复合材料制备与加工1课件

1、复合材料制备与加工课程内容概论复合材料的界面与设计 金属复合材料的制备与加工 陶瓷复合材料的制备与加工 高分子基复合材料的制备与加工 第一章 概论复合材料（Composite Materials）： 采用物理或化学方法，使两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补彼此缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。内涵： 制备方法 组元形式 复合目的SaraCom复合硬质合金辊环 硬质合金与钢的冶金粘结技术开创了在热轧领域的崭新应用。耐磨的硬质合金只是整个辊环的一部分，嵌在SARACOM复合辊环中， 吨钢轧辊成本只是常规轧辊的50%。 德国萨阿公司广告1.

2、1 复合材料的发展1942年，美国Pittsburgh Plate Glass公司将玻璃纤维织网含浸于芳基脂系非饱和聚脂树脂中，再将含浸网叠合并固化处理，意外制得一种高弹性率、高强度树脂板（玻璃纤维强化高分子复合材料）。由此引发世界规模的复合材料研究热潮，并形成复合材料专门学科。迄今研究的强化相包括：玻璃纤维、硼、碳化硅、氧化铝、碳等粒子、晶须或纤维。基体相包括：高分子材料、金属、陶瓷。研究还涉及层状复合材料、梯度复合材料等。中国的复合材料中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。北京科技大学材料学院在复合材料研究领域居重要地位，承担多项国家自然科学基金项目、国家高

3、技术研究发展计划（863）项目、国家重点基础研究计划（973）项目和国防等项目。 历史，现实，与责任三星堆古遗址. 距今已有5000至3000年历史. 三星堆遗址晚期遗址的房屋. 在原生地面上挖沟槽，槽中立木柱，间以小木棍或竹棍作为墙骨，在两侧抹草拌泥成为墙壁，并经火烧烤 摘自互联网 历史，现实，与责任当务之急是校舍。年轻的曲凤琴没有退缩，决定自己动手盖。她带着几个稍大一点的学生，自己动手脱土坯，就像燕子衔泥垒巢一样。手被磨出了血泡，在混着柴草的泥土中她的十个手指被磨得没有一个完整的，而这换来的就是那些被码得整整齐齐的土坯。 摘自互联网1.2 复合材料的种类1.2.1 分散强化型复合材料 一种

4、或一种以上的材料（强化材料或称强化相）分散在另一种材料（基体材料）之中的复合材料。一、分散强化型复合材料的分类 二、金属基复合材料 基体是金属，因而具有较好的耐热性，高弹性系数以及高导电、导热性能，良好的成形加工性能。作为基体金属，铝合金由于密度低、强度高、易于加工处理等优良特性而广为使用，其次是钛和钛合金。用作强化材料的主要有颗粒、晶须、纤维（包括短纤维和长纤维或连续纤维）。 金属基复合材料 金属基复合材料强化颗粒主要有氮化物、碳化物、硼化物以及氧化物陶瓷。 金属基复合材料三、陶瓷基复合材料 陶瓷材料可以分为功能陶瓷与结构陶瓷两大类。功能陶瓷包括半导体材料、敏感材料（如热敏、压敏、光敏、气敏

5、、湿敏陶瓷等）、绝缘材料（含高导热绝缘材料）、高温超导材料等；结构陶瓷包括各种耐高温、耐腐蚀结构材料，如Al2O3、SiC、BN、Si3N4、WC等结构用陶瓷材料。陶瓷材料复合化的目的，对于结构陶瓷主要是为了提高材料的强度、韧性等力学性能，或提高其耐热、耐蚀性能；而对于功能材料，主要是为了获得某些新的功能。用作陶瓷基复合材料的强化材料主要有：各种陶瓷颗粒、晶须、纤维，某些金属纤维。 四、高分子基复合材料 研究历史最长、应用最广泛的一类复合材料。 高分子基复合材料五、原生复合材料（In-situ composites） 原生复合材料（也称为自生复合材料或原位复合材料）属于分散型复合材料的一种，是

6、相对于在基体中加入已经定形的强化相这样一类常规复合材料而言的。原生复合材料中的强化相是在铸造、烧结等高温加工处理过程中通过结晶或化学反应生成的。常见的许多热处理可强化（相变析出反应型）金属材料可以认为是广义上的原生复合材料，但习惯上不将这一类材料称为原生复合材料。 1.2.2 梯度材料（梯度功能材料） 梯度材料（或梯度复合材料）是一种较为特殊的复合材料，梯度材料中组元的含量沿着某一方向（例如厚度方向）产生连续或非连续的变化。组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。因此，梯度材料也称为梯度功能材料（Functionally Gradient Mat

7、erials：FGM）。梯度材料金属 陶瓷连续梯度变化金属 陶瓷非连续梯度变化1.2.3 层状复合材料 各组元自成一个或数个整体，组元之间以界面结合的方式复合成一体。铜包铝线铝铜铝包钢线钢铝复合钢板（减振钢板）钢树脂层状复合材料层状复合材料1.3 复合材料制备与加工方法 1.3.1 金属复合材料 对于金属基复合材料（分散强化型金属复合材料），直接利用塑性加工的方法进行成形，然后进行烧结固化，或采用铸造、粉末冶金等方法制备毛坯，然后采用锻造、轧制、挤压等方法进行二次加工的复合材料占绝大部分。 层状金属复合材料主要采用爆炸焊接或扩散焊接后进行塑性加工，或利用塑性加工直接复合成形。 一、颗粒强化金属

8、基复合材料 （1）粉末冶金法 包括常规的粉末冶金法与粉末塑性加工法。粉末冶金法还可根据强化颗粒的加入方式，分为直接掺入法和通过反应生成的原生复合法。（2）铸造法 包括搅拌铸造法（增强相弥散分布）和挤压铸造法（采用增强相预制件的方法）。（3）喷射共沉积法二、晶须增强金属基复合材料（1）粉末冶金法（2）压力铸造法三、纤维增强金属基复合材料（1）粉末冶金法 通常是将纤维含浸于粉浆之中，堆垛干燥后进行烧结。（2）扩散结合法 包括热压、热等静压、热轧等方法。（3）预制件铸造法 包括浸渍法和挤压铸造法。（4）两相合金复合法 包括共晶合金定向凝固复合法、非互溶两相合金强加工法。四、层状复合材料（1）机械接合

9、 镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管（胀形）、冷拉拔等（2）冶金接合 * 爆炸成形，或爆炸成形后进行轧制 * 扩散热处理 * 轧制成形 * 挤压成形 * 粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结 * 摩擦焊接 * 复合铸造1.3.2 金属-陶瓷层状复合材料、梯度材料（1）气相析出法 化学气相沉积法（CVD法：Chemical Vapor Deposition）,通过气相状态下的化学反应而使所需成份在基板上析出。 物理气相沉积法（PVD法：Physical Vapor Deposition）包括真空镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等方法。通过加热蒸发、或让粒子撞击固体，使所需成份的原子（或分子）沉积于基板上。

10、（2）粉末冶金法 粉末堆积法:采用粉末状原料进行积层堆积，在堆积过程中控制各组成的含量。 薄膜积层法：先制取金属与陶瓷或陶瓷与陶瓷的复合薄膜，然后将不同成份的薄膜积层起来。 离心成形法：利用不同比重材料的粉末混合体在离心力作用下产生分离的特性，或边改变所加粉末混合体的组成，边通过离心成形法进行堆积。 （3）等离子喷镀法（4）自蔓延燃烧合成法（SHS法） 利用陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属之间的反应热进行自我烧结（SHS法: Self propagating High temperature Synthesis）。 （5）电解析出法 将基板作为阴极浸入含有金属离子的电解液之中，通过电解使金属离子在基板上

11、还原析出而实现成膜。1.3.3 陶瓷基复合材料（1）粉末烧结法（2）高分子反应合成法 将有机高分子材料与强化材料混合成形，通过燃烧合成陶瓷基体。 （3）熔融含浸法 将纤维织物含浸于熔融状态的陶瓷基体中，使熔体充满纤维之间的间隙而制取连续纤维强化复合材料。 （4）化学气相渗透法（气相反应直接复合法） 通过对强化材料预成形体（纤维织物等）施加温度梯度或压力梯度，使原料气体在预成形体内部产生反应而析出陶瓷基体。（5）原生复合法 1.3.4 高分子复合材料（1）连续纤维强化复合材料 手糊法 或称直接涂积法，即通过手工用不饱和聚酯树脂或环氧树脂将增强材料粘结在一起。 含浸网层压法 将一定量的含浸网层叠在

12、一起，在一定的温度和压力下压制成板材。 缠绕法 将含浸有树脂的连续纤维缠绕在芯模上，然后进行固化。 模压法 将含浸网积层于金属模中，或将缠绕成型的芯模置于金属模中，在一定的温度和压力下使其固化。 拉拔法 将含浸有树脂的纤维束通过成型模拉制成所需断面形状。（2）非连续纤维强化复合材料 非连续纤维强化复合材料的成型方法主要有手糊法、模压法、注射法、挤压法等几种。 注射法 采用注射的方法使处于熔化状态的高分子与强化材料的混合物流入并充满成型模，经固化而获得所需制品。 挤压法 借助柱塞或螺秆将圆筒容器内的处于熔化状态的高分子与强化材料的混合物通过成型模孔挤出制取所需断面形状的制品。（3）层状复合材料 典型的高分子层状复合材料有夹层复合材料、各种复合膜、人造革等。 由三层以上的不同材料或不同结构组成的复合材料称为夹层复合材料。 根据夹芯的类型，夹层复合材料可以分为泡沫夹层材料、蜂窝夹层材料与折板夹层材料三种。夹层复合材料的各层之间主要采用粘结的方法进行接合。1.4 复合材料的应用1.4.1 金属复合材料 金属复合材料中以层状复合材料的应用面最广、产量最大，如铝包钢导线、刚性电车导线、低温超导材料、光纤、各种复合板、双金属管等。 金属基复合材料中以颗粒强化复合材料发展最快，应用较为广泛，其中尤以颗粒强化铝基复合材料最具有代表性。1.4.2 陶瓷复