第5章 納米復(fù)合材料

3/4/20241第五章納米復(fù)合材料－“世紀(jì)的新材料”3/4/20242復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過(guò)各種工藝手段組合而成的復(fù)合體。

如果增強(qiáng)體是納米級(jí)的話，如納米顆粒、納米晶片、納米晶須、納米纖維等，就稱為納米復(fù)合材料?；w：連續(xù)相增強(qiáng)體：以一定的形態(tài)分布于連續(xù)相中的分散相“納米復(fù)合材料”（Nanocomposites）由兩種或兩種以上的固相至少在一個(gè)方向納米級(jí)大?。?~100nm）復(fù)合而成的復(fù)合材料。3/4/20243主要內(nèi)容納米復(fù)合材料的分類陶瓷基納米復(fù)合材料金屬基納米復(fù)合材料高分子基納米復(fù)合材料3/4/202445.1納米復(fù)合材料的分類3/4/202450-0復(fù)合:不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子復(fù)合而成的納米固體;0-3復(fù)合:把納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中;0-2復(fù)合:把納米粒子分散到二維的薄膜材料中.

均勻彌散:納米粒子在薄膜中均勻分布；非均勻彌散：納米粒子隨機(jī)地、混亂地分散在薄膜基體中。

按基體形狀可把納米復(fù)合材料分：3/4/20246按復(fù)合方式不同，納米復(fù)合材料分為晶內(nèi)型和晶間型納米復(fù)合材料：

納米粒子主要彌散于基體晶粒內(nèi)或基體晶粒間目的：不僅為了改善室溫力學(xué)性能及耐用性，而且要改善高溫力學(xué)性能，如硬度、強(qiáng)度、抗蠕變和疲勞破壞性能。納米－納米型復(fù)合材料則是由納米級(jí)增強(qiáng)體和納米基體晶粒構(gòu)成，使材料增加某些新的功能，例如可加工性和超塑性等。3/4/202475.3陶瓷基納米復(fù)合材料制備方法包括：

1固相法（熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延高溫合成）

2液相法（漿體法、液態(tài)浸漬法、溶膠－凝膠法、聚合物熱解法）

3氣相法（化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相浸漬法）

4原位復(fù)合法

3/4/202485.3.1固相法定義：將陶瓷粉體在一定溫度和一定壓力下進(jìn)行燒結(jié)，稱為熱壓燒結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：與無(wú)壓燒結(jié)相比，燒結(jié)溫度低得多。通過(guò)熱壓燒結(jié)，可制得具有較高致密度的陶瓷基納米復(fù)合材料，并且晶粒元明顯長(zhǎng)大。例如以Si3N4粉和納米SiCw晶須為原料，加入少量添加劑(如MgO等)，混合均勻后，裝入石墨模具中，在l600—1700℃的氬氣中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力20～30MPa?？傻玫街旅艿?可達(dá)理論密度的95％)SiCw／Si3N4納米復(fù)合材料。1．熱壓燒結(jié)(HP)3/4/202493/4/2024101991年Niihara將5%SiC(～300nm)與Al2O3

合成的納米復(fù)合材料的室溫強(qiáng)度由純基體的350MPa

提高到1000MPa,同時(shí),斷裂韌性也提高了40%。

此文章中用熱壓燒結(jié)法制備了系列納米Fe3Al增強(qiáng)Al2O3

復(fù)合材料。其抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)832MPa。3/4/202411實(shí)驗(yàn)方法：基體粉料α-Al2O3,純度≥99%,平均粒徑3μm納米增韌相Fe3Al,采用H2電弧等離子體法制得,平均粒徑50nm。用KQ218型超聲波清洗器對(duì)納米Fe3Al進(jìn)行分散后,與不同比例的Al2O3料在乙醇介質(zhì)中球磨混合1h,經(jīng)真空干燥,過(guò)篩后,放入石墨模具中。熱壓燒結(jié)在多功能燒結(jié)爐中進(jìn)行,燒結(jié)溫度1450～1600℃,軸向壓力30MPa,保溫保壓時(shí)間30min,燒結(jié)氣氛為N2氣。3/4/202412熱等靜壓(HotIsostaticPressing,HIP)屬于熱壓燒結(jié)的一種。與冷等靜壓法相比，它是用金屬箔代替橡膠模具，用氣體代替液體，使金屬箔內(nèi)的陶瓷基體和納米增強(qiáng)體混合粉末均勻受壓。通常所用氣體為氦氣、氬氣等惰性氣體，金屬箔為低碳鋼、鎳、鉬等。一般壓力為100～300MPa，溫度從幾百度(℃)至2000℃。也可先無(wú)壓燒結(jié)后再進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)。3/4/202413與一般熱壓燒結(jié)法相比，HIP優(yōu)點(diǎn)：混合物料受到各向同性的壓力，使顯微結(jié)構(gòu)均勻；HIP法施加壓力高，在較低溫度下即可燒結(jié)。如：氧化鋁基復(fù)合材料無(wú)壓燒結(jié)溫度為1800℃；熱壓燒結(jié)(20MPa)溫度為1500℃；

HIP燒結(jié)(400MPa)在1000℃的較低溫度下就已致密化了。

3/4/2024142．反應(yīng)燒結(jié)(RS)

定義：將陶瓷基體粉末和增強(qiáng)體納米粉末混合均勻，加入粘結(jié)劑后壓制成所需形狀，經(jīng)高溫加熱進(jìn)行氮化或碳化，反應(yīng)生成陶瓷基體把納米級(jí)第二相緊密地結(jié)合在一起，從而獲得陶瓷基納米復(fù)合材料的方法。用這種方法可以制備氮化硅或碳化硅基納米復(fù)合材料。反應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)陶瓷基體幾乎無(wú)收縮；

(2)納米晶須或纖維的體積分量可以相當(dāng)大；

(3)大多數(shù)陶瓷的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的常規(guī)燒結(jié)溫度，因此可以避免納米晶須或纖維的損壞。3/4/202415例如，采用反應(yīng)燒結(jié)法制備SiCw／Si3N4

納米復(fù)合材料：以硅粉為原料，加入一定量的SiCw，用一般方法成型后，在N2+H2的氣氛下預(yù)氮化1～1.5h，氮化溫度為1180～1210℃。預(yù)氮化后有一定的強(qiáng)度，可進(jìn)行機(jī)械加工，以達(dá)到所需尺寸。最后，在1350-1450℃氮化18～36h，直到所有的硅都變成氮化硅，得到尺寸精確的SiCw／Si3N4納米復(fù)合材料制品。3/4/202416反應(yīng)燒結(jié)法最大缺點(diǎn)是氣孔率高，可用熱壓和反應(yīng)燒結(jié)并用來(lái)克服，稱為反應(yīng)熱壓法。例如采用反應(yīng)熱壓法制備TiB2/Ti(C，N)納米復(fù)合材料。3/4/2024173.微波燒結(jié)

陶瓷基納米復(fù)合材料在燒結(jié)過(guò)程中，于高溫停留很短時(shí)間，納米級(jí)第二相晶粒就長(zhǎng)大到近一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，要想使晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大，必須采用快速升溫，快速降溫的燒結(jié)方法。而微波燒結(jié)技術(shù)可以滿足這個(gè)要求。微波燒結(jié)的升溫速度(500℃/min)，升溫時(shí)間短(2min)，解決了普通燒結(jié)方法不可避免的納米晶異常長(zhǎng)大問(wèn)題。3/4/202418采用微波燒結(jié)可制備ZrO2/Al2O3納米復(fù)合材料制備陶瓷納米粉體：ZrO2-Y2O3-Al2O3，納米復(fù)合粉體采用化學(xué)共沉淀法制備：ZrOCl2·8H2O水溶液+YCl3水溶液+AlCl3水溶液混合－滴入氨水(pH=9－10)－共沉淀出Zr(OH)4、8Y(OH)3、3Al(OH)3混合物－600℃煅燒1h，得到納米復(fù)合粉料。經(jīng)壓制成型后，在微波燒結(jié)爐中燒結(jié)3～4min，即可獲得ZrO2/Al2O3納米復(fù)合材料。該復(fù)合材料屬納米－納米型。3/4/2024194．自蔓延高溫合成(SHS)自蔓延高溫合成法是按反應(yīng)方程式的配比混合原料，經(jīng)成型后，點(diǎn)燃試樣一端，由于反應(yīng)放出大量的熱，使試樣其他部分也發(fā)生反應(yīng)，直到反應(yīng)完畢為止。例如：采用自蔓延高溫合成法可以制備TiCp/Al2O3納米復(fù)合材料。以TiO2粉、Al粉、石墨粉(均為納米級(jí))為原料，按化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行配料，經(jīng)混合、均化、成型后，在隋性氣體保護(hù)下，用電熱線圈點(diǎn)燃?jí)K體一端，點(diǎn)燃后切斷電源。被點(diǎn)燃的納米粉末發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式為:3TiO2+4Al+3C→3TiC+2Al2O33/4/202420產(chǎn)物是多孔狀的，必須經(jīng)過(guò)后處理:方法1：在自蔓延高溫合成的同時(shí)，進(jìn)行加壓(類似于反應(yīng)熱壓法)。方法2：把自蔓延高溫合成的產(chǎn)物粉碎后再成型，繼而無(wú)壓燒結(jié)。自蔓延高溫合成的粉末粒度很細(xì)(100～500nm)，團(tuán)聚的粉末通過(guò)球磨較容易分散，而且粉末中含有少量的游離C，使得在高于1850℃時(shí)出現(xiàn)低共熔液相，從而在無(wú)需添加劑時(shí)，就可無(wú)壓燒結(jié)而成，燒結(jié)溫度為1875～1950℃。方法3：采用SHS合成的粉末，再熱壓燒結(jié)。3/4/2024213/4/202422試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)管材為Ф30mm×300mm、厚度3mm的20號(hào)熱軋無(wú)縫鋼管,經(jīng)酸洗除銹、堿洗除油后,用鋁座將一端包封。試驗(yàn)用原料為:工業(yè)純鋁粉、分析純Cr2O3

粉、分析純ZrO2粉及分析純Y2O3粉和SiO2

粉組成。將上述粉末按比例配制燃燒體系,將樣品分別編號(hào)，其中Cr2O3+Al的配比以化學(xué)摩爾比按公式Cr2O3+Al→Al2O3+Cr計(jì)算。混料機(jī)充分混合后,取出加壓充填于鋼管中,用直徑0.5mm的通電鎢絲在其上部加熱引燃,使之發(fā)生SHS反應(yīng),并在復(fù)合管合成過(guò)程中施以相應(yīng)地機(jī)械振動(dòng)。3/4/2024235.3.2液相法

目的：為了克服熱壓燒結(jié)中各材料組元，尤其是增強(qiáng)體材料為納米晶須和纖維時(shí)混合不均勻的問(wèn)題方法：把納米級(jí)第二相彌散到基體陶瓷的漿體中，為了使各材料組元在漿體中保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布，可通過(guò)調(diào)整溶液的pH值和超聲波攪拌來(lái)改善彌散性。彌散的混合漿體可直接澆注成型后燒結(jié)，也可以冷壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。1．漿體法3/4/202424漿體法工藝流程圖5.2l孔隙太多，械性能較差濕法混料、熱壓燒結(jié)工藝，

可以制備出納米級(jí)第二相彌散分布的陶瓷基納米復(fù)合材料3/4/2024253/4/2024262．液態(tài)浸漬法

陶瓷熔體的溫度要比高分子和金屬高得多，而且陶瓷熔體的粘度通常很高，這使得浸漬預(yù)制件相當(dāng)困難。A:高溫下陶瓷基體與增強(qiáng)材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)B:陶瓷基體與增強(qiáng)材料的熱膨脹失配

因此，采用液態(tài)浸漬法制備陶瓷基納米復(fù)合材料時(shí)，化學(xué)反應(yīng)性、熔體的粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首先要考慮的問(wèn)題。這些因素直接影響陶瓷基納米復(fù)合材料的性能。

由任何形式的增強(qiáng)體材料(納米級(jí)顆粒、晶須、纖維等)制成的預(yù)制體都具有網(wǎng)絡(luò)孔隙。由于毛細(xì)作用，陶瓷熔體可滲入這些孔隙。3/4/202427①氧化鋁納米纖維增強(qiáng)金屬間化合物(例如Ni3Al)納米復(fù)合材料。

實(shí)例：3/4/2024283/4/2024293．溶膠－凝膠法(Sol-Gel)將基體組元形成溶液或溶膠；加入增強(qiáng)體材料組元(納米級(jí)復(fù)合材料加入納米級(jí)第二相（納米顆粒、晶須、纖維或晶種)，經(jīng)攪拌使其在液相中均勻分布；當(dāng)基體組元形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元?jiǎng)t穩(wěn)定地均勻分布在基體材料中；經(jīng)干燥或一定溫度熱處理，然后壓制、燒結(jié)，即可形成復(fù)合材料。

用溶膠－凝膠法制備復(fù)合材料的原理：3/4/202430溶膠-凝膠法制備納米復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：基體成分易控制，復(fù)合材料的均勻性好，加工溫度較低。缺點(diǎn)：相對(duì)于漿體法，制備的復(fù)合材料收縮率大，導(dǎo)致基體常發(fā)生開(kāi)裂。該方法已制備出SiCw增強(qiáng)SiO2-Al2O3-Cr2O3陶瓷基納米復(fù)合材料。

在SiO2．Al2O3凝膠中加入莫來(lái)石納米晶種，經(jīng)燒結(jié)后陶瓷中會(huì)長(zhǎng)出長(zhǎng)徑比10：1的莫來(lái)石晶須，使其力學(xué)性能得到提高。3/4/2024314．聚合物熱解法溶膠-凝膠工藝和聚合物熱解工藝都是利用有機(jī)先驅(qū)體在高溫下裂解而轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)陶瓷基體的一種方法。溶膠-凝膠法主要用于制備氧化物陶瓷基復(fù)合材料，例如：Al2O3

、ZrO2、TiO2陶瓷基體等。聚合物熱解法主要用于制備非氧化物陶瓷基復(fù)合材料。目前主要以氮化物、碳化物系陶瓷基體為主。

最常用的聚合物是有機(jī)硅高聚物，如含碳和硅的聚碳硅烷成型后，經(jīng)直接高溫分解并高溫?zé)Y(jié)后，可制得SiC或Si3N4單相陶瓷基，或由SiC和Si3N4組成的多相陶瓷基納米復(fù)合材料。為了解決氣孔率高的問(wèn)題，可以采用熱解+熱壓的方法。

3/4/2024325.2.2氣相法A：化學(xué)氣相沉積法(CVD)B：化學(xué)氣相浸漬法(CVI)

3/4/202433A:化學(xué)氣相沉積法

原理：使反應(yīng)物氣體在加熱的增強(qiáng)相預(yù)制體中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，基體生成物沉積在增強(qiáng)相表面，從而形成陶瓷基復(fù)合材料。CVD法的優(yōu)點(diǎn)：生成物基體的純度高，顆粒尺寸容易控制，可獲得優(yōu)良的高溫機(jī)械性能，特別適用于制備高熔點(diǎn)的氮化物、碳化物、硼化物系陶瓷基納米復(fù)合材料。例如以SiCl4、C4H10和Ar氣作為沉積氣相，在納米增強(qiáng)相預(yù)制體的間隙中沉積出SiC。CVD法缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高，而且制品的孔隙率較大。3/4/202434B：化學(xué)氣相浸漬法(CVI)

3/4/2024355.3.4原位復(fù)合法

方法的關(guān)鍵：

A:在陶瓷基體中均勻加入可生成納米第二相的元素或化合物，控制其反應(yīng)生成條件，使其在陶瓷基體致密化過(guò)程中，在原位同時(shí)生長(zhǎng)出納米顆粒、晶須和纖維等，形成陶瓷基納米復(fù)合材料。

B：利用陶瓷液相燒結(jié)時(shí)某些晶相生長(zhǎng)成高長(zhǎng)徑比的習(xí)性，控制燒結(jié)工藝，使基體中生長(zhǎng)出高長(zhǎng)徑比晶體，形成陶瓷基復(fù)合材料。定義：在陶瓷基納米復(fù)合材料制備時(shí)，利用化學(xué)反應(yīng)生成增強(qiáng)體組元－納米顆粒、晶須、纖維等來(lái)增強(qiáng)陶瓷基體的工藝過(guò)程稱為原位復(fù)合法。優(yōu)點(diǎn)：有利于制作形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，成本低，同時(shí)還能有效地避免人體與晶須等的直接接觸，減輕環(huán)境污染。3/4/202436實(shí)例：原位反應(yīng)合成法可制備SiCw／Si3N4納米復(fù)合材料

采用Si3N4具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕和抗熱震等特性，但由于其本身的結(jié)構(gòu)決定了它具有脆性，限制了在高技術(shù)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。在Si3N4中加入晶須是一種非常有效的增韌手段。目前，一般都采用外加晶須的方法，但外加晶須的方法不足之處是需要較復(fù)雜的工藝對(duì)晶須進(jìn)行處理和分散，在晶須的處理過(guò)程中，對(duì)人體造成危害等。在復(fù)合材料制備過(guò)程中，自身生成一定數(shù)量起增強(qiáng)作用的晶須，即“自補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料”可以避免上述問(wèn)題。3/4/202437宋慎泰等人利用SiO2與C反應(yīng)在Si3N4基體中合成出SiCw晶須，制備備出SiCw/Si3N4復(fù)合材料。原料：分析純SiO2，高耐磨碳黑(純度99.5，粒度30nm)，Si3N4工藝過(guò)程為：將SiO2與碳黑在無(wú)水乙醇介質(zhì)中混合，隨后干燥、過(guò)篩。把混合原料裝入石墨坩堝，在0.1MPa的Ar氣中，于1500～l700℃保溫2h，脫碳后熱壓燒結(jié)為SiCw/Si3N4納米復(fù)合材料。3/4/202438

該方法與外加晶須法相比，具有工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，晶須分布均勻，大大減輕了晶須對(duì)人體的危害等優(yōu)點(diǎn)。所制備的復(fù)合材料，具有較高的高溫強(qiáng)度。這是由于Si3N4顆粒表面的SiO2薄層被C還原，減少了復(fù)合材料內(nèi)玻璃相含量的結(jié)果。用該復(fù)合材料制成的刀具，可加工硬質(zhì)合金刀具難以加工的材料。3/4/202439

推薦文章3/4/2024403/4/2024413/4/202442A:提高反應(yīng)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，盡可能使反應(yīng)趨向完全及剩余反應(yīng)物的處理；B:致密化相對(duì)困難，需采取熱壓燒結(jié)技術(shù)；C：晶須生成的均勻性問(wèn)題。3/4/2024435.4金屬基納米復(fù)合材料

定義：以金屬及合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬納米級(jí)增強(qiáng)相結(jié)合的復(fù)合材料。性能：機(jī)械性能好、剪切強(qiáng)度高、工作溫度較高、耐磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、不吸濕不吸氣、尺寸穩(wěn)定、不老化等優(yōu)點(diǎn)，因此引起各國(guó)的重視。

金屬基納米復(fù)合材料制備成本高，除航空航天高技術(shù)領(lǐng)域外，還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用3/4/202444金屬基納米復(fù)合材料目前主要有：鋁基、鈦基、鎂基和高溫合金基。制備工藝主要有如下四大類:

固相法液相法噴射與噴涂沉積法原位復(fù)合法3/4/2024455.4.1固相法將增強(qiáng)體材料與金屬粉末混合均勻進(jìn)行封裝、除氣采用冷等靜壓(CIP)、熱等靜壓(HIP)或無(wú)壓燒結(jié)，以提高復(fù)合材料的致密性經(jīng)過(guò)二次加工(熱擠壓、熱軋等)才能獲得金屬基納米復(fù)合材料零件毛坯。粉末冶金(PM)工藝:3/4/2024463/4/2024473/4/2024483/4/202449原料:電解Cu粉(純度9919%,粒度74μm)和SiO2粉(純度9919%,粒度50nm)為。將預(yù)先經(jīng)過(guò)退火處理的粉末混合成均勻試樣,經(jīng)過(guò)濕磨、造粒,壓制成規(guī)格為40mm×8mm×5mm的試樣(壓力機(jī)壓制力為15t,保壓30s)將成型后的試樣放入瓷舟中用Al2O3粉末將試樣完全覆蓋后(Al2O3粉末的主要作用是用作保溫劑,同時(shí)將各個(gè)試樣分割開(kāi),防止燒結(jié)時(shí)粘結(jié)到一起)放入GK22D高溫?cái)U(kuò)散爐中,通入H2作為保護(hù)氣氛,在890℃溫度下燒結(jié)。3/4/2024505.4.2液相法(熔鑄法)包括:

壓鑄成型法、半固態(tài)復(fù)合鑄造法、液態(tài)滲透法等。這些方法的共同特點(diǎn):金屬基體在制備復(fù)合材料時(shí)均處于液態(tài)。液相法是目前制備納米顆粒、納米晶片、納米晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要方法。優(yōu)點(diǎn)：與固相法相比，液相法的工藝及設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)便易行；和傳統(tǒng)金屬材料的成型方法，如鑄造、壓鑄等非常相似，制備成本較低。因此，液相法得到較快發(fā)展。3/4/2024511．壓鑄成型法(SC)

壓鑄成型法：在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬和納米增強(qiáng)體混合，以一定速度充填壓鑄模型腔，在壓力下快速凝固成型而制備金屬基納米復(fù)合材料的工藝方法。壓鑄工藝：

1）將包含有納米增強(qiáng)體的金屬熔體倒入預(yù)熱模具中；2）迅速加壓，壓力約為70～100MPa；液態(tài)金屬基納米復(fù)合材料在壓力下快速凝固;3）等復(fù)合材料完全固化后頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基納米復(fù)合材料的坯料或壓鑄件。3/4/202452壓鑄成型工藝中，影響復(fù)合材料成型的工藝因素：為了獲得無(wú)孔隙的復(fù)合材料，一般壓力不低于50MPa，加壓速度一般為1~3cm/s，對(duì)于鋁基復(fù)合材料，熔融金屬的溫度一般為700~800℃。模具預(yù)熱溫度一般控制在500～800℃。優(yōu)點(diǎn)：采用壓鑄成型法生產(chǎn)的鋁基復(fù)合材料的零部件，其組織細(xì)化、無(wú)氣孔，性能優(yōu)良。與其他制備方法相比，壓鑄成型工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，材料的質(zhì)量高且穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)。熔融金屬的溫度模具預(yù)熱溫度使用的最大壓力加壓速度3/4/2024532．半固態(tài)復(fù)合鑄造法(CC)

將納米第二相(主要是納米顆粒)加入處于半固態(tài)的金屬基體中，通過(guò)攪拌使納米顆粒在金屬基體中均勻分布，并取得良好的界面結(jié)合，然后澆注成型，或?qū)牍虘B(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行壓鑄成型。3/4/2024543/4/2024553/4/202456附加液相法3/4/2024571．噴涂沉積法

噴涂沉積主要原理：以等離子體或電弧加熱金屬粉末和增強(qiáng)體粉末，通過(guò)噴涂氣體噴涂沉積到基板上。5.4.3噴射與噴涂沉積法

在低壓等離子沉積中，金屬粉末在高速等離子體中熔化，形成高速金屬熔滴沉積在基板上;

熔滴固化后再用增強(qiáng)體粉末經(jīng)等離子體熔化，噴涂沉積在已固化的金屬基體層上。

交替分層沉積，就可以形成結(jié)合較差，但為連續(xù)的層狀復(fù)合材料?？梢圆捎脙蓚€(gè)等離子體噴槍交替使用。一般所形成的層狀復(fù)合材料還需要進(jìn)行熱壓燒結(jié)，提高增強(qiáng)材料與基體金屬的結(jié)合。3/4/2024582．噴射沉積法(OSC)

A：將基體金屬在坩堝中經(jīng)熔煉后，在壓力作用下，通過(guò)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，形成所謂“霧化錐”。B：通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴向“霧化錐”噴入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬霧化液滴一起在基板上沉積，并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

工藝過(guò)程：3/4/202459即噴射沉積法3/4/202460

噴射與噴涂沉積工藝的最大特點(diǎn)：

A：增強(qiáng)材料與金屬基體的潤(rùn)濕性要求低；

B：增強(qiáng)材料與熔融金屬基體的接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)量少。

C：通過(guò)噴射與噴涂沉積工藝，可以使許多金屬基體，如鋁、鎂、鋼、高溫合金等，與各種納米陶瓷顆粒、晶須、纖維復(fù)合，即基體金屬的選擇范圍廣。3/4/2024615.4.4原位復(fù)合法(Insitu)

在金屬基納米復(fù)合材料制備過(guò)程中，往往會(huì)遇到增強(qiáng)體與金屬基體之間的相容性問(wèn)題，即增強(qiáng)體與金屬基體的潤(rùn)濕性要求。同時(shí)，無(wú)論是固相法還是液相法，增強(qiáng)體與金屬基體之間在界面上都存在有界面反應(yīng)。它影響到金屬基納米復(fù)合材料在高溫制備時(shí)和高溫應(yīng)用中的性能和穩(wěn)定性。3/4/202462如果增強(qiáng)體(納米顆粒、晶須、纖維等)能從金屬基體中直接(即原位)生成的話，則上述相容性問(wèn)題可以得到較好的解決。因?yàn)樵簧傻脑鰪?qiáng)體與金屬基體界面結(jié)合良好，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好。也不存在增強(qiáng)體與金屬基體之問(wèn)的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問(wèn)題。這就是原位復(fù)合法。3/4/2024631．共晶定向凝固法

共晶定向凝固法要求合金成分為共晶或接近共晶成分。定向凝固時(shí)，參與共晶反應(yīng)的兩相同時(shí)從液相中生成，其中一相是納米級(jí)的棒狀(單晶為晶須，多晶為纖維)、片狀規(guī)則排列生成。3/4/2024642．直接氧化法(DMOX)

直接氧化法制備金屬基納米復(fù)合材料的原材料中沒(méi)有填充物和納米增強(qiáng)相，只是通過(guò)基體金屬的氧化來(lái)獲得復(fù)合材料。原理:

利用氣液反應(yīng)，讓高溫熔融金屬液(如Al、Ti、Zr等)暴露于空氣中，使其表面首先氧化生成一層氧化膜(如Al2O3、TiO2、ZrO2等)。里層金屬液再通過(guò)氧化層逐漸向表層擴(kuò)散，到達(dá)表面時(shí)，金屬液中少量金屬便被氧化，進(jìn)而逐漸蔓延開(kāi)來(lái)，最終形成金屬基納米復(fù)合材料。3/4/202465例如制備Al2O3p/Al，可通過(guò)鋁液的氧化來(lái)獲得Al2O3p納米增強(qiáng)相。通常鋁合金表面迅速氧化，形成氧化鋁膜。這層氧化鋁膜使得氧無(wú)法進(jìn)一步滲透，從而阻止了鋁進(jìn)一步氧化。為了解決這一問(wèn)題，可把熔化溫度控制在900～1330℃，遠(yuǎn)超過(guò)鋁的熔點(diǎn)660℃。并且加入促進(jìn)氧化反應(yīng)的合金元素Si和Mg，使熔化金屬通過(guò)顯微通道滲透到氧化層外邊，并順序氧化。即鋁被氧化而鋁液的滲透通道未被堵塞。該工藝可以根據(jù)氧化程度來(lái)控制Al2O3量。3/4/2024663/4/2024673/4/2024683．反應(yīng)合成法(RS)

定義：借助于合金設(shè)計(jì)，在一定條件下，在金屬基體內(nèi)原位反應(yīng)形核生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的納米增強(qiáng)相的一種復(fù)合方法。納米增強(qiáng)相一般是具有高硬度、高彈性模量和高的高溫強(qiáng)度的陶瓷材料。如SiC、TiC、TiN、Si3N4、TiB2等。所形成的增強(qiáng)相的形態(tài)可以是：納米顆粒、晶須、晶片、纖維等?；w往往為傳統(tǒng)的金屬材料，如AI、Mg、Ti、Fe、Cu等金屬及其合金，或(Ni-Ti)、(Al-Ti)等金屬間化合物復(fù)合，可望得到具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)材料、功能材料和智能材料。3/4/2024693/4/2024703/4/2024713/4/202472(1)一般而言，增強(qiáng)體表面無(wú)污染，并且由于避免了與金屬基體浸潤(rùn)不良的問(wèn)題，與金屬基體結(jié)合良好；

(2)增強(qiáng)體大小和分布較容易控制，并且數(shù)量可在較大范圍內(nèi)調(diào)整；

(3)在保持材料較好的韌性和高溫性能的同時(shí)，可較大幅度地提高材料的強(qiáng)度和彈性模量；

(4)具有工藝簡(jiǎn)便，成本低的特征，并且可制得形狀復(fù)雜、尺寸大的構(gòu)件，是最有前途實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的方法之一。與傳統(tǒng)的復(fù)合工藝相比，反應(yīng)合成法的特點(diǎn)是：3/4/2024735．5高分子基納米復(fù)合材料

在塑料中加入納米增強(qiáng)相，可增加表面硬度、減少成型收縮率、消除成型裂紋、改善阻燃性、改進(jìn)熱性能和導(dǎo)電性等。在橡膠中加入碳黑(一般都是納米級(jí)顆粒)，可以改進(jìn)其強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)保持其必要的高彈性。在熱固性樹(shù)脂中加入納米金屬粉，則構(gòu)成硬而強(qiáng)的低溫焊料或稱導(dǎo)電復(fù)合材料。在塑料中加入高含量的鉛納米粉可以起隔音作用，屏蔽γ射線。在碳氟聚合物中加入納米金屬粉可以增加導(dǎo)熱性、降低熱膨脹系數(shù)，并大大地減小磨損