复合材料的制造方法

1、4. 复合材料的制造方法 概述 复合材料的重要领域之一是其制造技术。由于制复合材料的重要领域之一是其制造技术。由于制造成本、最佳组织结构等与基体及增强体特性、造成本、最佳组织结构等与基体及增强体特性、排列方式等有关，所以制造技术是复合材料中至排列方式等有关，所以制造技术是复合材料中至关重要、且为该领域的研究者非常感兴趣的课题。关重要、且为该领域的研究者非常感兴趣的课题。在复合材料的制造中，通常是将最终制品的制造在复合材料的制造中，通常是将最终制品的制造与复合材料的成形一起完成。因此，增强体的最与复合材料的成形一起完成。因此，增强体的最佳排列与分布，不仅是对应于用途的力学性能的佳排列与分布，不仅

2、是对应于用途的力学性能的要求，而且要满足使用者的要求。要求，而且要满足使用者的要求。 4. 复合材料的制造方法u主要的液相工艺压挤铸造与压挤渗透喷雾沉积热喷射浆体铸造定向凝固共晶金属的定向氧化主要的固相工艺粉末冶金粉末冶金薄膜的扩散键合薄膜的扩散键合利用陶瓷利用陶瓷-金属（陶瓷）间的反金属（陶瓷）间的反应应由有机聚合物的合成由有机聚合物的合成主要的气相工艺PVD(物理气相沉积)CVD (化学气相沉积)CVI (化学气相渗透)聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料液相工艺液相工艺液体状树脂的含液体状树脂的含浸浸预浸料坯成形预浸料坯成形(玻璃钢玻璃

3、钢)片状模片状模塑料塑料热塑性塑料的注热塑性塑料的注射成形射成形压力熔浸与无压压力熔浸与无压熔浸熔浸搅拌铸造搅拌铸造喷射沉积成形喷射沉积成形定向凝固共晶定向凝固共晶热喷射热喷射定向氧化定向氧化定向凝固共晶定向凝固共晶利用有机聚合物利用有机聚合物的合成的合成固相工艺固相工艺热塑性塑料的热热塑性塑料的热压成形压成形粉末冶金（热压、粉末冶金（热压、机械合金化、机械合金化、SPS）合金箔扩散键合合金箔扩散键合拉拔等机加工成拉拔等机加工成形形粉体烧结粉体烧结反应成形反应成形气相工艺气相工艺PVD（物理气相（物理气相沉积）沉积）CVD（化学气相（化学气相沉积）沉积）CVI（化学气相（化学气相渗透）渗透）塑

4、料基复合材料的制备成形塑料基复合材料的制备成形4.2 树脂基复合材料 先进先进复合材料复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4大材料大材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占有重要地位。有重要地位。 航

5、空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化工艺；全质量概念及热塑性工艺。工艺；全质量概念及热塑性工艺。预成形体的制造技术 （1）缝合技术 缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将

6、多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。 大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的NASA为主进行的。最著名的是利用缝合技术制造的复合为主进行的。最著名的是利用缝合技术制造的复合材料机翼，其中采

7、用了波音公司开发的材料机翼，其中采用了波音公司开发的28m长的缝合机制长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体。该缝合机能够缝合超造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体。该缝合机能够缝合超过过25mm厚的碳纤维层，缝合速度达厚的碳纤维层，缝合速度达3000针针/分。除了缝合分。除了缝合蒙皮预成形体外，还可缝合加强筋。缝合完成后采用蒙皮预成形体外，还可缝合加强筋。缝合完成后采用RFI 技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少铝合金零件重量减少25%，成本降低，成本降低20%。（2） 穿刺 穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单

8、方法，在某些方穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在某些方面优于缝合技术。但是它不能用于制造预成形体。在这个面优于缝合技术。但是它不能用于制造预成形体。在这个工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。合材料结构。Z向削棒可以是金属材料，也可采用非金属材向削棒可以是金属材料，也可采用非金属材料。削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法，料。削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法，二是采用超声技术。二是采用超声

9、技术。 穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力。该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节应力。该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节省了高成本的缝合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局省了高成本的缝合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局部结构的加强，因此是未来飞机机体应用的关键技术。部结构的加强，因此是未来飞机机体应用的关键技术。（3） 三维机织 该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主要

10、用于生产单层、宽幅织物，作为复合材料要用于生产单层、宽幅织物，作为复合材料的增强体。三维异型整体机织技术是国外上的增强体。三维异型整体机织技术是国外上世纪世纪80年代发展起来的高新纺织技术，它创年代发展起来的高新纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。采用三维造了一类新的复合材料结构形式。采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点，是一种高整体性和力学的合理性两大特点，是一种高级纺织复合材料。其突出特点是纺织异型整级纺织复合材料。其突出特点是纺织异型整体织物，如体织物，如T形、形、U形、工形、十字形等型形、工形、十字形等

11、型材和圆管等，灵活的机织工艺还可以创造出材和圆管等，灵活的机织工艺还可以创造出许多新的复杂形状织物。许多新的复杂形状织物。（4） 编织 编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。（5）

12、针织 针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外，选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外

13、，这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形，这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复合材料上成形孔，比钻孔具有很大因此适于在复合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用。应用。（6） 经编 采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制造的多采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望

14、确定纤维方向，由于不需要铺放更的多层织物且按照期望确定纤维方向，由于不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。国外目前已经能够在市场多的层数，极大提高经济效益。国外目前已经能够在市场上获得各种宽幅的玻璃和碳纤维经编织物。这种预成形体上获得各种宽幅的玻璃和碳纤维经编织物。这种预成形体有两个优点：一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本有两个优点：一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本低；二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板，因为它低；二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板，因为它的纤维是直的，能够在厚度方向增强从而提高材料的层间的纤维是直的，能够在厚度方向增强从而提高材料的层间性能。该技术已经在飞

15、机机翼桁条和机翼壁板上进行了验性能。该技术已经在飞机机翼桁条和机翼壁板上进行了验证，预计未来将在飞机制造中广泛应用。证，预计未来将在飞机制造中广泛应用。（7） 层板及蜂窝结构制造技术 纤维增强金属层板（纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维树脂预）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能，以用于不同的性能，以用于不同地方。现在的地方。现在的

16、FRML主要使用铝合金薄板。由于使用铝锂主要使用铝合金薄板。由于使用铝锂合金可提高合金可提高FRML的比刚度，使用钛合金可大大可提高的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性，所以以铝锂合金或钛合金为基的的耐温性，所以以铝锂合金或钛合金为基的FRML也也在考虑和研究中。在考虑和研究中。FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维，它们各自与铝合金板组合后可构成三种性纤维和碳纤维，它们各自与铝合金板组合后可构成三种性能不同的能不同的FRML，分别称为，分别称为GLARE、ARALL和和CARE。胶。胶接蜂窝夹层结构也是一种特殊的结构用复合材料，它把蜂接蜂窝夹

17、层结构也是一种特殊的结构用复合材料，它把蜂窝开关的夹芯材料夹在两块面板之间并用胶粘剂粘接。因窝开关的夹芯材料夹在两块面板之间并用胶粘剂粘接。因为具有良好的比强度和比刚度，因此在未来的大型军用运为具有良好的比强度和比刚度，因此在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。复合材料零件成形及制造技术（1） 树脂转移模塑成形技术 在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排合模腔，

18、模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机体有发展潜力的制造技术。体有发展潜力的制造技术。 （2） 树脂浸渍技术 一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术。一种树脂膜熔渗和纤维预

19、制体相结合的一种树脂浸渍技术。其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块，安放于其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部，其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤模具的底部，其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装，于维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。树脂膜受热热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。树脂膜受热后黏度降低，沿着预制体由下向上爬升，从而填满整个预后黏度降低，沿着预制体由下向上爬升，从而填满整个预制体空间，随即依照固化工艺，制成复合材料制件。该技制体空间，随即依照固

20、化工艺，制成复合材料制件。该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM工艺工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本。目前在航空领域异的制品的同时大大降低了制品的成本。目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。主要应用于飞机雷达天线罩。 （3） 纤维缠绕 该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各种方向和速度缠绕到芯轴上，方向和速度由种方向和速

21、度缠绕到芯轴上，方向和速度由纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。筒形件的低成本快速制造方法。（4） 拉挤 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。钢型材。

22、优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分率高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；的使用要求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。 （5） 自动铺放技术 该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并该技术在现代飞机上已经获得广泛应用

23、，并取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经在速度和准确度上有很大增长，而且计算机在速度和准确度上有很大增长，而且计算机技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所增长。增长。（6） 丝束铺放技术 丝束铺放丝束铺放(Tow Placement)相对较新，并在相对较新，并在近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。而且有极大减少生产成对纤维角度不限制。而且有极大减少生产成本的潜力。未来的开发包括最佳化控

24、制系统、本的潜力。未来的开发包括最佳化控制系统、铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高质量产品。质量产品。纤维含浸于低黏度的树脂 成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，可以有多成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，可以有多种含浸方法。最简单的方法是种含浸方法。最简单的方法是wet ray up法。将纤维（通常使法。将纤维（通常使用用mat状的）配置在研磨的磨具上，进行锟压含浸或喷涂状的）配置在研磨的磨具上，进行锟压含浸或喷涂(splay)含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在常含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在常温下进行。最

25、近开发了将树脂与硬化剂同时温下进行。最近开发了将树脂与硬化剂同时 混合后，含浸于混合后，含浸于纤维的方法。成形工艺的主要优点是自由度高，能够与任何纤维的方法。成形工艺的主要优点是自由度高，能够与任何形状相对应，费用与成形的成本有关。这样的成形技术向来形状相对应，费用与成形的成本有关。这样的成形技术向来是小尺寸。例如将玻璃含浸于纤维的复合材料很早以前就用是小尺寸。例如将玻璃含浸于纤维的复合材料很早以前就用来修复车辆。近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的来修复车辆。近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为成形方法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为5

26、0m船体的船体的制造，在造船界也得到了广泛的应用。制造，在造船界也得到了广泛的应用。长纤维的编织(树脂基复合材料的压挤渗透用)汽车储气罐汽车储气罐门型纤维编织成形机门型纤维编织成形机碳纤维强化网球拍的成形装置碳纤维强化网球拍的成形装置Beech Starship飞机飞机翅膀的成型中使用翅膀的成型中使用的的autoclave (高压高压)成形成形4.3 金属基复合材料的制备方法 相对于树脂基复合材料而言，金属基复合材料发相对于树脂基复合材料而言，金属基复合材料发展得较晚，所以关于金属及复合材料的制备与成展得较晚，所以关于金属及复合材料的制备与成形方法的研究仍处于幼年期。在该背景下，再加形方法的研

27、究仍处于幼年期。在该背景下，再加上制备的难度与成本，使得其使用的领域也受到上制备的难度与成本，使得其使用的领域也受到限制。尽管如此，关于金属基复合材料的制备方限制。尽管如此，关于金属基复合材料的制备方法的研究仍然是方兴未艾。有不少已经得到了工法的研究仍然是方兴未艾。有不少已经得到了工业化的应用。总体说来，液相的方法成本较低，业化的应用。总体说来，液相的方法成本较低，但是制备过程中基体为熔融状态，难以处置，而但是制备过程中基体为熔融状态，难以处置，而固相的方法一般成本较高。固相的方法一般成本较高。金属基复合材料的制备成形金属基复合材料的制备成形4.3.1主要的液相工艺 1）压挤铸造与压挤渗透(无

28、压熔浸)对液体状态的基体加压，使之进入由强化体材料组成的预成形体。预成形体的制备长纤维的编织短纤维的悬浮液体内沉积颗粒材料的成形与预烧结压力熔浸(无压熔浸) 是金属基复合材料中常用的一种成形方法。该方法是是金属基复合材料中常用的一种成形方法。该方法是将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体（可将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体（可以由长纤维、短纤维或所颗粒构成）而成形。通常预以由长纤维、短纤维或所颗粒构成）而成形。通常预成形体是接近最终成品的形状。成形体是接近最终成品的形状。 在大多数情况下，纤维不会成为熔融金属凝固时的在大多数情况下，纤维不会成为熔融金属凝固时的晶核。在熔融金属的凝

29、固过程中，纤维附近的金属最晶核。在熔融金属的凝固过程中，纤维附近的金属最后固化。结果是通过在高压下纤维与金属的接触而使后固化。结果是通过在高压下纤维与金属的接触而使熔融金属形成强固的界面，而且一般也不会形成氧化熔融金属形成强固的界面，而且一般也不会形成氧化膜。这样的纤维与金属的界面是优异的结合。膜。这样的纤维与金属的界面是优异的结合。短纤维的悬浮液体内沉积颗粒材料的成形与预烧结颗粒材料的成形与预烧结 混合（加成形剂） 成形 烧结成形的方法 模压 等静压 注射成形 凝胶注模成形 轧制 挤压 松装烧结预预 烧烧 结结n维持形状n具有一定的强度压挤渗透的设备与压力铸造相比与压力铸造相比压头连续移动压

30、头连续移动弥补收缩弥补收缩移动速度慢移动速度慢外加压力大外加压力大压力熔浸成形设备压力熔浸成形设备压挤渗透双压头保证熔体压力；避免孔隙；避免保证熔体压力；避免孔隙；避免不完全渗透不完全渗透采用双重压头采用双重压头压挤渗透材料的组织分析 预成形体内的纤维分布决定复合体内的纤维分布 避免缺陷：微观孔隙、宏观空洞、纤维断裂等 熔体黏度：高减小涡流、减少空气吸入、压力大、内耗大低易流动、压力小，产生涡流本课题组研制的本课题组研制的Al/SiCAl/SiC复合材料简介复合材料简介关于SiC/Al复合材料的主要论文：YIN Fazhang, JIA Chengchang, MEI Xuezhen, Man

31、ufacture of Al/SiC Composites by Pressure Infiltration Process, Materials Science Forum, 2005, 475-479: 913916 (SCI EI收录收录)（IDS Number:BBR99 EI105179061087） 平延磊，贾成厂，曲选辉，周成，平延磊，贾成厂，曲选辉，周成，SiCp/Al复合材料的研究方法现状，粉末冶金技术，复合材料的研究方法现状，粉末冶金技术，2005，23（4），），296300 （EI05399388407）褚克，贾成厂，尹法章，梅雪珍，曲选辉，高体积分数褚克，贾成厂，尹法

32、章，梅雪珍，曲选辉，高体积分数SiC/ Al复合材料电子封装盒体的制复合材料电子封装盒体的制备，复合材料学报，备，复合材料学报，2006，23（6）：）：108113 （EI源刊）源刊）贾成厂，楮克，平延磊，尹法章，曲选辉，压力熔渗法制备贾成厂，楮克，平延磊，尹法章，曲选辉，压力熔渗法制备Al/SiCp复合材料，粉末冶金会复合材料，粉末冶金会刊刊.2005，30（3），），117-121褚克，贾成厂，尹法章，曲选辉，注射成型与压力浸渗方法制备高体积分数褚克，贾成厂，尹法章，曲选辉，注射成型与压力浸渗方法制备高体积分数SiC/ Al封装盒封装盒体，第十四届全国复合材料学术会议，体，第十四届全国复

33、合材料学术会议，2006.11，宜昌，宜昌，第十四届全国复合材料学术会议论第十四届全国复合材料学术会议论文集（上）文集（上）， (601)平延磊，贾成厂，曲选辉。李志刚，平延磊，贾成厂，曲选辉。李志刚，SiCp/Al电子封装复合材料预成形坯的制备，北京科技大电子封装复合材料预成形坯的制备，北京科技大学学报，学学报，2004，20（3）：）：301304（EI 检索）检索）贾成厂，梅雪珍，尹法章，平延磊，曲选辉，添加合金元素与对熔融铝熔渗贾成厂，梅雪珍，尹法章，平延磊，曲选辉，添加合金元素与对熔融铝熔渗SiC预成形体的影预成形体的影响，第十三届全国复合材料学术会议，成都，响，第十三届全国复合材料

34、学术会议，成都，2004年年10月月8日，日，p643647Ke Chu, Chengchang Jia, Xuebing Liang, et all. The thermal conductivity of pressure infiltrated SiCp/Al composites with various size distributions: Experimental study and modeling. Materials & Design; doi:10.1016/j.matdes.2009.03.009 (SCI)Ke Chu, Chengchang Jia, Xue

35、bing Liang, et all. The thermal conductivity of spark plasma sintered (SPS) SiCp/Al composites containing pores: Numerical study and experimental validation. Composite Part A. 2009 (SCI)关于SiC/Al复合材料的主要专利： 用粉末注射成形/压力熔浸法制备电子封装材料的方法。申请号：200510086820.8 一种制备高导热SiCp/Al电子封装材料的方法。申请号：200610011693.X2） 喷雾沉积Os

36、pray工艺工艺20世纪世纪70年代后期英国年代后期英国Kg/s 级级适用于颗粒增强适用于颗粒增强MMC孔隙度孔隙度%后续挤压加工后续挤压加工Ospray工艺 该方法是将液体状的原材料（金属与强化相颗粒）该方法是将液体状的原材料（金属与强化相颗粒）吹散雾化，沉积为块状材料。是英国的吹散雾化，沉积为块状材料。是英国的Osplay公司公司所开发的。该工艺是制备颗粒强化金属基复合材料所开发的。该工艺是制备颗粒强化金属基复合材料的有效方法。当然在实用化这方面还存在一些问题，的有效方法。当然在实用化这方面还存在一些问题，该方法的主要问题在于强化相颗粒难以均匀分散。该方法的主要问题在于强化相颗粒难以均匀分

37、散。发现了陶瓷层在与堆积垂直的方向上扩散的现象。发现了陶瓷层在与堆积垂直的方向上扩散的现象。这种方法制备的材料一般具备这种方法制备的材料一般具备5-20的孔隙。通常的孔隙。通常需要二次加工。需要二次加工。3） 热喷射用电弧或气体加热颗粒（或线材）用电弧或气体加热颗粒（或线材） ，并喷射到物体的表面，得到，并喷射到物体的表面，得到块状的块状的MMC，具有成分梯度的涂层。，具有成分梯度的涂层。特点：沉积速度低（特点：沉积速度低（ g/s）颗粒速度大）颗粒速度大 200m/s以上以上熔射 将在高温炉焰中熔融，由高温运动的颗粒而喷射。将在高温炉焰中熔融，由高温运动的颗粒而喷射。该方法与熔融气化的方法相

38、似，堆积速度小（通常该方法与熔融气化的方法相似，堆积速度小（通常1g/s1g/s）。但颗粒的速度大（）。但颗粒的速度大（200-m/s200-m/s）。所以熔射）。所以熔射方法得到的材料孔隙度小（方法得到的材料孔隙度小（2-32-3）。作为金属基）。作为金属基复合材料的成形，该方法的优点在于，在对偶材料复合材料的成形，该方法的优点在于，在对偶材料的非熔融状态下成形，缩短高温下熔射的时间。孔的非熔融状态下成形，缩短高温下熔射的时间。孔隙的存在等能够通过热处理而得到改善。结果是能隙的存在等能够通过热处理而得到改善。结果是能够减少或避免纤维与金属基体的反应。但是对纤维够减少或避免纤维与金属基体的反应

39、。但是对纤维喷射熔融金属也有相当的难度。而且，难以成形空喷射熔融金属也有相当的难度。而且，难以成形空隙率为隙率为1010以下的复合材料。另外，在该成形方法以下的复合材料。另外，在该成形方法的发展中，还必须开发通过涂层而避免纤维的损伤的发展中，还必须开发通过涂层而避免纤维的损伤及防止纤维分布不均匀的技术及防止纤维分布不均匀的技术。4） 浆体铸造(复合铸造) 工艺简介O 原理：将液态金属与陶瓷粉末混合，使整个混合体凝固O 特点：简单、经济O 现状：已经有商业化生产 （Al/SiC） 难点 ：F成形的困难F微观组织不均匀F界面反应颗粒或短纤维增强金属基复合材料的复合铸造 （1）液态金属陶瓷颗粒搅拌铸

40、造法）液态金属陶瓷颗粒搅拌铸造法 通过机械搅拌在液态金属牛产生涡流从而引人陶通过机械搅拌在液态金属牛产生涡流从而引人陶瓷颗粒并使其分布均匀。采用这种方法制造铝基瓷颗粒并使其分布均匀。采用这种方法制造铝基复合材料，陶瓷颗粒尺寸可小到复合材料，陶瓷颗粒尺寸可小到10m，增强相，增强相的体积分数可达的体积分数可达25。（2）熔体浸渗铸造与挤压铸造法 熔体浸渗铸造就是前面已经介绍过的压挤铸熔体浸渗铸造就是前面已经介绍过的压挤铸造与压挤渗透。造与压挤渗透。 挤压铸造法是指先用机械搅拌法制备复合浆挤压铸造法是指先用机械搅拌法制备复合浆料，然后将液态复合浆料倒入挤压模料，然后将液态复合浆料倒入挤压模(需预需

41、预热热)内，起动液压机，使液态浆料在一定的内，起动液压机，使液态浆料在一定的比压下凝固成形。比压下凝固成形。 （3）高能超声法 在金属熔化后，一边利用超声发生装置在金属熔化后，一边利用超声发生装置(多多用磁致伸缩换能器用磁致伸缩换能器)施加超声振动，一边加施加超声振动，一边加入陶瓷颗粒，实现均匀混合以后浇注成形。入陶瓷颗粒，实现均匀混合以后浇注成形。也可将陶瓷颗粒制成预制件，浇入液体金属也可将陶瓷颗粒制成预制件，浇入液体金属后，施加超声进行熔体浸渗。该方法可在极后，施加超声进行熔体浸渗。该方法可在极短的时间里短的时间里(数十秒数十秒)实现颗粒的均匀分布。实现颗粒的均匀分布。（4）流变铸造法（半

42、固态铸造） 对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触交特性分散增强相，在利用半固态浆液的触交特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。此工艺是一种两一定压力下充型凝固成形。此工艺是一种两相工艺，局限于大结晶范围的合金。相工艺，局限于大结晶范围的合金。（5）原位反应铸造法 与上述四种方法的根本区别在于，增强陶瓷与上述四种方法的根本区别在于，增强陶瓷颗粒不是外加的，而是在制备过程牛通过化颗粒不是外加的，而是在制备过程牛通过化学反应在原位生成的。其基本原理是：在一学反

43、应在原位生成的。其基本原理是：在一定的液态合金牛，利用合金液的高温，使合定的液态合金牛，利用合金液的高温，使合金液牛的合金元素之间或合金元素与化合物金液牛的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生化学反应，生成一种或几种陶瓷增之间发生化学反应，生成一种或几种陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形获得由原位颗粒强颗粒，然后通过铸造成形获得由原位颗粒增强的金属基复合材料。增强的金属基复合材料。搅拌铸造（stir casting）（1）成形的粘滞阻力）成形的粘滞阻力 向液体内加固体时，粘度会大大增加。对于纤维尤其严重，向液体内加固体时，粘度会大大增加。对于纤维尤其严重，以致于当以致于当MMC含纤维量超过百分之

44、几时，就不能用这种工含纤维量超过百分之几时，就不能用这种工艺制造。，要保证很好的弥散程度是很困难的。艺制造。，要保证很好的弥散程度是很困难的。（2）微观组织的均匀性）微观组织的均匀性 几种可能的原因：包括颗粒结团或在熔体里沉积，吸入的气几种可能的原因：包括颗粒结团或在熔体里沉积，吸入的气泡，在铸造过程中由于液体输送不足造成的孔隙，以及由于泡，在铸造过程中由于液体输送不足造成的孔隙，以及由于凝固前沿对颗粒的推斥而致的颗粒偏析等等。凝固前沿对颗粒的推斥而致的颗粒偏析等等。（3）界面反应）界面反应 在搅拌铸造过程中，延长了液体与陶瓷的接触时间，会引起在搅拌铸造过程中，延长了液体与陶瓷的接触时间，会引

45、起过度的界面反应。对于过度的界面反应。对于A1-SiC体系，已有详尽的研究体系，已有详尽的研究56，58，此时可能会有过多的此时可能会有过多的A14C3和和Si生成。这时既降低复合材料生成。这时既降低复合材料的最终性能，而且大大提高了浆体的粘度，使随后的铸造过的最终性能，而且大大提高了浆体的粘度，使随后的铸造过程困难。程困难。浆体铸造的关键点p克服成形时的阻力：固相加入液相后使黏度增大。流变模型。p减少或避免微观组织的不均匀：颗粒结团或沉淀、吸入气泡；液体输送不足（孔隙）、颗粒的相互排斥造成的偏析。建立对颗粒排斥的流变模型。p界面反应：例如Al/SiC体系，生成Al4C3和Si，使黏度增大，复

46、合材料性能下降。措施：预先合金化，使熔体富Si。界面反应 该方法中通常金属熔体与陶瓷的接触时间长，引起该方法中通常金属熔体与陶瓷的接触时间长，引起界面的二次反应。关于这一问题，对于在界面的二次反应。关于这一问题，对于在Al/SiCAl/SiC界界面上形成面上形成AlAl4 4C C3 3进行了详细研究。这样的反应使复合进行了详细研究。这样的反应使复合材料的性能降低。提高熔体的黏度可以减缓这一反材料的性能降低。提高熔体的黏度可以减缓这一反应，但也使得铸造变得困难。而且，在熔体中加入应，但也使得铸造变得困难。而且，在熔体中加入SiSi能够使该反应的速度接近于零。并保证能够进行能够使该反应的速度接近

47、于零。并保证能够进行铸造的黏度。这是由于在铸造的黏度。这是由于在Al/SiCAl/SiC铸造复合材料中，铸造复合材料中，至完全凝固所需要的时间较长，为了使反应不至于至完全凝固所需要的时间较长，为了使反应不至于剧然发生，必须对各种参数进行控制。剧然发生，必须对各种参数进行控制。5）反应性工艺(即时复合材料)（1）共晶体的定向凝固 定向凝固很早就被用来生产各向异性的材料，定向凝固所得微观组织通常都具有很高的规则性和完整性。在一些特殊情况下，这种方法可用来生产实际上是金属基复合材料的铸件。当一种恰为共晶成分的二元合金在特定温度下正常凝结时，往往会形成一种排列整齐的两相结构。 定向凝固共晶l原理：共晶

48、凝固 L + l凝固方式：定向l组织特征：整齐排列的两相，相当与纤维基体与纤维的结合力强可控制纤维的直径与间距热力学平衡状态增强体本性与体积分数的局限性L4.3.2 主要的固相工艺 混合、压制与烧结（粉末冶金）混合、压制与烧结（粉末冶金） 薄膜的扩散键合薄膜的扩散键合 SHS 法法 由有机聚合物的合成由有机聚合物的合成（1）粉末冶金粉末冶金粉末冶金( (机械合金化机械合金化) )MA（机械合金化）（机械合金化）纳米材料纳米材料弥散强化弥散强化超合金超合金非晶材料非晶材料超导、磁性超导、磁性材料材料互不相溶系互不相溶系复合材料复合材料微晶材料微晶材料 Principle and Mechanis

49、m本课题组关于放电等离子体烧结方面的论文（2005.62007.8）1.Chengchang JIA, Hua TANG, Xuezhen MEI, et al, Spark Plasma Sintering on Nanometer Scale WC-Co Powder, Materials Letters, 2005,59(4); 25662569 (SCI EI收录)（IDS Number:942IC）2.JIA Chengchang, LI Zhigang, HE Yuntao, and QU Xuanhui, Spark plasma sintering on mechanicall

50、y activated W-Cu powders, Rare Metals 2004; 23; 269273. (SCI EI收录)（IDS Number:858MH, ISSN:1001-0521）3.Jie Meng, Chengchang Jia, Qing He, Influence of powder characteristics on the structure and properties of Ni3Al fabricated by spark plasma sintering, 6th International Workshop on Advanced Intermeta

51、llic and Metallic Materials, 2005.10, Yangzhou / Nanjing, China4.Qing He, Chengchang Jia, Jie Meng, Influence of iron powder size on the microstructure and properties of Fe3Al intermetallices prepared by mechanical alloyng and spark plasma sintering, Materals Science and Engineering A, 428 (2006),31

52、4318 （SCI）5.Jie Meng, Chengchang Jia, Qing He, Effect of Mechanical Alloying on the Fabrication of Ni3Al by Hot Pressing, J. of Alloy and Compounds, 421 (2006),200203 （SCI）6.Chengchang Jia, Qing He, Jie Meng, Xuanhui Qu. Fe3Al based alloys fabricated by spark plasma sintering from mechanically activ

53、ated powders, Submitted to THERMEC2006, the fifth international conference on advanced materials; Processing, Fabrication, Properties, Applications. Canada, Vancouver, 4-8, June, 2006 （SCI）7.Jie Meng, Chengchang Jia, Qing He, Effect of Mechanical Alloying on Structureand property of Ni3Al by park Pl

54、asma Sintering, , 2006, Beijing International Materials Week, June 25-30, 2006, China, p2168.Qing He, Chengchang Jia, Jie Meng, Mechanical Properties of Fe3Al Intermetallics, 2006, Beijing International Materials Week, June 25-30, 2006, China, p2139.Jie Meng Chengchang Jia, Qing, He Fabrication of o

55、xide-reinforced Ni3Al composites by mechanical alloying and spark plasma sintering, Materials science and engineering A, 434 (2006), 246249 （SCI）10.Jie MENG, Chengchang JIA and Qing HE. Characteristics of mechanical alloyed Ni-Al powder for sintering. Rare Metals, Volume 26, Issue 4, August 2007, Pa

56、ges 372-376 （SCI）本课题组关于放电等离子体烧结方面的论文,续（2005.62007.8）11.Jie MENG, Chengchang JIA and Qing HE. Fabrication of Ni3Al by hot pressing from element powders. Rare Metals, Volume 26, Issue 3, June 2007, Pages 222-225 （SCI）12.Meng Jie, Jia Chengchang, He Qing. Influence of powder characteristics on structur

57、e and properties of Ni3Al fabricated by spark plasma sintering. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), v 16, n SUPPL. 2, 2006, p 112-116 （SCI）13.Lan Sun, Chengchang Jia, Hua Tang, Research on Two Sintered Technology of Nanometer WC-Co Powder, Materials Science Frum, 53

58、4-536, (2007), 593-596 （SCI）14.Chengchang Jia, Lan Sun, Hua Tang, XuanhuiQu, Hot pressure of nometer WC-Co powder, REFRACTORY METALS & HARD MATERIALS, 25(2007), 5356. （SCI）15.Chengchang Jia, Qing He, Jie Meng, Fe3Al alloys fabricated by spark plasma sintering from mechanically alloyed powders, M

59、aterials Science Forum, 539543, (2007), 27062712 （SCI）16.Lan Sun, Chengchang Jia, Min Xian, A Research on the grain growth of WC-Co cment carbide, International Journal of Refractory Metals & Materals, 25 (2007), 121124 （SCI）17.Chengchang Jia, Qing He, Jie Meng and Lina Guo. Influence of mechani

60、cal alloying time on the properties of Fe3AI intermetallics prepared by spark plasma sintering， Journal of University of Science and Technology Beijing, Volume 14, Issue 4, August 2007, Pages 331-334 （SCI）18.Qing He，Chengchang Jia ，Jie MengMechanical properties and microstructure of Fe3Al intermetallics fabric