先进复合材料及其制备讲义

先进复合材料及其制备清华大学2008年5月23日《现代材料加工》讲座内容提要1、先进复合材料概述2、先进复合材料设计的基本原则3、先进复合材料的制备技术4、金属基复合材料及其制备5、纳米复合材料及其制备6、案例：镁基纳米复合材料制备7、先进复合材料发展方向1、先进复合材料概述1.1复合材料的定义和分类1.2复合材料的结构1.3复合材料的性能特点与复合效果1.4先进复合材料的分类与性能特点1.5先进复合材料的应用1.1复合材料的定义和分类定义：复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。

基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固纤维增强高分子复合材料结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。（1）复合材料的定义（2）复合材料的分类复合材料按性能高低分为传统复合材料和先进复合材料。先进复合材料(advancedcomposites)：以碳、芬纶、陶瓷等纤维和晶须以及纳米颗粒等高性能增强相与高聚物、金属、陶瓷和碳（石墨）等基体构成的复合材料。先进复合材料在性能和功能上远远超出其单质组分的性能和功能。（2）复合材料的分类按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料。按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型（2）复合材料的分类结构复合材料按不同基体分类

（2）复合材料的分类结构复合材料按不同增强体分类

1.2复合材料的结构几种典型复合材料结构1.2复合材料的结构a)单向纤维增强复合材料b)颗粒增强复合材料c)层状复合材料d)蜂窝夹心复合材料e)编织复合材料f)功能梯度复合材料1.3复合材料的性能特点比强度和比模量高其中纤维增强复合材料的最高。抗疲劳性能好

碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。减振性能良好

复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。高温性能好。比强度比较碳纤维\树脂硼纤维\树脂玻璃纤维\树脂钛钢铝1.4先进复合材料及性能特点

（1）颗粒增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。

卫星用颗粒增强铝基复合材料零件聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。

粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。

硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质手合金畅主要暖有钨岭钴(Y矩G)和钨质钴钛(Y辜T)两类件。牌螺号中客，YG后的薪数字坊为含Co量，YT后的何数字贺为碳卷化钛贞含量深。硬质彼合金腔硬度备极高唐，且抢热硬循性、述耐磨即性好杜，一坡般做娇成刀革片，码镶在全刀体框上使座用。硬质合金模具硬质合金轴承刀具(2秧)层状楼复合氧材料层状首复合概材料注是指亿在基趋体中废含有滋多重适层片糖状高揭强高巡寿模量绘增强饮物的佩复合趟材料村。这种俯材料锯是各惰向异材性的(层内资两维埋同性)。如龙碳化隐硼片烘增强书钛、鞠胶合舌板等码。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合双金雄属、踏表面育涂层义等也凭是层繁状复咐合材宜料。结构是层状著材料许根据选材质赌不同荣，分此别用扎于飞御机制摊造、穴运输校及包至装等遵。有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板(3灰)纤维吐增强壁复合涂材料纤维瞧增强灰复合猛材料近是指咸以各省种金庭属和刮非金妄属作兰为基虚体，衣以各战种纤做维作侮为增酬强材饿料的教复合接材料悲。I纤维卵增强塑复合页原则在纤拿维增就强复具合材柳料中圆，纤有维是善材料痰主要来承载红组分五，其嫂增强替效果赶主要朝取决锐于纤胖维的租特征寺、纤幕维与厕基体璃间的辛结合吊强度负、纤球维的芬体积期分数建、尺徐寸和项分布勤。碳纤维a)弹性各模量写及强狗度外力瓣方向仰与纤营维轴肆向相雀同时旷，c=f=m(f崭-纤维挑、m-基体谊、c-复合皆材料)，则当外炊力垂降直于炒纤维谈轴向教时，惰则b)纤维补的临显界长断径比c)纤维懂最小储体积礼分数纤维置增强腰复合昼材料偏的强悬度和你刚性交与纤煮维方飘向密珠切相林关。纤维际无规猫排列赞时，雾能获轿得基漆本各踏向同墙性的挑复合暂材料仓。均一括方向讲的纤没维使殃材料圈具有睡明显惨的各互向异息性。纤维轧采用雕正交群编织畅，相预互垂厦直的弯方向售均具乓有好拌的性析能。冶纤维茧采用傍三维贫编织，可羞获得屡各方略向力足学性闯能均胃优的需材料趁。

纤维在基体中的不同分布方式II纤维蜜的种爸类和皮性能i.玻璃也纤维瞎：用量傅最大煎、价鞭格最繁便宜励。ii吩.碳纤与维：化学迷性能播与碳狮相似输。ii食i.硼纤嗽维：耐高猜温、于强度匙、弹萄性模趋高。iv驰.金属高纤维休：成丝堆容易班、弹仍性模刃量高周。v.陶瓷蛛纤维国：用于技高温早、高婶强复赚合材故料。玻璃纤维碳纤维SiC纤维vi命.芳香忧族聚杜酰胺套纤维:强度闪、弹粪性模翅量高线，耐慕热。vi款i.聚乙字烯纤添维:韧性盆极好阵，密闹度非盲常小脖。vi脉ii嗽.晶须兔：是直已径小薄于30m，长罚度只态有几四毫米珍的针易状单亭晶体窗，断吸面呈史多角默形,是一鲜种高变强度骗材料捡。分为抽金属屋晶须寇和陶板瓷晶物须。悔金属味晶须贿中,父Fe晶须呜已投盐入生材产。工业峰生产矮的陶肠瓷晶纽奉须主术要是Si点C晶须余。SiC晶须II夏I聚合具物基字纤维拘增强劳复合倾材料通常孙用碳托纤维项、玻醒璃纤雷维和堡芳纶付纤维彻增强常高分互子材氧料。这类迅复合街材料棋的性五能较班环氧聚树脂赤等基胡体有沸大幅烂度的师提高责，比翠强度湖也高揉得多槐。材料种类纵向抗拉强度

MPa纵向弹性模量

GPa环氧树脂

696.9环氧树脂/E级玻璃纤维102045环氧树脂/碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂/芳纶纤维（49）138076环氧树脂/硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280VI纤维委增强璃金属肆基复兆合材签料金属枪的熔绒点高毯，故腥高强定度纤浊维增剂强后摄的金垃属基签复合忆材料击（MM志C）可结以使叉用在型较高高温的矩工作阶环境拿之下惑。常用虎的基乓体金闪属材酿料有往铝合精金、麦钛合洲金和肆镁合勿金。作为庸增强防体的哈连续宇纤维恰主要迈有硼化纤维叛、Si篇C和C纤维扭；Al2O3纤维出通常松以短宫纤维条的形柳式用降于MM棚C中。MMC的SEM照片MM辆C虽强践度和笼弹性佳模量尼（刚蜘度）屡增加鸽，但迹塑性肠和韧凝性因栏使用封陶瓷堡纤维塑而有衫所降涌低。岁这在矿一定僚程度美上限情制了MM掩C的应眯用范浊围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架V纤维寇增强蚊陶瓷雷复合舍材料陶瓷壤材料籍耐热餐、耐坝磨、拌耐蚀柱、抗酷氧化根，但散韧性扁低、考难加土工。岗在陶宜瓷材棋料中麻加入孕纤维葡增强奋，能呀大幅恒度提趋高强温度，尤改善撑韧性终，并锹提高著使用幻玉温度唉。陶瓷齿中增狗韧纤族维受肾外力妈作用初，因淹拔出内而消移耗能蜜量，醋耗能稳越多勇材料械韧性逢越好德。C/C复合材料Si/Si复合材料用晶熟须作默为增济强相腹可以违显著庄提高例复合贸材料分的强俘度和田弹性蹲模量脂，但牌因为配价格逝昂贵畏，目趴前仅村在少老数宇果航器婚件上浊采用风。现顾在发示现，罗晶须(如Si醉C和Si3N4)能起逐到陶灾瓷材违料增菊韧的匪作用型。ZnO晶须自增韧Si3N4陶瓷1.歌5先进讨复合虏材料六的应康用1、在赴航空尖航天柿领域揪的应灶用2、在蹦汽车著上的去应用3、在益民用锯领域探的应隔用4、在言军事韵领域乎的应超用5、在企材料拉加工想领域鲁的应索用2、先他进复恳合材套料设股计的紧基本已原则复合秃材料信设计坛的基耍本步库骤2、先霞进复油合材竞料设缩慧计的释基本荐原则基体禁材料和的选笨择：按使用宝要求合，组糊成特保点，握基体丙金属拥与增舞强物团的相蚁容性增强俭相的注选择忘：颗喉粒增义强相物，纤裁维增饼强相围，层辰片状指增强甚相，哪混杂因增强德相性能底复合歌准则受（复信合效倡应）驱：线性晶效应——平均雨效应堂，平蛋行效珍应，羽相补漆效应议，相领抵效匠应。非线均性效冶应——相乘故效应铺，诱灶导效黎应，旗系统庙效应谋，共婚振效尘应。2、先强进复盒合材脏料设浓计的表基本释原则各种昂增强碗体的乞力学拳性能苗比较3、先拍进复托合材雄料制旷备技网术3.绩1制备抚方法驻分类固态苦法：基体侨金属心在固渗态下斜与增春强材吸料混狭合组成菌复合换材料欣，包欺括：裕粉末淡冶金谢法、舞热压奸法、侮热等菌静压榨法、吗轧制徐法、岗挤压派和拉丢拔法堆、爆圈炸焊含接法谋。液态侧法：基体秋金属摘在熔帆融状样态下俘与增敏强材启料混击合组成其复合娘材料蓬，包添括：敏真空棚压力尊浸渍酸法、踏挤压轮铸造纪法、桨搅拌鸟铸造惠法、翼液态就金属大浸渍停法、殊共喷耀沉积勒法、粉原位掘反应花生成誓法表面神复合僻法：物臭理气惯相沉宣积法价、化滴学气宾相沉染积法祝、热补喷涂削法、遭化学撕镀法毫、电廊镀法锈、复巧合镀局法。3、先始进复锦合材捷料制隐备技拒术3.抗2制备毫应满烟足的甩条件能使拉增强派材料虽均匀制地分众布于阀基体艰中，轨满足砖复合笑材料析结构也和强逐度设嘱计要涂求能使傅复合附材料怨界面留效应扣、混哭杂效奴应或善复合董效应早充分机发挥雅，有功利于枯复合膨材料唇性能应的提博高与剃互补能够紧充分芳发挥滚增强袍材料省对基勒体的灭增强嘱、增别韧效肥果设备周投资诵少，宅工艺握简单待，可掉操作桥性强尽量液实现再复合肆材料阳产品翁的近竭净形遗制造奇，减盆少或饿避免施后序禁加工3、先瞎进复住合材祖料制晓备技越术3.俱3制备跑关键铸技术愁问题避免悦发生相不利博的化顺学反母应（堤特别翠是金炼属基霞复合订材料桥）改善盗增强队材料喂与基熔体的耗润湿泥性使增堂强材江料按进所需峰方向励均匀素地分寺布于桌基体洗中4、金缘瑞属基税复合少材料睬及制较备原位荣反应亮合成甩技术机械飞合金逝化制策备技鬼术高能遮超声宴辅助肆制备拒技术半固么态搅境拌复洲合技球术气孔/金属敌基复语合材痛料（结多孔妙金属洋）制辞备技边术液相速浸渗跨制备辽技术5、纳价米复疑合材拒料及帆制备机械罗合金厘化制劳备技藏术高能典超声浪辅助诸制备箭技术半固絮态搅席拌复勇合技唱术纳米堆复合予涂层蹲制备剩技术液相俗浸渗害制备见技术6、案竟例：怎镁基纽奉纳米袖复合厦材料鄙制备结构倒零件丈的轻聚量化董要求在汽杂车和只航空切航天铁领域艇，结缓构零裙件的伍轻量备化要研求受爱到了店越来输越广拦泛的日重视宰，并蜻为此扛开展骨了大废量的毁研发事工作佳。其终中作申为结欣构材哀料中件密度陵最小胁的镁烫合金拐，正聚在得全到越窄来越畜广泛诊的应汪用。镁合雹金的喷缺点力学还性能茄特别恨是高话温力干学性燃能有岗限，压因此耐镁合许金常躬常需扮要进诵行时念效处锈理以轻提高军性能骂，但粮时效参处理念却使膏镁合狠金的饺耐蚀井性大粪大降柳低。谅因此错研究薄和开急发轻漏量化机的镁苏基复白合材树料就闻势在游必然摄。镁及该镁基骄复合惠材料疾在不顺同温挎度下推的性闷能St摸re裤ss倍–s秩tr蛛ai悔n堵cu很rv材es谅f随or逃u患nr挪ei摔nf翠or销ce炊d涨ma秩gn膨es狠iu壮m桐an流d时it旷s与co厘mp乌os析it棕e凡te盘st旁ed顿a示t谅el录ev莫at求ed弦t艰em略pe形ra渗tu童re煌s.R.A.Sa携ravan恰an,M.K.Su耻ra焦pp木a:Ma毕te劲ri放al扶s乏Sc箩ie悟nc易e期an薯dEn举gi位ne名er纹in存g本A27虹6鸭(2谦00匀0)兼1脉08龟–1觉16镁基测纳米福复合贱材料台制备1、制苹备方赶法粉末恩冶金棉法(P湿ow坚de质r态Me题ta译ll诞ur梳gy辆)搅拌顷铸造偷法(S革ti羊r叹Ca填st泰in锐g)DM心D法(D生is区in乡丰te算gr造at津ed村M蠢el残t喉Di渴sp圾os吵it炉io凉n)搅拌芹摩擦约法(S柜ti放r融Fr乌ic撑ti陈on盆)2、复告合类划型纳米蓬陶瓷定颗粒怀增强(N赖an佩o-吉si渠ze词d渐Ce验ra括mi仙c塑Pa断rt顺ic音le月s)碳纳寄米管锯增强(C趁NT筐s)Po炭wd彼er司M寺et描al豪lu徒rg血ic晶al规T猴ec饼hn吸ol味og碑yNa保no植si挥ze敢d凤Si明C此(3帝0n屿m慕in榆d武ia垮me猾te则r)弹w庆it佩h够3%怎v邀ol恋.%歪a助nd德M霉g戏mi丈cr翁op剥ow毫de龙r鬼(4灭0μm湖in句d警ia岩me效te逢r)借w谋as驱m否ix叮ed农f填or蛇8瞒h泥,受th郊e河na计no坐sc值al尺ed毙S古iC鱼p朱ow徒de民r哲in忍a现a骑sy纷mm供et梳ri汇ca敞l俩mo伶ve蓬d始mi哪xe逝r弟fo恭ll托ow夸ed畏b柳y锈mi给ll条in凶g渠th抓e长ha净lf灾o吧f品th镰e畜ba毫tc鲜h替fo线r客8述h何at劲2栗00滤r团pm导i惰n匠a哈pl纹an看et邻ar刃y帆ba消ll款m混il币l笛(R班et乔sc涌h,眼P鬼M4足00落)碰in森a悼s旅ea疯le回d挨ar晶go抢n则at坟mo宽sp朴he编re福.Th夫e涌mi逃ll脉in鹿g母ve悄ss先el视o熟f论50稼0歼ml专v及ol环um锐e头wa阴s胀ma恳de面o奏f寺co声ru冻nd介um不a能nd煮t挖he饺m替il明li松ng其b兄al援ls越h于av嫌in唇g阶a惧di屯am徐et墓er表o泛f邮11狗m炮m闸we刚re柜m怠ad声e胀of汪h咸ar石de狼ne贵d瓶st姿ai预nl阵es错s接st排ee苏l午(1松00阶Cr蚁6)电.T希he堆w仗ei晒gh宜t够ra率ti线o命of模b发al笔l-天to葛-p穴ow桶de钩r鸡wa管s冻10边:1除.Ma拿gn驼es丹iu梁m迈Ma坛tr不ix尿N亡an虏o-队co刻mp听os涝it肢e岂Fa你br倾ic设at沟io蒙n烤–眯Ca也se拖1Po残wd从er宜M雁et虹al户lu党rg完ic群al要T模ec搁hn米ol稀og甲yTh岸e衣co蹈mp瓦os沾it之es依w雪er姐e眠en亦ca肚ps帝ul雪at滚ed仆i优n磨a极ev陡ac从ua男te庄d练ma染gn哄es么iu幼m钩co敲nt贿ai灾ne沉r,老d壁eg杯as续se沃d谊at肾a凯bo伤ut棕3师50全℃径an集d垂ex嘴tr岗ud威ed穿b苹y拖a惹pr发eh寸ea怠te保d遮(3土50何℃)扯4重00镰t辞h燃or闹iz敏on捞ta疗l鉴ex纳tr置us忙io稠n威pr内es佛s传(o涂ut羞le早t辰14眨m未m)箱.遵Fo奔r碌co范mp纪ar硬is盗on肯a讨ls趟o穷so屿me冶M盲g诞po烧wd河er融(栗no更a草dd存it腿iv海es毅)启wa卖s这co易ns圣ol赞id天at魄ed颗i亡n心th絮e辰sa灭me只w捉ay剃.田In熄o企rd毁er激t弹o两st壤ud竟y皂th键e善sa狠mp滑le茧r攻eg败ar墙di按ng相c镰on臂ta劈燕mi肠na投ti忠on肺s,罗t遗he爷y煌we剑re宾a磁na乌ly题se贱d叮in纹a桥n父op岸ti欣ca铜l邪sp包ar泼k亦an贼al饿ys睡er伪(准Sp台ec浓tr仔ol摩ab慈,S课pe息ct侄ro睬A孙na捞ly购ti往ca企l础In棵st便ru猪me闷nt晓s)禁.Te阻ns蛋il达e鄙te淘st星o小f现th挣e搏as痰p较re微pa苍re括d苹ma仁te类ri双al歪s遍we刷re棵p忘er许fo华rm煤ed日w狡it净h缝a印PC危c泄on御tr驼ol娇le谋d辉un旋iv忍er社sa村l良te扭st生in包g源ma题ch惊in偿e展at呈s票tr团ai罩n餐ra填te掉d格o:换dt3.早31高04挠s按1律at有d植if里fe层re竭nt魄t窄em吧pe篮ra群tu香re教s样in挎a挤ir筛.资Cr蚁ee铲p狐te匹st庙s滥we志re怪c隆ar得ri室ed掉o枕ut伐a迈t业co龙ns骑ta位nt亚s泡tr勺es开se绝s贡(A捐nd企ra偷de愉c捐am爸)乘at讽2俊00伏a脚nd认3星00盗℃锣in井a辞ir庄.形Al老l匪te疾st婆in旺g铅sp急ec预im关en职s李we临re菜m就ac策hi循ne减d追fr哲om江t枣he貌e牲xt滑ru亏de治d王ba晒rs厅w所it讨h养th焰ei策r政sy兼mm腐et肃ry牧a材xi允s睁pa姓ra待ll肚el职t贝o严th宽e摔ex回tr疮us纵io燥n赖di农re旧ct喉io液n.寨T逗he摘m浙ic幅ro档st蛇ru席ct路ur服e会of舅t驴he夺m奔at芒er席ia追ls蹈w蚕as驴i质nv悲es漆ti辽ga杠te索d抄by窝l撤ig吩ht盐a在nd陶t限ra竞ns吊mi为ss徐io磁ns绘e方le伍ct慨ro秋n犬mi滋cr贪os熟co楼py苏.Ma桌gn左es至iu盐m溉Ma令tr惰ix资N池an管o-进co亡mp讨os锻it痕e啦Fa麦br龟ic植at骡io拴n危–究Ca纲se蒜1Tr馋an鹊sm借is轿si赏on叠e蜂le塑ct睁ro瞒n联mi赠cr氧og矩ra顺ph拖s碗of对M拿g3题vo庆l.油%奖Si舅C陷na期no裕pa蜜rt借ic析le祖s;齐p源ow锯de醋r姓on川ly辩m住ix谜ed映(森le煤ft绿)怠an郊d巾al掠so鼠m交il阶le纵d朱fo暗r洋8详h厕be够fo磁re刃e巧xt精ru弃si和on(r辰ig捏ht痛).Li君gh妄t肿mi狂cr滩os吊co港pi渣ca咱l屡pi半ct巷ur吼es鲜o迅f区th职e绩ex满tr瓶ud免ed炊M店g童ba详se杂d金ma适te先ri治al透s.剂Pu快re村M捷g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