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1、2022-3-21/16:58:33材料合成與制備材料合成與制備李亞偉李亞偉 趙雷趙雷 無機(jī)非金屬材料系無機(jī)非金屬材料系2/16:58:33第第6 6章章 復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備 Preparation of Composite Materials3/16:58:336.1 6.1 復(fù)合材料的基本概念和性能復(fù)合材料的基本概念和性能 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上復(fù)合材料是由兩種或兩種以上單一材料構(gòu)成的,具有一些新性單一材料構(gòu)成的,具有一些新性能的材料能的材料 由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的物理由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的物理相,包含粘結(jié)材料(基體)和粒相,包含粘結(jié)材料(基體)和粒料、纖維或片狀材料所組成的
2、一料、纖維或片狀材料所組成的一種固體產(chǎn)物。種固體產(chǎn)物。 定義定義Composite Materials4/16:58:33行業(yè)行業(yè)實(shí)例實(shí)例飛機(jī)制造飛機(jī)制造機(jī)翼,機(jī)身,起落架,垂直尾翼機(jī)翼,機(jī)身,起落架,垂直尾翼汽車制造汽車制造車身,燈殼罩,保險(xiǎn)杠車身,燈殼罩,保險(xiǎn)杠造船造船船殼體,甲板,桅桿船殼體,甲板,桅桿化工化工管道,儲(chǔ)油罐,壓力容器管道,儲(chǔ)油罐,壓力容器家具家具椅子,桌子,梯子,臺(tái)板,住房椅子,桌子,梯子,臺(tái)板,住房電氣工業(yè)電氣工業(yè)儀器面盤,配電盤,絕緣材料儀器面盤,配電盤,絕緣材料運(yùn)動(dòng)器材運(yùn)動(dòng)器材釣魚桿,高爾夫球桿,滑雪板,賽艇釣魚桿,高爾夫球桿,滑雪板,賽艇復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)
3、用 5/16:58:33 復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式 復(fù)合材料由復(fù)合材料由基體基體和和增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑兩個(gè)組分構(gòu)成:兩個(gè)組分構(gòu)成: 基體:構(gòu)成復(fù)合材料的基體:構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相連續(xù)相; 增強(qiáng)劑(增強(qiáng)相、增強(qiáng)體):復(fù)合材料中獨(dú)立的形態(tài)增強(qiáng)劑(增強(qiáng)相、增強(qiáng)體):復(fù)合材料中獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)基體中的分布在整個(gè)基體中的分散相分散相,這種分散相的性能優(yōu)越,會(huì),這種分散相的性能優(yōu)越,會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)。使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)。 E 增強(qiáng)劑(相)一般較基體硬,強(qiáng)度、模量較基體大,增強(qiáng)劑(相)一般較基體硬,強(qiáng)度、模量較基體大,或具有其它特性??梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀。或具有
4、其它特性。可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。 E 增強(qiáng)劑(相)與基體之間存在著明顯界面。增強(qiáng)劑(相)與基體之間存在著明顯界面。 6/16:58:33復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖a)a)層疊復(fù)合層疊復(fù)合 b)b)連續(xù)纖維復(fù)合連續(xù)纖維復(fù)合 c)c)細(xì)粒復(fù)合細(xì)粒復(fù)合 d)d)短切纖維復(fù)合短切纖維復(fù)合7/16:58:33v復(fù)合材料的復(fù)合材料的命名命名 復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來命名。復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來命名。增強(qiáng)增強(qiáng)材料材料的名稱放在前面,的名稱放在前面,基體材料基體材料的名稱放在后面,再加上的名稱放在后面,再加上“復(fù)合材料復(fù)合材料”。如。如“玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合
5、材料玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料” 碳碳/ /環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 碳碳/ /金屬?gòu)?fù)合材料金屬?gòu)?fù)合材料 碳碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料為書寫簡(jiǎn)便,也可僅寫增強(qiáng)材料和基體材料的縮寫名稱,中間加一斜線隔開,后面再加“復(fù)合材料”。如玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料,也可寫做“玻璃環(huán)氧復(fù)合材料”。以及左面例8/16:58:33 國(guó)外還常用國(guó)外還常用來表示,如來表示,如MMC(Metal Matrix Composite)表示金屬基復(fù)合材)表示金屬基復(fù)合材料,料,F(xiàn)RP(Fiber Reinforced Plastics)表示纖維)表示纖維增強(qiáng)塑料,而玻璃纖維增強(qiáng)塑料,而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為環(huán)氧則表示
6、為GF/Epoxy, 或或G/Ep(G-Ep)9/16:58:33復(fù)合材料分類復(fù)合材料分類 10/16:58:33材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖11/16:58:34因此復(fù)合材料必須通過對(duì)因此復(fù)合材料必須通過對(duì)原材料的選擇原材料的選擇,各組分分布的設(shè)計(jì)各組分分布的設(shè)計(jì)和和工藝條件的保證工藝條件的保證等,以使等,以使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充,同時(shí)利用復(fù)合材原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充,同時(shí)利用復(fù)合材料的料的使之出現(xiàn)新的性能,最大限度地使之出現(xiàn)新的性能,最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。12/16:58:34 復(fù)合材料應(yīng)具有以下三個(gè)特點(diǎn):復(fù)合材料應(yīng)具有以下三個(gè)特點(diǎn): (1)復(fù)合材料是由兩種或
7、兩種以上不同性能的材料組元復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通通過宏觀或微觀復(fù)合過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料,組元之間存在著形成的一種新型材料,組元之間存在著明明顯的界面顯的界面。(2)復(fù)合材料中各組元不但復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性而且可而且可最最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性大限度發(fā)揮各種材料組元的特性,并賦予單一材料組元所不,并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。具備的優(yōu)良持殊性能。 (3)復(fù)合材料具有復(fù)合材料具有。13/16:58:34 通過對(duì)各種定義、解釋加以總結(jié),復(fù)合材料應(yīng)包括:通過對(duì)各種定義、解釋加以總結(jié),復(fù)合材料應(yīng)包括: 組元是人們
8、根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則組元是人們根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則有意識(shí)地選擇有意識(shí)地選擇,至,至少包括兩種物理或化學(xué)性能不同的少包括兩種物理或化學(xué)性能不同的獨(dú)立組元獨(dú)立組元,其中一組元的,其中一組元的體積分?jǐn)?shù)一般不低于體積分?jǐn)?shù)一般不低于20,第二組元通常為纖維、晶須或顆,第二組元通常為纖維、晶須或顆粒;粒; 復(fù)合材料是復(fù)合材料是人工制造人工制造的,而非天然形成的。的,而非天然形成的。 復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合,它應(yīng)復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合,它應(yīng)優(yōu)于優(yōu)于獨(dú)立組元獨(dú)立組元的性質(zhì),特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。的性質(zhì),特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。14/16:58:341.
9、 1. 高比強(qiáng)度、高比模量(剛度):高比強(qiáng)度、高比模量(剛度): 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 = = 強(qiáng)度強(qiáng)度/ /密度密度 MPa /(g/cmMPa /(g/cm3 3), ), 比模量比模量 = = 模量模量/ /密度密度 GPa /(g/cmGPa /(g/cm3 3) ) 復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn))復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn)) 集束箭彈小箭集束箭彈小箭鎢基合金箭頭鎢基合金箭頭鐵基合金尾翼鐵基合金尾翼15/16:58:34 2 2、良好的高溫性能:、良好的高溫性能: 目前已經(jīng)達(dá)到的水平:目前已經(jīng)達(dá)到的水平: C 聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350 350 C C;
10、C 金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能,金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能, 其使用溫度在其使用溫度在350 350 1100 1100 C C范圍內(nèi)變動(dòng);范圍內(nèi)變動(dòng); C 陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)14001400 C C; C 碳碳/ /碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)28002800 C C。 復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn))復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn)) 16/16:58:34 3 3、良好的尺寸穩(wěn)定性:、良好的尺寸穩(wěn)定性: 加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛度,而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯
11、下降。通過改變合材料度,而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變合材料中增強(qiáng)體的含量,可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。中增強(qiáng)體的含量,可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。 復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn))復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn)) 17/16:58:344 4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性:、良好的化學(xué)穩(wěn)定性: 聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。 5 5、良好的抗疲勞、蠕變、良好的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性:沖擊和斷裂韌性: 陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善 6 6、良好的功能性能、良好的功能性能 復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn))復(fù)合材料的基本性能(優(yōu)點(diǎn))
12、 18/16:58:346.2 6.2 幾種復(fù)合材料幾種復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料的性能聚合物基復(fù)合材料的性能聚合物基復(fù)合材料(纖維聚合物基復(fù)合材料(纖維-樹脂復(fù)合材料樹脂復(fù)合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite)是復(fù)合材料中發(fā)是復(fù)合材料中發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的一類復(fù)合材料,以此為例說明。展最迅速、應(yīng)用最廣泛的一類復(fù)合材料,以此為例說明。 聚合物基復(fù)合材料的特性聚合物基復(fù)合材料的特性 1) 比強(qiáng)度、高比模大比強(qiáng)度、高比模大 19/16:58:34Glass fiber reinforced composites Ca
13、rbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites玻璃纖維玻璃纖維復(fù)合材復(fù)合材料有較高的比強(qiáng)料有較高的比強(qiáng)度、比模量,而度、比模量,而碳纖維碳纖維、硼纖維硼纖維、有機(jī)纖維有機(jī)纖維增強(qiáng)的增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材聚合物基復(fù)合材料的比強(qiáng)度相當(dāng)料的比強(qiáng)度相當(dāng)于鈦合金的于鈦合金的3 35 5倍,它們的比模倍,它們的比模量相當(dāng)于金屬的量相當(dāng)于金屬的4 4倍之多。倍之多。20/16:58:342) 2) 耐疲勞性能好:耐疲勞性能好: 疲勞破壞的種類不同:疲勞破壞的種類不同: 金屬金屬 突發(fā)性破壞突發(fā)性破壞 極限極限= =抗張強(qiáng)度抗
14、張強(qiáng)度20%20%50% 50% 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 有預(yù)兆破壞有預(yù)兆破壞 極限極限= =抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度70%70%80% 80% 3) 3) 減震性好:減震性好: 受力結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān)因素:受力結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān)因素: 結(jié)構(gòu)形狀比模量的平方根結(jié)構(gòu)形狀比模量的平方根. . 同時(shí),復(fù)同時(shí),復(fù)合材料中的基體界面具有吸震能力,使材料的震動(dòng)阻尼很高合材料中的基體界面具有吸震能力,使材料的震動(dòng)阻尼很高 4) 4) 各向異性和可設(shè)計(jì)性:各向異性和可設(shè)計(jì)性: 可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同,選取相應(yīng)的材料及可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同,選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計(jì)滿足
15、既定的要求。鋪層設(shè)計(jì)滿足既定的要求。FRCFRC的這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化設(shè)計(jì),做的這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化設(shè)計(jì),做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。5) 5) 材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性 制造材料的同時(shí),獲得了制件。復(fù)雜制件一次成型。件數(shù)目減少制造材料的同時(shí),獲得了制件。復(fù)雜制件一次成型。件數(shù)目減少-減輕了部件質(zhì)量降低了應(yīng)力集中。減輕了部件質(zhì)量降低了應(yīng)力集中。 21/16:58:34p 聚合物基復(fù)合材料存在的缺點(diǎn):聚合物基復(fù)合材料存在的缺點(diǎn): H 材料工藝的穩(wěn)定性差材料工藝的穩(wěn)定性差 H 材料性能的分散性大材料性能的分散性大 H 長(zhǎng)期耐高溫與環(huán)境老化性能不好長(zhǎng)期耐高溫
16、與環(huán)境老化性能不好 H 抗沖擊性能低抗沖擊性能低 H 橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好22/16:58:34金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能1) 1) 高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量 由于在金屬基體中加入了適量的由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低高強(qiáng)度、高模量、低密度密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)物,明顯提高了復(fù)合材的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)物,明顯提高了復(fù)合材料的料的比強(qiáng)度和比模量比強(qiáng)度和比模量,特別是高性能連續(xù)纖維,特別是高性能連續(xù)纖維 硼纖硼纖維、碳維、碳( (石墨石墨) )纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物,具有很高的纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物,具有很高的
17、強(qiáng)度和模量。用高比強(qiáng)度、比模量復(fù)合材料制成的構(gòu)件強(qiáng)度和模量。用高比強(qiáng)度、比模量復(fù)合材料制成的構(gòu)件重量輕、剛性好、強(qiáng)度高,是航空、航天技術(shù)領(lǐng)域中理重量輕、剛性好、強(qiáng)度高,是航空、航天技術(shù)領(lǐng)域中理想的結(jié)構(gòu)材料。想的結(jié)構(gòu)材料。23/16:58:342) 2) 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù),一般金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù),一般在在6060以上,因此以上,因此仍保持金屬所具有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性仍保持金屬所具有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。 為了解決高集成度電子器件的散熱問題,現(xiàn)已研究成功為了解決高集成度電子器件的散熱問題,現(xiàn)已研究成功的超高模量石墨纖維、
18、金剛石纖維、金剛石顆粒增強(qiáng)鋁基、的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、金剛石顆粒增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率比純鋁、鋼還高,用它們制成的集銅基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率比純鋁、鋼還高,用它們制成的集成電路底板和封裝件可有效迅速地把熱量散去,提高了集成電路底板和封裝件可有效迅速地把熱量散去,提高了集成電路的可靠性。成電路的可靠性。金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能24/16:58:34金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能 3) 3) 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好 加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)物不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量,也使加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)物不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量,也使其
19、熱膨脹系數(shù)明顯下降,并可通過調(diào)整增強(qiáng)物的含量獲得不同的熱其熱膨脹系數(shù)明顯下降,并可通過調(diào)整增強(qiáng)物的含量獲得不同的熱膨脹系數(shù)以滿足各種工況要求。膨脹系數(shù)以滿足各種工況要求。 例如,石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料例如,石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料,當(dāng)石墨纖維含量達(dá)到,當(dāng)石墨纖維含量達(dá)到48w48w時(shí),復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零,即在溫度變化時(shí)使用這種復(fù)合材時(shí),復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零,即在溫度變化時(shí)使用這種復(fù)合材料做成的零件不發(fā)生熱變形,這對(duì)人造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。料做成的零件不發(fā)生熱變形,這對(duì)人造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。 通過選擇不同的基體金屬和增強(qiáng)物,以一定的比例復(fù)合在一起,通過選擇不同的基體金屬和增強(qiáng)物,以一定
20、的比例復(fù)合在一起,可得到導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基復(fù)合材料??傻玫綄?dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基復(fù)合材料。25/16:58:34金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能4) 4) 良好的高溫性能良好的高溫性能 由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多,增強(qiáng)纖維、由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多,增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強(qiáng)度和模量。晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強(qiáng)度和模量。因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能,因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能,特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,在復(fù)合材料中纖特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬
21、基復(fù)合材料,在復(fù)合材料中纖維起著主要承載作用,纖維強(qiáng)度在高溫下基本不下降,維起著主要承載作用,纖維強(qiáng)度在高溫下基本不下降,纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的高溫性能可保持到接近金屬纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的高溫性能可保持到接近金屬熔點(diǎn),并比金屬基體的高溫性能高許多。熔點(diǎn),并比金屬基體的高溫性能高許多。26/16:58:34金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能5) 5) 耐磨性好耐磨性好 金屬基復(fù)合材料,尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金金屬基復(fù)合材料,尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。這是因?yàn)樵诨w金屬屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。這是因?yàn)樵诨w金屬中加入了大量的陶瓷增強(qiáng)物,
22、特別是細(xì)小的陶瓷顆粒。中加入了大量的陶瓷增強(qiáng)物,特別是細(xì)小的陶瓷顆粒。 6)6)良好的疲勞性能和斷裂韌性良好的疲勞性能和斷裂韌性 金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌性取決于纖維等金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌性取決于纖維等增強(qiáng)物與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)、增強(qiáng)物在金屬基體增強(qiáng)物與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)、增強(qiáng)物在金屬基體中的分布以及金屬、增強(qiáng)物本身的特性,特別是界面狀中的分布以及金屬、增強(qiáng)物本身的特性,特別是界面狀態(tài)。最佳的界面結(jié)合狀態(tài),既可有效地傳遞載荷,又能態(tài)。最佳的界面結(jié)合狀態(tài),既可有效地傳遞載荷,又能阻止裂紋的擴(kuò)展,提高材料的斷裂韌性。據(jù)美國(guó)宇航公阻止裂紋的擴(kuò)展,提高材料的斷裂韌性。據(jù)美國(guó)
23、宇航公司報(bào)道,司報(bào)道,C CAlAl復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比為復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比為0.70.7左右。左右。27/16:58:34金屬基復(fù)合材料的性能金屬基復(fù)合材料的性能7) 7) 不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好 與聚合物相比,金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密,不存在老與聚合物相比,金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密,不存在老化、分解、吸潮等問題,也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化,化、分解、吸潮等問題,也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化,這比聚合物基復(fù)合材料優(yōu)越,在空間使用不會(huì)分解出低這比聚合物基復(fù)合材料優(yōu)越,在空間使用不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境,有明顯的優(yōu)越性。分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境,有明
24、顯的優(yōu)越性。 金屬基復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、比模量,良金屬基復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、比模量,良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐磨性、高溫性能,低的熱膨好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐磨性、高溫性能,低的熱膨脹系數(shù),高的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能,使金脹系數(shù),高的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能,使金屬基復(fù)合材料在航空、航天、電子、汽車、先進(jìn)武屬基復(fù)合材料在航空、航天、電子、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景,對(duì)裝備性能的提器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景,對(duì)裝備性能的提高將發(fā)揮巨大作用。高將發(fā)揮巨大作用。28/16:58:34陶瓷基復(fù)合材料的性能陶瓷基復(fù)合材料的性能J 陶瓷材料強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化,高陶瓷材
25、料強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化,高溫下抗磨損性好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良,熱膨脹系數(shù)溫下抗磨損性好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良,熱膨脹系數(shù)和相對(duì)密度較小和相對(duì)密度較小. .L 陶瓷材料陶瓷材料抗彎強(qiáng)度不高抗彎強(qiáng)度不高,斷裂韌性低斷裂韌性低,限制了其,限制了其作為結(jié)構(gòu)材料使用。當(dāng)用高強(qiáng)度、高模量的纖維或作為結(jié)構(gòu)材料使用。當(dāng)用高強(qiáng)度、高模量的纖維或晶須增強(qiáng)后,其高溫強(qiáng)度和韌性可大幅度提高。晶須增強(qiáng)后,其高溫強(qiáng)度和韌性可大幅度提高。29/16:58:34陶瓷基復(fù)合材料的性能陶瓷基復(fù)合材料的性能 最近,歐洲動(dòng)力公司推出的航天飛機(jī)高溫區(qū)用碳纖維最近,歐洲動(dòng)力公司推出的航天飛機(jī)高溫區(qū)用碳纖維增強(qiáng)碳化硅基體和用碳化硅纖維
26、增強(qiáng)碳化硅基體所制造的陶增強(qiáng)碳化硅基體和用碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基體所制造的陶瓷基復(fù)合材料,可分別在瓷基復(fù)合材料,可分別在17001700o oC C和和12001200o oC C下保持下保持2020o oC C時(shí)的抗時(shí)的抗拉強(qiáng)度,并且有較好的抗壓性能,較高的層間剪切強(qiáng)度,而拉強(qiáng)度,并且有較好的抗壓性能,較高的層間剪切強(qiáng)度,而斷裂延伸串較一般陶瓷高,耐輻射效率高,可有效地降低表斷裂延伸串較一般陶瓷高,耐輻射效率高,可有效地降低表面溫度,有極好的抗氧化、抗開裂性能。面溫度,有極好的抗氧化、抗開裂性能。 陶瓷基復(fù)合材料與其他復(fù)合材料相比發(fā)展仍較緩慢,陶瓷基復(fù)合材料與其他復(fù)合材料相比發(fā)展仍較緩慢,主
27、要原因是主要原因是一方面制備工藝復(fù)雜,另一方面是缺少耐高溫的一方面制備工藝復(fù)雜,另一方面是缺少耐高溫的纖維。纖維。30/16:58:34碳碳復(fù)合材料的性能碳碳復(fù)合材料的性能 碳碳/ /碳復(fù)合材料(碳復(fù)合材料(C/CC/C)是由碳纖維及其制品(碳?xì)?、)是由碳纖維及其制品(碳?xì)?、碳布等)增?qiáng)的碳基復(fù)合材料。一般碳布等)增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料。一般C/CC/C是由碳纖維及是由碳纖維及其制品作為預(yù)制體,通過化學(xué)氣相沉積法(其制品作為預(yù)制體,通過化學(xué)氣相沉積法(CVDCVD)或液)或液態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/CC/C的基體碳來制備的。的基體碳來制備的。空中客車空中客車A320
28、的的C/C剎剎車裝置車裝置M-4海對(duì)地海對(duì)地戰(zhàn)略彈道導(dǎo)戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈(法)彈(法)31/16:58:34 C/C C/C的組成只有一個(gè)元素碳,具有碳和石墨材料的所特的組成只有一個(gè)元素碳,具有碳和石墨材料的所特有優(yōu)點(diǎn)如低密度和優(yōu)異熱性能如耐燒蝕性、抗熱震性、高導(dǎo)熱有優(yōu)點(diǎn)如低密度和優(yōu)異熱性能如耐燒蝕性、抗熱震性、高導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)等,同時(shí)還具有復(fù)合材料的高強(qiáng)高模量等特點(diǎn)。性和低膨脹系數(shù)等,同時(shí)還具有復(fù)合材料的高強(qiáng)高模量等特點(diǎn)。 C/CC/C的另一重要的性能是其優(yōu)異的摩擦磨損性能。的另一重要的性能是其優(yōu)異的摩擦磨損性能。C/CC/C中的中的碳纖維除增強(qiáng)碳基體外,也提高了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。碳纖維除增
29、強(qiáng)碳基體外,也提高了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。C/CC/C的的高溫摩擦?xí)r能大量吸收的能量(高溫摩擦?xí)r能大量吸收的能量(8208201050KJ/KgC/C1050KJ/KgC/C),在高速、),在高速、高能量條件下的摩擦升溫高達(dá)高能量條件下的摩擦升溫高達(dá)10001000以上,其摩擦性能仍然保以上,其摩擦性能仍然保持平穩(wěn),而且磨損量很低,這是其它摩擦材料所不具有的。持平穩(wěn),而且磨損量很低,這是其它摩擦材料所不具有的。32/16:58:346.3 6.3 復(fù)合材料的制備方法復(fù)合材料的制備方法p 復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備, ,有許多工藝方法。有許多工藝方法。p 纖維纖維的處理、分散、致密化等問題的處理
30、、分散、致密化等問題, ,對(duì)復(fù)合對(duì)復(fù)合材料的性能影響較大材料的性能影響較大, ,需要使用許多需要使用許多新方法新方法。p 增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)顆粒一般不用或很少用特殊處理,因此一般不用或很少用特殊處理,因此顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料多沿用顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料多沿用傳統(tǒng)的制備工藝傳統(tǒng)的制備工藝。 33/16:58:346.3.1 6.3.1 復(fù)合材料的制備工藝復(fù)合材料的制備工藝p 復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備工藝主要包括:復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備工藝主要包括: 增強(qiáng)物的制備、增強(qiáng)物的制備、成型成型和和固化(燒結(jié))固化(燒結(jié))三個(gè)部分。三個(gè)部分。p 其中增強(qiáng)物的制備包括其中增強(qiáng)物的制備包括粉體粉體和和纖維纖維以及以及晶須晶須的的制備。
31、制備。 34/16:58:34幾種常用纖維的制備幾種常用纖維的制備 1 1、玻璃纖維(、玻璃纖維(Glass FiberGlass Fiber) 玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟,可紡織融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟,可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)小,成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕,耐高溫性能較好,價(jià)格便宜,品種多。耐腐蝕,耐高溫性能較好,價(jià)格便宜,品種多。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷,易受機(jī)械損傷。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷,易受機(jī)械損傷。35/16:58:34將玻璃小球熔化,然后將玻璃小球熔化,
32、然后通過通過1mm左右直徑的小左右直徑的小孔把他們拉出。纏繞纖孔把他們拉出。纏繞纖維的心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度決維的心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定纖維的直徑,通常為定纖維的直徑,通常為10m的數(shù)量級(jí)。為了便的數(shù)量級(jí)。為了便于操作和避免纖維受潮于操作和避免纖維受潮并形成紗束,在剛凝固并形成紗束,在剛凝固層纖維時(shí),表面就涂覆層纖維時(shí),表面就涂覆一層保護(hù)膜,這層保護(hù)一層保護(hù)膜,這層保護(hù)膜還有利于基體的粘結(jié)。膜還有利于基體的粘結(jié)。 36/16:58:342 2、碳纖維、碳纖維 碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量物碳。含碳量95%95%左右的稱為碳纖維
33、;含碳量左右的稱為碳纖維;含碳量99%99%左右左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小,比強(qiáng)度、比模量大,的稱為石墨纖維。碳纖維比重小,比強(qiáng)度、比模量大,耐熱性和耐腐蝕性好,成本低,批生產(chǎn)量大,是一類極耐熱性和耐腐蝕性好,成本低,批生產(chǎn)量大,是一類極為重要的高性能增強(qiáng)劑。為重要的高性能增強(qiáng)劑。 37/16:58:3438/16:58:343 3、硼纖維(、硼纖維(Boron FiberBoron Fiber) 制備工藝:化學(xué)氣相沉積(制備工藝:化學(xué)氣相沉積(CVDCVD)。)。 2BCl 2BCl 3 3 + 3H+ 3H 2 2 2B 2B + 6HCl + 6HCl 中心是碳纖維或鎢纖維中心是碳
34、纖維或鎢纖維39/16:58:34Chemical vapor deposition (CVD) 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 2BX3+3H2 2B+6HX X : C1, Br, or I40/16:58:344 4、氧化鋁纖維、氧化鋁纖維 (Alumina Fiber ) (Alumina Fiber ) 氧化鋁纖維是多晶纖維,具有很好的機(jī)械性能氧化鋁纖維是多晶纖維,具有很好的機(jī)械性能以以 及耐熱性和抗氧化性。及耐熱性和抗氧化性。 制備氧化鋁纖維的方法較多,制備氧化鋁纖維的方法較多, 有有 - -、 - -、 -Al-Al2O O3 連續(xù)纖維和連續(xù)纖維和 -Al-Al2O O3 短纖維。
35、短纖維。 -Al -Al2O O3與樹脂及熔融金屬的相容性好與樹脂及熔融金屬的相容性好. . 氧化鋁纖氧化鋁纖 維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是密度較大。密度較大。41/16:58:34Spinneretprocess of making Al2O3 fiber42/16:58:345 5、碳化硅纖維、碳化硅纖維 碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度,耐腐碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度,耐腐 蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn), , 同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能,其室同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能,其
36、室溫性能溫性能 可保持到可保持到12001200 C C。其成本下降的潛力很大。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。 碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和 CVDCVD法兩種。法兩種。43/16:58:34 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 1975 1975 年由日本矢島教授首先研制成功。有年由日本矢島教授首先研制成功。有 NicalonNicalon(尼卡隆)(尼卡?。?和和TyrannoTyranno(奇拉?。﹥煞N商品。(奇拉?。﹥煞N商品。 纖維呈束狀,每束纖維呈束狀,每束500500根左右,每根纖
37、維根左右,每根纖維1010 m m左右。左右。 聚碳硅烷聚碳硅烷紡絲紡絲聚碳硅烷纖維聚碳硅烷纖維N N2 2下高溫處理下高溫處理NicalonNicalon(尼卡?。峥。?4/16:58:346. 6. 有機(jī)纖維有機(jī)纖維 Organic FibersOrganic Fibers45/16:58:34晶須(晶須(Whisker) 晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于52 10-5 cm2 的單晶纖維材料。其直徑為的單晶纖維材料。其直徑為0.1到幾個(gè)微米,到幾個(gè)微米,長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。 但具有實(shí)用價(jià)值的晶須的直徑約為但具有實(shí)用價(jià)值的晶
38、須的直徑約為1-10微米,微米,長(zhǎng)徑比在長(zhǎng)徑比在5100之間。之間。 晶須是含缺陷很少的單晶纖維,其拉伸強(qiáng)度接晶須是含缺陷很少的單晶纖維,其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。近其純晶體的理論強(qiáng)度。46/16:58:34ZnOZnO晶須微觀形貌晶須微觀形貌 SiCSiC晶須微觀形貌晶須微觀形貌 47/16:58:34 晶須的制備方法有:晶須的制備方法有: 化學(xué)氣相沉積(化學(xué)氣相沉積(CVDCVD)法、溶膠)法、溶膠- -凝膠法、氣液凝膠法、氣液固法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。固法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。 制備陶瓷晶須經(jīng)常采用制備陶瓷晶須經(jīng)常采用CVDCVD法法: : 即
39、通過氣體原料在高溫下反應(yīng),并沉積在襯底即通過氣體原料在高溫下反應(yīng),并沉積在襯底上而長(zhǎng)成晶須。上而長(zhǎng)成晶須。48/16:58:34CVD 法制備法制備 SiC 晶須的基本反應(yīng)式為:晶須的基本反應(yīng)式為: CH3SiCl3(g)+ H2 SiC + HCl(g) CVD 法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本 反應(yīng)式為:反應(yīng)式為: 2MCl4(g)+ 4H2 +N2 = 2MN(s) + 8HCl(g) MCl4(g)+ CH2 = MC(s) + 4HCl(g)49/16:58:34 VLS VLS 法制備法制備 SiC SiC 晶須的過程:晶須的過程: 在預(yù)選高溫將
40、觸媒固體顆粒(在預(yù)選高溫將觸媒固體顆粒( 3030 m m)熔化成液態(tài))熔化成液態(tài)觸媒球,通入氣相源觸媒球,通入氣相源(H(H2 2、CHCH4 4、SiO)SiO),氣相中的碳、,氣相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成過飽和的碳硅溶液,以硅原子被液球吸收溶解形成過飽和的碳硅溶液,以SiC SiC 的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)行,晶須的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)行,晶須 不斷生長(zhǎng),觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起,繼續(xù)吸不斷生長(zhǎng),觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起,繼續(xù)吸 收、溶解和沉積。收、溶解和沉積。50/16:58:34晶須:晶須:VLS法法3C + SiO2 SiC + 2CO 30的固體 催
41、化劑液體催化劑含過飽和Si與C1400oCH2 CH4 SiO251/16:58:34聚合物復(fù)合材料(聚合物復(fù)合材料(PMC)制備工藝)制備工藝聚合物復(fù)合材料的分類聚合物復(fù)合材料的分類 1 1 纖維增強(qiáng)(纖維增強(qiáng)(FRCFRC) (1 1)按纖維形態(tài):)按纖維形態(tài): 連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維;連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維; (2 2)按鋪層方式:?jiǎn)蜗?;織物;三維;)按鋪層方式:?jiǎn)蜗?;織物;三維; (3 3)按纖維種類:玻璃纖維;碳纖維;芳綸()按纖維種類:玻璃纖維;碳纖維;芳綸(KevlarKevlar)纖維;混雜纖維;纖維;混雜纖維; 2 2 晶須增強(qiáng)(晶須增強(qiáng)(WRCWRC) 3 3 粒子增強(qiáng)(粒子增
42、強(qiáng)(PRCPRC) 52/16:58:341 1 預(yù)浸料預(yù)浸料 / / 預(yù)混料制備預(yù)混料制備 預(yù)浸料是指定向排列的預(yù)浸料是指定向排列的連續(xù)纖維連續(xù)纖維(單向、織物)(單向、織物) 浸漬浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀薄片狀半成品。半成品。 預(yù)混料是指預(yù)混料是指不連續(xù)纖維不連續(xù)纖維浸漬樹脂或與樹脂混合后所形成浸漬樹脂或與樹脂混合后所形成的較厚的的較厚的片片(SMCSMC、GMTGMT)團(tuán)狀團(tuán)狀(BMCBMC)或粒狀或粒狀半成品以及半成品以及注射模塑料(注射模塑料(IMCIMC)。)。 SMCSMC片狀模塑料;片狀模塑料; GMTGMT玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料玻璃氈增強(qiáng)熱塑性
43、塑料; ; BMC BMC團(tuán)狀模塑料;團(tuán)狀模塑料; IMCIMC顆粒狀注射模塑料;顆粒狀注射模塑料;聚合物復(fù)合材料(聚合物復(fù)合材料(PMC)制備工藝)制備工藝53/16:58:34 后浸漬技術(shù):后浸漬技術(shù):預(yù)浸料中樹脂以粉末、纖維或包層等形式預(yù)浸料中樹脂以粉末、纖維或包層等形式存在,對(duì)纖維的完全浸漬要在復(fù)合材料成型過程中完成。存在,對(duì)纖維的完全浸漬要在復(fù)合材料成型過程中完成。 (1 1)預(yù)浸料制備:)預(yù)浸料制備:54/16:58:34(2 2)預(yù)混料制造)預(yù)混料制造 a. SMC(a. SMC(片狀模塑料片狀模塑料) )和和BMC(BMC(團(tuán)狀模塑料團(tuán)狀模塑料) )制造:制造: 這是一類可直接
44、進(jìn)行模壓成型而不需要事先這是一類可直接進(jìn)行模壓成型而不需要事先進(jìn)行固化、干燥等其它工序的纖維增強(qiáng)熱固性模進(jìn)行固化、干燥等其它工序的纖維增強(qiáng)熱固性模塑料。其組成包括短切玻璃纖維、樹脂、引發(fā)劑、塑料。其組成包括短切玻璃纖維、樹脂、引發(fā)劑、固化劑或催化劑、填料等。固化劑或催化劑、填料等。 SMCSMC一般用專用一般用專用SMCSMC機(jī)組制造;機(jī)組制造; BMCBMC用捏合法制造。用捏合法制造。 55/16:58:34b. GMT(b. GMT(玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料) ) 制造:制造: GMTGMT是一種類似于熱固性是一種類似于熱固性SMCSMC的復(fù)合材料半成的復(fù)合材料半成品。所采
45、用的增強(qiáng)劑是無堿玻璃、無紡氈或連續(xù)品。所采用的增強(qiáng)劑是無堿玻璃、無紡氈或連續(xù)纖維。纖維。 制造工藝有熔融浸漬法和懸浮浸漬法。制造工藝有熔融浸漬法和懸浮浸漬法。 c. IMC(c. IMC(顆粒狀注射模塑料顆粒狀注射模塑料) )制造:制造: IMCIMC一般使用雙螺桿擠出機(jī)制造,由切割機(jī)切一般使用雙螺桿擠出機(jī)制造,由切割機(jī)切斷,長(zhǎng)度一般為斷,長(zhǎng)度一般為3 36mm6mm。 56/16:58:34金屬基復(fù)合材料(金屬基復(fù)合材料(MMCMMC)制備工藝)制備工藝金屬基復(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 1)固態(tài)法:真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、熱等靜壓、超塑性成)固態(tài)法:真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合
46、、熱等靜壓、超塑性成型型 / / 擴(kuò)散結(jié)合、模壓、粉末冶金法。擴(kuò)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、反壓鑄造、半固態(tài))液態(tài)法:液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。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(zhǎng)法。)原位生長(zhǎng)法。57/16:58:34 連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝連續(xù)增強(qiáng)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
47、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 58/16:58:34不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝不連續(xù)增強(qiáng)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)、原位生長(zhǎng)、噴射成型法固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、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(zhǎng)法固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法 短纖維短纖維 高溫合金高溫合金原位生長(zhǎng)法原位生長(zhǎng)法 金屬間化合物金屬間化合物粉末冶金、原位生長(zhǎng)法粉末冶金、原位生長(zhǎng)法 59/16:58:34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1 1 粉末冶金法(非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制
48、備工藝)粉末冶金法(非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝) 粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常采用的粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常采用的工藝。其優(yōu)點(diǎn)如下:工藝。其優(yōu)點(diǎn)如下: 1 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 2)可根據(jù)要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能;)可根據(jù)要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能; 3 3)利于增強(qiáng)相與金屬基體的均勻混合。)利于增強(qiáng)相與金屬基體的均勻混合。 4 4)其組織致密、細(xì)化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善;)其組織致密、細(xì)化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善; 5 5)利于凈成型或近凈成型,二次加工性能好。)利于凈成
49、型或近凈成型,二次加工性能好。 但工藝流程較長(zhǎng),成本較高是這種工藝的缺點(diǎn)。但工藝流程較長(zhǎng),成本較高是這種工藝的缺點(diǎn)。60/16:58:3461/16:58:342 2 固態(tài)法(連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝)固態(tài)法(連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝) (1 1)真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合)真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合 62/16:58:34(2 2)熱等靜壓()熱等靜壓(HIPHIP) 熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖 Place in high isostatic pressure furnace to diffusion sound the fiber layer to
50、 the inside of the tubePlace layers of fiber reinforced titanium on inside of tubeSeal tube assembly in metallic bag and pull a vacuumMachine outer surface of steelspline63/16:58:34(3 3)模壓成型)模壓成型 模壓成型也是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。將纖維模壓成型也是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。將纖維/ /基體預(yù)制基體預(yù)制體放置在具有一定形狀的模具中進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合,最終得到體放置在具有一定形狀的模具中進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合,最終得到一定形狀的
51、最終制品。常用這種工藝制備各種型材。一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材。 64/16:58:343 3 液態(tài)法(非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝)液態(tài)法(非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝) (1 1)壓鑄法)壓鑄法 在壓力的作用下,將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一在壓力的作用下,將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料預(yù)制體的空隙定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料預(yù)制體的空隙中,在壓力下快速凝固成型。中,在壓力下快速凝固成型。 (2 2)半固態(tài)復(fù)合鑄造)半固態(tài)復(fù)合鑄造 將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中,通過攪拌將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中,通過攪拌使顆粒在基體中分布均勻,并取得良好的界
52、面結(jié)使顆粒在基體中分布均勻,并取得良好的界面結(jié)合,然后將半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行壓鑄成合,然后將半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行壓鑄成型。型。 65/16:58:34(3 3)噴射成型法)噴射成型法 噴射沉積工藝是一種噴射沉積工藝是一種8080年代逐漸成熟的將粉末冶金工藝中混合與凝固年代逐漸成熟的將粉末冶金工藝中混合與凝固兩個(gè)過程相結(jié)合的新工藝。兩個(gè)過程相結(jié)合的新工藝。 該工藝過程是將該工藝過程是將基體金屬在坩堝中熔基體金屬在坩堝中熔煉后,在壓力作用下通過噴嘴送入霧煉后,在壓力作用下通過噴嘴送入霧化器化器,在高速惰性氣體射流的作用下,在高速惰性氣體射流的作用下,液態(tài)金屬被分散為細(xì)小的液滴液態(tài)金屬被
53、分散為細(xì)小的液滴,形成,形成“霧化錐霧化錐”;同時(shí)通過一個(gè)或多個(gè)噴;同時(shí)通過一個(gè)或多個(gè)噴嘴嘴向向“霧化錐霧化錐”噴射入增強(qiáng)顆粒噴射入增強(qiáng)顆粒,使,使之與金屬霧化液滴一齊在一基板(收之與金屬霧化液滴一齊在一基板(收集器)上沉積并集器)上沉積并快速凝固快速凝固形成顆粒增形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。 66/16:58:34無壓浸滲法無壓浸滲法制備制備Al2O3(f)/Al復(fù)合材料復(fù)合材料工工藝原理示意圖藝原理示意圖 (4 4)無壓浸滲法)無壓浸滲法 美國(guó)美國(guó)LanxideLanxide公司開發(fā)的一種新工公司開發(fā)的一種新工藝。藝。 將將增強(qiáng)材料制成預(yù)制體增強(qiáng)材料制成預(yù)制體置于由置于由
54、氧化氧化鋁制成的容器鋁制成的容器中。再將中。再將基體金屬坯料基體金屬坯料置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部。然后一同。然后一同裝入可通裝入可通氮?dú)獾獨(dú)獾募訜釥t中。通過加熱,的加熱爐中。通過加熱,基體金屬熔化,并自發(fā)基體金屬熔化,并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體增強(qiáng)材料預(yù)制體中。中。 67/16:58:344 4 原位(原位(In situIn situ)生長(zhǎng)(復(fù)合)法)生長(zhǎng)(復(fù)合)法 增強(qiáng)相從基體中直接生成,生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng)相從基體中直接生成,生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好,不存在基體與增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問題,好,不存在基體與增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問題,基
55、體與增強(qiáng)相結(jié)合良好,較好的解決了界面相容性問題?;w與增強(qiáng)相結(jié)合良好,較好的解決了界面相容性問題。 68/16:58:35(1 1)共晶合金定向凝固)共晶合金定向凝固 :共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或:共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分,開始為二元合金,后發(fā)展為三元單變共晶,以及有包接近共晶成分,開始為二元合金,后發(fā)展為三元單變共晶,以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時(shí),參與共晶反應(yīng)的晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時(shí),參與共晶反應(yīng)的 和和 相同相同時(shí)從液相中生成,其中一相以棒狀(纖維狀)或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成時(shí)從液相中生成,其中一相以棒狀(纖維狀)或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成
56、69/16:58:35定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長(zhǎng)須滿足三個(gè)條定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長(zhǎng)須滿足三個(gè)條件:件: (1 1)有溫度梯度()有溫度梯度(GLGL)的加熱方式;)的加熱方式; (2 2)滿足平面凝固條件)滿足平面凝固條件: : GL/VI = mL(CE GL/VI = mL(CE C0)/DL C0)/DL 式中:式中:GLGL:液相溫度梯度;:液相溫度梯度;VI VI :凝固速度;:凝固速度; mLmL:液相線斜率;:液相線斜率;CECE:共晶成分:共晶成分; ; C0 C0:合金成分;:合金成分;DL DL :溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。:溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。 (3
57、 3)兩相的成核和生長(zhǎng)要協(xié)調(diào)進(jìn)行。)兩相的成核和生長(zhǎng)要協(xié)調(diào)進(jìn)行。70/16:58:35(2 2)反應(yīng)生長(zhǎng)法)反應(yīng)生長(zhǎng)法 該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強(qiáng)的金屬和金該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強(qiáng)的金屬和金屬間屬間 化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長(zhǎng)的增化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長(zhǎng)的增強(qiáng)相的類強(qiáng)相的類 別或形態(tài),選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原別或形態(tài),選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料,如一定材料,如一定 粒度的金屬粉末、硼或碳粉,按一定比粒度的金屬粉末、硼或碳粉,按一定比例混合制成預(yù)制體,例混合制成預(yù)制體, 并加熱到熔化或自蔓延燃燒并加熱到熔化或自蔓延燃燒(SHSSHS)反應(yīng)發(fā)生的溫
58、度時(shí))反應(yīng)發(fā)生的溫度時(shí), ,預(yù)制體的組成元素進(jìn)行放預(yù)制體的組成元素進(jìn)行放熱反應(yīng),以生成在基體中彌散的微觀增強(qiáng)顆粒、晶須熱反應(yīng),以生成在基體中彌散的微觀增強(qiáng)顆粒、晶須和片晶等和片晶等 71/16:58:35例如:例如: Al + Ti + B TiB2 + Al TiB2 / Al Al + Ti + C TiC + Al TiC/ Al Fe2O3+ Al Al2O3+Fe + 850 kJ Al2O3 / Fe反應(yīng)生長(zhǎng)法(反應(yīng)生長(zhǎng)法(XD TM)工藝原理示意圖)工藝原理示意圖 72/16:58:351 1 粉末冶金法粉末冶金法 工藝流程:工藝流程: 原料(陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑)原
59、料(陶瓷粉末、增強(qiáng)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)(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。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)合材料的制備工藝陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝 73/16:58:352 2 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題,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、晶須和短纖維增可采用漿體(濕態(tài))法制備顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。韌陶瓷基復(fù)合材料。 其混合體為漿體形式?;旌象w中各組元保持散其混合體為漿體形式。混合體中各組元保持散凝狀。即在漿體中呈彌散分布。凝狀。即在漿體中呈彌散分布。 采用漿體浸漬法也可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基采用漿體浸漬法也可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料。 74/16:58:353 3 反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法 用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料,除基體材料幾乎用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料,除基體材料幾乎無收縮外,還具有以下優(yōu)點(diǎn):無收縮外,還具有以下優(yōu)點(diǎn): 1 1)增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大;)增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大; 2 2)可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體;)可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體; 3 3)
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