湖大材料工程基础复合材料制备工艺

1、 2021-5-32 2021-5-33 2021-5-34 2021-5-35 2021-5-36 2021-5-37 玻璃纤维碳纤维 2021-5-38 2021-5-39 2021-5-310 2021-5-311 纤维增强复合材料的复合原则 材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。 （1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的 强度和刚度。 弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律， 所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充 分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热 稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。 （2）基体起粘结纤维的作用，因此必须： 对纤维有

2、润湿性，以便在界面上有必要的粘结力， 而将纤维粘结为一个整体； 具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作 用； 能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维 表面的反应。 2021-5-312 （3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。 结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重 要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发 挥纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷， 纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利， 使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复 合材料的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。 （4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。 通

3、常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热 膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应 力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强 度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略 高一些，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使 基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑 性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便 在其中造成残余压应力，增进韧性。 2021-5-313 （5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。 一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积 含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量 在4070%范围内。 纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤

4、维的 表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越 小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连 续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在 超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加 工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实 际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。 纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤 维的纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤 维的排列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下， 纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个 方向的增强效果。 2021-5-314 颗粒增强复合材料的复合原则 颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径

5、约为 1002500，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金 属，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的 颗粒，可以有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗 粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹 可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材 料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用 Orowan理论（即位错绕过质点的理论）予以解释。复合 材料中基体是承受载荷的主体，所不同的是这些细小弥散 颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升 高仍保持其原有的尺寸，因此增强效果在高温下可维持较 长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体 金属或合金。 202

6、1-5-315 若颗粒直径小于100，这时材料结构接 近于固溶体结构，位错容易绕过，难以对位 错起障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径 大于1000，在载荷作用下，颗粒周围将造 成应力集中，或基体本身破裂，导致强度降 低。为使弥散增强复合材料的性能达到最佳， 除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学 反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及 同基体结合能力均是必须加以考虑的因素。 实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大 小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸 较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在 基体中。 2021-5-317 2021-5-318 2021-5-319 2021-5-320 20

7、21-5-321 2021-5-322 2021-5-324 2021-5-325 2021-5-326 2021-5-333 MMCMMC组织特点 Al-7Si/SiCp的锭 坯组织(冷速不同) p 增强相的分布特点(锭坯和塑性加工材料) 挤压过程中陶瓷 颗粒流线的形成 2021-5-334 Al-4wtCu/SiCp复合材料中 相的分布照 片 铝基复合材料中的位错结构 2021-5-335 p特殊的晶粒结构 p 增强颗粒附近的位错 密度非常高，容易导致 细小亚晶粒的产生，特 别是对应层错能高的金 属。 p 增强颗粒抑制晶粒转 动，因而减轻形变织构， 效果与体积分数有关。 2021-5-33

8、6 P/M Al/10volSiCp 挤压后的扫描电镜照片。细小的氧化物条带显示了变 形期间基体流变场的特征。SiC颗粒群内的基体没有变形。实际上，这三个 颗粒的行为相当于一个大尺寸颗粒的行为 (在这个颗粒群周围存在与大颗粒 外围相同的变形情况) 2021-5-337 p 影响再结晶过程 小尺寸颗粒会钉扎大 角度晶界，如果颗粒 尺寸较大，则会促进 再结晶形核。 再结晶过程对增强相 的体积分数非常敏感。 2021-5-338 MMCMMC界面问题 p 特点 在界面处会出现材料的物理性质(弹性模量、膨胀系数、热导率、热力学参数)和 化学性质等的不连续性。 结构复杂性：接触连接面、反应产物、析出相、

9、元素的扩散与偏聚、近界面的高 密度位错区等。 2021-5-339 p 界面结合类型 化学结合 如Al/Cf、Ti/SiCf等 物理结合 无反应无扩散。如：Al/SiCf、Al/Bf 扩散结合 机械结合 2021-5-340 p 界面优化及界面反应控制 采用惰性扩散层来抑制界面反应 增强相表面改性，以提高界面结合强度问题 提高熔体温度 在熔体中添加合金化元素 增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化 涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、sol-gel等 2021-5-341 MMCS的性能特点 p 优点 组织结构和性能的可设计性和可控制性强 高弹性模量、高强、高刚性 膨胀系数可控 高温性能较好(与基体

10、合金相比) 阻尼性能优异 耐磨损性质好 抗蠕变性能优异 抗疲劳性能好 吸收水气(与树脂基复合材料比较) 2021-5-342 MMC弹性模量 铝基复合材料的单周和循环应力应变曲线 2021-5-343 金属和MMCs膨胀系数对比 MMCs的耐热性能 2021-5-344 2021-5-345 p缺点 塑性和韧性较低 疲劳性能不够理想 复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害 腐蚀问题复杂 焊接工艺难度大 价格较高 技术较成熟 2021-5-346 p 金属基复合材料的主要应用领域 卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天线， 公用机匣，紧固件等； 导弹材料：舱段壳体、弹翼连接法兰盘、发动机部 件、

11、翼面、舵面 电子及光学仪表：微波波导管、散热器、封装材料、 雷达天线、惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、 红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子 底座和光学仪器托架等； 飞机：翼梁、起落架、压气机、风扇叶片、刹车片 等；直升机的传动机匣、螺旋浆、旋翼桨毂等； 2021-5-347 轻武器：榴弹发射器枪管、轻型炮管、炮架； 水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、鱼雷发动 机缸套及缸盖、活塞等； 坦克：履带、驱动轮、装甲、炮管等； 交通：汽车发动机部件(活塞、缸体、汽缸套)、 连杆、驱动轴、制动盘、摇臂、轴承套等；高 速列车制动盘等。 2021-5-348 p在航天等领域的应用 2021-5-350 2021-5-351 2021-5-357 2021-5-360 2021-5-361 2021-5-362 2021-5-363 2021-5-364 2021-5-369 2021-5-370 2021-5-371 2021-