復(fù)合材料制備工藝

復(fù)合材料制備工藝11/25/20231材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝§9.1概述金屬材料：力學(xué)性能和可加工性好多數(shù)不耐很高的溫度耐磨和耐蝕性差

陶瓷材料：強(qiáng)度高、耐熱、耐磨、耐蝕性好很脆，加工性能差

高聚物材料：密度很低、韌性好強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限11/25/20232材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝早期人類用茅草與泥漿混合作為建筑材料、在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的越王劍和吳王矛是金屬包層復(fù)合材料、三國(guó)時(shí)期的藤甲是用藤浸漬桐油后形成的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料。11/25/20233材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝1、定義：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體2、組成：基體—連續(xù)相(延性、韌性好)

增強(qiáng)/強(qiáng)化相—分散相(強(qiáng)度高、密度小)3、特點(diǎn)與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料存在以下特點(diǎn)：（1）密度低、比強(qiáng)度、比模量高（2）疲勞強(qiáng)度高（3）熱膨脹系數(shù)?。?）耐腐蝕、耐熱沖擊、耐燒蝕等11/25/20234材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝§9.2增強(qiáng)材料

11/25/20235材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝選擇增強(qiáng)材料的原則：

1)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、模量和密度；

2)增強(qiáng)材料與基體材料的相容性；

4)性能/價(jià)格比。晶須和纖維：高強(qiáng)度、價(jià)格昂貴顆粒增強(qiáng)材料：價(jià)廉、耐磨11/25/20236材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝1、纖維增強(qiáng)材料

主要有玻璃~、芳綸~(Kevlar~)、尼龍~、聚乙烯~(Spectra~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon~)、氧化鋁~以及金屬~（如鎢、鉬、不銹鋼絲等）。玻璃纖維碳纖維

11/25/20237材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝碳纖維的結(jié)構(gòu)模型

a-普通型；b-高強(qiáng)度型；

c-高彈性模量型一般碳纖維由亂層結(jié)構(gòu)石墨微晶所組成，石墨的網(wǎng)平面不完整，沿纖維軸向排列也不整齊，強(qiáng)度和模量不夠高；高強(qiáng)度碳纖維網(wǎng)平面完整性提高，沿軸向排列也趨于整齊；高模量纖維則網(wǎng)平面更完整，沿軸向排列更整齊。11/25/20238材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝2、晶須

目前已研發(fā)出上百種晶須，在復(fù)合材料中應(yīng)用的主要是碳化硅~、氧化鋁~、氮化硅~等陶瓷晶須。α-碳化硅晶須NbC晶須11/25/20239材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝a)多角狀SiC顆粒b)等離子噴射熔融法制備的Al2O3顆粒c)溶膠凝膠法制備的Al2O3顆粒d)α-Al2O3片晶

3、顆粒增強(qiáng)材料碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨等顆粒。11/25/202310材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝§9.4典型的復(fù)合材料及其應(yīng)用

（1）按用途分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料（2）按各成分在材料中的集散情況分：分散強(qiáng)化型~、層狀~、梯度~

（3）按基體材料類型分：金屬基~、聚合物基~、陶瓷基~、碳/碳~（C/C）

（4）按增強(qiáng)材料形態(tài)分：顆粒增強(qiáng)~、晶須增強(qiáng)~、纖維增強(qiáng)~

11/25/202311材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝層狀復(fù)合材料—鋁包鋼線

11/25/202312材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝功能復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料11/25/202313材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝1、聚合物基復(fù)合材料

（PolymerMatrixComposites，簡(jiǎn)稱PMC）

在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣和用量最大的是聚合物基復(fù)合材料。包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料

11/25/202314材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料，GFRP)

突出特點(diǎn)：密度低、比強(qiáng)度高。

應(yīng)用航空航天工業(yè)：波音B-747飛機(jī)的機(jī)內(nèi)、外結(jié)構(gòu)件中玻璃鋼的使用面積達(dá)到了2700m2，如雷達(dá)罩、機(jī)艙門、燃料箱、行李架和地板等。11/25/202315材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管(耐燒蝕)。11/25/202316材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝能源領(lǐng)域—風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片風(fēng)能發(fā)電每年以約25%的速率遞增隨發(fā)電功率增大，風(fēng)機(jī)葉片尺寸越來越大，對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求提高，大多采用玻璃鋼（30多米）11/25/202317材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝特點(diǎn)之二：具有良好的耐腐蝕性能，在酸、堿、海水，甚至有機(jī)溶劑等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，耐腐蝕性超過了不銹鋼。石油化工：貯罐、容器、管道、洗滌器、冷卻塔等

玻璃鋼管道與接頭在石油、化工工業(yè)中的應(yīng)用11/25/202318材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝玻璃鋼容器（200m3水箱）

大口徑玻璃鋼輸水管道

11/25/202319材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝采用玻璃鋼制作的體育用品也越來越多，大到快艇、帆船、滑雪車，小到自行車賽車、滑雪板、釣魚竿、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，應(yīng)有盡有。11/25/202320材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝復(fù)合材料(玻璃鋼)制作的漁船

11/25/202321材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝

玻璃鋼具有透光、隔熱、隔音和防腐等性能，因而可作為輕質(zhì)建筑材料，如用于建筑工程的各種玻璃鋼型材。

玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢各種玻璃鋼型材制品11/25/202322材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝2、金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposites、簡(jiǎn)稱MMC）

耐高溫、高比強(qiáng)度和比模量；具有高韌性、耐熱沖擊、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好，并可和金屬材料一樣進(jìn)行熱處理和其它加工來進(jìn)一步提高性能。

MMC以基體來分類可分為：鋁基、鈦基、鎂基和高溫合金基復(fù)合材料。11/25/202323材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝

鋁基復(fù)合材料（AluminumMatrixComposites）是當(dāng)前使用最廣泛、應(yīng)用最早、品種和規(guī)格最多的一種MMC。

硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體龍骨桁架和支柱11/25/202324材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝隨著碳纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)材料的開發(fā)，降低了MMC的成本，鋁基MMC已用于空間站結(jié)構(gòu)材料如主結(jié)構(gòu)支架等，和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、尾翼等。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件11/25/202325材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)材料在MMC的應(yīng)用以及MMC新的制備技術(shù)開發(fā)，降低了成本，擴(kuò)大了鋁基MMC在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，最明顯的是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。由于Al2O3顆?；蚨汤w維、SiC顆?；蚓ы?、B4C顆粒增強(qiáng)的鋁基MMC具有良好的高溫力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和耐磨性，因此可制成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套、活塞（活塞環(huán)）、連桿、氣門挺柱以及制動(dòng)器的剎車盤、剎車襯片等。

11/25/202326材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝Al2O3短纖維/Al汽車活塞(活塞環(huán))(豐田汽車公司)(左)SiCp/Al連桿，鍛件替代鋼連桿，減重6kg(福特、通用汽車公司)(中)SiCp/Al，Al2O3p/Al汽車剎車盤，減重60％(豐田、福特和通用汽車公司)(右)11/25/202327材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝3、陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrixComposites、簡(jiǎn)稱CMC）基體：玻璃陶瓷（如鋰鋁硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化鋁、碳化硅、氮化硅等增強(qiáng)材料：碳化硅纖維、碳纖維，碳化硅晶須、碳化硅顆粒、氧化鋁顆粒等典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化鋯增韌氧化鋁等。11/25/202328材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝用于微波放大器中低壓場(chǎng)發(fā)射排列陰極的共晶原位復(fù)合材料鎢與鉬等難熔金屬的連續(xù)纖維平行排列于氧化物基體中11/25/202329材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝由YBa2Cu3O7-x（淡色的表面層）CVD到Al2O3多絲纖維（黑色核心部分）上而制成的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)復(fù)合材料

11/25/202330材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝CMC的高硬度、耐蝕性和耐磨性，如SiCw/Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已得到廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域是用于現(xiàn)代高速、數(shù)控機(jī)床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。SiC晶須增強(qiáng)氧化鋁鉆頭（左）顆粒增強(qiáng)氮化硅刀具(中)采用顆粒增強(qiáng)氮化硅刀具加工高硬度的高鉻鑄鐵件（右）11/25/202331材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝CMC可以制作人工關(guān)節(jié)等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到應(yīng)用。CMC的人工關(guān)節(jié)和齒11/25/202332材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝4、碳/碳復(fù)合材料（C/C）

一般C/C是由碳纖維及其制品做成預(yù)成型體，通過CVD或液態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/C的基體碳來制備的。三維正交碳纖維增強(qiáng)的C/C的顯微結(jié)構(gòu)11/25/202333材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝作為耐燒蝕材料用于軍事工業(yè)的導(dǎo)彈彈頭，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、喉襯，在航天領(lǐng)域中作為航天飛機(jī)的鼻錐、機(jī)翼前緣。C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用11/25/202334材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝具有優(yōu)異的摩擦磨損性能。C/C可作為軍用和民用飛機(jī)的剎車盤材料得到廣泛應(yīng)用。目前(60~70)％的C/C主要用于摩擦材料，包括飛機(jī)剎車盤、F-1賽車、高速列車的剎車制動(dòng)材料。C/C的剎車盤11/25/202335材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝由于C/C的高溫性能和低密度特性，有可能成為工作溫度達(dá)1500~1700℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想輕質(zhì)材料。目前研究人員正在進(jìn)行C/C航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、整體渦輪盤及葉片的應(yīng)用研究。C/C的另一用途是利用其與人體的生物相容性，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如人工心臟瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髖關(guān)節(jié)等。

11/25/202336材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝§9.5復(fù)合材料制備工藝§9.5.1金屬基復(fù)合材料的制備粉末冶金法鑄造熱壓擴(kuò)散法熱擠熱軋熔融金屬浸透等離子噴涂法等11/25/202337材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝1、粉末冶金法廣泛用于各種顆粒、晶須及短纖維增強(qiáng)的分散強(qiáng)化型金屬基復(fù)合材料。首先將金屬粉末和增強(qiáng)體均勻混合，制得復(fù)合坯料，再壓制燒結(jié)成錠，然后可通過擠壓、軋制和鍛造等二次加工成材。原生復(fù)合法利用燒結(jié)高溫下的化學(xué)反應(yīng)，在燒結(jié)體內(nèi)直接生成能夠強(qiáng)化顆粒。如2Cu-Al+3CuO→5Cu+Al2O311/25/202338材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝優(yōu)點(diǎn)：（1）自由選擇基體金屬材料和強(qiáng)化顆粒；（2）強(qiáng)化顆粒分散均勻。缺點(diǎn)：（1）工藝較復(fù)雜，成本高；（2）微細(xì)顆粒均勻分散較困難；（3）強(qiáng)化顆粒表面污染不易除去，基體與顆粒界面不如鑄造法。

11/25/202339材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝2、鑄造凝固成形

分類：

（1）用于分散強(qiáng)化型復(fù)合材料成形的方法：

普通鑄造法；含浸凝固法；連續(xù)鑄造法；（2）用于層狀復(fù)合材料成形的方法：

離心鑄造法；熱浸鍍法；反向凝固法；鑄拉法；雙結(jié)晶器鑄造法。

11/25/202340材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝含浸凝固法（加壓含浸法）（1）定義：將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強(qiáng)化相成形體（預(yù)成形體）含浸于熔融基體金屬中，待浸透后，使其凝固以制備復(fù)合材料的方法。（2）特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：兩相之間潤(rùn)濕性差的復(fù)合材料；

有利于提高強(qiáng)化相含量；有利于抑制強(qiáng)化相與基體之間反應(yīng)（接觸時(shí)間短）。缺點(diǎn)：顆粒強(qiáng)化預(yù)成形體的制備比較困難，熔體金屬不易浸透至預(yù)成形體的內(nèi)部。

加壓含浸法11/25/202341材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝含浸凝固法工藝及其制備的SiC/Al復(fù)合材料顯微組織11/25/202342材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝3、噴射沉積

1）添加法（動(dòng)畫：Osprey法）

顆粒添加噴射成形法具有強(qiáng)化顆粒與熔融金屬接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)可以得到有效抑制。2）反應(yīng)噴射沉積法：使強(qiáng)化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動(dòng)生成的方法。因此，反應(yīng)噴射沉積法也是一種原生復(fù)合法。

Osprey法11/25/202343材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝4、熱壓擴(kuò)散法按照制品形狀、纖維體積密度及性能要求，將金屬基體與增強(qiáng)材料按一定順序和方式組裝成型，然后加熱到某一低于金屬基體熔點(diǎn)的溫度，同時(shí)加壓保持一定時(shí)間，使基體金屬產(chǎn)生蠕變和擴(kuò)散，與纖維之間形成良好的界面結(jié)合，得到復(fù)合材料制品。11/25/202344材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝§9.5.2陶瓷基復(fù)合材料的制備顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料制備方法：一般與典型陶瓷材料的相同。晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料晶須的尺寸基本與基體粉體在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，制備工藝基本與陶瓷材料相近。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料制備方法：化學(xué)氣相沉積、化學(xué)氣相滲透、高溫熔體滲透、室溫漿料浸漬、反應(yīng)燒結(jié)等11/25/202345材料工程基礎(chǔ)—復(fù)合材料制備工藝化學(xué)氣相滲透(CVI