复合材料学重点

复合材料的发展趋势：1、在树脂基复合材料基础上，研制出金属基、陶瓷基（水泥基）复合材料。2、复合材料由宏观复合向细观、微观复合方向发展。3、复合材料向双元混杂、多元混杂、超混杂方向发展。4、由结构复合材料向功能复合材料和多功能复合材料方向发展。5、由被动复合材料向机敏复合材料和智能复合材料方向发展。6、复合材料加工设备向高效、高精度、自动化方向发展。7、复合材料的设计由常规设计向仿生设计和计算机辅助设计方向发展。8、复合材料的应用由航空、航天领域向民用领域扩展。复合材料性能特点（P—5〜7）如何获得细晶粒组织？为什么细晶面强度高？♦:♦A、增大金属的过冷度•:・一定体积的液态金属中，若成核速率N越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小；晶体长大速度G越快，则晶粒越粗。・♦・对于液体金属，一般不会得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以，随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大，结果使晶粒细化。•:•增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。・♦・超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。♦:♦B、变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等，都可使晶粒细化。♦:♦C、振动在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。D、电磁搅拌将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。钢晶粒细化后，晶界增多，而晶界上的原子排列不规则，杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过，即阻碍塑性变形，也就实现了高强度。晶粒越细，材料的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹等形成和发展，使材料（特别是金属）在断裂前可发生较大的塑性变形，因此使材料的塑性提高！由于晶粒越细，晶界、亚晶界越多，材料的强度也较高，塑性越好，所以断裂前需要消耗较大的功，因此韧性也较好，所以细晶强化是材料（特别是金属）的一种很重要的强韧化手段金属硬度几种表达方式：布氏硬度HB，洛氏硬度HRA、HRB、HRC，维氏硬度HV（镀层：锌、铜、格）三种。常用布氏硬度、洛氏硬度，采用压入法测量硬度值。铝合金时效处理几个阶段：第一阶段形成溶质原子（铜）的富集区一GP[I]区；第二阶段GP区有序化一GP[II]区；第三阶段溶质原子（铜）继续富集，形成过度相T；第四阶段稳定的6相继续形成与长大。金属结构与性能：（P8）五种常用水泥成分性能应用范围：

硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山荻水泥粉煤灰水泥成分水泥熟料及少星石育硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山荻水泥粉煤灰水泥成分水泥熟料及少星石育在硅酸盐水泥中搓活性混合材料15X以F或非活性混合材料以下在硅酸盐水泥中掺入20X的粒化高炉旷渣在硅酸盐水泥中掺A.ZCIX火山灰质混合材料在硅酸盐水泥中掺入20Z~4口式粉煤灰特性及应用水泥水1、早期及后期强度均高:适用于预制和现浇的混凝土工程、冬季施工的S国凝土工程、预应力混凝土工程等。2、抗逮性好：适用于严塞地区和抗冻性要求高的^凝土工程。3、耐腐蚀性差：不宜用于受流动软水和压力水作用的工程，也不宜用于受海水和其它腐蚀性介质作用的工程。化硬化影响因素：与硅酸盐水泥基本相同奴水化热高：不宜用于大体积混凝土工程。5、抗炭化t物：适合用于二氧化碳浓度较高的环境，如翻砂、薛造车间等。6、耐热性差：不得用于耐热混凝土工程。九干缩小■:可用于干燥环境。&耐磨性好：可用于道院与地面工程1、早期强度低，后期强度增长较快；2、水化热较低；3.耐蚀性较强;奴抗冻性差；5、干筋较大6、耐热性好L适用于高温车'司和有耐热耐火要求的混凝土结构；大体积混凝土结构；蒸汽养护的构件；有抗硫酸盐侵蚀要求的工程。8.不适用于早期强度要求高的工程；有抗冻要求的混凝土工程-1、早期强度低；后Iff虽度增长较快；2.水化热较低；3.耐蚀性较强；4.抗洋t物；5.抗冻性差；5.干筋性大L适用于：地下、水中大体积混凝土结构和有抗渗要求的^凝土结构；有抗疏酸盐侵蚀要求的工程。不适用于处在干燥环境中的混凝土工程；其它同矿渣水泥。1、早期强度低；后期强度增长较快；2、水化热较低；3、耐蚀性较强；农抗冻性差；S干筋性小抗裂性较高适用于:地上、地下及水中大体积混凝土构件；抗裂性要求较高的构件；有抗硫酸盐侵蚀要求的工程不适用于：有抗碳化要求的工程；其它同矿渣水泥-石膏石膏是作为延缓水泥凝结时间的组分而掺入水泥的，不掺石膏的水泥，由于C3A的迅速水化将导致水泥的不正常急速凝结，使水泥不能正常使用。水泥细度在矿物组成相同的条件下，水泥的细度越细，与水接触时水化反应表面积越大，水化反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。环境温度、湿度提高温度可以使水泥水化反应加速，强度增长加快；相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。温度为零度以下，水泥的水化反应基本停止，强度不仅不增长，甚至会因水结冰而导致水泥石结构破坏。实际工程中，常通过蒸汽养护来加速水泥制品的凝结硬化过程。但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下降。水泥浆的水灰比拌合水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比（W/C）。为使水泥浆体具有一定塑性和流动性，所以加入的水量通常要大大超过水泥充分水化时所需的水量，多余的水在硬化的水泥石内形成毛细孔隙，W/C越大，硬化水泥石的毛细孔隙率越大，水泥石的强度随其增加而呈直线下降。水化水泥熟料粒子的矿物组成与结构；水泥粒子的大小；加水量；水化温度；此外还与混合材以及外加剂的类型和数量有关。水泥的腐蚀与防腐：在某些腐蚀性介质的作用下，水泥石的结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部崩溃的现象为水泥石的腐蚀。（1）软水腐蚀（溶出性侵蚀）软水指工业冷凝水、蒸馏水、天然的雨水以及含重碳酸盐很少的河水及湖水。（2）盐类腐蚀硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）当海水、沼泽水、工业污水等中含有碱性硫酸盐（如Na2SO4、K2SO4等）时，水泥石还会受到侵蚀作用。镁盐腐蚀（溶解性化学腐蚀）海水、地下水中常含有大量镁盐，如硫酸镁（MgSO4）和氯化镁（MgCl2）。它们与水泥石中的氢氧化钙反应，生成易溶于水的新化合物。（3）酸类腐蚀碳酸腐蚀在工业污水、地下水中常溶解有较多的二氧化碳，二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，继续与含碳酸的水作用变成易溶于水的碳酸氢钙（Ca（HCO3）2。同时由于碳酸氢钙的溶解使Ca（0H）2浓度降低，导致水泥石中其它产物的分解，而使水泥石结构破坏。一般酸的腐蚀（HCl、H2SO4）在工业废水、地下水、沼泽水中常含无机酸和有机酸。各种酸类与水泥石中的氢氧化钙作用，生成化合物，这些化合物或者易溶于水，或者体积膨胀而导致水泥石破坏。（4）强碱腐蚀碱类溶液如浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱作用后也会破坏。2、腐蚀的防止水泥石被腐蚀的基本内因为:一是水泥石中存在易被腐蚀的组分，如氢氧化钙与水化铝酸钙；二是水泥石本身不致密，有很多毛细孔通道侵蚀性介质易进入内部。因此针对具体情况可采取下列措施防止水泥石的腐蚀。（1）根据侵蚀介质的类型，合理选用水泥品种。如采用水化产物中氢氧化钙含量较少的水泥，可提高对多种侵蚀作用的抵抗能力；采用铝酸三钙含量低于5%的水泥，可有效抵抗硫酸盐的侵蚀；掺入活性混合材料，可提高硅酸盐水泥抵抗多种介质的侵蚀作用。（2）提高水泥石的密实度。水泥石（或混凝土）的孔隙率越小，抗渗能力越强，侵蚀介质也越难进入，侵蚀作用越轻。（3）设置隔离层或保护层。当侵蚀作用较强或上述措施不能满足要求时，可在水泥制品表面设置耐腐蚀性高且不透水的隔离层或保护层。水泥生产：工艺流程：生料由第一级旋风筒（C1）的进风管喂入，被热烟气分散，悬浮于热烟气中并进行热交换，然后被热烟气带入一级旋风筒C1，生料在离心力和重力作用下与烟气分离，沉降到旋风筒锥体底部，由下料管喂入第二级旋风筒（C2）的进风管，被进入C2筒的气流分散、悬浮、加热，再被气流带入C2筒，在C2筒内与气流分离，生料依次喂入三级旋风筒C3、四级旋风筒C4的进风管，依次被悬浮及进一步加热，最后在C4旋风筒内与气流分离，经下料管喂入窑内，生料在旋风预热器中经过四级旋风筒，被四次加热，而窑尾排出的热烟气，则依次经过C4C3C2C1级旋风筒，与生料换热后，排出预热器系统，经收尘后经烟囱排入大气。陶瓷原料及各自作用：原料主要有粘土石英类原料（瘠性原料）长石。粘土作用具有可塑性和烧结性，是陶瓷原料的主要原料之一，瓷坯中氧化铝的主要来源，在细瓷配料中粘土类原料的用量常达40〜60%，在陶器和炻器中用量还可增多。石英类原料（瘠性原料）石英在陶瓷生产中的作用是作为瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯体中主要组份之一，它在陶瓷生产中的作用不仅在坯体成形时而且在烧成时都有重要的影响。作用：a、在烧成过程中与长石等易熔物生成玻璃相，增加粘度，并减少陶瓷坯料在烧成过程中的收缩。b、石英还能与粘土中的氧化铝形成高强度的莫来石相，剩余的石英构成坯体骨架。长石长石是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料，在陶瓷生产中用作坯料、釉料、色料熔剂等基本组份，用量较大，是陶瓷三大原料之一。作用：a、在坯料燃烧过程中起助熔剂作用。可以加速长石玻璃相的生成，降低液相烧成的温度，进而溶解部分矿物分解物和部分石英，促进莫来石晶体的长大。b、长石熔融体在冷却后构成陶瓷的玻璃基质，提高釉面光泽和透明度，粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；要求适量，过量会产生大量气泡，且使坯体变形。c、不能成为陶瓷主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。特种陶瓷成型及烧结：玻璃纤维性质：玻纤的物理性能1、外观和密度显微镜下观察，玻纤的横断面几乎都是完整的圆柱状，玻璃钢中常用5-20um的纤维。而天然纤维、有机纤维表面都有很深的皱纹。优点：圆柱状使纤维间空隙填充的较为密实，有利于玻纤含量的提高。缺点：表面光滑，不利于纤维间的抱合，纤维和树脂间的粘结性较差。密度：比有机纤维大，比一般金属小，和铝差不多，2.4-2.7g/cm3。2、玻纤的力学性能玻纤主要用作树脂的增强材料，所以力学性能很重要，主要指纤维的拉伸强度、弹性和耐磨性、耐折性。（1）拉伸强度玻纤的强度相对于其它大多数纤维来说强度都高得多，是块状玻璃的几十倍，最高可达4700MPa。强度假说：微裂纹假说：玻璃的理论强度很高，可达2000-12000MPa。“冻结”高温结构假说：玻璃中的结晶、多晶转变及微观分层等较块状玻璃少的多，强度高。分子取向假说、裂纹取向假说：玻璃纤维分子产生定向排列或裂纹沿轴心排列，强度高。玻纤池窑法生产及规格：池窑漏板法拉丝：即熔窑配合拉丝机拉制成连续玻纤。池窑法是将玻璃配合料直接投入窑内熔融、澄清、均化后，由漏板漏孔流出，根据制品性能的要求，单丝被涂敷不同类型的浸润剂，单丝集束或分槽集束后，被拉丝机卷绕成丝饼。配合料的制备：一般由石英砂、粘土、石灰石、硼铝石或硼镁石、纯碱组成，此外再加入少量助熔剂（氟化钙）和澄清剂.熔制工艺分为熔融、澄清、均化和调温：随着温度升高，熔融体系粘度显著减小，但还不是均匀的，其中还夹杂着大量空气和原料分解产生的气体。拉丝：澄清和均化完成后，降温使玻璃熔融体系均匀一致地达到适合成型要求的粘度，拉丝一般需要1200°C。分类：玻璃纤维纱可分为无捻纱和有捻纱两种。规格：纤维规格涉及方面很多，如玻璃种类、纤维种类、单丝公称直径，纱线密度（纤维密度），如果是有捻纱还要涉及退解股数、并捻股数、捻向和捻度。几种常用玻璃种类：E-无碱；C-中碱；A-高碱；S-高强玻璃；纤维种类：C-连续玻纤；D-定长玻纤；T-变形纱。玻纤表面处理：定义：就是用以增加玻璃纤维与树脂界面之间粘结力的一种化学物质。2、作用：（1）增强纤维与树脂间的粘结，提高了玻璃钢的性能。（2）防止水或其他介质的渗入，改善了树脂-纤维界面的状态。（3）改善耐候性、耐介质腐蚀性等。3、界面理论界面理论认为，玻璃钢的性能除了决定于所选用的增强材料与合成树脂的性能外，在很大程度上还决定于二者的界面结合情况。主要有偶联理论、化学处理膜理论、物理吸附理论、表面浸润理论和摩擦理论等。比较好的是偶联理论。这种理论认为，从化学结构看，处理剂分子中都含有两类性质不同的基团，一部分基团能与玻璃纤维表面的Si-OH起化学反应形成化学键，另一部分基团能与树脂起反应形成化学键，这样通过偶联剂作用，树脂和纤维以化学键偶联起来，获得来良好的粘结。这也是把处理剂称为偶联剂的原因。对聚酯玻璃钢一般选用含双键能与树脂共聚的处理剂，对环氧或酚醛玻璃钢一般选含胺基、环氧基或-SH处理剂。举例：用KH-550，即Y-胺基丙基三乙氧基硅烷作偶联剂，玻纤增强环氧树脂。4、玻纤表面处理剂种类有机铬、有机硅、钛酸酯。有机硅结构通式：RnSiX4-n，式中R是有机集团，含有能够和树脂反应的活性基团，如双键、环氧基团、氨基、-SH等。X是易水解的基团，水解后能与玻璃作用。处理剂见表7-18。5.3表面处理方法主要有前处理法、后处理法和迁移法。前处理法实质就是将含有化学处理剂即表面处理剂的增强型浸润剂被覆在玻璃纤维表面上，使纤维既满足拉丝、纺织工序的要求，又满足与树脂浸渍、粘结的要求。优点：省去了复杂的处理工艺和设备，避免热处理造成的强度损失。不过，技术比较复杂，需进一步研究。后处理法凡是使用纺织型浸润剂原则上都应采用此法，又称“普通处理法”。分为三步：（1）除去玻纤织物表面处理剂有连续热处理、分批热处理和洗涤法几种。2）浸渍化学处理剂经热处理后的玻纤织物表面清洁、干燥后，浸渍处理液，浓度一般为0.5-1%。（3）烘焙干燥浸渍处理液后必须进行烘焙干燥，除去织物上的水分和处理剂水解产生的小分子，同时使偶联剂与纤维表面及偶联剂之间相互缩合，形成聚硅氧烷膜，100多度几分钟完成。特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻纤强度损失大，但处理效果稳定。3、迁移法该法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶同时将处理剂施于纤维上，借处理剂从树脂至纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在固化过程中产生偶联作用，也称潜处理法。PANCF的制备：（P-142）PAN选取原则a、PAN纤维分子易于沿纤维轴取向；b、碳化收率(1000°C-1500°C)为50%〜55%；"在脱除碳以外的杂原子时其骨架结构很少破坏；d、在180C附近存在塑性，便于纺丝后的改性处理和经受高温碳化处理原丝的制备高性能原丝的质量要求用于制备碳纤维的PAN原丝应具备如下要求：结构均匀致密,纤维内、外部的缺陷少；金属等杂质含量低，溶剂残留量低；纤维的超分子结构规整，取向度高，结晶度高；纤维的物理机械性能优异；纤维纤度小，直径不匀率低；纤维的油剂或表面处理剂有利于原丝的预氧化和碳化等。由PAN聚合物纺丝由PAN聚合物纺制PAN纤维，一般可采用湿纺、干喷湿纺、干纺和熔纺等几种方式。干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高温的气体氛围中，使溶剂蒸发浓缩、固化的方法。牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外，采用干法生产的纤维溶剂不容易洗净，如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及碳化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结，并产生缺陷，所得碳纤维发脆或毛丝多、强度低。湿式纺丝方法：是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝固。随着牵引速度的增加，纺丝牵伸的倍率提高，在喷丝孔处易产生断丝，所以提高纺丝速度是有限度的。干喷湿纺法：是纺丝原液经喷丝板喷出之后先经过一小段(3-10mm)空气层，然后再进入凝固浴。气相生成CF：基板法(P-141)气相生长碳纤维和石墨晶须是性能优异的新型增强体。制备(1)前驱纤维(石墨基板法)预先将催化剂(铁钻镍或其氧化物、盐类的超微粒子)喷洒在陶瓷或石墨基板上，然后将基板置于石英反应管中，保持1000-1150C，通入烃类和氢气的混和气体。通过氢气的还原或表面净化后，烃类气体在超微粒子的表面进行芳构化和缩聚反应，粒子和石墨基板的垂直方向将形成六角网平面的炭层。由于某种驱动力(如渗透压或表面张力)，超微粒子被朝上推动，继续向长度方向发展。此过程只有在超微粒子催化作用的表面才能进行。其结果在长度方向形成直径约100A°的中空细长的前驱纤维。CF性质：(P-146)陶瓷纤维：B纤维：(P151)作为复合材料增强材料使用的硼纤维，通常采用还原硼的卤素化合物的CVD工艺制备：用作芯材的钨丝(碳丝、涂碳或钨石英纤维)先在NaOH中用电化学方法进行表面清洗及减小直径处理，控制直径约为13“m，然后进入清洗室清除表面存在的氧化物等，将其放入温度为1120C〜1200C的第一沉积室，使氢和三氯化硼混合物按下式反应：2BCl3+3H2r2B+6HCl个顷纤维：碳化硅纤维是以碳和硅为主要成分的一种陶瓷纤维，是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维。与碳纤维、氧化物纤维等其它高性能纤维相比在抗拉强度、抗蠕变性能、抗氧化性以及与陶瓷基体相容性方面表现出一系列的优异性能。由于在航空、航天和原子能等军事敏感领域具有良好的应用前景，因此它的研究及应用受到了世界各国的极大关注。连续碳化硅纤维制备1、先驱丝法（日本）1）典型Nicalon碳化硅纤维的制备和性能基本工艺是：二甲基二氯硅烷+金属钠-溶剂>聚硅烷（PDMS）—400°以上高压釜中裂解重排T聚碳硅烷—300°下进行熔融纺丝,200进行不熔化处理，1100~1300惰性气氛中连续烧结r金属光泽的直径14um<化硅纤维该方法与化学气相沉积法（CVD法）制备的连续SiC纤维相比，具有适合工业化、生产效率高、成本较低的优点，且所制得的SiC纤维直径细，可编织性好、可成型复杂构件、可改变制备条件获得不同用途的纤维，纤维性能及成本均有进一步改善的前景。目前，通过先驱体法制备的连续SiC纤维Nicalon、Tyranno已经商品化，在树脂基、金属基与陶瓷基复合材料方面已经开展了大量的应用研究，但其很难满足航空发动机、航天飞行器等对材料提出的更高性能要求。主要特性：力学性能拉伸强度和模量高，密度小，（分别为3000MPa、220GPa、2550kg/m3）；断裂延伸率1.5%。热性能碳化硅纤维具有优良的耐热性能，在1000°C下，其力学性能基本不变，长期使用温度1100C，当温度超过1300C时，其性能才开始下降，是耐高温的好材料耐化学性能它具有良好的耐化学性能，在80C下耐强酸（盐酸硫酸硝酸），用30%氢氧化钠侵蚀20小时后，纤维仅失重1%以下，其力学性能仍不变。与金属反应性小，浸润性好，在1000C以下几乎不与金属发生反应。耐辐照和吸波性能碳化硅纤维在通量为3.2*1010中子/秒的快中子辐照1.5小时或以能量为105中子伏特，200纳秒的强脉冲v射线照射下，碳化硅纤维强度均无明显降低。其他：纤维具有半导体性；纤维直径细14um，易编成各种织物。2）超耐热碳化硅纤维的制备和性能尽管碳化硅纤维的最高使用温度可达1200C，但其耐热性能仍不能满足高温领域中的应用需要。由于先驱体法制得的碳化硅纤维不是纯的碳化硅，其元素组成为硅、碳、氧、氢，质量百分数分别为55.5、28.4、14.9和0.13。而氧的存在，于1300C以上会释放一氧化碳和氧化硅气体，同时形成的低温稳定相0-SiC微晶长大，使纤维的力学性能降低。因此需要降低纤维的氧含量并使其化学组成更接近理论结构，以提高碳化硅纤维的耐热性。二甲基二氯硅烷+金属钠溶剂>聚硅烷（PDMS）400°以上高压釜中裂解重排>聚碳硅烷—300°下进行熔融纺丝,200进行不熔化处理，1100~1300惰性气氛中连续烧结r金属光泽的直径14um碳化硅纤维原Si-C-O纤维一降低氧含量r低含氧量纤维（改进热稳定性）-接近理论化学组成、高结晶度>SiC纤维（增加模量、提高抗氧化性、提高抗蠕变性,2003仍能保持其纤维形状和韧性）低含氧量碳化硅纤维的制备：聚碳硅烷先驱体（分子量在1500-2000）熔融纺丝（或溶液纺丝）后，经电子束辐照进行不熔化处理，使分子交联，在1000r一次烧成后再施加张力，于1500r二次烧成，制得含氧量低于0.5%的耐热碳化硅纤维。拉伸强度2800MPa、模量270GPa。在1500rM气中恒温10h，纤维仍保持2000MPa的拉伸强度。CVD法碳化硅纤维（美国）CVD法碳化硅纤维即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热，把基体芯材（钨丝或碳丝）加热到1200°C以上，通入有机硅化合物（如CH3SiCl3、CH3SiHCl2、Si（CH3）4）和氢气的混合气体，经反应裂解为碳化硅,并沉积在钨丝或碳丝表面。目前有美国达信系统公司、法国国营火药炸药公司、英国石油公司和我国中科院金属所等在开展此项工作。、活性碳纤维转化法近年来，出现了一种新的制备方法：活性碳纤维转化法。它的原理比较简单:利用气态的氧化硅与多孔活性碳纤维反应便转化生成了碳化硅纤维。该法使得制备成本降低，过程简单。活性碳纤维转化法制备碳化硅纤维包括三大工序:活性碳纤维制备;在一定真空度的条件下，在1200C-1300C的温度下,ACF与氧化硅发生反应而转化为SiCF;在氮气气氛下进行热处理（1600C）。-<=：连续氧化铝纤维的制备方法氧化铝纤维由于制备方法不同，性能差异较大。主要原因是氧化铝从中间过渡态向稳定的a-Al2O3转变温度为1000C-1100C，在此温度下结构和密度的变化导致强度显著下降。添加Si、B、Mg可以控制这种转变并实现Al2O3自发形核，有利于提高纤维的耐热性。氧化铝纤维的制法很多，主要有以下几种：溶液纺丝法;混合液纺丝法；基体纤维浸渍溶液法；溶胶-凝胶法。A、溶液纺丝法（住友法）用烷基铝加水聚合成聚铝氧烷聚合物，将它溶解在有机溶剂中，再加入硅成分的硅酸脂或有机硅化合物。将混合物溶液浓缩成纺丝液，进行干法纺丝得到先驱纤维，再在600C空气中裂解成为氧化铝和氧化硅组成的无机纤维，而后在1000C以上烧结，得带微晶聚集态的连续氧化铝纤维。纤维直径10um，拉伸强度3.3GPa，拉伸模量330GPa。该方法的优点是纺丝性能好，可获得连续长纤维。B、混合液纺丝法将金属氧化物粉末与聚合物（如橡胶、热塑性塑料、石蜡和琼脂等）溶液混合成一定粘度的溶液，用挤压纺丝的方法从纺丝孔直接挤出纤维，再以350C/h的速率升至1650C，保温1h。C、基体纤维浸渍溶液法用无机铝盐溶液浸渍有机基体纤维，然后高温烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。溶液多为水溶液，基体纤维多为亲水性良好的粘胶纤维（聚氧化乙烯）。D、溶胶-凝胶法（美国3M公司）一般以铝的醇盐或无机盐为原料，同时加入其它有机酸催化剂，溶于醇/水中，得到混合均匀的溶液，经醇解/水解和聚合反应得到溶胶，浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝，得到凝胶纤维，随后进行热处理得到氧化铝纤维。

该法制备氧化铝纤维的均匀度高，可设计性强，产品多样化，但生产成本高。氧化铝纤维的特点：1、氧化铝纤维的拉伸强度最高可达3.2GPa，模量高达420GPa。2、耐热性好，长时间使用温度1000°C以上。3、表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合，层间剪切强度与GFRP相当。4、具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其在高温条件下这些性能尤为突出。5、用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压性能，压缩强度是GFRP的三倍以上，耐疲劳强度高，经107重复交变加载后的强度不低于静强度的70%。6、电气绝缘、电波透过性好，与GFRP相比，它的介电常数和损耗正切小，电波透过性更好。PPTA纤维、两步法、一步法：两步法：(P166)一步法：1、反应式日本帝人公司一步法是利用新单体进行聚合来实现的，新单体为低聚体二胺，其结构为CONH2、工艺过程它是3,4.-二氨基二苯醚与对苯二甲酰氯、对苯二胺缩合而成。提纯精制后投入到反应釜中，然后加入对苯二甲酰氯，激烈搅拌，溶液粘度慢慢上升，升温至85度，保持CONH2、工艺过程它是3,4.-二氨基二苯醚与对苯二甲酰氯、对苯二胺缩合而成。提纯精制后投入到反应釜中，然后加入对苯二甲酰氯，激烈搅拌，溶液粘度慢慢上升，升温至85度，保持15min，然后加入Ca(OH)2-NMP(6wt%)，升温到90度反应1h.将得到的聚合物溶液过滤、脱泡，得到纺丝浆液，纺丝，经NMP水溶液进行凝固，然后水洗、干燥、在热板上拉伸得到纤维。热塑性树脂基CM性能特点及预浸料的制备：特点玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特点外，它与玻璃纤维增强热固性塑料相比较，其突出的特点是：具有更轻的比重，一般在1.1-1.6之间，为钢材的1/5-1/6；比强度高，蠕变性大大改善。聚合物本身的断裂韧性好，提高了CM的抗冲击性、疲劳强度高。耐湿热、吸湿性低，可改善CM的南方环境适应能力。最突出的特点是可以重复再加工，而且工艺过程短，成型效率高，产品成型周期在分钟级甚至秒级，实现高度自动化，对环境污染较小。预浸料：聚合物基CM必须先将聚合物基体与各种增强材料制成连续的片状、带状、粒状预浸料，才能进一步加工各种形状的复合材料构件。现用的预浸方法有：①薄膜法：将聚合物与增强体无纬布、织物、毡等交替层叠，再用热滚筒或热履带热压，再冷却同时压合得连续片材；②溶液法：用溶剂溶解聚合物后浸渍增强体，然后将溶剂挥发制成预浸料；③熔融法：以聚合物熔体在压力下对增强体进行浸渍；④粉末法：将聚合物磨细，以静电吸附法将其附着在增强体周围，然后再热压使之熔化浸渍；⑤纤维法：将聚合物先纺成纤维再与增强体交织，然后热压；⑥造粒法：螺杆挤出机的螺杆将聚合物熔体与短切的增强体混合，由模口挤出细条状，再切成粒料。成型工艺特点（P189〜192）、CM性能（P198〜210）：金属基CM制造难点解决：金属基复合材料制造的难点及解决途径（1）加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。为了保证金属基体有足够的流动性，使之充分渗透到增强材料之间的间隙中并与之复合，需要高的制造温度（高于或接近基体的熔点）。解决方法：①尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度；②通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；③采用扩散粘结法可有效的控制温度并缩短时间。（2）增强材料与基体浸润性差。解决方法：①加入合金元素，优化基体成分，改善基体对增强材料浸润性。常用的合金元素有：钛、铝、铌等。②对增强材料进行表面处理，涂覆一层可以抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性，如：化学气相沉积法，物理气相沉积法，溶胶-凝胶和电镀或化学镀等。（3）按结构设计要求,使增强材料均匀的分布于基体中也是金属基复合材料制造技术中的关键之一。解决方法：①对增强材料进行适当的表面处理，使其浸润基体速度加快；②加入适当的合金元素改善基体的分散性；③施加适当的压力，使其分散性增大。成型工艺及特点：复合铸造法:采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中制得颗粒增强金属基复合材料的一种有效方法。①搅拌铸造法：将增强体加入到基体熔液中，以一定的速度搅拌熔液，使其达到均匀混合和相互浸润的目的，使增强体与基体熔液复合，然后浇铸成锭坯、铸件等。特点：（1）设备简单，可制造大尺寸的铸锭，成本低廉，是制造颗粒增强金属基CM的最有前景的方法，目前已被广泛应用。（2）在制备过程中陶瓷颗粒易聚集成团，易出现第二相偏析，且普遍存在界面反应，高速搅拌时陶瓷颗粒的破碎、气体和夹杂物的混入等，都使复合材料的性能不是十分理想，颗粒的加入量也受到一定限制。②半固态搅拌铸造法把温度控制在金属的液相线和固相线之间且不断搅拌，然后把颗粒状增强体按一定比例加入到含有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至液相线以上直接进行浇注，得到所需复合材料。特点：使用这种工艺，增强相与基体浸润性好，增强相粒子分布均匀，增强相不会结集和偏聚，能得到较为理想的结果，但金属液处于半固态，粘度较大，其浆液中的气体和夹杂物不易排出，生产过程中要准确控制和保持金属液处于半固态温度也很困难。液态模锻法又称挤压铸造法。先将增强体做成预制件，再浇入基体合金熔液，通过压机将液态金属强制压入增强材料的预制件中以制造CM的一种方法。用于制造多种金属基复合材料及零件，并且纤维不需要进行预处理。此法设备简单，速度快，但高质量的预制件制作不易，制造尺寸大的复合材料及零件还较困难。共喷法：Swansea大学（英国斯旺西大学）Singer教授首先提出，早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后加利福尼亚大学开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。原理为：在基体合金雾化的同时，加入增强体粉末，使二者共同沉积在收集器上，得到复合材料，即将熔融的基体金属和颗粒从不同的喷嘴喷出，混合，凝固后得到CM。优点：①增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制；②生产工艺简单，效率高；③冷却速度快，冷却速度达103-106K/秒，金属晶粒和组织细化，成分均匀，很少或没有界面反应；④颗粒均匀分布；⑤适用面广。缺点：过程不易掌握，需在真空或惰性气氛中进行，增强颗粒利用率低，材料制备成本高,CM中气孔率较大。（三）固态法固态法是指基体处于固态制造金属基复合材料的方法。包括：扩散粘结法、粉末冶金法、压力加工法、爆炸焊接法。扩散粘结法：又称扩散焊接和热压，是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间相互扩散而进行的，金属基复合材料重要的制造方法之一。将铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型得到铝基复合材料。已用此方法制备出C/Al、B/Al、SiC/Al等铝基复合材料扩散粘结过程三个阶段：（1）粘结表面之间的最初接触。由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏；（2）随着时间延长发生界面扩散和体扩散，使接触面紧密粘结；（3）由于热扩散，界面最终消失，粘结过程完成。原料来源：等离子喷涂；液态浸渍；离子涂覆法等。3）机械合金化法原位合成法中的一种。是将一种或两种粉末与基体粉末一起在保护气氛或真空状态下长时间研磨，利用机械研磨过程中微小区域出现的高温，使参与研磨的粉末之间进行反应生成所需的增强体粉末或颗粒，然后采用粉末冶金法压制成形，形成铝基复合材料产品或零部件的一种方法。特点：生成的强化相粒子表面洁净，粒度小；合金化过程中形成的过饱和固溶体在随后的热加工处理中将分解生成细小弥散的颗粒，强化基体；得到的复合材料结构非常致密。金属基复合材料的性能：金属基复合材料是金属合金与各种形态的高性能增强材料如：陶瓷纤维、晶须、硼纤维、碳（石墨）纤维等的复合，因此金属基复合材料往往兼备了金属和增强材料的性能特点。1、具有较高的比强度，比模量，较高的高温机械性能，较低的热膨胀系数，热稳定性大大提高，抗拉强度也得到了提高。2、金属基复合材料保持了金属优良的导电、导热、导磁性能，具有良好的切削加工性能，压力加工、焊接及热处理等加工性能。3、具有可设计性，可通过调整增强材料的组成、比例、形态和分布而调整金属基复合材料的性能，也可设计成各向异性性能梯度，是这类材料的显著特点。4、金属基复合材料的表面宏观硬度在Vf较小时影响不大，断裂韧性与基体相比不同程度降低，机械性能优异的CM也具有较好的疲劳性能。5、摩擦磨损的行为的显著改变是金属基复合材料的最突出性能之一，高强度、高模量、高硬度的陶瓷增强材料的加入明显提高了其耐磨性，有些增强材料还具有自润滑性，石墨可使摩擦系数大为改善。陶瓷基CM成型工艺：1、粉末冶金法原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）f均匀混合（球磨、超声等）一冷压成形f（热压）烧结。关键是均匀混合和烧结过程防止体积收缩而产生裂纹。2、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，采用了浆体（湿态）法制备陶瓷基复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状，即在浆体中呈弥散分布。这可通过调整水溶液的pH值来实现。对浆体进行超声波振动搅拌则可进一步改善弥散性。弥散的浆体可直接浇铸成型或热（冷）压后烧结成型。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。采用浆体浸渍法可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维分布均匀，气孔率低。3、反应烧结法：用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：增强剂的体积比可以相当大；可用多种连续纤维预制体；大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。此方法最大的缺点是高气孔率难以避免，制品密度仅为理论密度的90%左右。4、液态浸渍法：用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。5、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法：溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径100nm）的悬浮液；溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构为凝胶（Gel）。Sol-Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过