第10章复合材料制备

第10章复合材料制备重点：定义、组成、特点和分类；基本理论；金属基复合材料；陶瓷基复合材料。10.1、基本概念定义：由两种或两种以上不同物理和化学性质的材料，通过人工合成的一种多相材料。特点：明显的界面；保持固有特性，赋予优良特殊性能；可设计性。基本结构模式复合材料基体增强体命名：以基体、增强体、增强体+基体、商业名。分类：A.按基体材质分类：聚合物（树脂基）复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料命名和分类B.按增强体形状分类：颗粒增强复合材料，纤维增强复合材料，夹层增强复合材料。C.按性能分类：

普通复合材料，先进复合材料5.基本性能：高比强度、高比模量（刚度）；良好的高温性能；良好的尺寸稳定性；良好的化学稳定性；良好抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性；良好的功能性能。6.

复合材料发展阶段：

第一代，玻璃强化树脂；第二代，碳纤维增强树脂、硼纤维增强树脂；第三代，金属或陶瓷为基体的先进复合材料。10.2基本理论1、复合材料界面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。

外力场基体基体表面区相互渗透区增强体表面区增强体

A、界面效应

可将界面的机能归纳为以下5种效应：（1）传递效应：（2）阻断效应：（3）不连续效应：（4）散射和吸收效应：（5）诱导效应：B、界面的结合状态和强度复合材料都要求有合适的界面结合强度。界面结合较差的复合材料；界面结合过强的复合材料；界面结合最佳态。××√2、复合理论一、复合材料增强机制1、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；颗粒阻碍基体位错运动；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：式中：

σy

－复合材料屈服强度；Gm

－基体的切变模量；

b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；C－常数

VP

－颗粒体积分数；Gp

－颗粒的切变模量。

2、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；颗粒阻碍基体位错运动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：式中：

σy

－复合材料屈服强度；Gm

－基体的切变模量；

b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；

VP

－颗粒体积分数。3.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。

纤维：主承力相。假定：理想结合，泊松比相同；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：式中：σm*－与纤维的屈服应变同时发生的基体应力；

σfF

－纤维的平均拉伸应力；

Vf－纤维的体积分数；

l

－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，纤维的临界长度，。可得：（1）l/lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。当l/lc＝10时，增强效果可达到连续纤维的95%。（2）引入纤维直径d，

（l/d）c

为纤维临界长径比，当（l/d）c

10时，复合材料可获得理想的增强效果。分析上式二、复合材料的复合法则—混合定律1、混合定律：复合材料满足以下条件:（1）均质，无内应力；（2）各向同性及线弹性材料；（3）粘结牢靠。复合材料力学性能同组分之间的关系

Xc=XmVm+XfVf

或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）式中：X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；

V：材料的体积百分比。2、连续纤维单向增强复合材料

弹性模量、泊松比、剪切强度等性能均符合混合定律。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。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。

3、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

强度纤维长度，以lc为单位单相复合材料，Vf＝0.5长纤维

作为复合材料强化体的纤维，从材质上讲可以是金属，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，从形态上可以是长纤维（连续纤维）、短纤维、晶须。现在的长纤维的直径可以从7μm到140μm。由于制备技术的开发与进步，几乎所有的无机化合物都可以制成纤维。陶瓷材料纤维化，特别是制成连续纤维，有利于充分发挥其特性。随着复合材料的发展，也不断开发出具有新的特征的纤维。1.玻璃纤维将玻璃加热至熔融状态，使其从漏嘴流出，再进行高速拔丝的方法。而且一般是使用多个漏嘴，同时纺丝。用这种方法既可制备连续纤维，也可以制备短纤维。

玻璃纤维由于玻璃纤维的直径很小，单位质量所具有的表面积是普通玻璃的1000倍。所以对于普通玻璃来说不会成为问题的耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻璃纤维来说都必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气中的水分反应，产生风化，使强度等下降。连续纤维的直径为3，4，5，6，7，9，10，13，16，24μm等。短纤维的直径多为5～20μm。2.碳纤维碳纤维最突出的优点是：强度高、模量高、密度小；耐高温，可在2000℃使用，3000℃非氧化真氛中不熔不软；耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀；热膨胀系数小，约等于零；热导率高；导电性好；摩擦系数小并具润滑性。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PAN（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纤维）等。其特性也因原材料而有所差别。原丝制造改性的丙烯纤维稳定化硫酸脱氢，桥接反应，嘧啶聚合物碳化在氮气中加热一千至两千度稳定化碳、氮等结合反应，脱氢反应表面处理表面形成氢氧基，或涂有机聚合物精整稳定纤维尺寸以PAN作为原材料

PAN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，跃居世界高性能纤维的第二位。

聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大丝束碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（CT）。20世纪90年代中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。1996年生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的LT型碳纤维。

各种碳纤维的力学性能原料抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）延伸率（%）人造丝（低弹性模量丝）686391.8人造丝（高弹性模量丝）27444900.6沥青（低弹性模量丝）784392.0沥青（高弹性模量丝）2450343～4900.5～0.7PAN（高强度丝）34302251.5PAN（高弹性模量丝）24503920.6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、超塑性成型/扩散结合、模压、粉末冶金法。

2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。

3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。

4）原位生长法。10.3、金属基复合材料连续增强相金属基复合材料的制备工艺

铝合金——固态、液态法碳纤维镁合金——固态、液态法硼纤维钛合金——固态法

SiC纤维高温合金——固态法氧化铝纤维金属间化合物——固态法不连续增强相金属基复合材料的制备工艺

铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒镁合金—液态法晶须钛合金—固态、液态法、原位生长法短纤维高温合金—原位生长法金属间化合物—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）

真空热压扩散结合

金属基复合材料（MMC）制备方法4.粉末冶金法（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：

1）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；

3）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；

5）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。金属基复合材料的性能

复合材料增强相含量VoL%抗拉强度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3BF/AlCVDSiCF/AlNicalonSiCF/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.710.4陶瓷基复合材料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。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。不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧晶须增韧金属Al203ZrO2/Al203SiC/Al203铝钢断裂韧性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66陶瓷基复合材料的制备工艺粉末冶金法工艺流程：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）冷压成形

（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。

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题，可采