材料科学与工程导论 第7章 复合材料(Ⅱ)

1、1第七章 复合材料（）7.1 复合材料概述复合材料概述7.2 复合材料的增强机理复合材料的增强机理7.3 常用复合材料常用复合材料7.4 复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺7.5 复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势夏鹏举夏鹏举 教授教授材料科学与工程学院材料科学与工程学院44学时学时27.3 常用复合材料常用复合材料7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）7.3.4 原位复合材料原位复合材料7.3.5 功能复合材料功能复合材料7.3.6 层状复合材料层状复合材料37.3.1

2、 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）金属基复合材料：金属基复合材料： 以金属及其合金为基体，用一种或几种金属或非金属以金属及其合金为基体，用一种或几种金属或非金属增强的复合材料。增强的复合材料。7.3 常用复合材料常用复合材料特点：特点： 金属基复合材料除具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性模量和低线膨胀系数。密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点。 工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、抗电磁干扰、抗辐射。抗电磁干扰、抗辐射。 可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。缺点

3、：缺点：4金属基复合材料金属基复合材料原位复合增强原位复合增强长纤维增强长纤维增强短纤维或晶须增强短纤维或晶须增强颗粒增强颗粒增强金属基体金属基体铝合金铝合金镁合金镁合金钛合金钛合金铜及铜合金铜及铜合金金属间化合物金属间化合物长纤维增强长纤维增强原位复合增强原位复合增强颗粒增强颗粒增强短纤维或晶须短纤维或晶须增强增强7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）51.长纤维增强金属基长纤维增强金属基复合材料复合材料 这类复合材料具有这类复合材料具有各向异性各向异性特征，其程度取决于纤维特征，其程度取决于纤维在基体中的数量、分布和排列情况。在基体中的数量、分布和排列情况。 硼硼/ /铝复合

4、材料铝复合材料 硼纤维高温强度高，1500时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止纤维表面氧化。硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）6 石墨石墨/ /铝复合材料铝复合材料 具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。 石墨石墨/ /镁复合材料镁复合材料 这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材

5、料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）7 碳化硅碳化硅/ /钛复合材料钛复合材料 碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。 主要应用于主要应用于飞机发动机部件飞机发动机部件和和涡轮叶片涡轮叶片以及以及火箭发动火箭发动机箱体机箱体材料。材料。飞机发动机涡飞机发动机涡飞机发动机飞机发动机7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）8 氧化铝氧化铝/ /铝复合材料铝复合材料 氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨

6、性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。汽车发动机部汽车发动机部汽车发动机活塞汽车发动机活塞7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）92. 短纤维短纤维/晶须增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料 这类复合材料具有比强度、比模量高，耐高温，耐这类复合材料具有比强度、比模量高，耐高温，耐磨，线膨胀系数小，且可用常规设备进行制备和二次加磨，线膨胀系数小，且可用常规设备进行制备和二次加工。工。 氧化铝氧化铝/ /铝复合材料铝复合材料 其高温强度、弹性模量明显优于基体的高温强度和弹性模量，且膨胀系数较低、耐磨性较高。用于汽车发动机零件等。 碳化硅碳化硅

7、/ /铝复合材料铝复合材料 这类复合材料具有良好的综合性能，比强度、比模量高，线膨胀系数低。主要应用于航空航天领域。7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）10 氧化铝氧化铝/ /镍复合材料镍复合材料 晶须与基体的线膨胀系数相差较大，复合时遇到困难，又晶须价格昂贵，使之发展缓慢，应用有限。3. 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料是由一种或多种陶瓷或金属颗粒作为增强材料与金属基体组成的先进复合材料。7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）11 碳化钛碳化钛/ /钛复合材料钛复合材料 与基体合金相比这种复合材料强度、弹性模量及耐蠕变性能均明

8、显提高，使用温度可达500 ，可用于制造导弹壳体、导弹尾翼等。 颗粒增强颗粒增强金属间化合物金属间化合物基复合材料基复合材料 这类复合材料主要有TiB2/NiAl、TiB2/TiAl等，使用温度高达800 ，目前尚处于试验研究阶段。 碳化硅碳化硅/ /铝复合材料铝复合材料 这种复合材料的强度与钛合金相近，弹性模量高于钛合金；耐磨性比铝合金的高一倍，使用最高温度可达300-350。已批量用于汽车工业和机械工业。7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）12金属陶瓷金属陶瓷 是金属基体（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金）和是金属基体（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金）和陶瓷（通常为氧化物、碳

9、化物、硼化物和氮化物等陶瓷（通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等) )组成的组成的颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料。 碳化物金属陶瓷碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬硬质合金质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。硬质合金铣刀硬质合金铣刀7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）硬质合金硬质合金13 硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。片，镶在刀体上使用。

10、硬质合金刀片硬质合金刀片7.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）147.3.1 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）4. 金属基复合材料的应用金属基复合材料的应用15什么是陶瓷基复合材料？什么是陶瓷基复合材料？ 在在陶瓷基体陶瓷基体中添加中添加碳纤维碳纤维、氧化铝纤维氧化铝纤维、碳化硅纤维碳化硅纤维、碳化硅晶须碳化硅晶须、氧化铝晶须氧化铝晶须、碳化硅颗粒碳化硅颗粒和和碳化钛颗粒碳化钛颗粒，所形，所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。成的复合材料称为陶瓷基复合材料。 SiC(纤维)/Si3N4SiCp/ZrB27.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)7.3 常用复合材料常

11、用复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料: 以以陶瓷为基体陶瓷为基体与各种与各种纤维纤维复合的一类复合复合的一类复合材料。材料。 16q 陶瓷材料陶瓷材料具有很高的抗氧化性抗氧化性、耐热性耐热性、耐磨性耐磨性和耐蚀耐蚀性性，但脆性大脆性大、韧性差韧性差使它的应用受到了极大的限制。 q 直到近代，碳纤维碳纤维、氧化铝纤维氧化铝纤维、碳化硅纤维碳化硅纤维、碳化硅碳化硅晶须晶须、碳化硅颗粒碳化硅颗粒的加入，使得陶瓷的强度和韧性强度和韧性得到很大的改善，应用领域也取得突破性进展。q 目前用这些纤维纤维、晶须晶须、颗粒颗粒增强的陶瓷基复合材料主要用来制造人造卫星人造卫星、航天飞机航天飞机、星际探测器星际探

12、测器、大型运大型运载火箭载火箭和飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高的构件的构件。 7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)171. 长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料 碳碳/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 这种复合材料具有很高的高温强度很高的高温强度、弹性模量弹性模量和较高较高的韧性的韧性。 碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400以上的高温下长期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大512倍，可承受12001500 高温气流的冲击。 这类材料主要用来这类材料主要用来制造制造喷气飞机的涡轮

13、叶喷气飞机的涡轮叶片片。7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)18 碳化硅碳化硅/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。 利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高56倍，抗弯强度提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。已用于制造已用于制造喷气发动机的喷嘴喷气发动机的喷嘴。7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)192004国家技术发明一等奖国家技术发明一等奖 张立同院士张立同院士西北工业大学教授西北工业大学教授耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术 连续纤

14、维增韧碳化硅陶瓷基复合材料 7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)20 碳碳/ /碳复合材料碳复合材料7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC) 由碳纤维及其制品(碳毡、碳布等)增强的碳基复合材料。 由碳纤维及其制品作为由碳纤维及其制品作为预制体预制体，通过，通过化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)(CVD)或液态树脂、沥青或液态树脂、沥青浸渍碳化法浸渍碳化法获得获得C/CC/C的的基体碳基体碳来制来制备。备。耐烧蚀性耐烧蚀性 导弹弹头和固体火箭发动机喷管航天飞机的鼻锥、导弹弹头和固体火箭发动机喷管航天飞机的鼻锥、 机翼前缘机翼前缘摩擦磨损性能摩擦磨损性能 飞机的刹车盘飞

15、机的刹车盘；赛车、高速列车的刹车制动材料；赛车、高速列车的刹车制动材料与人体的生物相容性与人体的生物相容性 生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、 牙根、髋关节等牙根、髋关节等耐高温和低密度耐高温和低密度 航空发动机理想轻质材料航空发动机理想轻质材料21空中客车空中客车A320的的C/C刹车装置刹车装置2004年度年度 国家技术发明一等奖国家技术发明一等奖高性能炭高性能炭/ /炭航空制动材料的制备技术炭航空制动材料的制备技术7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)黄伯云院士黄伯云院士中南大学教授中南大学教授222. 短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料短纤维及

16、晶须增强陶瓷基复合材料 碳碳/ /玻璃陶瓷基复合材料玻璃陶瓷基复合材料 短纤维增强玻璃陶瓷可使这一复合材料的韧度韧度大大提高，当短纤维定向有序分布时可获得更高的断裂韧度。 碳纤维碳纤维增强的增强的硼硅酸盐玻璃陶瓷硼硅酸盐玻璃陶瓷的强度已达到铸的强度已达到铸铁的水平。铁的水平。7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)23 晶须晶须/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 增强晶须是陶瓷晶须，这种晶须是位错很少的陶瓷小单晶，具有很高的强度，是一种非常理想的陶瓷基复合材料中的增强增韧材料，近年来晶须增强陶瓷基复合材料晶须增强陶瓷基复合材料发展很快并取得很好的韧化效果取得很好的韧化效果。晶须晶须：

17、SiC晶须晶须、Si3N4晶须晶须和和Al2O3晶须晶须。基体：基体：Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4和莫来石和莫来石等。等。7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)SiCSiC晶须晶须243. 颗粒增强陶瓷基复合材料颗粒增强陶瓷基复合材料 氧化锆氧化锆/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用ZrO2增韧的Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高11.4倍。 氧化钇氧化钇/ /陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 在ZrO2 陶瓷中加入Y2O3微粒，可获得晶粒组织非常细小的高强度、高韧性复合陶瓷。7.3.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC

18、)25树脂基复合材料树脂基复合材料玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维碳化硅纤维碳化硅纤维芳纶纤维芳纶纤维晶须晶须颗粒颗粒增强体的类型增强体的类型增强增强 聚合物基复合材料分类：聚合物基复合材料分类：按增强体的类型分：按增强体的类型分：7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC） 聚合物基复合材料聚合物基复合材料又称又称树脂基复合材料树脂基复合材料，是目前应用最，是目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。广、消耗量最大的一类复合材料。7.3 常用复合材料常用复合材料267.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）热固性热固性树脂基复合材料树脂基复合材料热塑性热塑性树

19、脂基复合材料树脂基复合材料根据树脂的性质根据树脂的性质按树脂的性质分：按树脂的性质分：碳纤维增强聚合物碳纤维增强聚合物27纤维在基体中的不同分布方式：纤维在基体中的不同分布方式：纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向纤维方向密切相关。 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料；纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料； 均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性；均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性； 纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能；纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能； 纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均

20、优的材料。1. 纤维增强的树脂基复合材料纤维增强的树脂基复合材料7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）28（1）玻璃纤维）玻璃纤维及其及其增强的树脂基复合材料增强的树脂基复合材料玻璃纤维的性能特点玻璃纤维的性能特点： q 抗拉强度很高。纤维越细，强度越高。抗拉强度很高。纤维越细，强度越高。q 耐热性低。耐热性低。q 化学稳定性高。化学稳定性高。q 脆性较大。脆性较大。 玻璃纤维玻璃纤维 玻璃脆性很大，但是将熔融态玻璃以极快的速度拉制成纤维，就具有一定的柔韧性柔韧性，可纺织成纱或各种形式的玻璃布。7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）29玻璃纤维增强树脂基复合

21、材料玻璃纤维增强树脂基复合材料7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）密度低：密度低：1.62.0g/cm3；比强度高：较最高强度的合金钢还高比强度高：较最高强度的合金钢还高3 3倍；倍；耐腐蚀耐腐蚀突出特点：突出特点：耐烧蚀耐烧蚀航空航天工业航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。火箭火箭：发动机壳体、喷管。：发动机壳体、喷管。汽车工业汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、内部装饰件等。：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、内部装饰件等。石油化工工业石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等。：如玻

22、璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等。 应应 用：用：玻璃纤维增强酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂基体热固性玻璃钢热固性玻璃钢； 聚酰胺、聚丙烯、ABS、尼龙等热塑性树脂基体热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢。 玻璃钢玻璃钢307.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）玻璃钢型材玻璃钢型材317.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）32碳纤维的特点碳纤维的特点：q 密度低，弹性模量高和强度高。密度低，弹性模量高和强度高。q 高温、低温力学性能好。高温、低温力学性能好。q 具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。q 它的主要缺

23、点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比它的主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维的还差，常需要表面处理来改善与基体的结玻璃纤维的还差，常需要表面处理来改善与基体的结合力。合力。 （1）碳纤维）碳纤维及其及其增强的树脂基复合材料增强的树脂基复合材料碳纤维碳纤维 碳纤维由有机纤维经高温碳化而成，工业广泛应用聚烯腈纤维、黏胶纤维和沥青纤维制造的碳纤维。7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）碳纤维丝碳纤维丝33碳纤维增强的树脂基复合材料（碳纤维增强的树脂基复合材料（CFRP）7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）航天工业：如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾

24、翼、主航天工业：如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构桁架及太阳能电池支架。桁架及太阳能电池支架。汽车工业：汽车工业：F F1 1方程式赛车车身方程式赛车车身体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。突出特点：突出特点：应应 用：用：密度更低密度更低 更高的比强度和比模量更高的比强度和比模量化学稳定性高化学稳定性高高、低温力学性能好高、低温力学性能好比玻璃钢的性能普遍优越比玻璃钢的性能普遍优越347.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）35芳纶刹车片芳纶刹车片高温

25、构件高温构件碳纤维增强聚酰亚胺复碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机合材料制航空发动机7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）36晶须晶须q晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。q铁晶须已投入生产；陶瓷晶须强度极高，此外还有密铁晶须已投入生产；陶瓷晶须强度极高，此外还有密度低、弹性模量高、耐热性能好等特点，是极有发展度低、弹性模量高、耐热性能好等特点，是极有发展前途的增强晶须。高分子晶须与环氧树脂的复合工艺前途的增强晶须。高分子晶须与环氧树脂的复合工艺还在研究中。还在研究中。 晶须增强的树脂基复合材料晶须增强的树脂基复合材料 晶须价格昂贵

26、，主要用于晶须价格昂贵，主要用于金属基复合材料金属基复合材料，在树，在树脂基复合材料中应用不多。脂基复合材料中应用不多。3. 晶须及其增强的树脂基复合材料晶须及其增强的树脂基复合材料7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）374. 颗粒增强树脂基复合材料颗粒增强树脂基复合材料 树脂中加入非纤维状增强颗粒的复合材料，强度、弹性模量等力学性能比用纤维增强稍差，但仍然可使增强的树脂具有各种独特性能，这些颗粒还具有改性作用。按用途可将这类增强颗粒分为合成木材、耐磨材料和功能材料。7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）38 钙塑材料钙塑材料q 定义定义：它是以热塑性树脂

27、为基体，由无机颗粒增强（改：它是以热塑性树脂为基体，由无机颗粒增强（改性），加入性），加入碳酸钙碳酸钙等分散介质制得的复合材料。等分散介质制得的复合材料。q 特性特性：不仅能代替：不仅能代替木材木材，钙塑材料的吸水率比木材的低，钙塑材料的吸水率比木材的低515，耐腐蚀，还具有保温、吸音、抗震等性能，耐腐蚀，还具有保温、吸音、抗震等性能，成本较低。成本较低。q 种类种类：主要有种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑材：主要有种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑材料、聚氯乙烯钙塑材料，此外还有用料、聚氯乙烯钙塑材料，此外还有用ABS树脂、低压聚树脂、低压聚乙烯作为基体的钙塑材料。乙烯作为基体的钙塑材料。q

28、应用应用：用于制作地板、墙板、家具，以及车辆、船舶、：用于制作地板、墙板、家具，以及车辆、船舶、房屋等内装饰材料，此外还可制成保温板、隔音板等。房屋等内装饰材料，此外还可制成保温板、隔音板等。 (1) 合成木材合成木材7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）39新型合成木材新型合成木材q 定义定义：以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料：以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料木粉木粉、木木屑屑、稻壳粉稻壳粉、稻草屑稻草屑为分散介质的颗粒增强塑料应运而生。为分散介质的颗粒增强塑料应运而生。 q 特性特性：这类材料的特点是填料量大，树脂量少，密度低，价：这类材料的特点是填料量大，树

29、脂量少，密度低，价格便宜，保温性能好，同时具有防火、防蛀、防腐蚀等性能。格便宜，保温性能好，同时具有防火、防蛀、防腐蚀等性能。 q 应用应用：目前广泛应用于制作门芯板、天花板、家具和车、船：目前广泛应用于制作门芯板、天花板、家具和车、船的隔板。的隔板。 7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）40q定义定义：以热固性酚醛树脂与合成橡胶为基体，以石棉、：以热固性酚醛树脂与合成橡胶为基体，以石棉、铁粉、石墨、硫酸钡、氧化铝非分散介质的复合材料。铁粉、石墨、硫酸钡、氧化铝非分散介质的复合材料。q特性特性：它的摩擦系数高，耐磨性好，使用寿命长。：它的摩擦系数高，耐磨性好，使用寿命长。q

30、应用应用：可用于飞机、汽车、地铁车辆的刹车片、摩擦：可用于飞机、汽车、地铁车辆的刹车片、摩擦垫板和离合器等耐磨件。垫板和离合器等耐磨件。 (2) 耐磨材料耐磨材料7.3.3 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（PMC）417.3.4 原位复合材料原位复合材料什么是原位复合材料？什么是原位复合材料？ 采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出自身析出晶须晶须或颗粒颗粒而得到的复合材料。原位复合材料的特点：原位复合材料的特点：增强相在结晶凝固过程中析出，故界面结合牢固、强度高，同时避免了人工复合时润湿、化学反应、相容性等问题。由于两相是在高温接近热平衡条

31、件下缓慢生成的，因而具有良好的热稳定性。材料易加工，能直接铸成所需结构。7.3 常用复合材料常用复合材料42主要起主要起粘结作用粘结作用，某些情况下也起功能作用。，某些情况下也起功能作用。复合材料的复合材料的功能特性。功能特性。不同特性的功能体不同特性的功能体特性各异的功能复合材料。特性各异的功能复合材料。功能体：功能体：特特 点：点： 磁功能、电功能、光功能、热功能、摩擦功磁功能、电功能、光功能、热功能、摩擦功能、阻尼功能、防弹功能、辐射功能等。能、阻尼功能、防弹功能、辐射功能等。按功能特性分类：按功能特性分类：应用面宽应用面宽研制周期短研制周期短附加值高附加值高小批量，多品种小批量，多品种

32、适于特殊用途适于特殊用途7.3.5 功能复合材料功能复合材料基体：基体：7.3 常用复合材料常用复合材料437.3.6 层状复合材料层状复合材料7.3 常用复合材料常用复合材料 层状复合材料层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的( (层内两维层内两维同性同性) )。如如碳化硼片增强钛、胶合板碳化硼片增强钛、胶合板等。等。层状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌层状复合层状复合44 双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输

33、及包装等。 有有TiN涂层的高尔夫球头涂层的高尔夫球头铝合金蜂窝夹层板铝合金蜂窝夹层板泡沫铝泡沫铝7.3.6 层状复合材料层状复合材料45复合材料的制备工艺：复合材料的制备工艺：7.4 复合材料的制备（成型）复合材料的制备（成型）复合材料的制备工艺特点：复合材料的制备工艺特点： 将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而采用的“适当方法”。（1）材料的形成与制品的成型同时完成。）材料的形成与制品的成型同时完成。 复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。程。 复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能。复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能

34、。（2）复合材料的成型比较方便。）复合材料的成型比较方便。 一种复合材料制品可以用多种方法成型，有选择一种复合材料制品可以用多种方法成型，有选择余地。余地。467.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺聚合物基复合材料的性能在聚合物基复合材料的性能在与与体系确定后，体系确定后，主要决定于主要决定于。主要包括以下两个方面：主要包括以下两个方面： 一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺置成一定的铺置成一定的形状形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状; ;二是二是，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的，在，在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压

35、力等因素影响下使使下来，并能达下来，并能达到预期的性能要求。到预期的性能要求。聚合物基复合材料的原材料纤维等增强体聚合物基体材料7.4 复合材料的制备复合材料的制备（成型）（成型）47手糊成型工艺 喷射成型工艺 铺层工艺 模压成型工艺 缠绕成型工艺 挤拉成型工艺聚合物基复合材料的成型工艺：聚合物基复合材料的成型工艺： 7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺481.手糊成型工艺手糊成型工艺 用手工工具将纤维布或纤维毡浸上浸上树脂胶液，铺糊在敞开模具上，经室温固化和脱模获得制品的工艺方法。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺49手糊成型工艺的特

36、点：手糊成型工艺的特点：优点：优点：形状任意、复杂设备简单、投资小、折旧低工艺简单可任意添补树脂量高，耐腐蚀缺点：缺点： 效率低下 工作环境差 产品质量不稳 产品力学性能不好 批量小7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺502. 喷射成型喷射成型工艺工艺(1) 利用高压空气将树脂系统（固化剂、引发剂、促进剂等）和短纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并均匀沉积到模具上。(2) 待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂，压实并除去气泡，室温固化成型得到产品。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺51喷射成型工艺特点：喷射成型工艺特点：优点：优点：

37、效率高 成本低 整体性（无缝） 产品壁厚可调节缺点：缺点： 污染大 树脂用量大 制品强度低（短切）喷射法使用的模具与手糊法类似，而喷射法使用的模具与手糊法类似，而可提高可提高数倍，数倍，降低，能够降低，能够。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺523. 铺层工艺铺层工艺 指用手工铺叠方式，将预浸材料（无纬布、无纬带、编织物等）按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴直至所需的厚度，经加温加压固化、脱模、修整而获得制品的过程。 制品强度较高，可根据不同方向的受力情况制成强制品强度较高，可根据不同方向的受力情况制成强度各向异性的产品。度各向异性的产品。7.4.1 聚合物聚合物基

38、复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺534. 模压成型工艺模压成型工艺 将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔成型固化而获得制品的一种方法。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺545. 缠绕成型工艺缠绕成型工艺 将浸过树脂胶液的连续玻璃纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强材料制品的工艺过程。 三大过程：预浸；三大过程：预浸； 缠绕；缠绕； 固化脱模。固化脱模。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺55三维编织纤维结构三维编织纤维结构管、容器的螺旋缠绕平面

39、缠绕线型管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型几种编制物的结构几种编制物的结构7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺管管容器容器566. 注射成型工艺注射成型工艺 注射成型是将粒状或粉状的纤维-树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内，加热熔化后，由柱塞或螺杆加压，通过喷嘴注入闭合模内，经冷却定型后，脱模得到制品。 这是一种间歇式操作过程，适用于热塑性和热固性复合材料。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺57注射成型工艺的特点：注射成型工艺的特点：优点：优点： 成型周期短； 热耗量少； 闭模成型； 复杂产品一次成型，防变形或位移； 生产效率好，成本低。缺

40、点：缺点： 不适用于长纤维的产品； 模具质量要求高。7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺587. 挤拉成型工艺挤拉成型工艺 借助旋转螺杆的推挤，使处在一定温度和压力下呈熔融流动状态的热塑性物料连续地通过一个口模，然后降低温度，硬化定型，得到口模所限定的形状的复合材料性材料（杆、管、角材等）。挤出成型工艺特点：挤出成型工艺特点：7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺59一般情况下，只将一般情况下，只将在成型模中在成型模中加热到加热到的程度的程度，是是在加热箱中在加热箱中完成的完成的。卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图7.4.1 聚合

41、物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺60经拉挤工艺生产出型材经拉挤工艺生产出型材: : 7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺618. 连续成型工艺连续成型工艺 指从添加原材料到制成玻璃钢制品的整个过程都是在连续不断的进行。种类：种类： 连续制管； 连续制板；拉挤成型；复合管生产。连续制管连续制管连续管连续管效率高，投资大，品种少效率高，投资大，品种少连续复合管连续复合管品质高，高强，品质高，高强， 高性高性能，多用途能，多用途连续制板连续制板 浸胶毡定形固化而成。浸胶毡定形固化而成。连续拉挤连续拉挤 生产型材生产型材离心法制管离心法制管 低成本玻璃钢管低

42、成本玻璃钢管四种连续工艺：四种连续工艺： 连续化连续化 定制长度定制长度 一芯即可一芯即可 工艺稳定工艺稳定 结构多样结构多样工艺特点：工艺特点：7.4.1 聚合物聚合物基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺627.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为： 固态法；固态法； 液态法；液态法； 其他方法。其他方法。7.4 复合材料的制备复合材料的制备（成型）（成型）631. 固态制造技术固态制造技术 固态法是指在金属基复合材料中基体处于固态下制固态法是指在金属基复合材料中基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。造金属基复合

43、材料的方法。金属粉末或铝箔金属粉末或铝箔增强体增强体+ +加热加热加压加压复合黏结在一起复合黏结在一起工艺过程：工艺过程： 在整个过程中金属基体和增强体均在整个过程中金属基体和增强体均处于固体状态处于固体状态。固态法包括：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法和挤压法等。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺64 粉末冶金成型主要包括：粉末冶金成型主要包括：混合混合、压制压制和和固化固化三个过程。三个过程。 基体合金粉末和颗粒的混合均匀程度以及如何防止基体粉末的氧化问题是整个工艺过程的关键。(1) 粉末冶金法粉末冶金法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制

44、备工艺65固态扩散结合法固态扩散结合法 固态扩散法是将固态的纤维与金属适当地组合，在固态扩散法是将固态的纤维与金属适当地组合，在加压、加热条件下，使它们加压、加热条件下，使它们相互扩散结合相互扩散结合成为复合材料成为复合材料的方法。的方法。扩散黏结法扩散黏结法变形法变形法热压扩散法热压扩散法热等静压法热等静压法热轧法热轧法热拉和热挤压热拉和热挤压（2）固态扩散结合法）固态扩散结合法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺66 在较长时间高温高温及其塑性变形不大的作用下，利用金属粉末之间和基体粉末与增强体之间接触部位的原子在高温下相互扩散相互扩散，进而使纤维与基体金属结合到一

45、起的复合方法。扩散粘结法扩散粘结法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺67 热压扩散法热压扩散法 特点特点：利用静压力使金属基体产生：利用静压力使金属基体产生塑性变形塑性变形、通过、通过扩散而扩散而焊合焊合，并将增强纤维固结在其中而成为一体。，并将增强纤维固结在其中而成为一体。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺68 热等静压法热等静压法工艺过程：工艺过程：将金属基体和增强材料将金属基体和增强材料混合排列混合排列放入金属包套中放入金属包套中抽气密封后抽气密封后7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺69 变形法就是利用金属具有

46、塑性成型工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使复合好的的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成型。变形压力加工法变形压力加工法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺 热轧法热轧法 热轧法主要用来将已用粉末冶金或热压工艺复合的颗热轧法主要用来将已用粉末冶金或热压工艺复合的颗粒晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板粒晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材，或直接将纤维与金属箔材热轧成复合材料。材，或直接将纤维与金属箔材热轧成复合材料。 热拉和热挤压热拉和热挤压 热拉和热挤压主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属热拉和热挤压主要用于颗粒、晶须

47、、短纤维增强金属基复合材料的进一步加工制成各种形状的管材、型材、棒基复合材料的进一步加工制成各种形状的管材、型材、棒材等。材等。70 液态法是指在金属基复合材料制造过程中，液态法是指在金属基复合材料制造过程中，金属基体金属基体处于熔融状态处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。下与固体增强物复合的方法。液态法液态法铸造法铸造法熔铸复合法熔铸复合法熔融金属浸渍法熔融金属浸渍法真空压力浸渍法真空压力浸渍法喷射沉积法喷射沉积法搅拌铸造法搅拌铸造法真空吸铸法真空吸铸法高压凝固铸造法高压凝固铸造法压力铸造法压力铸造法2. 液态液态制造技术制造技术7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺

48、71 高压凝固铸造法高压凝固铸造法 高压凝固铸造法是将纤维与黏结剂制成的预制件放高压凝固铸造法是将纤维与黏结剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将在模具中加热到一定温度，再将熔融金属注入模具熔融金属注入模具中，中，迅速合模加压，使液态金属以一定的速度迅速合模加压，使液态金属以一定的速度浸透到预制件浸透到预制件中中，而其中的黏结剂受热分解除去，经冷却后得到复合，而其中的黏结剂受热分解除去，经冷却后得到复合材料制品。材料制品。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺72 真空吸铸法真空吸铸法 真空吸铸法是我国设计出的一种制造碳化硅纤维真空吸铸法是我国设计出的一种制造碳化硅

49、纤维增强铝基复合材料的新工艺。它是在铸型内增强铝基复合材料的新工艺。它是在铸型内形成一定形成一定负压条件负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自自上而下吸入型腔凝固后上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。形成固件的工艺方法。 7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺73基本原理：基本原理： 在压力作用下，在压力作用下，将液态金属浸入增强将液态金属浸入增强体预制块中，制成复体预制块中，制成复合材料坯锭，再进行合材料坯锭，再进行二次加工。二次加工。 压力铸造法压力铸造法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺74

50、搅拌铸造法搅拌铸造法基本原理：基本原理： 在一定条件下，在一定条件下，对处于熔化和半熔化对处于熔化和半熔化状态的金属液，施加状态的金属液，施加强烈的机械搅拌强烈的机械搅拌，使，使其能形成高速流动的其能形成高速流动的旋涡，使颗粒随旋涡旋涡，使颗粒随旋涡进入基体金属液中，进入基体金属液中，当在搅拌力作用下当在搅拌力作用下增增强颗粒弥散分布强颗粒弥散分布后浇后浇注成型。注成型。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺75 喷射沉积法喷射沉积法 喷射沉积法是一种将金属熔体与增强颗粒在惰性喷射沉积法是一种将金属熔体与增强颗粒在惰性气体的推动下，通过气体的推动下，通过快速凝固快速凝固制

51、备颗粒增强金属基复制备颗粒增强金属基复合材料的方法。合材料的方法。基本原理：基本原理： 在高速惰性气体流的作用下，将液态合金雾化，分散成极细小的金属液滴，同时通过一个或几个喷嘴向雾化的金属液滴流中喷入增强颗粒，使金属液滴和增强颗粒同时沉积在水冷基板上形成复合材料。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺76喷射沉积工艺过程包括喷射沉积工艺过程包括基体金属熔化基体金属熔化、液态金属雾化液态金属雾化、颗粒加入及其与金属雾化流的混颗粒加入及其与金属雾化流的混合合、沉积和凝固沉积和凝固。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺77雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图雾

52、化金属液滴与颗粒共沉积示意图7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺78 原位自生成法原位自生成法 等离子喷涂法等离子喷涂法 电镀法电镀法3. 其他其他制造方法制造方法7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺79在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到两个问题：一是一是增强体增强体与与金属基体金属基体之间的之间的（即润湿性）问题，（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在的界面都存在。（1）原位自生成法）原位自生成法其中，增强材料与金属基体之间的其中，增强材料与金属基体之间

53、的往往影响金往往影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中的属基复合材料在高温制备和高温应用中的和和。如果如果（纤维、颗粒或晶须）能（纤维、颗粒或晶须）能从金属基体中从金属基体中（即原位）（即原位），则上述两个问题就可以得到较好的，则上述两个问题就可以得到较好的解决。解决。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺80基本原理：基本原理： 在一定的条件下，通过元素与化合物之间的化学反在一定的条件下，通过元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内应，在金属基体内原位生成原位生成一种或几种高一种或几种高硬度、高弹性硬度、高弹性模量模量的的陶瓷增强相陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目

54、的。，从而达到强化金属基体的目的。a.a.以共晶形式从基体凝固析出；以共晶形式从基体凝固析出；b.b.由加入的元素间的反应或合成熔体中的某种组分与加入由加入的元素间的反应或合成熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成。的元素或化合物之间的反应生成。 定向凝固法是将某种共晶成分的合金原料在真空或惰性气氛个通过感应加热熔化，控制冷却方向进行定向凝固。在定向凝固反应过程中，析出的共晶相沿着凝固方向整齐排列，其中连续相为基体，条状或片状的分散相为增强体。7.4.2 金属金属基复合材料的制备工艺基复合材料的制备工艺81反应自生成法反应自生成法包括包括VLS法法、Lanxide法、放热合成法法、放热合成法(XD