸受限，制品精度低，勞動輕度大。4、拉擠成形工藝（pultrusionprocess）送紗→浸膠→預(yù)成形→固化成形→牽引→恒定截面型材設(shè)備價低，生產(chǎn)率高，原料利用率高制品方向性強(qiáng)，剪切強(qiáng)度低適用于不同界面形狀的長條狀、板狀等型材。4.6

金屬基復(fù)合材料(MMC)及其制備方法☆

4.6.2

金屬基復(fù)合材料的界面控制4.6.3

金屬基復(fù)合材料的制備工藝4.6.1

金屬基復(fù)合材料的分類第四章復(fù)合材料的制備圖4.6.1大飛機(jī)中的金屬基復(fù)合材料圖4.6.2GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮圖為采用硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料代替鋁合金制造的航天飛機(jī)主艙體的主龍骨支柱，減輕重量達(dá)145公斤，效果顯著。4.6.1

金屬基復(fù)合材料的定義及分類

1.定義：金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposites,MMC）是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。2、按基體材料分類：

—

鋁基復(fù)合材料

—

鎂基復(fù)合材料

—

鎳基復(fù)合材料

—

鈦基復(fù)合材料(1)鋁基復(fù)合材料面心立方結(jié)構(gòu)塑性和韌性鋁基復(fù)合材料：易加工、工程可靠及價格低廉鋁基體鋁基復(fù)合材料是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的一種為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。在制造鋁基復(fù)合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金

這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。(2)鎳基復(fù)合材料

缺點(diǎn)：制造工藝及可靠性等仍存在問題。高溫性能優(yōu)良最有前途的應(yīng)用：發(fā)動機(jī)的葉片(3)鈦基復(fù)合材料

鈦合金的比強(qiáng)度最高、抗腐蝕、抗損傷性。

缺點(diǎn)：相對密度較高，成本高。鈦基復(fù)合材料的相容性問題。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。因此，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。鈦基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近2、按增強(qiáng)材料分類：

顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

纖維、片層增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

玻璃纖維具有優(yōu)良的比強(qiáng)度和低成本，因此可以說是樹脂基的最重要的增強(qiáng)纖維。

但由于這些纖維模量低且化學(xué)性質(zhì)活潑，所以很少用來增強(qiáng)金屬。

氧化鋁纖維是用從熔體中提拉子晶的方法生產(chǎn)的，這種單晶纖維的典型直徑為250um，具有很高的強(qiáng)度。但氧化鋁纖維對磨損很敏感，而且很貴。用硼纖維增強(qiáng)鋁合金和鎂合金時，具有很好的綜合性能。

用三氯化硼氣體通過化學(xué)氣相沉積法可獲得硼纖維，將硼沉積在1200℃的鎢底絲上。用鎢作底絲，主要是由于它的再現(xiàn)性好、強(qiáng)度高、價格低且化學(xué)純度高，但有時也用碳單絲及其它金屬絲作底絲。

B4C和SiC纖維的晶型結(jié)構(gòu)比硼纖維具有更好的抗蠕變性能，因此這些纖維主要作為高溫增強(qiáng)材料。

石墨纖維或絲束有優(yōu)良的比模量和比強(qiáng)度。其彈性模量通常與高溫石墨化程度有關(guān)，一般可達(dá)240~250GPa。

但由于這種纖維和熔融金屬有反應(yīng)，使復(fù)合材料加工困難，從而使其作為金屬基體的增強(qiáng)體的應(yīng)用受到限制。4.6.3金屬基復(fù)合材料的界面控制

界面控制：液態(tài)金屬基體與固態(tài)增強(qiáng)相的潤濕性和相容性1、潤濕性圖4.3.3潤濕條件示意圖潤濕角γLV

γSV

γSL平衡時自發(fā)潤濕完全不潤濕潤濕通常，潤濕角越小，粘結(jié)功越大，兩相界面結(jié)合越緊密※改善基體與增強(qiáng)體的潤濕性措施：(1)改善固體增強(qiáng)材料的表面狀態(tài)和化學(xué)成分纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料清洗、腐蝕表面涂層高溫加熱（2）改變液態(tài)金屬的化學(xué)成分

純金屬的表面張力高，難以潤濕纖維;

合金化降低固液界面能，提高潤濕性。碳纖維增強(qiáng)純銅基復(fù)合材料潤濕角基體純銅加入1%鉻（Cr/Cu）潤濕角（3）改變加工溫度C/Al復(fù)合材料難以潤濕，原因是Al很容易氧化生成氧化鋁膜。

C/Al

潤濕角潤濕溫度1050℃（4）改變工作環(huán)境

銀的表面張力1.2J/m2。γSV和γLV力隨氣體性質(zhì)有所變化。在10%氧氣氣氛中降低至0.4J/m2

物理相容性：基體應(yīng)有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠拷Y(jié)構(gòu)載荷均勻地傳遞到增強(qiáng)物上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。2、復(fù)合材料組分的相容性

基體和增強(qiáng)體之間的熱膨脹系數(shù)α

f<αmα

f>αm界面中纖維殘余熱應(yīng)力為負(fù)值一般要求避免高的殘余熱應(yīng)力界面中基體殘余熱應(yīng)力為正值

熱力學(xué)平衡過程：原位（Insitu）生長

化學(xué)相容性

熱力學(xué)

顆粒是從金屬基體中原位反應(yīng)、形核長大的熱力學(xué)穩(wěn)定相,顆粒表面無污染,界面結(jié)合強(qiáng)度高.

熱力學(xué)非平衡過程：相容性問題突出低溫下碳纖維的浸潤和結(jié)合都非常困難，兩相結(jié)合方面就會產(chǎn)生問題。

高溫下纖維和基體間的直接反應(yīng)針狀，脆性材料溫度低，不潤濕。溫度高，反應(yīng)生成脆性相?；疑?，腐蝕區(qū)解決相容性問題的工藝高速工藝：箔片和纖維快速通過壓輥（1-2s）低溫工藝:

熱壓法（830℃，15min）涂層工藝:

Al2O3/NiCr,B/Ti鎢碳化硅，碳化硼120h20406080tx2無涂層B/TiB纖維B4C涂層B/TiSiC涂層B/Tix反應(yīng)層厚度x2=Dt圖4.3.6

涂層纖維在鈦基體中的反應(yīng)速度3SiO2

＋2Al=Al2O3+3Si不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)界面結(jié)合SiCSiO2AlSiC－Al不存在界面反應(yīng)SiC涂層上制備SiO2涂層最后的MMC體系為：第四章復(fù)合材料的制備

但對于高溫復(fù)合材料而言，以下與化學(xué)相容性有關(guān)的問題則十分重要。

(1)

F--兩相反應(yīng)的自由能；

(2)U--化學(xué)勢；

(3)T--表面能；

(4)D--晶界擋散系數(shù)；第四章復(fù)合材料的制備4.6.4金屬基復(fù)合材料制備工藝金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：1）固態(tài)法：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造、噴射成型法。3）原位生長法。第四章復(fù)合材料的制備Ⅰ顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備圖4.3.7粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合材料示意圖①粉末（冶金）法第四章復(fù)合材料的制備圖4.3.8

鑄造工藝流程示意圖 ②鑄造法第四章復(fù)合材料的制備③噴射成型法（Ospray，SprayCo-deposition）圖4.3.9噴射成型法示意圖霧化的基體金屬陶瓷顆粒霧化氣體陶瓷顆粒沉積表面第四章復(fù)合材料的制備圖4.3.10無壓浸滲法（Lanxide法）工藝原理示意圖④無壓浸滲法（Lanxide）

氮?dú)鈿夥赵鰪?qiáng)材料基體燒結(jié)氮化鋁合金塊第四章復(fù)合材料的制備

Ⅱ長纖維金屬基復(fù)合材料制備工藝第一種：纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進(jìn)行；常用的工藝有：第二種：先加工成復(fù)合材料的預(yù)制品，然后再將預(yù)制品制成最終形狀的零件。第四章復(fù)合材料的制備

制造過程分為三個階段：纖維排列組分的組裝壓合零件層壓第四章復(fù)合材料的制備①揮發(fā)性粘結(jié)劑工藝?yán)p繞鼓(基體箔材)

纖維定向定間距纏繞

涂敷聚合物粘結(jié)劑定位圖4.3.11纖維/聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）第四章復(fù)合材料的制備②

等離子噴涂纖維/基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶圖4.3.12等離子噴涂纖維/基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖第四章復(fù)合材料的制備③高速工藝第四章復(fù)合材料制備工藝第三講聊城大學(xué)124陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀陶瓷基復(fù)合材料所用原材料陶瓷基復(fù)合材料成型工藝及設(shè)備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)工藝主要內(nèi)容125重點(diǎn)與難點(diǎn)：陶瓷基復(fù)合材料纖維（晶須）與基體間的相容性；低溫制備技術(shù)；陶瓷基復(fù)合材料成型方法及燒結(jié)原理。9.3.1陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀4.7陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀127

傳統(tǒng)陶瓷材料與現(xiàn)在所用的許多金屬材料相比，有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，如抗腐蝕、耐高溫等。這使得許多行業(yè)的科學(xué)家都對它情有獨(dú)鐘，然而，它也有質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊的弱點(diǎn)，又使它的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。128

陶瓷基復(fù)合材料主要是以高性能陶瓷為基體，通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。其復(fù)合材料的類型如圖所示。129不同增強(qiáng)材料的陶瓷基復(fù)合材料連續(xù)纖維片狀或?qū)訝罾w維130陶瓷基復(fù)合材料中，提高強(qiáng)度不是其目的，最主要的是提高其韌性。炭纖維和陶瓷纖維（晶須）增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有較高的韌性。但炭纖維和陶瓷基體之間相容性較差，且其成本高。所以重點(diǎn)研究和開發(fā)陶瓷纖維（晶須）增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。131所用的陶瓷纖維（或晶須）有SiC、Si3N4和Al2O3等。陶瓷基復(fù)合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC系列；Si3N4系列；SiC-Si3N4系列。132碳化物陶瓷制品（SiC密封件、SiC軸承球、SiC燃燒室）Si3N4及陶瓷制品陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用133氧化鋯陶瓷刀具氧化鋯陶瓷刀具“梟龍”戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)1352004年3月我國國防科技工業(yè)領(lǐng)域惟一的女院士、西北工業(yè)大學(xué)教授張立同率領(lǐng)的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究”榮獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎。136不足：與其他復(fù)合材料相比，陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展較慢。原因：制備工藝復(fù)雜；缺少耐高溫的纖維。陶瓷基復(fù)合材料研究方向137研究方向：主要集中于纖維與基體之間的相容性；低溫制備技術(shù)；纖維表面處理技術(shù)。138常用的表面處理方法有：化學(xué)氣相沉淀、化學(xué)氣相浸漬、化學(xué)反應(yīng)沉積、熔態(tài)浸漬、等離子噴涂、電鍍和化學(xué)鍍等。139原材料如何？1404.8.1增強(qiáng)材料陶瓷基復(fù)合材料所用增強(qiáng)材料有：Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2等氧化物晶須和Si3N4、SiC、TaC和BN等非氧化物晶須。所用纖維有C纖維、B纖維、SiC纖維、BN纖維和Al2O3纖維等。4.8陶瓷基復(fù)合材料所用原材料1412.基體材料常用的有SiC、Si3N4、Al2O3、C、BN、ZrO2、MgO和SiO2等。碳化硅（SiC）是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。4.8.2基體材料1424.8.3陶瓷纖維（晶須）與陶瓷基體復(fù)合過程中的匹配原則（1）增強(qiáng)材料彈性模量要高。（2）增強(qiáng)材料和基體材料熱膨脹系數(shù)相近。（3）在制造過程中，應(yīng)避免纖維或晶須與基體在高溫處理時兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（4）確保增強(qiáng)材料與基體材料界面之間的結(jié)合強(qiáng)度。143工藝如何？1444.9陶瓷基復(fù)合材料成型工藝及設(shè)備陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有：注漿法、浸漬法、氣相沉積法和熱壓法等。陶瓷和粉末冶金工藝通常包括粉末制備、坯塊成型和燒結(jié)工藝三個工序。1454.9.1注漿成型（SlipCasting）注漿成型是陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低；此法易于成型大尺寸、外形復(fù)雜的薄壁部件。注漿成型包括石膏模制做、粉漿制備和粉漿澆注。注漿成型的關(guān)鍵是漿料的制備。在制備漿料時，需要加入分散懸浮劑、粘結(jié)劑、除氣劑和滴定劑。

146成型過程：將物料和水經(jīng)研磨后制成一定濃度的懸浮粉漿，注入具有所需形狀的石膏模具，空心注漿時，在模壁吸附漿料達(dá)要求厚度時，還需將多余漿料倒出；拆開模具取注件，干燥，燒結(jié)。147注漿成型工藝過程148為縮短吸漿時間，提高注件質(zhì)量，可采用壓力注漿、離心注漿和真空注漿。離心成型（Centrifugalcasting）也稱為離心注漿成型。是將料漿注入容器中，利用大的離心力使固態(tài)顆粒沉降在容器內(nèi)壁而成型，較適合于空心柱狀部件，不足之處是坯體的密度沿離心方向變化。1494.9.2壓力滲濾工藝(Pressurefiltration)和離心成形(Centrifugalcasting)壓力滲濾工藝綜合了注漿和注射工藝的優(yōu)點(diǎn)，可得到異形的復(fù)合材料制品，可避免超細(xì)粉或晶須在整個制備過程中發(fā)生團(tuán)聚和再團(tuán)聚現(xiàn)象。特別適合于晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的成型。150壓力滲濾法生產(chǎn)過程：首先將晶須(短切纖維)預(yù)成型為坯件，然后經(jīng)表面處理，置于石膏模具中，在壓力作用下使料漿充滿晶須(短切纖維)預(yù)成型坯件的縫隙。料漿中的液體經(jīng)過過濾器排入過濾腔，而留在模具內(nèi)的經(jīng)加壓燒結(jié)形成晶須(短切纖維)補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。151壓力滲濾工藝示意圖1-加壓器；2-壓頭活塞；3-泥漿及預(yù)成型坯件；4-過濾器；5-過濾腔；6-石膏模具152將晶須或短切纖維進(jìn)行預(yù)處理，然后采用分散技術(shù)分布于陶瓷基體料漿中，再利用上圖所示的裝置直接加壓滲濾，經(jīng)過燒結(jié)后也可以獲得晶須(短團(tuán)纖維)補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。特點(diǎn)：可避免粉料團(tuán)聚和重團(tuán)聚現(xiàn)象，坯體密度高，非常適合于晶須和纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料的成型。1534.9.3流延法成型流延法成形與注漿成形類似，不同之處在于所成型的制品形狀、尺寸及溶劑排除方式不同，要獲得膜厚度在10微米以下的陶瓷膜必須用流延法。(b)(a)154它是將超細(xì)粉中混入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑制成流延漿料，然后通過固定的流延嘴及依靠料漿本身的自重將漿料刮成薄片狀流在一條平移轉(zhuǎn)動的環(huán)形鋼帶上。經(jīng)過上下烘干道，鋼帶又回到初始位置時就得到所需的薄膜坯體。工藝過程：155特點(diǎn)：是可以進(jìn)行材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；比干壓成型獲得的坯體密度高；可制得厚度為0.05mm以下的薄膜；機(jī)械化和自動化程度較高。156燒結(jié)是陶瓷工藝中最重要的工序。所謂燒結(jié)就是指在高溫作用下，瓷料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化并由松散狀態(tài)逐漸致密化，且機(jī)械強(qiáng)度大大提高的過程。(1)燒結(jié)過程及原理4.10燒結(jié)工藝157158一般燒結(jié)的驅(qū)動力為體系的表面能和缺陷能。粉末燒結(jié)從熱力學(xué)角度分析是系統(tǒng)自由能降低的過程，即由不穩(wěn)定的高能狀態(tài)向穩(wěn)定的低能狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。燒結(jié)過程及原理159根據(jù)燒結(jié)時是否存在明顯的液相，燒結(jié)過程可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。固相燒結(jié)過程，在升溫階段發(fā)生水分和有機(jī)物的蒸發(fā)和揮發(fā)，成型劑和吸附氣體的排除，顆粒內(nèi)應(yīng)力的消除，再結(jié)晶等過程。固相燒結(jié)160球形顆粒的燒結(jié)模型中期變化燒結(jié)前燒結(jié)后期孔隙球化161物質(zhì)的傳遞——傳質(zhì)過程氣相傳質(zhì)——

蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)流動傳質(zhì)溶解-沉淀傳質(zhì)

固相燒結(jié)相結(jié)液燒162在高溫保溫時，液相燒結(jié)過程的三個階段：形成液相和顆粒重排；固相在液相中的溶解和析出；固相骨架的形成。在冷卻階段，液相凝固。液相燒結(jié)163為了加速瓷料的燒結(jié)、提高瓷件的致密度，還常常通過給瓷料加高溫的同時施加外力的方式進(jìn)行瓷料的燒結(jié)，尤其對一些難于燒結(jié)的材料，加壓燒結(jié)具有無可比擬的優(yōu)越性。這就是所謂的熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。前者是一維單向施加壓力；后者是三維方向加壓。164（2）燒結(jié)方法及設(shè)備1）熱壓法加壓成型和加熱燒結(jié)同時進(jìn)行的工藝。優(yōu)點(diǎn)：①所需成型壓力??；②降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間；165缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低、成本高。④可生產(chǎn)尺寸較精確的制品。③容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體；容易得到細(xì)晶粒的組織和實(shí)現(xiàn)晶體的取向效應(yīng)、可獲得具有良好機(jī)械性能、電性能的制品；1662）干壓成形(DryPressing)干壓成形又稱為模壓成形，是將粉料填充到模具內(nèi)部后，通過單向或雙向加壓，將粉料壓成所需形狀。這種方法操作簡便，生產(chǎn)效率高，易于自動化，是常用的方法之一。但干壓成形時粉料容易團(tuán)聚，坯體厚度大時內(nèi)部密度不均勻、制品形狀可控精度差，且對模具質(zhì)量要求高，復(fù)雜形狀的部件模具設(shè)計(jì)較困難。167

干壓成形的粉料含水量應(yīng)嚴(yán)格控制，一般應(yīng)干燥至含水量不超過1％～2％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為宜。168加壓方式對坯體密度的影響169熱等靜壓燒結(jié)法等靜壓成型是使粉料在各向同時均勻受壓的一種成型工藝，有干袋法和濕袋法兩種。170一般等靜壓指的是濕袋式等靜壓,也叫濕法等靜壓，就是將粉料裝入橡膠等可變形的容器中，密封后放入液壓油或水等流體介質(zhì)中，加壓獲得所需的坯體。這種工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是粉料不需要加粘合劑、坯體密度均勻性好、所成形制品的大小和材質(zhì)幾乎不受限制并具有良好的燒結(jié)體性能。等靜壓成形(IsostaticPressing)171等靜壓成形原理示意圖172但此法僅適用于簡單形狀制品，形狀和尺寸控制性差，而且生產(chǎn)效率低、難于實(shí)現(xiàn)自動化批量生產(chǎn)。因而出現(xiàn)了干袋式等靜壓的方法(干式等靜壓)。173這種成形方法是將加壓橡膠袋封緊在高壓容器中，加料后的彈性模具送入壓力室中，加壓成形后退出來脫模。也可將模具固定在高壓容器中，加料后封緊模具加壓成形，這時模具不和加壓液體直接接觸，可以減少模具的移動，不用調(diào)整容器中的液面和排除多余的空氣，因而能加速取出壓好的坯體，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)等靜壓。174但是這種方法只是