復(fù)合材料制備與加工1.ppt

1、復(fù)合材料制備與加工,課程內(nèi)容,概論 復(fù)合材料的界面與設(shè)計(jì) 金屬復(fù)合材料的制備與加工 陶瓷復(fù)合材料的制備與加工 高分子基復(fù)合材料的制備與加工,第一章 概論,復(fù)合材料（Composite Materials）： 采用物理或化學(xué)方法，使兩種以上的材料在相態(tài)與性能相互獨(dú)立的形式下共存于一體之中，以達(dá)到提高材料的某些性能，或互補(bǔ)彼此缺點(diǎn)，或獲得新的性能（或功能）的目的。,內(nèi)涵： 制備方法 組元形式 復(fù)合目的,SaraCom復(fù)合硬質(zhì)合金輥環(huán),硬質(zhì)合金與鋼的冶金粘結(jié)技術(shù)開創(chuàng)了在熱軋領(lǐng)域的嶄新應(yīng)用。耐磨的硬質(zhì)合金只是整個(gè)輥環(huán)的一部分，嵌在SARACOM復(fù)合輥環(huán)中， 噸鋼軋輥成本只是常規(guī)軋輥的50%。 德國薩阿

2、公司廣告,1.1 復(fù)合材料的發(fā)展,1942年，美國Pittsburgh Plate Glass公司將玻璃纖維織網(wǎng)含浸于芳基脂系非飽和聚脂樹脂中，再將含浸網(wǎng)疊合并固化處理，意外制得一種高彈性率、高強(qiáng)度樹脂板（玻璃纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料）。由此引發(fā)世界規(guī)模的復(fù)合材料研究熱潮，并形成復(fù)合材料專門學(xué)科。 迄今研究的強(qiáng)化相包括：玻璃纖維、硼、碳化硅、氧化鋁、碳等粒子、晶須或纖維?；w相包括：高分子材料、金屬、陶瓷。 研究還涉及層狀復(fù)合材料、梯度復(fù)合材料等。,中國的復(fù)合材料,中國的復(fù)合材料起始于1958年，首先用于軍工制品，而后逐漸擴(kuò)展到民用。 北京科技大學(xué)材料學(xué)院在復(fù)合材料研究領(lǐng)域居重要地位，承擔(dān)多項(xiàng)國

3、家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）項(xiàng)目和國防等項(xiàng)目。,歷史，現(xiàn)實(shí)，與責(zé)任,三星堆古遺址. 距今已有5000至3000年歷史. 三星堆遺址晚期遺址的房屋. 在原生地面上挖溝槽，槽中立木柱，間以小木棍或竹棍作為墻骨，在兩側(cè)抹草拌泥成為墻壁，并經(jīng)火燒烤 摘自互聯(lián)網(wǎng),歷史，現(xiàn)實(shí)，與責(zé)任,當(dāng)務(wù)之急是校舍。年輕的曲鳳琴?zèng)]有退縮，決定自己動(dòng)手蓋。她帶著幾個(gè)稍大一點(diǎn)的學(xué)生，自己動(dòng)手脫土坯，就像燕子銜泥壘巢一樣。手被磨出了血泡，在混著柴草的泥土中她的十個(gè)手指被磨得沒有一個(gè)完整的，而這換來的就是那些被碼得整整齊齊的土坯。 摘自互聯(lián)網(wǎng),1.2 復(fù)合材料的種類,1

4、.2.1 分散強(qiáng)化型復(fù)合材料 一種或一種以上的材料（強(qiáng)化材料或稱強(qiáng)化相）分散在另一種材料（基體材料）之中的復(fù)合材料。,一、分散強(qiáng)化型復(fù)合材料的分類,二、金屬基復(fù)合材料,基體是金屬，因而具有較好的耐熱性，高彈性系數(shù)以及高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的成形加工性能。 作為基體金屬，鋁合金由于密度低、強(qiáng)度高、易于加工處理等優(yōu)良特性而廣為使用，其次是鈦和鈦合金。 用作強(qiáng)化材料的主要有顆粒、晶須、纖維（包括短纖維和長纖維或連續(xù)纖維）。,金屬基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料,強(qiáng)化顆粒主要有氮化物、碳化物、硼化物以及氧化物陶瓷。,金屬基復(fù)合材料,三、陶瓷基復(fù)合材料,陶瓷材料可以分為功能陶瓷與結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。 功能陶瓷包括

5、半導(dǎo)體材料、敏感材料（如熱敏、壓敏、光敏、氣敏、濕敏陶瓷等）、絕緣材料（含高導(dǎo)熱絕緣材料）、高溫超導(dǎo)材料等； 結(jié)構(gòu)陶瓷包括各種耐高溫、耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料，如Al2O3、SiC、BN、Si3N4、WC等結(jié)構(gòu)用陶瓷材料。 陶瓷材料復(fù)合化的目的，對于結(jié)構(gòu)陶瓷主要是為了提高材料的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，或提高其耐熱、耐蝕性能；而對于功能材料，主要是為了獲得某些新的功能。 用作陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化材料主要有：各種陶瓷顆粒、晶須、纖維，某些金屬纖維。,四、高分子基復(fù)合材料,研究歷史最長、應(yīng)用最廣泛的一類復(fù)合材料。,高分子基復(fù)合材料,五、原生復(fù)合材料（In-situ composites）,原生復(fù)合材料（也稱為自

6、生復(fù)合材料或原位復(fù)合材料）屬于分散型復(fù)合材料的一種，是相對于在基體中加入已經(jīng)定形的強(qiáng)化相這樣一類常規(guī)復(fù)合材料而言的。 原生復(fù)合材料中的強(qiáng)化相是在鑄造、燒結(jié)等高溫加工處理過程中通過結(jié)晶或化學(xué)反應(yīng)生成的。常見的許多熱處理可強(qiáng)化（相變析出反應(yīng)型）金屬材料可以認(rèn)為是廣義上的原生復(fù)合材料，但習(xí)慣上不將這一類材料稱為原生復(fù)合材料。,1.2.2 梯度材料（梯度功能材料）,梯度材料（或梯度復(fù)合材料）是一種較為特殊的復(fù)合材料，梯度材料中組元的含量沿著某一方向（例如厚度方向）產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)的變化。 組元梯度化的目的是為了實(shí)現(xiàn)材料性能的梯度化，賦予材料多種功能，以滿足一些特殊的使用需要。 因此，梯度材料也稱為梯度

7、功能材料（Functionally Gradient Materials：FGM）。,梯度材料,1.2.3 層狀復(fù)合材料,各組元自成一個(gè)或數(shù)個(gè)整體，組元之間以界面結(jié)合的方式復(fù)合成一體。,層狀復(fù)合材料,層狀復(fù)合材料,1.3 復(fù)合材料制備與加工方法,1.3.1 金屬復(fù)合材料 對于金屬基復(fù)合材料（分散強(qiáng)化型金屬復(fù)合材料），直接利用塑性加工的方法進(jìn)行成形，然后進(jìn)行燒結(jié)固化，或采用鑄造、粉末冶金等方法制備毛坯，然后采用鍛造、軋制、擠壓等方法進(jìn)行二次加工的復(fù)合材料占絕大部分。 層狀金屬復(fù)合材料主要采用爆炸焊接或擴(kuò)散焊接后進(jìn)行塑性加工，或利用塑性加工直接復(fù)合成形。,一、顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料,（1）粉末冶金

8、法 包括常規(guī)的粉末冶金法與粉末塑性加工法。粉末冶金法還可根據(jù)強(qiáng)化顆粒的加入方式，分為直接摻入法和通過反應(yīng)生成的原生復(fù)合法。 （2）鑄造法 包括攪拌鑄造法（增強(qiáng)相彌散分布）和擠壓鑄造法（采用增強(qiáng)相預(yù)制件的方法）。 （3）噴射共沉積法,二、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,（1）粉末冶金法 （2）壓力鑄造法,三、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,（1）粉末冶金法 通常是將纖維含浸于粉漿之中，堆垛干燥后進(jìn)行燒結(jié)。 （2）擴(kuò)散結(jié)合法 包括熱壓、熱等靜壓、熱軋等方法。 （3）預(yù)制件鑄造法 包括浸漬法和擠壓鑄造法。 （4）兩相合金復(fù)合法 包括共晶合金定向凝固復(fù)合法、非互溶兩相合金強(qiáng)加工法。,四、層狀復(fù)合材料,（1）機(jī)械接合

9、鑲套（包括熱裝和冷壓入）、液壓擴(kuò)管（脹形）、冷拉拔等 （2）冶金接合 * 爆炸成形，或爆炸成形后進(jìn)行軋制 * 擴(kuò)散熱處理 * 軋制成形 * 擠壓成形 * 粉末塑性加工，或粉末塑性加工后燒結(jié) * 摩擦焊接 * 復(fù)合鑄造,1.3.2 金屬-陶瓷層狀復(fù)合材料、梯度材料,（1）氣相析出法 化學(xué)氣相沉積法（CVD法：Chemical Vapor Deposition）,通過氣相狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)而使所需成份在基板上析出。 物理氣相沉積法（PVD法：Physical Vapor Deposition）包括真空鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜等方法。通過加熱蒸發(fā)、或讓粒子撞擊固體，使所需成份的原子（或分子）沉積于基板

10、上。,（2）粉末冶金法 粉末堆積法:采用粉末狀原料進(jìn)行積層堆積，在堆積過程中控制各組成的含量。 薄膜積層法：先制取金屬與陶瓷或陶瓷與陶瓷的復(fù)合薄膜，然后將不同成份的薄膜積層起來。 離心成形法：利用不同比重材料的粉末混合體在離心力作用下產(chǎn)生分離的特性，或邊改變所加粉末混合體的組成，邊通過離心成形法進(jìn)行堆積。 （3）等離子噴鍍法,（4）自蔓延燃燒合成法（SHS法） 利用陶瓷與陶瓷、陶瓷與金屬之間的反應(yīng)熱進(jìn)行自我燒結(jié)（SHS法: Self propagating High temperature Synthesis）。 （5）電解析出法 將基板作為陰極浸入含有金屬離子的電解液之中，通過電解使金屬離子

11、在基板上還原析出而實(shí)現(xiàn)成膜。,1.3.3 陶瓷基復(fù)合材料,（1）粉末燒結(jié)法 （2）高分子反應(yīng)合成法 將有機(jī)高分子材料與強(qiáng)化材料混合成形，通過燃燒合成陶瓷基體。 （3）熔融含浸法 將纖維織物含浸于熔融狀態(tài)的陶瓷基體中，使熔體充滿纖維之間的間隙而制取連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。 （4）化學(xué)氣相滲透法（氣相反應(yīng)直接復(fù)合法） 通過對強(qiáng)化材料預(yù)成形體（纖維織物等）施加溫度梯度或壓力梯度，使原料氣體在預(yù)成形體內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)而析出陶瓷基體。 （5）原生復(fù)合法,1.3.4 高分子復(fù)合材料,（1）連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料 手糊法 或稱直接涂積法，即通過手工用不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂將增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起。 含浸網(wǎng)層壓法 將一

12、定量的含浸網(wǎng)層疊在一起，在一定的溫度和壓力下壓制成板材。 纏繞法 將含浸有樹脂的連續(xù)纖維纏繞在芯模上，然后進(jìn)行固化。 模壓法 將含浸網(wǎng)積層于金屬模中，或?qū)⒗p繞成型的芯模置于金屬模中，在一定的溫度和壓力下使其固化。 拉拔法 將含浸有樹脂的纖維束通過成型模拉制成所需斷面形狀。,（2）非連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料 非連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的成型方法主要有手糊法、模壓法、注射法、擠壓法等幾種。 注射法 采用注射的方法使處于熔化狀態(tài)的高分子與強(qiáng)化材料的混合物流入并充滿成型模，經(jīng)固化而獲得所需制品。 擠壓法 借助柱塞或螺稈將圓筒容器內(nèi)的處于熔化狀態(tài)的高分子與強(qiáng)化材料的混合物通過成型模孔擠出制取所需斷面形狀的制品。,（3）層狀復(fù)合材料 典型的高分子層狀復(fù)合材料有夾層復(fù)合材料、各種復(fù)合膜、人造革等。 由三層以上的不同材料或不同結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合材料稱為夾層復(fù)合材料。 根據(jù)夾芯的類型，夾層復(fù)合材料可以分為泡沫夾層材料、蜂窩夾層材料與折板夾層材料三種。夾層復(fù)合材料的各層之間主要采用粘結(jié)的方法進(jìn)行接合。,1.4 復(fù)合材料的應(yīng)用,1.4.1 金屬復(fù)合材料 金屬復(fù)合材料中以層狀復(fù)合材料的應(yīng)用面最廣、產(chǎn)量最大，如鋁包鋼導(dǎo)線、剛性電車導(dǎo)線、低溫超導(dǎo)材料、光纖、各種復(fù)合板、雙金屬管等。 金屬基復(fù)合材料中以顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料發(fā)展最快，應(yīng)用較為廣泛，其中尤以顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料最具有代表性。,1.4.2 陶瓷復(fù)合