第10章复合材料制备

1、复合材料复合材料基体基体增强体增强体n命名和分类命名和分类10.2 基本理论基本理论1、复合材料界面、复合材料界面 复合材料的界面是指基体与增强相一复合材料的界面是指基体与增强相一个多层结构的过渡区域个多层结构的过渡区域。 外力场外力场基体基体基体表面区基体表面区相互渗透区相互渗透区增强体表面区增强体表面区增强体增强体 A、界面效应、界面效应 可将界面的机能归纳为以下可将界面的机能归纳为以下5种效应：种效应：（1 1）传递效应：）传递效应：（2）阻断效应：）阻断效应：（3）不连续效应：）不连续效应：（4）散射和吸收效应：）散射和吸收效应：（5）诱导效应：）诱导效应：B、界面的结合状态和强度、界

2、面的结合状态和强度复合材料都要求有合适的复合材料都要求有合适的界面结合强度界面结合强度。界面结合较差的复合材料；界面结合较差的复合材料；界面结合过强的复合材料；界面结合过强的复合材料；界面结合最佳态。界面结合最佳态。2、复合理论、复合理论一、复合材料增强机制一、复合材料增强机制1 、 颗粒增强复合材料增强机制颗粒增强复合材料增强机制基体和颗粒共同承受外来载荷；基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒阻碍基体位错运动；颗粒阻碍基体位错运动；裂纹的扩展在颗粒前受阻。裂纹的扩展在颗粒前受阻。颗粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示：颗粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示：CV1dVbGG3PPPmy）（221

3、式中：式中： y 复合材料屈服强度；复合材料屈服强度；Gm 基体的切变模量；基体的切变模量； b 为柏氏矢量；为柏氏矢量； d 颗粒直径；颗粒直径；C 常数常数 VP 颗粒体积分数；颗粒体积分数； Gp 颗粒的切变模量。颗粒的切变模量。 2、 弥散增强复合材料增强机制弥散增强复合材料增强机制基体是承受外来载荷的主要相；基体是承受外来载荷的主要相；颗粒阻碍基体位错运动颗粒阻碍基体位错运动裂纹的扩展在颗粒前受阻裂纹的扩展在颗粒前受阻弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：)1 (3V2db21P2myPVG式中：式中： y 复合材料屈服强度；复合材料屈服强度

4、；Gm 基体的切变模量；基体的切变模量； b 为柏氏矢量；为柏氏矢量； d 颗粒直径；颗粒直径； VP 颗粒体积分数。颗粒体积分数。3.纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制 基体：不是主承力相。基体：不是主承力相。 纤维：主承力相。纤维：主承力相。 假定：理想结合，泊松比相同；假定：理想结合，泊松比相同； 在外力作用下。在外力作用下。短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示：短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示： fmfcFfFVV2ll 11式中：式中：m* 与纤维的屈服应变同时发生的基体应力；与纤维的屈服应变同时发生的基体应力； fF 纤维的

5、平均拉伸应力；纤维的平均拉伸应力； Vf 纤维的体积分数；纤维的体积分数； l 纤维的长度；纤维的长度； lc 最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度，最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度， 纤维的临界长度，。纤维的临界长度，。可得：可得：（1）l / lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。愈大，复合材料的拉伸强度愈大。 当当l / lc10时，时， 增强效果可达到连续纤维的增强效果可达到连续纤维的95%。（2）引入纤维直径）引入纤维直径d ， （l /d ）c 为纤维临界长径比为纤维临界长径比 ， 当（当（l /d ）c 10 时，时， 复合材料可获得理想的增强效果。复合材料可获得理想的增强效

6、果。 fmfcFfFVV2ll 11分析上式分析上式二、复合材料的复合法则二、复合材料的复合法则混合定律混合定律1、混合定律：、混合定律： 复合材料满足以下条件复合材料满足以下条件:（1）均质，无内应力；）均质，无内应力；（2）各向同性及线弹性材料；）各向同性及线弹性材料；（3）粘结牢靠。）粘结牢靠。 复合材料力学性能同组分之间的关系复合材料力学性能同组分之间的关系 Xc = Xm Vm + XfVf 或或 Xc = XfVf + Xm（1 - Vf） 式中：式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等； V：材料的体积百分比。：材料的体积百分比。2

7、、连续纤维单向增强复合材料、连续纤维单向增强复合材料 弹性模量弹性模量 、泊松比、剪切强度等性能均符泊松比、剪切强度等性能均符合合混合定律。混合定律。 如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。因子前面乘以一个系数。 在平行于纤维长度方向的强度计算，主要在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。 3、短纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料 短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图 强度强度纤维长度，以纤维长度，以lc为单位为单位单

8、相复合材料，单相复合材料，Vf0.5将玻璃加热至熔融状态，使将玻璃加热至熔融状态，使其从漏嘴流出，再进行高速其从漏嘴流出，再进行高速拔丝的方法。而且一般是使拔丝的方法。而且一般是使用多个漏嘴，同时纺丝。用用多个漏嘴，同时纺丝。用这种方法既可制备连续纤维，这种方法既可制备连续纤维，也可以制备短纤维。也可以制备短纤维。 碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、石油（或煤的碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、石油（或煤的蒸溜残碴）以及蒸溜残碴）以及PAN（聚丙烯腈（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳系碳纤维）等。其特性也因原材料而有所差别。纤维）等。其特性也因原材料而有所差别。原丝

9、原丝制造制造改改性性的的丙丙烯烯纤纤维维稳定稳定化化硫硫酸酸脱脱氢氢，桥桥接接反反应应，嘧嘧啶啶聚聚合合物物碳化碳化在在氮氮气气中中加加热热一一千千至至两两千千度度稳定稳定化化碳碳、氮氮等等结结合合反反应应，脱脱氢氢反反应应表面表面处理处理表表面面形形成成氢氢氧氧基基，或或涂涂有有机机聚聚合合物物精整精整稳稳定定纤纤维维尺尺寸寸以以PAN作为原材料作为原材料 PAN基碳纤维高强度、重量轻、耐高温、耐腐基碳纤维高强度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，世界总生产能力，跃居世蚀、优异的电性能等特点，世界总生产能力，跃居世界高性能纤维的第二位。界高性能纤维的第二位。 聚丙烯腈（聚丙烯腈（P

10、AN）基碳纤维有两大类，即大丝束）基碳纤维有两大类，即大丝束碳纤维（碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（）和小丝束碳纤维（CT）。）。20世纪世纪90年代中期以前世界上生产的都是年代中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。型碳纤维。1996年生产出位伸强度可以与年生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的型碳纤维相媲美的LT型碳纤维。型碳纤维。 金属基复合材料制备工艺的分类：金属基复合材料制备工艺的分类： 1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、固态法：真空热压扩散结合、热等静压、 超塑性成型超塑性成型/ /扩散结合、模压、粉末冶金法。扩散结合、模压、粉末冶金法。 2 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反

11、压铸造、）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、 半固态铸造。半固态铸造。 3 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。 4 4）原位生长法。）原位生长法。连续增强相金属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固态、液态法固态、液态法 碳纤维碳纤维 镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法 硼纤维硼纤维 钛合金钛合金 固态法固态法 SiCSiC纤维纤维 高温合金高温合金固态法固态法 氧化铝纤维氧化铝纤维 金属间化合物金属间化合物固态法固态法不连续增强相金属基复合材料的制备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固

12、态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒颗粒 镁合金镁合金液态法液态法 晶须晶须 钛合金钛合金固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法 短纤维短纤维 高温合金高温合金原位生长法原位生长法 金属间化合物金属间化合物粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺） 真空热压扩散结合真空热压扩散结合 金属基复合材料（金属基复合材料（MMCMMC）制备方法）制备方法4. 4. 粉末冶金法粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（非连续增强相金属基复合材料制备工艺） 粉末冶金法也是一种

13、制备非连续增强相金属基复合材料粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：常采用的工艺。其优点如下： 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 2）可根据要求设计复合材料的性能；可根据要求设计复合材料的性能； 3）利于增强相与金属基体的均匀混合。利于增强相与金属基体的均匀混合。 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。利于净成型或近净成型，二次加工性能好。 但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。但工艺流程较长，成本较高是这种工

14、艺的缺点。金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能 复合材料复合材料增强相含增强相含量量VoL%抗拉强度抗拉强度MPa拉伸模量拉伸模量GPa密度密度g/cm3BF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlSumica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 1

15、38100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.710.4 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。细微的缺陷很敏感。 陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。时其强度、模量有了提高。不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较不同金属、

16、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较 陶瓷基复合材料的制备工艺粉末冶金法陶瓷基复合材料的制备工艺粉末冶金法 工艺流程：工艺流程： 原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形冷压成形 （热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。 浆体法（湿态法）浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维增韧陶瓷基复合材料。 其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持其混合