復(fù)合材料3課件

第七章聚合物復(fù)合材料（PMC）制備工藝7.1聚合物復(fù)合材料的分類7.1.1纖維增強(qiáng)（FRC）（1）按纖維形態(tài)：連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維；（2）按鋪層方式：單向；織物；三維；（3）按纖維種類：玻璃纖維；碳纖維；芳綸（Kevlar）纖維；混雜纖維；7.1.2晶須增強(qiáng)（WRC）7.1.3粒子增強(qiáng)（PRC）7.2聚合物復(fù)合材料的性能（1）高比強(qiáng)、高比模量。（2）設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡單。（3）熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定。（4）耐腐蝕、抗疲勞性能好。（5）減震性能好。（6）高溫性能好。（7）安全性能好。聚合物復(fù)合材料與幾種金屬材料的力學(xué)性能比較材料GFRP玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（玻璃鋼）CFRP碳纖維增強(qiáng)熱固性塑料鋼鋁鈦密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸強(qiáng)度,GPa1.21.81.40.481.0比強(qiáng)度6001120180170210拉伸模量,GPa4213021077110比模量2181272725熱膨脹系數(shù)(10-6/K)80.212239.0

后浸漬技術(shù)：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。（1）預(yù)浸料制備：（2）預(yù)混料制造a.SMC(片狀模塑料)和BMC(團(tuán)狀模塑料)制造：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。SMC一般用專用SMC機(jī)組制造；BMC用捏合法制造。b.GMT(玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料)制造：GMT是一種類似于熱固性SMC的復(fù)合材料半成品。所采用的增強(qiáng)劑是無堿玻璃、無紡氈或連續(xù)纖維。制造工藝有熔融浸漬法和懸浮浸漬法。c.IMC(顆粒狀注射模塑料)制造：IMC一般使用雙螺桿擠出機(jī)制造，由切割機(jī)切斷，長度一般為3–6mm。（2）壓力成型：a.袋壓成型：真空袋成型；壓力袋成型；袋壓成型是最早最廣泛用于預(yù)浸料成型的工藝之一。將鋪層鋪放在模具中，依次鋪上脫膜布、吸膠層、隔離膜袋膜等，在熱壓下固化。經(jīng)過所需的固化周期后，材料形成具有一定結(jié)構(gòu)形狀的構(gòu)件

。

b.熱壓罐成型工藝過程：鋪層被裝袋并抽真空以排除包埋的空氣或其它揮發(fā)物，在真空條件下在熱壓罐中加熱、加壓固化。固化壓力通常在0.35-0.7MPa。1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；

5-弓形夾；

6-熱壓罐；

7-底板；

（3）纏繞成型：纏繞成型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。

（5）模壓成型：對(duì)模模壓成型是最普通的模壓成型技術(shù)。它一般分為三類：坯料模壓、片狀模塑料模壓和塊狀塑料模壓。

（6）擠出成型是熱塑性塑料主要加工方法之一。干燥的熱塑性塑料（粉料或粒料）從料斗進(jìn)入擠出機(jī)加熱料筒，料筒中螺桿旋轉(zhuǎn)，物料沿螺槽前移。前移過程中物料受機(jī)械剪切作用摩擦熱和料筒的加熱逐漸熔融成熔體，熔體受螺桿軸向推力的作用通過機(jī)頭和口模，獲得與口模形狀相似的連續(xù)體。

擠出成型工藝示意圖

（8）噴射成型

這是一種半機(jī)械化成型技術(shù)。它是將混有引發(fā)劑的樹脂和混有促進(jìn)劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè)噴出或混合后噴出，同時(shí)將纖維用切斷器切斷并從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具上，待材料在模具上沉積一定厚度后，用手輥壓實(shí)，除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化成制品。

噴射成型原理圖

（9）樹脂傳遞成型：先將增強(qiáng)劑置于模具中形成一定形狀，再將樹脂注射進(jìn)入模具、浸漬并固化的一種復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，是FRP（纖維增強(qiáng)塑料）的主要成型工藝之一。特點(diǎn)是：污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在制品可設(shè)計(jì)性、可方向性增強(qiáng)、制品綜合性能方面優(yōu)于SMC、BMC。

7.3.3PMC的界面(1)PMC的界面特點(diǎn)：（A）大多數(shù)界面為物理粘結(jié)，結(jié)合強(qiáng)度較低，結(jié)合力主要來自如色散力、偶極力、氫鍵等物理粘結(jié)力。偶聯(lián)劑與纖維的結(jié)合（化學(xué)反應(yīng)或氫鍵）

也不穩(wěn)定，可能被環(huán)境（水、化學(xué)介質(zhì)等）破壞。（B）PMC的界面一般在較低溫度下使用，其界面可保持相對(duì)穩(wěn)定。（C）PMC中增強(qiáng)劑本身一般不與基體材料反應(yīng)。(2)PMC界面設(shè)計(jì)基本原則：改善浸潤性、提高界面結(jié)合強(qiáng)度。(A)使用偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑是一種化合物，其分子兩端含有不同的基團(tuán)，一端可與增強(qiáng)劑發(fā)生化學(xué)或物理作用，另一端則能與基體材料發(fā)生化學(xué)或物理作用，從而使增強(qiáng)劑與基體靠偶聯(lián)劑的偶聯(lián)緊密地結(jié)合在一起。(B)增強(qiáng)劑表面（活化）處理由于碳纖維本身的結(jié)構(gòu)特征（沿纖維軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶）以及石墨表面能低，纖維不能被樹脂很好浸潤?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪愿淖兝w維

表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)，使其表面能提高，以改善浸潤性或使表面生成一些能與樹脂反應(yīng)形成化學(xué)鍵的活性官能團(tuán)，如引入-COOH、-OH、-NH2、C=O等，從而提高纖維與基體的相容性以及結(jié)合強(qiáng)度。第八章金屬基復(fù)合材料（MMC）制備工藝8.1概述

8.1.1金屬基復(fù)合材料的研究重點(diǎn)1）不同基體和不同增強(qiáng)相復(fù)合效果、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和性能；2）增強(qiáng)相/基體的界面優(yōu)化、界面設(shè)計(jì)；3）制備工藝的研究，以提高復(fù)合材料的性能和降低成本；4）新型增強(qiáng)劑的研究開發(fā)；5）復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用。

8.1.2

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、熱等靜壓、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓、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。3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。4）原位生長法。8.2先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備

8.2.1粉末法纖維/基體復(fù)合絲

首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，然后將纖維通過帶有一定孔徑毛細(xì)管的膠槽，在纖維表面均勻地涂敷上一層基體粉末膠體，干燥后形成一定直徑的纖維/基體粉末復(fù)合絲。

8.2.2PVD法纖維/基體復(fù)合絲

采用磁控濺射等物理氣相沉積（PVD）手段將基體金屬均勻沉積到纖維表面上，形成纖維/基體復(fù)合絲。

PVD法纖維/基體復(fù)合絲原理圖

8.2.3等離子噴涂纖維/基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）：

8.2.5熔池法纖維/基體復(fù)合絲

這種復(fù)合絲制備方法主要是應(yīng)用于碳纖維或石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。由于碳纖維或石墨纖維與鋁液接觸會(huì)反應(yīng)生成Al4C3界面生成物。過量的脆性相Al4C3生成會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。

對(duì)石墨纖維進(jìn)行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤濕性，防止過量的脆性相Al4C3生成。8.3金屬基復(fù)合材料（MMC）制備方法

8.3.1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)合材料常采用的工藝。其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）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(jì)復(fù)合材料的性能；3）利于增強(qiáng)相與金屬基體的均勻混合。

4）其組織致密、細(xì)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。但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點(diǎn)。8.3.2固態(tài)法（連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）

（1）真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合

（2）熱等靜壓（HIP）

熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖

（3）模壓成型

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最終制品。常用這種工藝制備各種型材。

8.3.3液態(tài)法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）（1）壓鑄法在壓力的作用下，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)制體的空隙中，在壓力下快速凝固成型。（2）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)行壓鑄成型。（3）噴射成型法

噴射沉積工藝是一種80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。該工藝過程是將基體金屬在坩堝中熔煉后，在壓力作用下通過噴嘴送入霧化器，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，形成“霧化錐”；同時(shí)通過一個(gè)或多個(gè)噴嘴向“霧化錐”噴射入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在一基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

噴射成型法示意圖

（4）無壓浸滲法美國Lanxide公司開發(fā)的一種新工藝。將增強(qiáng)材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部。然后一齊均裝入可通入流氮?dú)獾募訜釥t中。通過加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體中。無壓浸滲法制備Al2O3（f）/Al復(fù)合材料工藝原理示意圖

8.3.4原位（Insitu）生長（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)定性好，不存在基體與增強(qiáng)相之間的認(rèn)識(shí)潤濕和界面反應(yīng)等問題，基體與增強(qiáng)相結(jié)合良好，較好的解決了界面相容性問題。

（1）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)的和相同時(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（上圖）。定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長必須滿足三個(gè)條件：

（1）有溫度梯度（GL）的加熱方式；

（2）滿足平面凝固條件；GL/VI=mL（CE–C0）/DL

式中：GL：液相溫度梯度；VI：凝固速度；

mL：液相線斜率；CE：共晶成分：

C0：合金成分；DL：溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。

（3）兩相的成核和生長要協(xié)調(diào)進(jìn)行。（2）反應(yīng)生長法（XDTM）

該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強(qiáng)的金屬和金屬間化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長的增強(qiáng)相的類別或形態(tài)，選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料，如一定粒度的金屬粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成預(yù)制體，并加熱到熔化或自蔓延燃燒（SHS）反應(yīng)發(fā)生的溫度時(shí)，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、晶須和片晶等

例如：

Al+Ti+BTiB2+Al

TiB2/AlAl+Ti+CTiC+Al

TiC/AlFe2O3+AlAl2O3+Fe+850KJAl2O3/Fe反應(yīng)生長法（XDTM）工藝原理示意圖

8.4金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)

8.4.1金屬基復(fù)合材料的界面

類

型1類

型2類

型3纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解纖維與基體互不反應(yīng)但相互溶解纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層鎢絲/銅Al2O3

纖維/銅Al2O3

纖維/銀硼纖維（BN表面涂層）/鋁不銹鋼絲/鋁SiC纖維/鋁硼纖維/鋁硼纖維/鎂鍍鉻的鎢絲/銅碳纖維/鎳鎢絲/鎳合金共晶體絲/同一合金鎢絲/銅–鈦合金碳纖維/鋁（

580C）Al2O3

纖維/鈦硼纖維/鈦硼纖維/鈦-鋁SiC纖維/鈦SiO2

纖維/鈦8.4.2金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計(jì)改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性以及控制界面反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生，進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)，是金屬基復(fù)合材料界面研究的重要內(nèi)容。從界面優(yōu)化的觀點(diǎn)來看，增強(qiáng)劑與基體的在潤濕后又能發(fā)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，達(dá)到化學(xué)結(jié)合，有利于增強(qiáng)界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計(jì)一般有以下幾種途徑：8.4.2.1增強(qiáng)劑的表面改性處理增強(qiáng)材料的表面改性（涂層）處理可起到以下作用：（1）改善增強(qiáng)劑的力學(xué)性能，保護(hù)增強(qiáng)劑的外來物理和化學(xué)損傷（保護(hù)層）；（2）改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性和粘著性（潤濕層）；（3）防止增強(qiáng)劑與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)(阻擋層)（4）減緩增強(qiáng)劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應(yīng)力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象（過渡層、匹配層）；（5）促進(jìn)增強(qiáng)劑與基體的（化學(xué)）結(jié)合（犧牲層）。常用的增強(qiáng)材料的表面（涂層）處理方法有：