复合材料的成型工艺

1、1 2聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能在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：3一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺置铺置成一定的形状成一定的形状，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、时间和压力等因素影响下使使下来，并能达到预期的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。456手糊成型工艺是复合材料手糊成型工艺是复合材料一一种成型方法，也是一种种成型方法，也是一种的方法，的方法，其具体工艺过程如下：其具体工艺过程

2、如下：7首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷，再在其上铺贴一层，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的按要求剪裁好的，用刷子、压辊或刮刀压挤织物用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其，使其并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺铺贴第二层纤维织物贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所，反复上述过程直至达到所需厚度为止。需厚度为止。 8然后，然后，在一定压力作用下在一定压力作用下（）或者利用）或者利用树脂体系固化时树脂体系固化时放出的热量放出的热量固化成型（固化成型（），最后），最后得到复合材料制品。其工艺流程如下得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：图所示：910为了得到为了得

3、到良好的脱模效果良好的脱模效果和和理想理想的制品的制品，同时使用几种脱模剂，可以，同时使用几种脱模剂，可以发挥发挥。11不受产品尺寸和形状限制，适宜不受产品尺寸和形状限制，适宜、产品的生产；产品的生产；、设备、设备。12 ；易于满足产品设计要求，可以易于满足产品设计要求，可以在在产品不同部位产品不同部位制品制品，。13 低，低，大，大，差。差。 不易控制，不易控制，不高。不高。 产品产品较低。较低。14是一种古老的技术，早在是一种古老的技术，早在20世世纪初就出现了纪初就出现了酚醛塑料酚醛塑料模压成型。模压成型。模压成型是一种对模压成型是一种对和和都适用的都适用的纤维复合材料纤维复合材料成型方

4、法。成型方法。15将定量的将定量的与与放入敞开的放入敞开的金属对模金属对模中，闭模后中，闭模后使其使其，并并在压力作用下在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；模制品；使树脂使树脂进一步发生进一步发生而固而固化化，或者，或者冷却使冷却使，脱模后得到，脱模后得到。1617模压成型工艺有模压成型工艺有，多数结构复杂的制品可，多数结构复杂的制品可，无需二次加工，无需二次加工，制品外观及尺寸的制品外观及尺寸的，容易实现容易实现等。等。18，压机及模具，压机及模具，制品尺寸受设备限制，一般只制品尺寸受设备限制，一般只的中、小型制品。的中、小型制品。19已成为已成为

5、复合材料的重要复合材料的重要成型方法成型方法，在，在各种成型工艺中各种成型工艺中所占比例仅所占比例仅次于次于和和，居第三位。，居第三位。近年来随着近年来随着专业化专业化、自动化自动化和和生产效生产效率的提高率的提高，制品成本制品成本不断降低，使用范围不断降低，使用范围越来越广泛。越来越广泛。20主要用作主要用作结构件结构件、连接件连接件、防护件防护件和和电气绝缘电气绝缘等，广泛应用于等，广泛应用于工业工业、农业农业、交通运交通运输输、电气电气、化工化工、建筑建筑、机械机械等领域。等领域。由于模压制品由于模压制品，在，在兵器兵器、飞机飞机、导导弹弹、卫星卫星上也都得到应用。上也都得到应用。21，

6、是把一定层数的，是把一定层数的(纸纸)叠在一起，送入叠在一起，送入，在一定的温度和压在一定的温度和压力下力下的工艺。的工艺。属于属于干法压力成型范畴干法压力成型范畴，是复，是复合材料的一种主要成型工艺。合材料的一种主要成型工艺。22生产的制品生产的制品包括各种包括各种、等。等。复合材料复合材料如下如下2324是制品是制品表面光洁表面光洁、质量较好质量较好且且稳定稳定以及以及生产效率较高生产效率较高。是只能生产是只能生产板材板材，且且产品的尺寸大小受设备的限制产品的尺寸大小受设备的限制。25将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）

7、喷）喷出，同时将出，同时将用切割机切用切割机切断断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，与树脂一起喷出，与树脂一起。26当当与与混合沉积到一定厚度时，混合沉积到一定厚度时，、，最后，最后。其具体工艺流程图如下：其具体工艺流程图如下：2728对所用原材料对所用原材料有一定要求有一定要求，例如，例如树脂体系的树脂体系的，、和和以及以及等。等。最常用的树脂最常用的树脂是是在室温或稍高温度下在室温或稍高温度下即可即可固化的固化的等。等。29喷射法使用的模具与手糊法类似，喷射法使用的模具与手糊法类似，而而可提高数倍，可提高数倍，降低，降低，能够能够。30用用方法虽然可以制成方法虽然可以制成，但其，但其都较都较难

8、精确控制，树脂含量一般在难精确控制，树脂含量一般在60%以上，以上，较高，较高，施工现场施工现场污染污染和和浪费较大浪费较大。31利用利用可以制作可以制作大蓬车车身大蓬车车身、船体船体、广告模型广告模型、舞台道具舞台道具、贮藏箱贮藏箱、建筑构件建筑构件、机器外罩机器外罩、容器容器、安全帽安全帽等。等。32将将的的连续纤维或布带连续纤维或布带，按照一，按照一定规律定规律上，然后上，然后成为成为的工艺过程，称为的工艺过程，称为。缠绕缠绕如下图所示：如下图所示：33缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图34利用利用制作复合材料制品时，制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：有两种不同的方式可供选择：一是

9、将一是将浸树脂后，再缠绕在芯浸树脂后，再缠绕在芯模上；模上；二是先将二是先将缠好后，再浸渍树脂。缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。目前普遍采用前者。35类似一部机床，纤维类似一部机床，纤维通过树脂槽通过树脂槽后，后，除去纤维中多余的树脂除去纤维中多余的树脂。为改善为改善和避免和避免，可预先，可预先在纤维表面在纤维表面徐覆一层徐覆一层，或者，或者。36纤维纤维可以通过可以通过机械传动机械传动或或计计算机控制算机控制。缠绕达到要求厚度后缠绕达到要求厚度后，根据所选用的，根据所选用的树脂类树脂类型型，在室温或加热箱内在室温或加热箱内、便得到复合材便得到复合材料制品。料制品。 37利用利用制造制造

10、时，时，一般要求纤维具有一般要求纤维具有和和，纤维纱的，纤维纱的以以及缠绕时及缠绕时、等。等。38另外，在缠绕的时候，所使用的另外，在缠绕的时候，所使用的应应有有，成型加工过成型加工过程中程中（缠绕张力缠绕张力、固化时的、固化时的热应力热应力、自重自重等），满足制品等），满足制品和和以以及及等。等。39常用的常用的有石膏、石蜡、金有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用属或合金、塑料等，也可用，如以，如以作粘结剂制成作粘结剂制成。 40首先，纤维首先，纤维按预定要求排列的按预定要求排列的和和，通过改变，通过改变纤维排布方式、数量纤维排布方式、数量，可以实现，可以实现，因此，能，因此，能在较大程

11、度上在较大程度上发挥发挥优异的特点，优异的特点，41其次，用其次，用所制得所制得的成品，的成品，和和高，高，比较比较和和较高等。较高等。42大，只有大，只有大批量生产时大批量生产时才可能降低成本。才可能降低成本。43适于制作适于制作承受一定承受一定内压的内压的，如，如固体火箭发动机固体火箭发动机壳体壳体、导弹放热层导弹放热层和和发射筒发射筒、压力容器压力容器、大型贮罐大型贮罐、各种管材各种管材等。等。44近年来发展起来的近年来发展起来的，可，可以实现以实现复杂横截面形状的复杂横截面形状的或断面呈或断面呈、以及以及容器的成型。容器的成型。45 拉挤成型工艺中，首先将拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树

12、脂浸渍过树脂胶液的胶液的或或在牵引装置在牵引装置作用下作用下通过通过而而；46其次，其次，在模中或固化炉中在模中或固化炉中，制成具，制成具有有特定横截面形状特定横截面形状和和长度不受限制的长度不受限制的复合材复合材料，如料，如、等。等。47一般情况下，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。48 过程中，要求过程中，要求增强纤维的增强纤维的强强度高度高、集、集、和容易被树和容易被树脂胶液脂胶液。常用的常用的如如玻璃纤维玻璃纤维、芳香族芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维、碳纤维碳纤维以及以及金属纤维金属纤维等。等。49用作用作以以为为主，

13、要求树脂的主，要求树脂的粘度低粘度低和和适用期长适用期长等。等。大量使用的基体材料有大量使用的基体材料有和和等。等。50另外，以另外，以耐热性较好耐热性较好、熔体粘度较低熔体粘度较低的的为基体的为基体的也取得了也取得了很大进展。很大进展。其其拉挤成型的关键拉挤成型的关键在于在于。51在在中，目前常用的方法如中，目前常用的方法如和和。是使是使增强材料增强材料通过通过熔融树脂熔融树脂，浸渍树脂后浸渍树脂后在成型模中在成型模中；52中，首先按一定比例将中，首先按一定比例将热塑性聚合物热塑性聚合物纤维纤维与与增强材料增强材料混编织成混编织成、等几何形等几何形状的织物；状的织物；然后，利用具有然后，利用

14、具有一定几何形状的织物一定几何形状的织物通过热通过热模时模时并并，后后成为产品。成为产品。 53，易于实现自动化；，易于实现自动化； 制品中增强材料的含量一般为制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料的作用，能够充分发挥增强材料的作用，；54不需要或仅需要进行少量加工，生不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中产过程中；制品的制品的，以适应不同制品的使用要求，其长度可以适应不同制品的使用要求，其长度可根根据需要据需要。55(1)。主要用于。主要用于上、下水装置上、下水装置，工，工业业废水处理设备废水处理设备、化工挡板化工挡板及化工、石油、造纸和及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的

15、冶金等工厂内的栏杆栏杆、楼梯楼梯、平台扶手平台扶手等。等。(2)。主要用于主要用于高压电缆保护管高压电缆保护管、电电缆架缆架、绝缘梯绝缘梯、绝缘杆绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零、灯柱、变压器和电机的零部件等。部件等。56(3)。主要用于。主要用于门窗结构用门窗结构用型材、型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)。主要用于卡车构架、冷藏车。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。舶甲板、电气火车轨道护板等。57(5)。主要用于钓鱼杆、弓箭。主要用于钓鱼杆、弓

16、箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。底板等。(6)。主要用于主要用于太阳能收集器太阳能收集器、支架、支架、风力发电机叶片风力发电机叶片和抽油杆等。和抽油杆等。(7)。如宇宙飞船。如宇宙飞船天线绝缘管天线绝缘管，飞船用飞船用电机零部件电机零部件等。等。58目前，随着目前，随着的不断发展，正向的不断发展，正向着着、热塑性和热固性树脂同时使热塑性和热固性树脂同时使用用的的和方向发展。和方向发展。生产生产，改进，改进和和都将是都将是今后的发今后的发展方向。展方向。59是是树脂基复合材料生产中的树脂基复合材料生产中的一一种重要成型方法，它适用于种

17、重要成型方法，它适用于，但，但以热塑性复合材料以热塑性复合材料应用最广。应用最广。 60是根据是根据发展起来的发展起来的一种成型方法一种成型方法。该方法是将该方法是将、送入送入注射腔内注射腔内，加热熔化加热熔化、混合均匀混合均匀，并，并以一定以一定的挤出压力的挤出压力，注射到温度较低的，注射到温度较低的中，经中，经过过冷却定型冷却定型后，开模便得到复合材料制品后，开模便得到复合材料制品。61包括包括、和和等步骤等步骤。加工加工时，一般是将时，一般是将(防止物料在进入模具之前发生固化防止物料在进入模具之前发生固化)与与混合均匀后注射到模具，然后再混合均匀后注射到模具，然后再使使其固化成型。其固化

18、成型。 62在加工过程中，由于在加工过程中，由于会使纤维会使纤维在树脂基体中的分布在树脂基体中的分布有一定的有一定的。如果制品形状比较复杂，则容易出现如果制品形状比较复杂，则容易出现或或，影响，影响材料的性能。材料的性能。63因此，因此，要求要求树脂与短树脂与短纤维的混合均匀纤维的混合均匀，混合体系有，混合体系有良好的流良好的流动性动性，而，而纤维含量不宜过高纤维含量不宜过高，一般在，一般在30-40左右。左右。64所得制品所得制品的的、，除氟树脂外，几乎所有的除氟树脂外，几乎所有的都可都可以采用这种方法成型。以采用这种方法成型。65按按在注射腔中在注射腔中分类，常用的分类，常用的有有和和两种

19、。两种。由于由于塑化能力较低塑化能力较低、塑化均匀塑化均匀性差性差，注射压力损耗大注射压力损耗大及及注射速度较慢注射速度较慢等，已很等，已很少生产，现在普遍使用的是少生产，现在普遍使用的是。66金属基复合材料的金属基复合材料的对复对复合材料的合材料的有很大的影响，是金属基复有很大的影响，是金属基复合材料的合材料的之一。之一。67 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的和和； 金属基体金属基体/增强材料增强材料和和在工艺过程中的形成及控制在工艺过程中的形成及控制；68 在金属基体中的在金属基体中的； 防止防止在制备工艺过程中在制备工艺过程中的的； 优化优化，提高复合材料的，提高复合材料的，降低

20、，降低。 69根据各种根据各种把把分为四大类：分为四大类：7071固态制备工艺主要为固态制备工艺主要为和和两种方法。两种方法。72在一定的在一定的温度和压力温度和压力下，把表面下，把表面新鲜清洁新鲜清洁的的相同或不相同相同或不相同的金属，通过的金属，通过而连接在一起。而连接在一起。因而，扩散结合也成为一种制造因而，扩散结合也成为一种制造的传统工艺方法。的传统工艺方法。73中，中，增强纤维与基体的增强纤维与基体的结合结合主要分为三个关键步骤：主要分为三个关键步骤：74采用采用扩散结合方式扩散结合方式制备金属基复合材料，制备金属基复合材料，要求严格，纤维排布、要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操

21、作多，叠合以及封装手工操作多，成本高成本高。但但是是连续纤维增强连续纤维增强并能并能按照铺层要按照铺层要求排布的求排布的惟一可行的工艺。惟一可行的工艺。75在在中，中，增强纤维与基体增强纤维与基体的的容易解决，而且容易解决，而且在热压时在热压时可通过可通过的办法来的办法来。因此，在金属基复合材料的因此，在金属基复合材料的中大中大量采用量采用。76粉末冶金既可用于粉末冶金既可用于增强，增强，又可用于又可用于、或或增强的增强的金金属基复合材料属基复合材料。77在粉未冶金法中，在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复长纤维增强金属基复合材料合材料分两步进行。分两步进行。首先是将首先是将预先设计好的一定体积

22、百分比预先设计好的一定体积百分比的的混装于容器中，在混装于容器中，在真空或保护气氛真空或保护气氛下下。然后将然后将预烧结体预烧结体进行进行加工。加工。78一般情况下，采用一般情况下，采用制制备的备的长纤维增强金属基复合材料中长纤维增强金属基复合材料中，纤，纤维的维的为为40% 60%，最多，最多可达可达75%。79 或或金属熔点，因而金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的由高温引起的增强材料与金属基体的，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过时可以通过热等静压或烧结时热等静压或烧结时的的、和和等工艺参数来等工艺参数来控制界面反应控

23、制界面反应。80 可根据性能要求，使增强材料（纤维、可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末颗粒或晶须）与基体金属粉末，可达可达75%，可达可达50%以上，这是液态法无法达到的。以上，这是液态法无法达到的。81 可降低可降低增强材料与基体增强材料与基体的要的要求，也降低了求，也降低了增强材料与基体粉未增强材料与基体粉未的的的要求，使的要求，使颗粒或晶须颗粒或晶须在金属基复在金属基复合材料的基体中。合材料的基体中。82 采用采用时，其时，其组织细化组织细化、致密致密、均匀均匀，一般不会产生，一般不会产生偏析、偏聚偏析、偏聚等等缺陷，可使缺陷，可使得到明显得到明显改善，从而提高

24、复合材料的性能。改善，从而提高复合材料的性能。83 制备的制备的金属基复合材料金属基复合材料可通过传统的可通过传统的进行二次加工。进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的可以得到所需形状的复合材料构件的。84 工艺过程比较工艺过程比较； 金属基体必须制成粉末，增如了工金属基体必须制成粉末，增如了工艺的艺的和和； 在制备铝基复合材料时，还要防止在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的铝粉引起的。 85液态法亦称为液态法亦称为，其中包括，其中包括、以及以及和和等。等。86液态法是目前制备液态法是目前制备、和和增强金属基复合材料的增强金属基复合材料的主要工艺方法主要工艺方法。液态法液态法主要特

25、点主要特点是金属基体是金属基体在制备复合在制备复合材料时材料时均处于液态。均处于液态。87与固态法相比，液态法的与固态法相比，液态法的，与传统金属材料的成型工，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，艺，如铸造、压铸等方法非常相似，因此液态法得到较快的发展。，因此液态法得到较快的发展。88压铸成型是指压铸成型是指在压力作用下在压力作用下将液态或半将液态或半液态金属基复合材料或金属液态金属基复合材料或金属以一定速度以一定速度充填充填或或中，中，在在压力下压力下快速快速凝固成型凝固成型而制备金属基复合材料而制备金属基复合材料的工艺方法。的工艺方法。89首先将首先将包含有增强材料的金属

26、熔体包含有增强材料的金属熔体倒入倒入后，迅速加压，压力约为后，迅速加压，压力约为70100MPa，使，使液态金属基复合材料液态金属基复合材料在压力下凝固。在压力下凝固。待复合材料待复合材料顶出，即制得所需形顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的状及尺寸的金属基复合材料的。90压铸工艺中，影响压铸工艺中，影响金属基复合材料性金属基复合材料性能的能的主要有四个：主要有四个：、 、 。91在采用在采用预制增强材料块预制增强材料块时，为了获得时，为了获得的复合材料，一般的复合材料，一般不低于不低于50MPa，以以使预制件不变形使预制件不变形为宜，为宜，一般为一般为13cm/s。92对于对于，熔融

27、金属温度一般，熔融金属温度一般为为700800，一般可一般可控制在控制在500800，并可相互补偿，如前者高，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。些，后者可以低些，反之亦然。93采用采用生产的生产的铝基复合材料铝基复合材料的零的零部件，其部件，其、，可以获得比，可以获得比一般一般性能优良的压铸件。性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺压铸工艺，材料的，材料的，易于，易于生产。生产。94半固态复合铸造主要是针对半固态复合铸造主要是针对而提而提出的改进工艺。出的改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体这种方法是将颗粒加

28、入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒中，通过搅拌使颗粒在金属基体中在金属基体中均匀分布，并取均匀分布，并取得良好的界面结合，然后得良好的界面结合，然后或将半固态复合或将半固态复合材料材料注入模具中注入模具中进行进行。95通常采用通常采用时，常常时，常常会由于会由于强烈搅拌强烈搅拌将将气体或表面金属氧化物卷入金属气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中熔体中；同时同时当颗粒与金属基体当颗粒与金属基体时，颗粒难以时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中在金属基体中由于比重由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。96是

29、将是将金属熔体的温度金属熔体的温度控制在控制在之间，通过搅拌使部分之间，通过搅拌使部分破碎成破碎成固相颗粒固相颗粒，熔体中的固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种是一种，可以防止，可以防止半固态熔体半固态熔体粘度的增加粘度的增加。97当加入当加入预热后的预热后的时，因熔体时，因熔体中含有一定量的中含有一定量的，在搅拌中，在搅拌中而滞留在半而滞留在半固态金属熔体固态金属熔体中，增中，增强颗粒不会强颗粒不会而得到一定的分散。而得到一定的分散。同时强烈的同时强烈的也使也使增强颗粒与增强颗粒与金属熔体金属熔体直接接触，直接接触，。98 金属基体金属基体应使熔体达到应使熔体达到30%50%固态；固态； 应应不

30、产生湍流不产生湍流以防止空以防止空气裹入，并使熔体中气裹入，并使熔体中形成固态颗形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。粒的加入。99由于浇注时由于浇注时金属基复合材料金属基复合材料是是，直接浇注成型直接浇注成型或或压铸成型压铸成型所得所得的铸件几乎的铸件几乎，。100主要应用于主要应用于金属基复合材料金属基复合材料，因短纤维、晶须在加入，因短纤维、晶须在加入时容易时容易结团或缠结结团或缠结在一起，虽经搅拌也不在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而不易采用此法来制备易分散均匀，因而不易采用此法来制备金属基复合材料。金属基复合材料。101如下：如

31、下：是将是将增强材料增强材料制成制成，置于氧化，置于氧化铝容器内。铝容器内。再将再将基体金属坯料基体金属坯料置于可渗透的置于可渗透的上部。上部。102氧化铝容器氧化铝容器、预制体预制体和和基体金属基体金属坯料坯料均装入均装入可通入流动氮气可通入流动氮气的的中。中。通过加热，通过加热，并自，并自发渗透进入网络状发渗透进入网络状中。中。103能较明显能较明显金属基复金属基复合材料的制造合材料的制造，但复合材料的，但复合材料的，而其，而其显著高于基体金属。显著高于基体金属。 104例如以例如以5560%Al2O3或或SiC预制成预制成零件零件的形状的形状，放入同样形状的，放入同样形状的，将含有将含有

32、3%10%Mg的的（基体）（基体）放置在放置在上，在流动的氮气上，在流动的氮气气氛下，加热至气氛下，加热至8001000，铝合金熔化铝合金熔化并自发渗入预制体内并自发渗入预制体内。105由于由于发生反应，在金属发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有基复合材料的显微组织中还有AlN。控制控制、以及以及，可以控制可以控制AIN的生成量的生成量。106AIN在在中起到提高复合中起到提高复合材料材料，降低，降低的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的是是铝合金基体铝合金基体的两倍，而的两倍，而SiC/Al的刚度也的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。达到钢的水平，但强度水平较低。107

33、首先，将首先，将在坩埚中熔化后，在坩埚中熔化后，在在压力作用下压力作用下通过喷咀送入通过喷咀送入雾化器雾化器，在，在高速高速惰性气体射流惰性气体射流的作用下，的作用下，形成所谓，形成所谓“” ；108然后，通过一个或多个然后，通过一个或多个向向“雾化雾化锥锥”喷射喷射入入，使之与，使之与一齐一齐在基板（收集器）上沉积在基板（收集器）上沉积，并快速，并快速凝固形成凝固形成颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料，如下，如下图所示。图所示。109雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图110 该该，喷射，喷射，有利于实现工业化生产。，有利于实现工业化生产。 ，直接沉积的复合

34、材料密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的一般可达到理论的95%98%；111属属，冷速可达，冷速可达103 106 K/s，故金属，故金属，消除，消除了了，同时增强材，同时增强材料与金属液滴接触时间短，料与金属液滴接触时间短，；112 具有具有和和。该工艺。该工艺适于适于多种金属材料基体多种金属材料基体，如高、低合金钢、，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。同时可铝及铝合金、高温合金等。同时可设计雾设计雾化器和收集器的形状化器和收集器的形状和一定的机械运动，和一定的机械运动，以直接形成以直接形成、和和等接近等接近的复合材料的坯料；的复合材料的坯料；113在复合材料制造过程中，在复合

35、材料制造过程中，在基体中在基体中称作原位自称作原位自生成法。生成法。114在在金属基复合材料金属基复合材料制备过程中，往往制备过程中，往往会遇到两个问题：会遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的一是增强材料与金属基体之间的（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料与金属基体之间的界面都存在。115其中，其中，增强材料与金属基体增强材料与金属基体之间的之间的往往往影响金属基复合材料往影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中在高温制备和高温应用中的的和和。如果如果（纤维、颗粒或晶须）能（纤维、颗粒或晶须）能

36、从金从金属基体中属基体中（即原位）（即原位），则上述两个问题，则上述两个问题就可以得到较好的解决。就可以得到较好的解决。116以以制造的金属基复合材料中，基制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的体与增强材料间的，。特别当特别当增强材料与基体之间增强材料与基体之间有有或或关关系时，能非常系时，能非常有效地传递应力有效地传递应力；而且，；而且，界面上不生界面上不生成有害的反应产物成有害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的，因此这种复合材料有较优异的力学性能。力学性能。117有三种方法有三种方法1) 共晶合金共晶合金定向凝固法定向凝固法2) 直接直接金属氧化法金属氧化法（DIMOXTM）3)

37、反应反应自生成法自生成法（XDTM）118增强材料增强材料从基体中从基体中凝固析出，凝固析出，通过控制通过控制冷凝方向冷凝方向，在基体中生长出，在基体中生长出排列整排列整齐的齐的类似纤维的类似纤维的条状或片层状条状或片层状。以这种方式生产的以这种方式生产的、定向凝固定向凝固共晶复合材料共晶复合材料已得到应用。已得到应用。119复合材料的复合材料的必必须满足三个条件：须满足三个条件： 有有（GL）的加热方式；）的加热方式； 满足满足； 两相的两相的要要协调进行协调进行。120LELLDCCmRG)(0二元共晶材料的二元共晶材料的是：是：其中，其中， C0为合金成份；为合金成份；GL为液相温度梯度

38、；为液相温度梯度；R为凝固速度；为凝固速度；mL为液相线斜率；为液相线斜率；CE为共晶成份；为共晶成份；DL为溶质在液相中的扩散系数。为溶质在液相中的扩散系数。121复合材料的组织复合材料的组织是是还是还是（纤维状）取决于共晶中（纤维状）取决于共晶中Xf。在二元共晶中，当在二元共晶中，当Xf 32 %时为层片状。时为层片状。122共晶复合材料共晶复合材料主要应用于主要应用于航航空透平机叶片空透平机叶片，有，有三元共晶合金三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形成的它所形成的和和相为相为Ni3Al和和Ni3Nb；单变度共晶合金单变度共晶合金C-Co-Cr，所形成的，所形成的和和相分别为相分别为(Co

39、,Cr)和和(Cr,Co)7C3。123DIMOXTM是一种可以制备是一种可以制备金属基复合金属基复合材料材料和和陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的。DIMOXTM法根据是否有法根据是否有又可又可分为分为和和，两者原理，两者原理相同。相同。124的特点的特点制备制备金属基复合材料的金属基复合材料的没有填没有填充物（增强材料预成型体）和增强相充物（增强材料预成型体）和增强相，只是，只是通过通过来获取复合材料。来获取复合材料。125在在中，例如需制备中，例如需制备Al2O3/Al，则可通过则可通过来获取来获取Al2O3增强相。增强相。通常通常铝合金铝合金表面迅速氧化，形成一种表面迅速氧化，形成一种内

40、聚、结合紧密的内聚、结合紧密的，这层氧化铝，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。下的铝进一步氧化。126但是在但是在DIMOXTM工艺中，工艺中，上上升到升到9001300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660。通过进一步加入通过进一步加入Si和和Mg，使熔化金属，使熔化金属通过显微通道通过显微通道，并顺序氧化，即铝被氧化，并顺序氧化，即铝被氧化，但但未被堵塞。未被堵塞。127利用利用工艺，可以工艺，可以来控制来控制Al2O3的量。的量。如果这一工艺过程在如果这一工艺过程在停止的话，则所制备的复合材料就是停止的话，则所制备的复合材

41、料就是致密互连的致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中陶瓷基复合材料，其中含有含有5% 30%的的Al。128除了可以除了可以外，还可以外，还可以。通过通过DIMOXTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和和TiN/Ti等等金属基或陶瓷基金属基或陶瓷基复合材料。复合材料。129当当DIMOXTM工艺采用工艺采用时，由于时，由于增强材料预成型体增强材料预成型体是透气的，金属是透气的，金属基体可以通过基体可以通过顺序氧（氮）化顺序氧（氮）化形成基体。形成基体。130这种方法是在近这种方法是在近20年中发展起来的技年中发展起来的技术，主要用于制造术，主要用于制造复合材料。复合材

42、料。131在反应自生成法中，在反应自生成法中，是由是由加入加入基体中的基体中的或者或者合金熔合金熔体中的体中的与与生成的。生成的。132在在XDTM工艺中，可以根据工艺中，可以根据所选择的所选择的原位生成的原位生成的，选择，选择基基体和增强相生成所需的体和增强相生成所需的，如一定粒，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合。（反应要求）混合。133XDTM工艺原理示意图工艺原理示意图134当这种混合物制成当这种混合物制成，加热到，加热到金金属熔点以上属熔点以上或者或者自蔓延的反应发生的温度自蔓延的反应发生的温度时，时，用，用以生成以生成在基体

43、中弥漫的在基体中弥漫的、晶晶须须和和等增强相。等增强相。135XDTM工艺的工艺的是可以生成一是可以生成一种种，它属于专利技术。，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例以一定比例，加热后反应生成，加热后反应生成TiB2，进而形成，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。 Al + Ti + B TiB2 + Al 136XDTM法不仅可以用法不仅可以用生成复合生成复合材料，也可以材料，也可以在熔融的合金中在熔融的合金中导入导入而生成复合材料。而生成复合材料。如在熔融的如在熔融的Al-Ti合金中导入合金中导入，反应生成反应生成T

44、iC，进而形成，进而形成TiC增强铝基复合增强铝基复合材料。材料。Al + Ti + C TiC + Al137 增强相是增强相是，具有，具有热稳定性热稳定性； 增强相的增强相的类型、形态类型、形态可以可以； 各种各种均可作为基均可作为基体；体； 复合材料可以采用复合材料可以采用传统金属加工方法传统金属加工方法。138XDTM材料包括材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和和Ni基复合材料，还可以是基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和和NiAl等等复合材料。复合材料。其中，其中，包括包括硼化物硼化物、氮化物氮化物和和碳碳化物化物等，其等，其可以是可以是颗粒颗粒、片晶片晶和和杆状杆状，还可以

45、还可以。139的制造分为两个步骤：的制造分为两个步骤：第一步是将第一步是将掺入掺入未固结未固结(或粉或粉末状末状)的的中，排列整齐或混合均勾；中，排列整齐或混合均勾；第二步是运用第二步是运用各种加工条件各种加工条件在尽量在尽量和和的前提下，制成复合的前提下，制成复合材料制品。材料制品。 140根据根据的制造步骤，在的制造步骤，在加工制备复合材料加工制备复合材料时，应时，应根据使用要求根据使用要求，相应地增强相应地增强，针对，针对不同不同的增强材料的增强材料(纤维、晶须、颗粒纤维、晶须、颗粒)，选择，选择相相应的加工条件应的加工条件等因素。等因素。141选择哪种选择哪种，除了，除了根根据使用要求

46、据使用要求，如，如、等，两种材料间一些等，两种材料间一些也直接也直接影响复合材料的性能影响复合材料的性能。142通常要考虑的通常要考虑的如下：如下：熔点熔点、挥发度挥发度、密度密度、弹性弹性模量模量、热膨胀系数热膨胀系数、蠕变性能蠕变性能、强度强度、断裂断裂韧性韧性等。等。143纤维和基体纤维和基体的的：化学相容性化学相容性、热性能相容性热性能相容性(主要是高主要是高温状态温状态)、同环境的相容性同环境的相容性(包括内部和外部，包括内部和外部，而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发)。 144针对针对不同的增强材料不同的增强材料，已经开发了，已经开发了。例如，对于

47、以例如，对于以陶瓷基陶瓷基复合材料的加工复合材料的加工通常采用下面三种方法：通常采用下面三种方法：首先采用首先采用工艺，然后再工艺，然后再；145将将编织制成编织制成，再进行再进行(CVD)，(CVI)，(Lanxide)； 利用利用的的制成制成陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。146对于对于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料，主要采用主要采用，包括，包括、或或。147此外，一些此外，一些新开发的工艺新开发的工艺如如、等也可用于等也可用于陶瓷基复合材料的制备陶瓷基复合材料的制备。148陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法：将将在液体介质中在液体介质中经经机械或超声分散机械或超声分散，再与再与

48、均匀混合均匀混合，制成，制成一定形状一定形状的坯件的坯件，烘干后，烘干后烧结。烧结。149制备制备陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料时，为了时，为了克服克服在烧结过程中的在烧结过程中的，坯件制，坯件制造采用造采用或或成型上艺。成型上艺。此外，此外，工艺、工艺、等工艺也适合于等工艺也适合于制备制备陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。150151152传统的陶瓷生产工艺，是将传统的陶瓷生产工艺，是将，然后，然后。153借鉴借鉴中的中的、等等成型工艺成型工艺，为了快速生产的需要，为了快速生产的需要，可以可以在一定的条件下在一定的条件下将将和和混合后，混合后，压制成型压制成型，除去有机黏结剂，除去有机黏结剂，然后

49、然后成制品。成制品。154在在法的生产过程中，通常法的生产过程中，通常会遇到会遇到烧结过程中烧结过程中，同时，同时最终产最终产品中品中有有的问题。的问题。155在用在用增强增强陶瓷基材料陶瓷基材料进进行烧结时，除了会遇到行烧结时，除了会遇到的问的问题外，还会使题外，还会使在烧结和冷却时在烧结和冷却时产生产生或或。这主要是由。这主要是由决定的。决定的。156例如例如主要有：主要有：具有较高的具有较高的；增强材料和基体不同的增强材料和基体不同的；增强材料在基体中增强材料在基体中的不同等。的不同等。157热压是目前制备热压是目前制备(CMCs)最常用的方法，一般把它称为最常用的方法，一般把它称为。主

50、要用在主要用在和和复合材料中。复合材料中。158主要包括以下两个步骤：主要包括以下两个步骤：渗入渗入没有固化的基体没有固化的基体中；中；固化的复合材料固化的复合材料被被。 159160161此此主要包括以下主要包括以下：纤维首先通过浆料池纤维首先通过浆料池；浸渍的丝被卷到一个转筒上浸渍的丝被卷到一个转筒上；干燥后被切割并依照一定的要求干燥后被切割并依照一定的要求层状排列层状排列；固化并加热成型固化并加热成型。162其中，浆料池中的其中，浆料池中的由由、和和组成；另外，再加入一组成；另外，再加入一些些，有助于提高，有助于提高纤维在浆料中的浸纤维在浆料中的浸润性润性。163下图显示了在热压下图显示

51、了在热压氧化铝纤氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材料维增强玻璃陶瓷基复合材料时，时，随随的变化曲线。的变化曲线。164温度温度压力压力热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材料时温度、压力随时间的变化曲线材料时温度、压力随时间的变化曲线165 非常适合非常适合，因为它的，因为它的低于这些低于这些晶体基体材料晶体基体材料的熔点。的熔点。但热压过程中，除了要考虑但热压过程中，除了要考虑外，还要考虑的因素包括：外，还要考虑的因素包括： 166在整个操作过程中，在整个操作过程中，避免损伤纤维表面。，避免损伤纤维表面。影响影响的能力，太的能力，太强的拉力会导致纤维破

52、坏。强的拉力会导致纤维破坏。167在加工过程中在加工过程中，要尽量，要尽量。因为。因为结晶陶瓷的耐火颗粒结晶陶瓷的耐火颗粒在与在与纤维纤维的机械接触中的机械接触中会会，也也会损伤纤维，还要避免纤维会损伤纤维，还要避免纤维在高温中在高温中与基与基体的反应。体的反应。168是一个重要方面，包括是一个重要方面，包括粉体的含量粉体的含量、粉体粒子的大小粉体粒子的大小、黏结剂的黏结剂的种类和含量种类和含量、溶剂溶剂等，它们都对最终等，它们都对最终有所影响。有所影响。169为了减少最终制品的为了减少最终制品的，在，在热压之前，要热压之前，要设法完全除去设法完全除去，使用比纤维直径更小的，使用比纤维直径更小

53、的颗粒状陶瓷颗粒状陶瓷基体基体。170非常关键，通常是在一个非常关键，通常是在一个非常非常窄的操作温度范围窄的操作温度范围，可可以减少纤维的损坏。以减少纤维的损坏。171可以制得可以制得纤维定向排列纤维定向排列、低孔隙率低孔隙率、高强度高强度的的。它可。它可以用在以用在C、Al2O3、SiC和和Al2O3.SiO2纤维增强纤维增强玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制造工艺中。的制造工艺中。这种工艺的这种工艺的是要求是要求。172新的制备技术主要指新的制备技术主要指在在20世纪世纪70年代年代开始发展起来的技术。它包括开始发展起来的技术。它包括，以化学反应为基础的，以化学反应

54、为基础的、，(SHS)等技术。等技术。173渗透法就是渗透法就是在在预制的增强材料坯件预制的增强材料坯件中中使使以以固态、液态或气态的形式固态、液态或气态的形式渗渗透制成复合材料。其中，比较常用的是透制成复合材料。其中，比较常用的是。174类似于类似于聚合物基复合材料聚合物基复合材料制造制造技术中，技术中，纤维布纤维布被被液相的树脂液相的树脂渗透后，渗透后，。二者的差别二者的差别就是所用的就是所用的，要高得多。下图是要高得多。下图是液相渗透工液相渗透工艺示意图艺示意图。175176由于由于具有具有较高的黏度较高的黏度，为，为了提高了提高对对的渗透，的渗透，通过对通过对，来提高其浸，来提高其浸渍

55、性，这种渍性，这种提高渗透提高渗透主要采用主要采用。177另外，另外，和和这两种物理方法这两种物理方法也可以被用来也可以被用来。以这种方法生产以这种方法生产的的是是制造工艺是一个简单的一步生产制造工艺是一个简单的一步生产过程过程，可以获得一个均匀的制品可以获得一个均匀的制品。178如果使用如果使用就可能就可能在陶在陶瓷和增强材料之间瓷和增强材料之间发生化学反应；发生化学反应；具有比金属更具有比金属更，因，因此此对增强材料的渗透对增强材料的渗透相当困难；相当困难；179和和在冷却后在冷却后，由于不，由于不同的同的会会引起收缩引起收缩产生产生。因此，为了避免这种情况，要尽量选因此，为了避免这种情况

56、，要尽量选用用增强材料和基体。增强材料和基体。180就是利用就是利用直接与直接与发生氧化反应发生氧化反应而制备而制备陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的工艺方法。工艺方法。由于它是由由于它是由Lanxide公司发明的，所以公司发明的，所以又称为又称为Lanxide法。法。181将将增强纤维增强纤维或或纤维预成型件纤维预成型件置于熔置于熔融金属的下面，并处于融金属的下面，并处于中，中，熔融金属中含有熔融金属中含有镁、硅镁、硅等一些添加剂。等一些添加剂。182在在不断不断的过程中，的过程中，与与在在不断发生不断发生氧化反应氧化反应，这种反应始终，这种反应始终进行，进行，反应生反应生成的氧化物成的氧化物

57、沉积在沉积在，形成含有少，形成含有少量金属、致密的陶瓷基复合材料。量金属、致密的陶瓷基复合材料。183Al + N2以以为例，在为例，在空气或氮气空气或氮气气氛气氛中，主要发生下列反应：中，主要发生下列反应：2Al2O3AlN4Al + 3O2184一般在这种一般在这种陶瓷基复合材料制品陶瓷基复合材料制品中，中，未发生氧化反应的未发生氧化反应的约占约占 5 30。可以用来这种方法制造可以用来这种方法制造高温热能量交高温热能量交换器换器的的等部件，具有等部件，具有较好的机械性能较好的机械性能(强度、韧性等强度、韧性等)。185的的缺点缺点以这种方法生产的产品中，以这种方法生产的产品中，很难完全被

58、氧化或除去很难完全被氧化或除去。这种方法这种方法难于用来生产难于用来生产一些一些，比如航天工业的一些部件。，比如航天工业的一些部件。186已经被广泛用于已经被广泛用于制制造整体陶瓷件造整体陶瓷件，同样该技术也可以用于制，同样该技术也可以用于制造造陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料，已广泛应用的有，已广泛应用的有和和工艺。工艺。187CVD法就是利用法就是利用技术，技术，通过一些通过一些反应性混合气体反应性混合气体在高温状态下反在高温状态下反应，应，分解出陶瓷材料分解出陶瓷材料并并沉积沉积在各种增强材在各种增强材料上形成料上形成的方法。的方法。188将化学气相沉积技术运用在将化学气相沉积技术运用在的工

59、艺就称的工艺就称为为。189从这两种工艺技术来说，从这两种工艺技术来说，CVD法首先被法首先被开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复复合材料的制备；合材料的制备；CVI方法方法在在CVD技术上发展起来技术上发展起来并被广并被广泛应用于各种陶瓷基复合材料。泛应用于各种陶瓷基复合材料。190下图是下图是CVI的工艺示意图，的工艺示意图，191192以以A12O3陶瓷基复合材料为例，反应性混陶瓷基复合材料为例，反应性混合气体合气体(AlCl3H2/CO2)在较低的沉积温度在较低的沉积温度(9501000)和压力和压力(23kPa)下发生下列反应：下发生下列反应：19

60、3固态的固态的Al2O3沉积在纤维表面，最后形成沉积在纤维表面，最后形成陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。194与与CVD工艺相比，工艺相比，CVI工艺实际上是一工艺实际上是一种种，这样就可以避免一般陶，这样就可以避免一般陶瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。CVI制造的产品，其实际密度可以达到制造的产品，其实际密度可以达到理论密度的理论密度的9394。195 CVI工艺生产工艺生产CMC的主要优点：的主要优点：在高温下有很好的机械性能；在高温下有很好的机械性能；可以生产一些较大的、形状复杂可以生产一些较大的、形状复杂的产品；的产品；产品能较好地保持纤维和基体的产