《納米復(fù)合材料》

納米復(fù)合材料2021/10/10星期日1復(fù)合概念材料科學(xué)中復(fù)合是指不同相、不同物質(zhì)組成的體系之間的組合。對(duì)于納米材料領(lǐng)域，復(fù)合材料是多相體系，其中相的尺寸至少有一維在納米尺度，并對(duì)材料性能有重要影響，這種材料可稱為納米復(fù)合材料。

復(fù)合材料定義為：由兩種或者兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相分散相，稱為增強(qiáng)材料。自組裝結(jié)構(gòu)通常為分散相，而作為支撐物的膜就是連續(xù)相。2021/10/10星期日2復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于組成中的任意一個(gè)單獨(dú)的材料，而且還可具有組分單獨(dú)不具有的獨(dú)特性能。納米復(fù)合材料與常規(guī)的復(fù)合材料相比增添了許多新的研究?jī)?nèi)容。含有納米顆粒相的納米復(fù)合材料，是納米材料工程的重要組成部分，成為當(dāng)前納米材料發(fā)的新方向。

納米復(fù)合材料中的高分子基納米復(fù)合材料，是一類值得研究的新型材料。2021/10/10星期日3復(fù)合材料的組成基體Matrix增強(qiáng)體Reinforcement界面Interface2021/10/10星期日4復(fù)合材料分類1.復(fù)合材料按用途結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，功能納米復(fù)合材料，智能納米復(fù)合材料。2.按基體類型分為高分子基復(fù)合材料RMC（PloymerMatrixComposite）金屬基復(fù)合材料MMC（MetalMatrixComposite）陶瓷基復(fù)合材料CMC（CeramicMatrixComposite）3.按增強(qiáng)體的形態(tài)與排布方式顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維或晶須增強(qiáng)纖維；晶片增強(qiáng)復(fù)合材料2021/10/10星期日5

按基體形狀分，0-0復(fù)合，0-1復(fù)合，0-2復(fù)合，0-3復(fù)合。按復(fù)合方式分，晶內(nèi)型，晶間型，晶內(nèi)-晶間混合型，納米-納米型。2021/10/10星期日6由能承受載荷的增強(qiáng)體組元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等）與能聯(lián)結(jié)增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳力作用的基體組元（如樹(shù)脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）構(gòu)成。結(jié)構(gòu)材料通常按基體的不同分為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料2021/10/10星期日7包括壓電、導(dǎo)電、雷達(dá)隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復(fù)合材料，具有廣闊的發(fā)展前途。未來(lái)的功能復(fù)合材料比重將超過(guò)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。未來(lái)復(fù)合材料的研究方向主要集中在納米復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料和發(fā)展多功能、智能、天然復(fù)合材料等領(lǐng)域。功能復(fù)合材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。2021/10/10星期日81.聚合物基納米復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料就是納米級(jí)分散相與聚合物基體復(fù)合所得到的材料.聚合物基納米復(fù)合材料性能的改善.納米微粒性能的增強(qiáng)應(yīng)用納米粘土阻燃性、阻隔性、相容性包裝、建筑、電子行業(yè)碳納米管導(dǎo)電性，電荷轉(zhuǎn)移電力、電子行業(yè)，光電轉(zhuǎn)換Ag抗菌醫(yī)藥用品ZnO紫外吸收紫外防護(hù)SiO2粘度控制涂料、粘結(jié)劑CdSe，CdTe電荷轉(zhuǎn)移光伏電池石墨導(dǎo)電性、阻隔性、電荷轉(zhuǎn)移電力、電子行業(yè)多面齊聚倍半硅氧烷（POSS）熱穩(wěn)定性、阻燃性傳感器、LED2021/10/10星期日9陶瓷基納米復(fù)合材料

在陶瓷材料中早已存在納米結(jié)構(gòu)，比如很多粘土燒結(jié)的陶瓷材料。

電學(xué)陶瓷的掃描電鏡圖片，大的晶粒是石英，它們之間是包含在玻璃相中的針狀多鋁紅柱石。

2021/10/10星期日10金屬基納米復(fù)合材料

金屬基納米復(fù)合材料以其高比剛度、高比韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞及電、熱等功能特性廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車、機(jī)械、化工和電子等領(lǐng)域。金屬基復(fù)合材料的性能可以通過(guò)調(diào)整增強(qiáng)相的含量來(lái)控制.2021/10/10星期日11納米復(fù)合材料的性能

制備復(fù)合材料的目的之一就是增大材料的強(qiáng)度。復(fù)合材料的最大力值依賴于材料中最脆弱的斷裂路徑。當(dāng)基體中加入硬度較大的粒子時(shí)，其對(duì)材料整體力學(xué)性能有兩種不同的影響：粒子導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而使材料整體性能下降；粒子阻礙了裂紋的生長(zhǎng)，而使材料整體力學(xué)性能增強(qiáng)。2021/10/10星期日12納米復(fù)合材料的性能

在強(qiáng)度相對(duì)較弱的基體中添加硬度很大的微米或納米級(jí)的無(wú)機(jī)填充粒子，都可以令復(fù)合材料的硬度有較大的提高。力學(xué)性能的提高很大程度依賴于基體與添加粒子之間應(yīng)力的轉(zhuǎn)移?；w與粒子之間“結(jié)合緊密”（具有化學(xué)鍵等強(qiáng)烈的界面作用力），那么基體所受到的應(yīng)力能有效地轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)粒子上，從而表現(xiàn)為復(fù)合材料整體的強(qiáng)度增大?；w與粒子之間結(jié)合力很弱，（特別是微米級(jí)的粒子經(jīng)常出現(xiàn)這種情況），基體所受到的應(yīng)力不能轉(zhuǎn)移到粒子上，復(fù)合材料整體出現(xiàn)強(qiáng)度減小的情況。2021/10/10星期日13納米復(fù)合材料性能納米復(fù)合材料的力學(xué)性能主要具有如下的特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高韌性；高比強(qiáng)度、高比模量；抗蠕變、抗疲勞性好；高溫性能好；斷裂安全性高等。把高強(qiáng)度、高模量、耐熱性好的納米顆粒、納米晶片、納米晶須、納米纖維等彌散于基體材料中，可提高基體材料的強(qiáng)度、模量、韌性、抗蠕變和抗疲勞性、高溫性能，有的可增加功能性或智能性。2021/10/10星期日14（1）高強(qiáng)度、高韌性陶瓷基納米復(fù)合材料，特別是氧化物系陶瓷基納米復(fù)合材料力學(xué)性能的明顯改善大致可歸結(jié)如下：(1)納米級(jí)彌散相抑制了氧化物基體晶粒生長(zhǎng)和減輕了晶粒的異常長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。(2)在彌散相內(nèi)或彌散相周圍存在高的局部應(yīng)力，這種應(yīng)力是基體和彌散相之間熱膨脹失配而產(chǎn)生的，使冷卻期間產(chǎn)生位錯(cuò)。納米級(jí)粒子釘扎或進(jìn)入位錯(cuò)區(qū)使基體晶粒內(nèi)形成亞晶界，使基體晶粒再細(xì)化而起增強(qiáng)作用。(3)納米級(jí)粒子周圍的局部拉伸應(yīng)力引起穿晶斷裂，并由于硬粒子對(duì)裂紋尖端的反射作用而產(chǎn)生韌化。破壞模式從穿晶和晶間到單純晶間斷裂，晶界相(通常約10％體積的無(wú)定形相)的改變和對(duì)高溫力學(xué)性能影響的減小，使高溫力學(xué)性能獲得明顯改善。(4)納米級(jí)粒子在高溫牽制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而也能使高溫力學(xué)性能獲得明顯改善。2021/10/10星期日15金屬基納米復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯改善大致可以歸結(jié)如下：

(1）基體和增強(qiáng)體都將承擔(dān)載荷，但顆粒與晶須的增強(qiáng)效果不同。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度與顆粒在基體中分布的平均間距有關(guān)。隨顆粒間距增大，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降。也就是說(shuō)，在同樣體積含量下，顆粒越細(xì)，增強(qiáng)效果越好。(2)晶須的強(qiáng)度和長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)高于顆粒，因此晶須的增強(qiáng)效果要比顆粒顯著。但無(wú)論是顆粒增強(qiáng)，還是晶須增強(qiáng)，復(fù)合材料的強(qiáng)度是隨增強(qiáng)體含量的增加而增加。

2021/10/10星期日16金屬基納米復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯改善大致可以歸結(jié)如下：

(3)顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料的模量基本符合復(fù)合法則。由于顆粒與晶須增強(qiáng)體材料在模量上差別不大，因而兩者對(duì)模量的增強(qiáng)效果是接近的。顆粒對(duì)復(fù)合材料模量的增強(qiáng)效果低于晶須，這是由于顆粒形狀對(duì)模量增強(qiáng)效果有一定的影響。(4)采用顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料時(shí)，在高溫下的強(qiáng)度和模量一般要比其基體合金的高。與室溫時(shí)相同，復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度及高溫模量也隨顆?；蚓ы毜捏w積含量的增加而提高。2021/10/10星期日172高比強(qiáng)度、高比模量

顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料的金屬基體大多采用密度較低的鋁、鎂和鈦合金，以便提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量。其中較為成熟、應(yīng)用較多的是鋁基納米復(fù)合材料。這類復(fù)合材料所采用的增強(qiáng)體材料大多為碳化硅、氮化硅、碳化硼、氧化鋁等的納米顆粒、晶須，其中以SiC為主。聚合物基納米復(fù)合材料，高分子基體密度低。2021/10/10星期日183抗蠕變、抗疲勞性好

顆粒增強(qiáng)的納米復(fù)合材料的最小蠕變速率要比基體合金低2個(gè)數(shù)量級(jí)；在相同蠕變速率下，顆粒增強(qiáng)時(shí)可比未增強(qiáng)基體的蠕變應(yīng)力增加1倍左右，即納米復(fù)合材料所承受的應(yīng)力提高了1倍。晶須增強(qiáng)時(shí)又要比顆粒增強(qiáng)時(shí)抗蠕變性能更好。一般納米復(fù)合材料的應(yīng)力指數(shù)n明顯高于基體?；w的n約為4—5，而納米復(fù)合材料的n約為9—20。這反映了納米復(fù)合材料的蠕變速率對(duì)應(yīng)力的敏感性大。顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命一般比基體金屬高。納米復(fù)合材料疲勞性能的提高可能與其強(qiáng)度和剛度的提高有關(guān)。2021/10/10星期日19晶須增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料的疲勞性能是與晶須增強(qiáng)納米復(fù)合材料疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展有關(guān)。

在晶須增強(qiáng)納米復(fù)合材料中，疲勞裂紋在晶須的端部或在與基體的界面處形成，當(dāng)SiCw分布不均勻時(shí)，在SiCw密集處或是基體中的一些顯微缺陷處也容易萌生疲勞裂紋。由于SiCw與基體在強(qiáng)度和變形能力上有顯著的差別，因而在疲勞過(guò)程中其界面將產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，就可能導(dǎo)致界面開(kāi)裂。

2021/10/10星期日20基體中的顯微缺陷及晶須密集處同樣存在較大內(nèi)應(yīng)力和孔穴的積累而形成的疲勞裂紋。疲勞裂紋的擴(kuò)展是由于裂紋前沿所形成的微孔的連接而引起的。當(dāng)裂紋的擴(kuò)展遇到SiC微?；蚓ы殨r(shí)，裂紋擴(kuò)展會(huì)停止，而等待附近其他微孔的積累、連接，再引發(fā)裂紋形成及擴(kuò)展。含有復(fù)合基體的SiCw增強(qiáng)納米復(fù)合材料，其裂紋的形成及擴(kuò)展受基體韌化的影響，因而提高了其疲勞性能。2021/10/10星期日216.2陶瓷基納米復(fù)合材料陶瓷具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、耐磨性好、硬度高以及耐熱性和耐腐蝕性好等特點(diǎn)。但它的最大缺點(diǎn)是脆性大。近年來(lái)，通過(guò)往陶瓷中加入或生成納米級(jí)的顆粒、晶須、晶片、纖維等，使陶瓷的韌性大大地改善，而且強(qiáng)度及模量有了提高。陶瓷基納米復(fù)合材料的基體主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷等。它們與納米級(jí)第二相的界面粘結(jié)形式主要有兩種：機(jī)械粘結(jié)和化學(xué)粘結(jié)。2021/10/10星期日22（1）陶瓷基納米復(fù)合材料強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞。在斷裂過(guò)程中，強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。當(dāng)界面結(jié)合較弱時(shí)，基體中的裂紋擴(kuò)展至晶須、纖維等處時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，其后發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、晶須及纖維斷裂，以致最后拔出。所有這些過(guò)程都要吸收能量，從而提高陶瓷的斷裂韌性。2021/10/10星期日23（1）陶瓷基納米復(fù)合材料陶瓷基納米復(fù)合材料最早是由化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備的。CVD工藝對(duì)于把納米級(jí)第二相彌散進(jìn)基體晶?；蚓Ы缡且环N很好的方法。然而CVD，工藝不適用于大量制造大尺寸和形狀復(fù)雜的制品，而且成本高。采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)陶瓷的工藝：熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、熱等靜壓(HIP)工藝成功地制備了陶瓷基納米復(fù)合材料，并且還發(fā)展了一些新工藝：反應(yīng)燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延高溫合成法、溶膠-凝膠法、原位復(fù)合法等。

2021/10/10星期日24陶瓷基納米復(fù)合材料制備熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)微波燒結(jié)溶膠-凝膠法原位復(fù)合法等。

2021/10/10星期日25陶瓷基納米復(fù)合材料制備（1）熱壓燒結(jié)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)。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，并且晶粒無(wú)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1600-1700℃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。2021/10/10星期日26（1）熱壓燒結(jié)

熱等靜壓(HIP)也屬于熱壓燒結(jié)的一種。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)。與一般熱壓燒結(jié)法相比，HIP法使混合物料受到各向同性的壓力，使顯微結(jié)構(gòu)均勻；另外HIP法施加壓力高，在較低溫度下即可燒結(jié)。

例如氧化鋁基復(fù)合材料，無(wú)壓燒結(jié)溫度為1800℃，熱壓燒結(jié)(20MPa)溫度為1500℃，而HIP燒結(jié)(400MPa)在1000℃的較低溫度下就已致密化了。2021/10/10星期日27陶瓷基納米復(fù)合材料制備(2)反應(yīng)燒結(jié)

反應(yīng)燒結(jié)是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。2021/10/10星期日28(2)反應(yīng)燒結(jié)例如反應(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。與一般陶瓷燒結(jié)發(fā)生體積收縮不同，在反應(yīng)燒結(jié)時(shí)硅與氮發(fā)生反應(yīng)，使體積增加22％，這使得制品致密，而尺寸卻很少變化。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。2021/10/10星期日29(3)微波燒結(jié)(MS)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)的升溫速度快(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。

2021/10/10星期日30陶瓷基納米復(fù)合材料制備(3)微波燒結(jié)(MS)例如采用微波燒結(jié)可制備ZrO2／Al2O3納米復(fù)合材料。首先制備陶瓷納米粉體：ZrO2·Y2O3—A12O3，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水溶液混合一滴人氨水(pH=9-10)一共沉淀出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，微波功率為200kW，微波頻率為28GHz，微波波長(zhǎng)與腔體體積之比為1：100。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。2021/10/10星期日31(4)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)，該反應(yīng)能放出大量的熱，足以維持塊體其他部分的粉體繼續(xù)反應(yīng)，直至蔓延完畢。2021/10/10星期日32(4)自蔓延高溫合成(SHS)

自蔓延高溫合成產(chǎn)物是多孔狀的，必須經(jīng)過(guò)后處理。比較方便的方法是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)?；蛘甙炎月痈邷睾铣傻漠a(chǎn)物粉碎后再成型，繼而無(wú)壓燒結(jié)。也可采用SHS合成的粉末，再熱壓燒結(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，因此在無(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℃。2021/10/10星期日33液相制備復(fù)合納米陶瓷為了克服熱壓燒結(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，可以采用漿體法制備陶瓷基納米復(fù)合材料。(1)漿體法漿體法該方法是把納米級(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)。直接澆注成型所制備的陶瓷基納米復(fù)合材料機(jī)械性能較差，因?yàn)榭紫短?，因此一般不用于生產(chǎn)性能要求較高的陶瓷基納米復(fù)合材料。對(duì)于納米級(jí)的顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)的陶瓷基納米復(fù)合材料，采用濕法混料、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。2021/10/10星期日34（2）液態(tài)浸漬法由任何形式的增強(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。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過(guò)程。已成功地制備出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。液態(tài)浸漬工藝一般可獲得密實(shí)的基體，但由于陶瓷的熔點(diǎn)較高，熔體與增強(qiáng)體材料之間極可能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。陶瓷熔體的粘度比金屬的高，對(duì)預(yù)制件的浸漬相對(duì)困難些?；w與增強(qiáng)體材料的熱膨脹系數(shù)必須接近，才可以減少因收縮不同產(chǎn)生的開(kāi)裂。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,它們直接影響陶瓷基納米復(fù)合材料的性能。2021/10/10星期日35（3）用溶膠—凝膠法制備復(fù)合材料將基體組元形成溶液或溶膠，然后加入增強(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。溶膠—凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是基體成分易控制，復(fù)合材料的均勻性好，加工溫度較低。相對(duì)于漿體法，其缺點(diǎn)是制備的復(fù)合材料收縮率大，導(dǎo)致基體常發(fā)生開(kāi)裂。為了增加致密性，一般都反復(fù)多次浸漬。2021/10/10星期日36（4）聚合物熱解法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。這種方法的特點(diǎn)是：可充分利用聚合物現(xiàn)有成型技術(shù)；可以對(duì)納米第二相先驅(qū)體進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，制備所期望的單相或多相陶瓷基體；其裂解溫度較低(<1300℃)，無(wú)壓燒結(jié)，因而設(shè)備較簡(jiǎn)單，可避免納米增強(qiáng)相與陶瓷基體間的化學(xué)反應(yīng)；可仿形制造復(fù)雜形狀的制品。該方法的主要不足之處是：致密周期較長(zhǎng)，制品的孔隙率較高(15％-30％)，基體在高溫裂解過(guò)程中收縮率較大，容易產(chǎn)生裂紋和氣孔。2021/10/10星期日37（4）聚合物熱解法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。例如采用聚乙烯羧基硅烷和聚硅苯乙烯，在氬氣氣氛下合成SiC陶瓷基體，采用聚硅氨烷在氮?dú)庀潞铣蒘i3N4陶瓷基體。首先把納米第二相預(yù)制體在形成基體的陶瓷原料中浸漬處理，然后熱壓燒結(jié)使之致密化。熱壓燒結(jié)工藝為：P=300-350kg／cm2，T=1600—1800℃。2021/10/10星期日38氣相法制備陶瓷基納米復(fù)合材料化學(xué)氣相沉積法(CVD)和化學(xué)氣相浸漬法(CVI)化學(xué)氣相沉積法是使反應(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技術(shù)發(fā)展已比較成熟，應(yīng)用十分廣泛。

CVD法的優(yōu)點(diǎn)是：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，沉積速度快，且沉積溫度低。CVD法目前存在的不足之處是生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高，而且制品的孔隙率較大。但經(jīng)過(guò)改進(jìn)以后，可達(dá)理論密度的85％—90％。2021/10/10星期日39陶瓷基納米復(fù)合材料制備原位復(fù)合法在陶瓷基納米復(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。這種方法的關(guān)鍵是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。2021/10/10星期日40陶瓷基納米復(fù)合材料制備原位復(fù)合法利用陶瓷液相燒結(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。也可以使基體中生長(zhǎng)出高長(zhǎng)徑比晶體，形成陶瓷基復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)是有利于制作形狀復(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。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)。并且所制備的復(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。2021/10/10星期日416.3金屬基納米復(fù)合材料金屬基納米復(fù)合材料是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。金屬基納米復(fù)合材料具有機(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)合材料目前主要有：鋁基、鈦基、鎂基和高溫合金基。2021/10/10星期日42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，因此人們開(kāi)始重視對(duì)其制備工藝的研究。各種復(fù)合新工藝相繼問(wèn)世，如壓鑄、半固態(tài)復(fù)合鑄造，以及噴射沉積和金屬直接氧化法、反應(yīng)生成法等。這些復(fù)合新工藝的不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了納米顆粒、納米晶片、納米晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，使成本不斷降低，從而由航空航天工業(yè)轉(zhuǎn)向民用，如在汽車工業(yè)的應(yīng)用。2021/10/10星期日43金屬基納米復(fù)合材料的制備是在高溫下完成的，而且有的還要在高溫下長(zhǎng)期工作，活性的金屬基體與納米增強(qiáng)體之間的界面會(huì)不穩(wěn)定。為了使納米增強(qiáng)相與金屬基體之間具有最佳的界面結(jié)合狀態(tài)，應(yīng)該使納米增強(qiáng)相與金屬基體之間具有良好的潤(rùn)濕性、粘著性強(qiáng)，有利于界面的均勻、有效地傳遞應(yīng)力。納米增強(qiáng)相與金屬基體潤(rùn)濕后，互相間應(yīng)發(fā)生一定程度的溶解；保持適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合力，提高復(fù)合材料的強(qiáng)韌性；并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，而界面反應(yīng)產(chǎn)物層應(yīng)質(zhì)地均勻，無(wú)脆性異物，不能成為內(nèi)部缺陷(裂紋源)。其措施通常有兩種方法，一是增強(qiáng)相表面改性(如涂覆)；二是基體合金化(改性).2021/10/10星期日44金屬基納米復(fù)合材料制備法粉末冶金法(PM)。

壓鑄成型法半固態(tài)復(fù)合鑄造法(CC)噴射與噴涂沉積法原位復(fù)合法(Insitu)2021/10/10星期日45粉末冶金法(PM)。

金屬基納米復(fù)合材料制備工藝主要是采用粉末冶金法(PM)。金屬基納米復(fù)合材料的粉末冶金工藝過(guò)程主要分為二部分。首先將增強(qiáng)體材料(納米顆粒、納米晶片、納米晶須等)與金屬粉末混合均勻。然后進(jìn)行封裝、除氣或采用冷等靜壓(CIP)，再進(jìn)行熱等靜壓(HIP)或無(wú)壓燒結(jié)，以提高復(fù)合材料的致密性。經(jīng)過(guò)熱等靜壓或無(wú)壓燒結(jié)后，一般還要經(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。此外，還可以將混合好的增強(qiáng)體材料與金屬粉末壓實(shí)封裝于包套金屬之中，然后加熱直接進(jìn)行熱擠壓成型，同樣可以獲得致密的金屬基納米復(fù)合材料。2021/10/10星期日46金屬基納米復(fù)合材料制備粉末冶金法(PM)。粉末冶金法制備金屬基納米復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)熱等靜壓或無(wú)壓燒結(jié)溫度低于金屬熔點(diǎn)，因而由高溫引起的增強(qiáng)體材料與金屬基體界面反應(yīng)少，以減小界面反應(yīng)對(duì)復(fù)合材料性能的不利影響。(2)可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的金屬基納米復(fù)合材料的性能要求，使增強(qiáng)體材料與基體金屬粉末以任何比例混合，增強(qiáng)體含量可達(dá)50％以上。2021/10/10星期日47(3)可以降低增強(qiáng)體與基體互相濕潤(rùn)的要求，也降低了增強(qiáng)體與基體粉末的密度差要求，使納米顆粒、納米晶片、納米晶須等均勻分布在金屬基納米復(fù)合材料中。(4)采用熱等靜壓工藝時(shí)，其組織細(xì)化、致密、均勻，一般不會(huì)產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷?？墒箍紫逗推渌麅?nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能。(5)粉末冶金工藝制備的金屬基納米復(fù)合材料可以通過(guò)傳統(tǒng)的金屬加工方法進(jìn)行二次加工，得到所需形狀的復(fù)合材料零件毛坯。2021/10/10星期日48壓鑄成型法是指在壓力的作用下，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。壓鑄工藝共分為四個(gè)工序。首先將包含有納米增強(qiáng)體的金屬熔體倒入預(yù)熱模具中，然后迅速加壓，壓力約為70—100MPa，使液態(tài)金屬基納米復(fù)合材料在壓力下快速凝固。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。2021/10/10星期日49③半固態(tài)復(fù)合鑄造法(CC)

半固態(tài)復(fù)合鑄造法是針對(duì)攪拌法的缺點(diǎn)而提出的改進(jìn)工藝。這種方法是將納米第二相(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。通常，采用攪拌法制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，常常會(huì)由于強(qiáng)烈攪拌將氣體或表面金屬氧化物帶入金屬熔體中。同時(shí)當(dāng)納米顆粒與金屬基體濕潤(rùn)性差時(shí)，納米顆粒難以與金屬基體復(fù)合，而且納米顆粒在金屬基體中由于比重關(guān)系而難以得到均勻分布，影響復(fù)合材料性能。

2021/10/10星期日50半固態(tài)復(fù)合鑄造的原理是將金屬熔體的溫度控制在液相線與固相線之間，通過(guò)攪拌使部分樹(shù)枝晶破碎成固相顆粒。熔體中的固相顆粒是一種非枝晶結(jié)構(gòu)，防止半固態(tài)熔體的粘度增加。當(dāng)加入預(yù)熱后的增強(qiáng)顆粒時(shí)，因熔體中含有一定量的固相金屬顆粒，在攪拌中增強(qiáng)顆粒受阻而滯留在半固態(tài)金屬熔體中，增強(qiáng)顆粒不會(huì)結(jié)集和偏聚而得到一定的分散。同時(shí)強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌也使增強(qiáng)顆粒與金屬熔體直接接觸互相反應(yīng)，促進(jìn)潤(rùn)濕。半固態(tài)復(fù)合鑄造工藝參數(shù)的控制主要是：

(1)金屬熔體的溫度應(yīng)使熔體達(dá)到30％-50％；

(2)攪拌速度應(yīng)不產(chǎn)生湍流以防止空氣裹人，并使熔體中枝晶破碎形成固相顆粒，降低熔體的粘度以利增強(qiáng)顆粒的加入。由于澆注時(shí)金屬基納米復(fù)合材料是處于半固態(tài)熔體狀態(tài)，直接澆注成型所得的鑄件幾乎沒(méi)有縮孔或孔洞，組織細(xì)密。2021/10/10星期日51④噴射與噴涂沉積法噴射與噴涂沉積法是由金屬材料表面強(qiáng)化處理方法衍生而來(lái)。噴涂沉積主要應(yīng)用于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，噴射沉積主要用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。噴射與噴涂沉積工藝的最大特點(diǎn)是增強(qiáng)材料與金屬基體的潤(rùn)濕性要求低；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。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。2021/10/10星期日52A噴涂沉積法(SD)噴涂沉積主要原理是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。采用低壓等離子沉積工藝可以制備出含有不同體積含量的增強(qiáng)材料，以及兩種基體不同分布相結(jié)合的復(fù)合材料。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，熔滴的固化速度可達(dá)105％K／s。然后再用增強(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。這樣交替分層沉積，就可以形成結(jié)合較差，但為連續(xù)的層狀復(fù)合材料。如可制備50％Al2O3p／高溫合金層狀復(fù)合材料。為了提高效率，可以采用兩個(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。2021/10/10星期日53B噴射沉積法(SC)噴射沉積工藝是一種將粉末冶金工藝中混合與凝固兩個(gè)過(guò)程相結(jié)合的新工藝。該工藝過(guò)程是將基體金屬在坩堝中經(jīng)熔煉后，在壓力作用下，通過(guò)噴嘴送人霧化器，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”。同時(shí)，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。2021/10/10星期日54該工藝與其他工藝相比，具有如下的優(yōu)越性：(1)高致密度，直接沉積的復(fù)合材料密度可達(dá)到理論密度的95％—98％；(2)凝固速度快，金屬晶粒細(xì)小，組織致密，消除了宏觀偏析，合金成分均勻；(3)增強(qiáng)材料與金屬液滴接觸時(shí)間短，很少或沒(méi)有界面反應(yīng)；(4)適用于多種金屬材料基體，可直接形成接近零件實(shí)際形狀的坯體；(5)工序簡(jiǎn)單，噴射沉積效率高，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該工藝最大的缺點(diǎn)是霧化所使用的氣體成本較高。2021/10/10星期日55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