材料化学 课件 10 复合材料制备

2023年8月8日高等材料化学教育部新材料领域工程硕博士核心课程第十一章：复合材料制备01

复合材料概论02聚合物基复合材料制备03

金属基复合材料制备04

陶瓷基复合材料制备05

有机-无机杂化材料制备01

复合材料概论11.1复合材料概述复合材料(CompositeMaterials)概念：两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学原理结合在一起，组成具有新

宏观性能的材料组成：基体相(Matrix):连续相，保护、固结增强相，传递荷载，阻止裂纹扩展

增强相(Reinforcement):分散相，承受荷载和显示功能界面相(Interface):通过化学键和物理键将基体和增强体有机地组合条件：

复合材料是人类为了某些需求制造的，而不是天然就存在的；

复合材料至少包含两种物理或化学性能不同的独立组元；

复合材料的性能取决于自身组元性质的优化结合11.1复合材料概述特点：

复合材料是一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；

复合材料中各组元保持各自的固有特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；

复合材料具有可设计性；

复合材料的组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；

复合材料的性能取决于各组成相性能的协同11.1.1复合材料分类图11.1

复合材料的分类11.1复合材料概述11.1.2复合材料命名按基体材料类型：聚合物基、金属基、陶瓷基、碳基例如：环氧树脂基复合材料、铝基复合材料、氧化铝基复合材料、碳基复合材料命名基体材料增强体材料基体和增强体材料按增强体材料类型：纤维增强、颗粒增强、晶须增强例如：碳纤维增强复合材料、碳化硅颗粒增强复合材料、氧化铝晶须增强复合材料按增强体和基体材料名称：纤维(颗粒或晶须)增强树脂基复合材料例如：碳纤维增强环氧树脂基复合材料、碳化硅颗粒增强铝基复合材料、氧化铝晶须增强碳化硅基复合材料

书写：Cf/Epoxy、SiCp/Al、Al2O3w/SiC（增强体/基体）02

聚合物基复合材料制备11.2聚合物基复合材料制备11.2.1聚合物基复合材料概述聚合物基复合材料基本特点

比强度、比模量高，通常为金属材料的3倍多

耐疲劳性能好，破损安全性能高，疲劳强度极限最高可达到抗张强度80%

过载时安全性好，其构件不会突然失去承载能力

阻尼减振性好：复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振

具有多种功能性：瞬时耐高温、耐烧蚀性好；优异的电绝缘性能和高频介电性能；

良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性能；有特殊的光、电学特性

良好的加工工艺性：

根据制品使用条件、性能要求选择纤维、基体，具有可设计性

根据制品形状、大小、数量选择加工成型方法

可整体成型，减少装配零件的数量，节省材料和工时11.2.2预浸料/预混料的制备11.2聚合物基复合材料制备聚合物基复合材料的制备

选择相应的成型工艺，使半成品形成有形的成品

预浸料/预混料的制备预浸料：连续纤维浸渍树脂后的半成品预混料：非连续纤维与树脂浸渍或混合后的半成品（1）预浸料制造热固性预浸料：由连续纤维或织物及树脂（包括固化剂等添加组分）组成，一般没有其他填料。根据浸渍设备或制造方式不同，热固性预浸料制造分为轮鼓缠绕法和阵列排铺法，按浸渍树脂状态又分为湿法（溶液预浸）和干法（热熔体预浸）热塑性预浸料：根据树脂状态的不同，可分为预浸渍技术和后浸渍技术。预浸渍技术特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维，而后预浸技术的特点是树脂以粉末、纤维、或包层等形式存在于预浸料中，对纤维的完全浸渍是后续成型过程中完成的11.2聚合物基复合材料制备（2）预混料制造片状模塑料和团状模塑料：是一类可直接进行模压成型，不需要事先进行固化、干燥等其他工序的纤维增强热固性模塑料通常根据片状模塑料和团状模塑料、玻璃毡增强热塑性塑料、注射模塑料这三种不同形态的塑料来分别进行预混料的制造玻璃毡增强热塑性塑料：是一种类似于热固性片状模塑料的半成品，它的力学性能与热固性片状模塑料相似，甚至会更好，

具有生产过程无污染、成型周期短、废品及制品可回收利用等优点注射模塑料：一般使用双螺杆挤出机制造，将连续纤维纱束与熔融态树脂基体混合后挤出，然后由切割机切成长度为3~6mm

颗粒，便于后期注射成型11.2.3聚合物基复合材料的成型工艺聚合物基复合材料的制备方法有很多，其中较为重要的有手糊成型工艺、模压成型工艺、喷射成型工艺、挤出成型工艺、树脂传递成型工艺11.2聚合物基复合材料制备图11.2

聚合物基复合材料制备方法11.2.3.1聚合物基复合材料制备成型特点1聚合物基复合材料合成与制品成型是同时完成，该材料的制备过程也就是其制品生产过程

在复合材料成型过程中，增强体的形状变化不大，但基体的形状有较大的变化;

成型工艺对制品的性能有很大的影响，如制备过程中的材料的界面黏结、气孔率等对材料的层间结合

强度有主要的影响;

根据制品结构和使用时受力状况来选择成型工艺;大型制品可一次整体成型，简化制品结构，减少

组成零件和连接件数量，减轻制品重量如，单向受力杆件和梁应采用拉挤法，因拉挤成型可保证制品在顺着纤维方向具有最大的强度和刚度；薄壳构件可采用连续纤维缠绕工艺，以满足各个方向具有不同的强度和刚度要求2树脂基复合材料成型比较方便：树脂在固化前具有一定的流动性，纤维又很柔软，依靠模具容易形成要求形状和尺寸；一种复合材料可用多种方法成型，综合考虑，选择最简单和最经济成型方法11.2聚合物基复合材料制备11.2.3.2成型工艺流程11.2聚合物基复合材料制备图11.3

复合材料制品生产流程1手糊成型工艺(HandLay-up)(1)工艺特点及基本流程概念：手糊成型工艺又称接触成型工艺。是手工作业把增强纤维织物和树脂交替铺在模具上，然后固化成型特点：优点

成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂的产品的生产；

设备简单、投资少、

见效快；

工艺简单、生产技术易掌握；

易于满足产品设计需要，可在产品不同部位任意增补增强材料

缺点

生产效率低、速度慢、生产周期长、不宜大批量生产、性能稳定性不高；

生产环境差、气味大、加工

时粉尘多，易对施工人员造成伤害11.2聚合物基复合材料制备图11.4

手糊成型工艺流程图(2)手糊成型的制造过程a)模具准备模具是手糊成型中的主要设备。设计时，要综合考虑各方面因素。模具必须要符合制品设计的精度要求以及有足够的刚度和强度，要容易脱模，造价要便宜模具结构形式

阴模阳模

敞口式对模模具材料主要有木模、石膏模、树脂模、玻璃模和金属模等，其中金属模应用较多b)涂脱模剂根据所用树脂类型、制品形状与结构等因素选择脱模剂。所选用的脱模剂应确保制品固化后能顺利脱模，保持制品表面光洁、平整，又可保证模具完好，且可重复使用，涂脱膜剂要均匀涂抹，不得漏涂c)胶衣制备为了改善制品的表面质量，延长其使用寿命，通常要为制品制备一层胶衣。它可以是纯胶衣树脂，也可以是表面毡增强树脂制成。胶衣层厚度通常为0.3~0.4mm，可以用喷涂方法或刷涂方法制得d)裱糊铺层可分为干法手糊和湿法手糊。干法手糊就是将预浸胶布按样板剪裁，裱糊时稍加热使树脂软化，然后裱贴在模具上。湿法手糊是一边刷胶一边在模具上铺布裱贴，它可以使胶液浸透增强材料并有利于增强材料与模具贴合e)固化成型通常采用无压常温固化。制品从凝胶到具备一定硬度和定型，一般需要较长的固化时间，成型后达到脱模强度通常要用24h，若要达到更高使用强度，固化时间要长达一个月之久f)脱模和修整当制品固化到脱模强度（即制品已具有维持自己形状的强度）时便可进行脱模，如手糊聚酯树脂制品，一般在成型24h可达到脱模强度。脱模后的制品要进行机械加工，除去飞边、毛刺、修补表面及内部缺陷(3)手糊成型制品的厚度控制手糊成型热固性树脂基复合材料制品的厚度是影响制品性能的主要参数厚度工艺系数=实际厚度/设计厚度当厚度工艺系数大于1时，则称为超重；当厚度系数小于1时，则称为厚度不足(4)手糊成型工艺应用手糊成型工艺在树脂基复合材料成型工艺中仍占相当大的比重。用手糊工艺可生产风机叶片、各类渔船和游艇、汽车壳体、大型雷达天线罩、飞机的蒙皮等和一些民用制品，如活动房、浴盆等02

聚合物基复合材料制备2模压成型工艺(CompressionMolding)(1)工艺特点及基本过程概念：将模塑料(粉料、纤维预浸料等)置于阴模型腔内，合上阳模，借助压力和热量作用，使物料熔化充满型腔，形成与型腔形状相同的制品，再经加热使其固化，冷却后脱模。该技术是热固性树脂基复合材料和某些热塑性树脂基复合材料的主要成型方法特点：优点

重复性好、成型时间短，效率高；

制品的内应力很低，且翘曲变形也很小，机械性能较稳定；

可成

型较大的平板状制品；

制品致密，质量高，收缩率低，尺寸稳定性较好；

生产效率高

缺点

不适合对存在凹陷、侧面斜度或小孔等的复杂制品采用模压成型；

模具制造复杂，投资较大，适合于

批量生产中小型复合材料制品基本过程：1）预压，主要目的是改善制品质量、提高模塑效率等。是将模塑粉或纤维预浸料等预先压制成一定形状的

操作过程；

2）预热，主要是改进模塑料的加工性能，缩短成型周期等。是把模塑料在成型前先进行加热的操作过程；

3）模压，将计量的物料加入模具型腔内，闭合模具，排出气体，在规定的模塑温度和压力下保持一段时间，

然后脱模，取出制品，清理模具11.2聚合物基复合材料制备(2)模压成型工艺a)模具准备通常为金属模具。脱模剂的涂刷，在模具型腔内、外涂刷脱模剂，常用脱模剂有油酸、石蜡、有机硅油等b)加料加料量严格定量。定量加料法有重量法、计数法和容量法。重量法准确，一般用于尺寸要求精确；容量法不如重量法准确，一般用于粉料计算；计数法只用于预压物料加料图11.5

模压成型工艺流程图c)合模合模分为两步：阳模未接触物料前，需低压(1.5~3MPa)、快速；当接触物料后，应开始放慢闭模速度，改用高压(15~30MPa)、慢速，以免损坏嵌件，并使模内空气排出d)排气将物料中残余的挥发物、物料带入的空气和水汽排除过程。其目的是为了保证制品的密实性，避免制品产生气泡和分层e)固化固化速度的快慢取决于树脂的分子结构。一般相对分子量低、支链少，固化剂容易与活泼基团反应，固化速度就快；反之，相对分子质量高，粘度大，不利于活泼基团缩合，固化速度就慢f)保压时间保压时间的长短决定制品的质量。过短，会导致树脂固化不完全，过长，则会产生内应力。通常保压时间在30秒到几分钟不等g)脱模脱模通常是靠顶杆来完成h)清理模具模压后将模具清理干净，清理后涂上脱模剂以便下次使用I)后处理保证树脂制品固化完全；减少制品水份及挥发物；消除制品的内应力等(3)模压成型工艺的应用模压成型工艺应用于制造卫星天线罩、车辆的外壳、保险杠、传动轴油盘、轮毂、弹簧片、全塑汽车车体、水箱、整体浴室、居室门、座椅等3缠绕成型工艺(FilamentWinding

)(1)概念及工艺特点概念：是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上，常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工

艺，是一种制备各种尺寸回转体的简单方法特点：优点

①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高；③可靠性高；④生产效率高；⑤成本低

缺点

①缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②制品强度方向性比较明

显，层间剪切强度低，对加工设备性能要求较高

(2)缠绕成型工艺（1）干法缠绕：采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。干法缠绕能够准确地控制产品质量。优点：生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；工作环境较清洁，产品质量高。缺点：缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，投资较大；干法缠绕制品的层间剪切强度较低（2）湿法缠绕：将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④纤维上的树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少（3）半干法缠绕：纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域图11.6

缠绕成型工艺流程图芯模缠绕控制胶槽及缠绕小车纤维图11.7

缠绕成型工艺设备示意图(3)缠绕成型设备芯模成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出芯模设计的基本要求要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便缠绕成型芯模材料分两类熔、溶性材料：是指石蜡、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用组装式芯模材料：常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等，还有内衬材料。内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等缠绕机缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低(4)缠绕成型工艺应用缠绕成型工艺主要适合成型大型旋转体制品。如压力容器（气瓶、鱼雷壳体）、输送石油、水、天然气的化工管道及大型储罐；火箭发动机放热壳体等4拉挤成型工艺(Pultrusion)(1)概念及特点概念：将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材方法。一般只将预制品在成型模中加热到预固化程度，最后固化在加热箱中完成。该工艺适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型材(工字形、槽形、方形型材)等特点：是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本较低，自动化程度高，制品性能稳定。与其他纤维复合材料成型方式相比，拉挤成型技术属于性能优异且经济的型材生产方式，非常适合大批量生产高质量的纤维复合材料型材(2)拉挤成型工艺典型的拉挤成型工艺：送纱、浸胶、预成型、固化成型、牵引和切割工序组成图11.8

拉挤成型工艺示意图(3)分类按工艺过程连续性，分为间断拉挤成型和连续拉挤成型。现代拉挤成型复合材料95%以上是采用连续拉挤成型(4)应用主要用作工字型、角型、异型截面管材，实芯棒以及上述断面构成的组合截面型材。主要用于电气、电子、化工防腐、文体用品、土木工程和陆上运输等5喷射成型工艺(Spray-up

Molding

)(1)概念及特点概念：将含有固化剂的树脂体系和含有引发剂的树脂体系分别从喷枪的两个喷嘴中喷涂到型腔内，与此同时，也运用喷枪上的切割器将连续纤维切成短纤维(25mm),待喷涂到规定的厚度，利用辊筒滚压，将其压实，固化成型制品，其中制品纤维的质量分数控制在30~40%左右为宜特点：优点

1)生产效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用较少设备投资实现中批量生产；3)用玻璃纤维无捻初纱代

替织物，材料成本低；4)产品整体性好无接缝；5)可自由调变产品壁厚、纤维与树脂比例

缺点

1)现场污染大；2)制品树脂含量高；3)制品强度较低(2)喷射成型工艺玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂引发剂促进剂加热静态混合切割喷枪喷射成型模具辊压固化脱模图11.9

喷射成型工艺流程图(3)喷射成型工艺参数纤维：专用无捻初纱，含量控制在25~45%，长度一般为25~50mm;树脂含量和粘度：含胶量约为60%左右，含胶量过低，纤维浸润不均，粘结不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，触变度以1.5~4为宜，在此范围内胶液易于喷射雾化喷射量：应始终保持胶液喷射量与纤维切割量的比例适宜且稳定。喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关，喷嘴直径在1.2~3.5mm之间选定，可使喷胶量在8~60g/s之间调变喷枪夹角：对树脂与引发剂在枪外混合均匀度影响极大，选用20

夹角为宜，喷枪口与成型表面距离350~400mm喷雾压力：要能保证两组分树脂均匀混合。适宜的压力同胶液粘度有关，若粘度在0.2Pa.s时，雾化压力为0.3~0.35MPa(4)应用喷射成型工艺适合于大型船体、机器外罩、汽车车身、浴盆、整体卫生间及大型浮雕产品等6树脂传递模塑成型工艺(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特点概念：是一种采用对模方法制备树脂基复合材料制品方法。该方法是通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润已排铺好的纤维织物坯件，然后固化成型。是一种不采用预浸渍料的成型方法特点：①可以制造两面光的制品；②成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况铺放增强材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。(2)RTM工艺预成型坯制造

将增强纤维按要求制成一定形状，然后放入模具中，一般是整体织物结构或三维编织结构充模

在模具闭合锁紧后，在一定条件下将树脂注入模具，树脂在浸渍纤维增强体的同时将空气赶出。当多余树脂从模具溢胶口开始流出时，停止树脂注入固化

在模具充满后，通过加热使树脂发生反应、交联固化，理想的固化反应开始时间是在模具刚刚充满时。固化应在一定的压力下进行开模

当固化反应进行完全后，打开模具取出制件，为使制件固化完全可进行后处理图11.10RTM成型工艺示意图(3)RTM成型控制主要工艺参数(a)注胶压力：在较低的压力下完成树脂压注。措施：降低树脂粘度、采用适当的模具注胶口和排气口设计、采用适当的纤维排布设计、降低注胶速率(b)注胶速率：高的注胶速率，有利于气泡的排除，提高生产效率，但伴随着压力的升高(c)注胶温度：高的注胶温度能缩短树脂的工作期；过低温度会使树脂粘度增大，使压力升高，阻碍树脂正常浸渗纤维的能力；较高的温度还有利于体系气泡的排出(4)RTM成型工艺对树脂工艺性的要求室温或较低温度下具有低粘度和一定的适用期(48h);树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性；树脂不含溶剂或挥发物、固化无小分子物体放出；

树脂在固化温度下具有良好的反应性，且后处理温度不应过高(5)RTM成型工艺对增强材料的要求

铺覆性好，容易制成与制品相同形状；

耐冲刷性好，在树脂注入过程中能保持铺覆原位；

对树脂阻力较小，易被树脂浸透；

机械强度高；

铺覆时用时短、效率高(6)RTM成型工艺应用RTM技术适用范围很广，已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域已开发的产品有：汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等02

聚合物基复合材料制备2模压成型工艺(CompressionMolding)(1)工艺特点及基本过程概念：将模塑料(粉料、纤维预浸料等)置于阴模型腔内，合上阳模，借助压力和热量作用，使物料熔化充满型腔，形成与型腔形状相同的制品，再经加热使其固化，冷却后脱模。该技术是热固性树脂基复合材料和某些热塑性树脂基复合材料的主要成型方法特点：优点

重复性好、成型时间短，效率高；

制品的内应力很低，且翘曲变形也很小，机械性能较稳定；

可成

型较大的平板状制品；

制品致密，质量高，收缩率低，尺寸稳定性较好；

生产效率高

缺点

不适合对存在凹陷、侧面斜度或小孔等的复杂制品采用模压成型；

模具制造复杂，投资较大，适合于

批量生产中小型复合材料制品基本过程：1）预压，主要目的是改善制品质量、提高模塑效率等。是将模塑粉或纤维预浸料等预先压制成一定形状的

操作过程；

2）预热，主要是改进模塑料的加工性能，缩短成型周期等。是把模塑料在成型前先进行加热的操作过程；

3）模压，将计量的物料加入模具型腔内，闭合模具，排出气体，在规定的模塑温度和压力下保持一段时间，

然后脱模，取出制品，清理模具11.2聚合物基复合材料制备(2)模压成型工艺a)模具准备通常为金属模具。脱模剂的涂刷，在模具型腔内、外涂刷脱模剂，常用脱模剂有油酸、石蜡、有机硅油等b)加料加料量严格定量。定量加料法有重量法、计数法和容量法。重量法准确，一般用于尺寸要求精确；容量法不如重量法准确，一般用于粉料计算；计数法只用于预压物料加料图11.5

模压成型工艺流程图c)合模合模分为两步：阳模未接触物料前，需低压(1.5~3MPa)、快速；当接触物料后，应开始放慢闭模速度，改用高压(15~30MPa)、慢速，以免损坏嵌件，并使模内空气排出d)排气将物料中残余的挥发物、物料带入的空气和水汽排除过程。其目的是为了保证制品的密实性，避免制品产生气泡和分层e)固化固化速度的快慢取决于树脂的分子结构。一般相对分子量低、支链少，固化剂容易与活泼基团反应，固化速度就快；反之，相对分子质量高，粘度大，不利于活泼基团缩合，固化速度就慢f)保压时间保压时间的长短决定制品的质量。过短，会导致树脂固化不完全，过长，则会产生内应力。通常保压时间在30秒到几分钟不等g)脱模脱模通常是靠顶杆来完成h)清理模具模压后将模具清理干净，清理后涂上脱模剂以便下次使用I)后处理保证树脂制品固化完全；减少制品水份及挥发物；消除制品的内应力等(3)模压成型工艺的应用模压成型工艺应用于制造卫星天线罩、车辆的外壳、保险杠、传动轴油盘、轮毂、弹簧片、全塑汽车车体、水箱、整体浴室、居室门、座椅等3缠绕成型工艺(FilamentWinding

)(1)概念及工艺特点概念：是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上，常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工

艺，是一种制备各种尺寸回转体的简单方法特点：优点

①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高；③可靠性高；④生产效率高；⑤成本低

缺点

①缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②制品强度方向性比较明

显，层间剪切强度低，对加工设备性能要求较高

(2)缠绕成型工艺（1）干法缠绕：采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。干法缠绕能够准确地控制产品质量。优点：生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；工作环境较清洁，产品质量高。缺点：缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，投资较大；干法缠绕制品的层间剪切强度较低（2）湿法缠绕：将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④纤维上的树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少（3）半干法缠绕：纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域图11.6

缠绕成型工艺流程图芯模缠绕控制胶槽及缠绕小车纤维图11.7

缠绕成型工艺设备示意图(3)缠绕成型设备芯模成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出芯模设计的基本要求要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便缠绕成型芯模材料分两类熔、溶性材料：是指石蜡、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用组装式芯模材料：常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等，还有内衬材料。内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等缠绕机缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低(4)缠绕成型工艺应用缠绕成型工艺主要适合成型大型旋转体制品。如压力容器（气瓶、鱼雷壳体）、输送石油、水、天然气的化工管道及大型储罐；火箭发动机放热壳体等4拉挤成型工艺(Pultrusion)(1)概念及特点概念：将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材方法。一般只将预制品在成型模中加热到预固化程度，最后固化在加热箱中完成。该工艺适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型材(工字形、槽形、方形型材)等特点：是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本较低，自动化程度高，制品性能稳定。与其他纤维复合材料成型方式相比，拉挤成型技术属于性能优异且经济的型材生产方式，非常适合大批量生产高质量的纤维复合材料型材(2)拉挤成型工艺典型的拉挤成型工艺：送纱、浸胶、预成型、固化成型、牵引和切割工序组成图11.8

拉挤成型工艺示意图(3)分类按工艺过程连续性，分为间断拉挤成型和连续拉挤成型。现代拉挤成型复合材料95%以上是采用连续拉挤成型(4)应用主要用作工字型、角型、异型截面管材，实芯棒以及上述断面构成的组合截面型材。主要用于电气、电子、化工防腐、文体用品、土木工程和陆上运输等5喷射成型工艺(Spray-up

Molding

)(1)概念及特点概念：将含有固化剂的树脂体系和含有引发剂的树脂体系分别从喷枪的两个喷嘴中喷涂到型腔内，与此同时，也运用喷枪上的切割器将连续纤维切成短纤维(25mm),待喷涂到规定的厚度，利用辊筒滚压，将其压实，固化成型制品，其中制品纤维的质量分数控制在30~40%左右为宜特点：优点

1)生产效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用较少设备投资实现中批量生产；3)用玻璃纤维无捻初纱代

替织物，材料成本低；4)产品整体性好无接缝；5)可自由调变产品壁厚、纤维与树脂比例

缺点

1)现场污染大；2)制品树脂含量高；3)制品强度较低(2)喷射成型工艺玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂引发剂促进剂加热静态混合切割喷枪喷射成型模具辊压固化脱模图11.9

喷射成型工艺流程图(3)喷射成型工艺参数纤维：专用无捻初纱，含量控制在25~45%，长度一般为25~50mm;树脂含量和粘度：含胶量约为60%左右，含胶量过低，纤维浸润不均，粘结不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，触变度以1.5~4为宜，在此范围内胶液易于喷射雾化喷射量：应始终保持胶液喷射量与纤维切割量的比例适宜且稳定。喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关，喷嘴直径在1.2~3.5mm之间选定，可使喷胶量在8~60g/s之间调变喷枪夹角：对树脂与引发剂在枪外混合均匀度影响极大，选用20

夹角为宜，喷枪口与成型表面距离350~400mm喷雾压力：要能保证两组分树脂均匀混合。适宜的压力同胶液粘度有关，若粘度在0.2Pa.s时，雾化压力为0.3~0.35MPa(4)应用喷射成型工艺适合于大型船体、机器外罩、汽车车身、浴盆、整体卫生间及大型浮雕产品等6树脂传递模塑成型工艺(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特点概念：是一种采用对模方法制备树脂基复合材料制品方法。该方法是通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润已排铺好的纤维织物坯件，然后固化成型。是一种不采用预浸渍料的成型方法特点：①可以制造两面光的制品；②成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况铺放增强材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。(2)RTM工艺预成型坯制造

将增强纤维按要求制成一定形状，然后放入模具中，一般是整体织物结构或三维编织结构充模

在模具闭合锁紧后，在一定条件下将树脂注入模具，树脂在浸渍纤维增强体的同时将空气赶出。当多余树脂从模具溢胶口开始流出时，停止树脂注入固化

在模具充满后，通过加热使树脂发生反应、交联固化，理想的固化反应开始时间是在模具刚刚充满时。固化应在一定的压力下进行开模

当固化反应进行完全后，打开模具取出制件，为使制件固化完全可进行后处理图11.10RTM成型工艺示意图(3)RTM成型控制主要工艺参数(a)注胶压力：在较低的压力下完成树脂压注。措施：降低树脂粘度、采用适当的模具注胶口和排气口设计、采用适当的纤维排布设计、降低注胶速率(b)注胶速率：高的注胶速率，有利于气泡的排除，提高生产效率，但伴随着压力的升高(c)注胶温度：高的注胶温度能缩短树脂的工作期；过低温度会使树脂粘度增大，使压力升高，阻碍树脂正常浸渗纤维的能力；较高的温度还有利于体系气泡的排出(4)RTM成型工艺对树脂工艺性的要求室温或较低温度下具有低粘度和一定的适用期(48h);树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性；树脂不含溶剂或挥发物、固化无小分子物体放出；

树脂在固化温度下具有良好的反应性，且后处理温度不应过高(5)RTM成型工艺对增强材料的要求

铺覆性好，容易制成与制品相同形状；

耐冲刷性好，在树脂注入过程中能保持铺覆原位；

对树脂阻力较小，易被树脂浸透；

机械强度高；

铺覆时用时短、效率高(6)RTM成型工艺应用RTM技术适用范围很广，已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域已开发的产品有：汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等03

金属基复合材料制备11.3金属基复合材料制备11.3.1金属基复合材料概述概念：金属基复合材料（MetalMatrixComposite）是以金属及其合金为基体，与其他金属或非金属增强相进行复合的复合材料。金属基体包括：铝基、镁基、钛基、镍基、金属间化合物基等特性：金属基复合材料具有把金属基体优越的塑性和成型性与增强体的承载能力及把金属基体高热传导性与增强体低热膨胀系数结合起来的特点。与传统金属材料相比，金属基复合材料具有高比强度、高比刚度；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基复合材料相比，具有高韧性和高冲击性能11.3.2金属基复合材料制备技术11.3.2.1

金属基复合材料制备需考虑的条件A.制造过程中应使增强材料按设计要求均匀分布于金属基体中B.避免制备工艺不当造成增强材料和金属基体原有性能的下降C.合理选择工艺参数，避免制备过程中发生各种不利界面反应D.制造设备投资少，工艺简单，可操作性强，方法应适合于批量生产，尽可能满足近终成型的要求，减少或避免后加工工序11.3金属基复合材料制备11.3.2.2

金属基复合材料制备方法图11.11金属基复合材料制备方法1固态制备方法(SolidStateFabrication)

金属基体与增强材料均处于固态，其温度控制在基体合金的液相线与固相线之间；

加工温度较低，不发生严重的界面反应，能较好地控制界面的热力学和动力学

固态制备方法特点

固态制备工艺：主要有粉末冶金法、扩散结合法（热压法）、热等静压法、热轧法和拉拔法等11.3金属基复合材料制备固态制备方法：是指在金属基复合材料制备过程中，基体处于固态的制备方法。它是先将金

属粉末或金属箔与增强体（颗粒、晶须等）以一定的含量、分布混合排列，

再经加热、加压，将基体和增强体粘结在一起（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)图11.12

粉末冶金法制备金属基复合材料工艺流程图

概念：是用于制备、成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统固态工艺方法，它是基于增强相共存下的金属

粉体热熔焊接工艺。该方法利用粉末冶金原理，将基体粉末和增强材料按设计要求在适当条件下均匀混合

后经热压制成型工艺过程：主要包括混合、固化和压制三个过程（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)●

主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。一方面可以制造复合材料的坯料；另一方面可直接

制成尺寸、形状准确的复合材料零件，可减少后续加工●

常用增强材料：SiCp、SiCw、Al2O3等颗粒、晶须及短纤维；常用基体金属有：Al、Cu、Ti等优点：

增强体与基体合金粉末有较宽的选择范围；颗粒的体积分数可以任意调整，不受颗粒的尺寸与形状

限制；可以实现制件的少或无切削或近静成型基体合金粉末和颗粒（晶须）的混合均匀程度及基体粉末防止氧化的问题是整个工艺的关键缺点：

制造工序繁多，工艺复杂；制造成本较高；内部组织不均匀，存在明显的增强相富集区和贫乏

区；不易制备形状复杂、尺寸大的制件（2）扩散粘接法(DiffusionBonding)概念：在较长时间的高温及一定的塑性变形作用下，依靠接触部位原子间的相互扩散进行复合的方法，亦称热压

法或扩散焊接法，是制备纤维增强金属基复合材料的主要方法基本原理：将增强纤维按设计要求与基体金属制成复合材料预制片；将预制片裁剪成所需形状、叠层排布，放入热压

模具中，在高温高压下，

热压成型，制成复合材料零件图11.13

扩散粘结法工艺流程图图11.14

SiC纤维/Al基复合材料微观组织

影响扩散粘结的工艺因素：温度、压力、保持时间和气氛等

扩散粘结过程：

粘接表面接触→界面扩散和体扩散→界面消失(1)预制片的制备：等离子喷涂法、液态金属浸渍法和箔粘结法等等离子喷涂法：先将粗纤维（硼纤维、碳化硅单丝等）缠绕在圆筒上，纤维之间保持一定的距离，然后放在低真空喷涂装置中喷涂基体金属形成含有增强纤维的预制片液态金属浸渍法：采用液态金属浸渍纤维制成复合丝或带，再将复合丝或带按设计要求排列成复合片，供进一步热压箔粘结法：先将纤维用有机粘结剂黏贴在金属箔上，或将金属箔压成波纹状，将纤维放在波纹中。两片箔将纤维夹在其中组成预制片(2)热压过程：

热压过程在真空或保护气氛下进行;

温度的确定是接近或稍低于基体金属固相线温度；

压力依据热压温度选择，一般，热压温度高选用压力小，热压温度低则选用压力大，但压力过

大，温度过低，均会使纤维受损伤，一般控制在10MPa以下；

热压时间一般为10~20min

热压法应用：热压法是目前制造直径较粗的硼纤维、碳纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法；也是制造钨丝/超合金、钨丝/铜等复合材料的主要方法之一。其产品主要用于航天发动机叶片等（3）

热等静压法(HotIsostaticPressing)概念：是热压法的一种，用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。工艺过程：将金属基体(粉末或箔)与增强体(纤维、晶须、颗粒)按一定比例排布后，或用预制片叠层后放入金属包套内，抽气密封后装入热等静压装置中加热加压（氩气介质），得到金属基复合材料图11.15

Bf/Al管复合材料制造工艺流程（3）

热等静压法(HotIsostaticPressing)工艺有三种：

先升压后升温：其特点是无需将工件压力升到最终所要求的最高压力，随着温度的升高，气体膨胀，压力不断

升高达到所需压力，这种工艺适合于用金属包套工件的制造

先升温后升压：此工艺对于用玻璃包套制造复合材料比较适合，因为玻璃在一定温度下软化，加压时不会发生

破裂，又可有效传递压力

同时升温升压：这种工艺适合于低压成型、装入量大、保温时间长的工件制造工艺参数：

温度：一般选择温度低于热压温度，以防止严重的界面反应，在几百到2000C范围内选择；压力：根据基体金属在高温下变形的难易程度而定，一般高于扩散粘结压力，在100~200MPa,对于易变形的金属，相应的压力选择低一些，对于难变形的金属，选择高些；保温保压时间：主要依据工件的大小确定，工件越大，保温时间越长，一般为30min到数小时（3）

热等静压法(HotIsostaticPressing)优点：

产品组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷；产品形状、尺寸精确，性能均匀缺点：设备投资大，工艺周期长，成本高应用：

热等静压适用于多种复合材料的管、筒、柱及形状复杂零件的制造，特别适用于钛、金属间化合物、超

合金基复合材料的制备（4）热轧法、热挤压和热拉法变形法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成型。特点：由于是在固态下进行加工，速度快，纤维与基体作用时间短，纤维损伤小；但良好的界面结合不能保证，且因高应力易造成纤维破坏（4）热轧法、热挤压和热拉法

热轧法：主要用来将已经复合好的金属基复合材料坯锭进一步加工成板材。也可将金属箔和连续纤维组成的预制片轧成板材。该方法主要是完成金属基体与增强体之间的粘结。为了提高粘结强度，通常在纤维表面涂上银、铜等涂层，经过反复加热和轧制最终制成复合材料

热轧法制造C/Al复合材料：将铝箔与涂银纤维交替铺层，然后将其在基体的固相点附近轧制。也可以用等离子喷涂法做成预制带，叠层后热轧；

Be/Al复合材料：是先将Be丝缠绕在钛箔上，用等离子喷涂9091Al合金或用粘结剂固定，然后叠层热轧制与金属材料轧制相比，长纤维-金属箔轧制时每次的变形量小，轧制道次多；

对于颗粒或晶须增强的金属基复合材料，先经粉末冶金或热压成坯，再轧制成复合材料例如：SiCp/Al、SiCw/Cu、Al2O3w/Al、

Al2O3w/Cu（4）热轧法、热挤压和热拉法

热挤压和热拉法：主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等，对制造金属丝增强金属基复合材料是很有效的方法。经过挤压、拉拔后，复合材料的组织变得均匀，缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维、晶须还有一定的择优取向，纵轴拉伸强度显著提高

热拉法与熔浸法组合：将用熔浸法制成的预浸线封入真空不锈钢型中，通过加热到一定温度，再经拉模拉拔，可制造出复合棒或管；

拉拔温度应取金属基体的固相线附近，由于此时金属基体的塑性变形阻力小，可以将纤维的机械损伤控制在最小的限度内，同时减少拉拔力；

拉拔主要是为了消除预成型体内的空隙，使其致密化利用变形压力加工制造复合材料时，若加大金属基体的塑性变形，纤维与基体将在界面处产生很大的应力，容易造成界面的剥离，纤维表面损伤甚至破坏，且在复合材料中将产生大量的残余应力，影响复合材料性能；

对于热拔法，与其他变形压力加工相比，该方法可以将基体金属的塑性变形控制在比较小的程度，在拉拔过程中，由于纤维主要受到拉的作用，几乎没有弯曲应力，将避免纤维的断裂和界面的剥离（5）爆炸焊接法概念：是采用炸药的爆炸为能源，由于炸药的高速引爆和冲击作用下，在瞬间使两块金属板在碰撞点产生高应变，使材料发生塑性变形，在基体中，和基体与增强体的接触处产生焊接形成复合材料。爆炸焊接前，应将金属丝等编织或固定好，基体与金属丝必须除去表面氧化膜和污物。工艺特点：

加载压力和界面高温作用时间短，基体与增强体界面反应可能性小，焊合区的厚度在几十微米级；

复合界面无明显扩散层，不会产生脆性的金属间化合物，产品性能稳定；

可制造形状复杂的零件和大尺寸的板材，还可以一次作业制备多块复合材料板；

采用的是块式法生产，无法连续生产宽度较大的复合坯料，而且爆炸所带来的振动和噪音难以控制爆炸焊接法在复合制备难焊接金属往往不适用，因为其焊接接头强度差异很大，存在分层现象；

为了提高焊接接头的强度和可靠性，需进行：热处理，以减少或完全消除高硬度熔化区对接头断裂的影响，使残余应力场重新分布；轧制或锻造，通过塑性变形来消除裂纹和未焊透形式的缺陷应用：适合制造金属层合板和金属丝增强金属基复合材料，如钢丝/铝、钼丝/钛、钨丝/镍等复合材料03

金属基复合材料制备2

液态制备方法(LiquidStateFabrication)液态金属基复合材料制备的共同特点是基体处于熔融状态。该方法关键技术是有效控制高温下的界面反应及基体的氧化反应这种方法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、坯锭等作为二次加工成零件的原料，可实现批量生产

液态制备方法特点液态制备方法：是指在金属基复合材料制备过程中，金属基体处于熔融状态下与固体增强体

复合的制备方法。为了减少高温下的界面反应，改善界面润湿性，通常可采

用加压浸渗、增强体表面处理和基体中添加合金元素等措施

液态制备工艺：主要有挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属搅拌铸造法等11.3金属基复合材料制备（1）挤压铸造法概念：是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的一种方法。其工艺过程是：将增强材料制成一定形状的预制件，经干燥预热放入同样预热的模具中，熔融金属进入模具，对熔体金属加压渗透纤维预制件中成型图11.17挤压铸造工艺流程图图11.16挤压渗透装置特点及应用：主要用于批量制造陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料的零部件，且制造成本低；由于高压的作用，可以促进熔体对增强材料的润湿，增强材料一般不需要表面处理；熔体与增强材料在高温下接触时间短，一般不会发生严重的界面反应主要工艺参数：预制件预热温度、熔体温度、压力大小。压力一般在70~100MPa，要求模具和预制件要有足够的

强度图11.18挤压铸造法工艺原理(a)增强体预制件预热(b)预制件放入模具(c)注入金属基体溶液(d)加压使金属渗入预制件(e)加压凝固(f)冷却从模具中取出制件（2）真空压力浸渍法概念：是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料制成预制件，再制备金属基复合材料。它兼有真空吸铸和压力铸造的优点。熔体进入预制件有三种方法：底部压入、顶部注入和压入法

预制件的制作图11.19

预制件制造工艺流程图(a)

压制成型工艺流程；(b)

抽吸成型工艺流程

工艺过程浸渍炉由高压壳体、熔化金属的加热炉、预制件预热炉、坩埚升降装置、真空系统、温控系统、气体加压系统和冷却系统组成图11.20

底部压入式浸渍炉结构简图图11.21

真空压力浸渍法工艺流程

主要工艺参数：

预制件预热温度

金属熔体温度

浸渍压力

冷却速度。金属熔体温度越高，流动性越好，越容易充填到预制件中；预制件温度越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却凝固，因此浸渍越充分

真空压力浸渍法特点：

浸渍在真空中进行，压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好；

工艺简单、参数易于控制，可直接制成复合材料零件，基本无需后续加工

它的缺点是：工艺周期长、投资大、制造大尺寸零件需要大型设备

应用：适用于多种基体金属和各类增强体的复合材料（3）液态金属搅拌铸造法概念：是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀的分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件以制造颗粒增强金属基复合材料的方法称为液态金属搅拌铸造法分类：根据工艺特点及所选用的设备可分为旋涡法、无旋涡搅拌法和复合铸造法旋涡法：是利用高速旋转的搅拌器形成金属熔体的旋涡，依旋涡的负压抽吸作用，使颗粒进入金属熔体中。

然后将含有颗粒的金属熔体注入模具型腔，冷凝后从模具中取出金属基复合材料制件主要工艺参数：搅拌速度（一般控制在500~1000r/min）、基体熔体温度（选在基体金属液相线温度以上100°C）、颗粒加入速度特点及应用：工艺简单，制造成本低廉。主要用于制造含较粗颗粒（直径50~100m）的耐磨复合材料，如Al2O3/Al-Mg、C（石墨）/Al等复合材料图11.22

旋涡搅拌法设备简图

无旋涡法：也叫无旋涡搅拌法。将熔炼好的金属熔体注入可抽真空或通惰性气体保护并能保温的搅拌炉中，加入颗粒增强物，搅拌器在真空或充压条件下进行高速搅拌，使细小的颗粒均匀分散在熔体中，并与金属基体润湿复合，浇铸获得颗粒增强金属基复合材料制品主要工艺参数：搅拌器由主、副两搅拌器组成，主搅拌器具有同轴多桨叶，旋转速度高，在1000~2500r/min范围，副搅拌器沿坩埚壁缓慢旋转，转速小于100r/min，起着消除旋涡和将黏附在坩埚壁上颗粒刮离并带入金属熔体中；金属熔体温度一般高于液相线50°C；搅拌时间20min左右；与旋涡法相比，该方法在真空或氩气中搅拌，有效防止金属的氧化和气体吸入特点及应用：该方法制备的金属基复合材料中熔体中气体含量低、颗粒分布均匀，铸成的锭坯气孔率小，组织致密，性能好。适合于多种颗粒和基体，主要用于铝合金，包括形变铝合金和铸造铝合金

复合铸造法：用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中。搅拌是在半固态金属中进行。通过对加热温度的控制，将金属熔体中的固相粒子的质量分数控制在40%~60%。加入的颗粒在半固态金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，导致颗粒与液态金属润湿并在金属熔体中均匀分散。复合后，再加热升温到浇铸温度，铸成零件或坯料特点及应用：工艺简单，生产率高，制造成本低。适用于多种基体和多种颗粒，可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可以用来制造晶须、短纤维增强金属基复合材料存在问题：该方法现存的问题是基体合金体系的选择受限较大，要求必须选择同样的体系和温度，才能析出大量的初晶相，并达到40%~60%图11.23

复合铸造法工艺装置简图3原位自生成法(InSituProcesses)

增强体是从金属基体中原位形核长大的，具有稳定的热力学特性，增强体与基体间相容性好，界面结合强；通过合理地选择反应元素或化合物的类型、成分及其反应性，可有效的控制原位生成增强体的种类、大小、

分布和数量；由于增强相是从液态基体中原位生长，因此可以用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的构件；

在保证材料具有很好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度的提高复合材料的强度和弹性模量;

原位反应大都伴有氧化或气体放出，复合材料易形成微气孔，还可能形成氧化夹杂，影响材料的组织性能

原位自生成制备方法特点概念：原位自生成法是指增强材料在复合材料制造过程中在基体中自己生成和生长的方法基本原理：在一定条件，通过元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。增强材料可以共晶的形式从基体凝固析出，也可由加入的相应的元素之间的反应、合成熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成，前者获得定向凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成复合材料原位反应产生的增强相主要为氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等，如Al2O3、AlN、TiC和TiB2

原位自生成制备技术（1）定向凝固法概念：具有共晶成分的合金加热熔化后，在凝固过程中，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的、类似纤维的条状或片状共晶增强材料，得到金属基复合材料定向凝固速率大小直接影响定向凝固共晶复合材料中增强相的体积分数和形状。在一定温度梯度下，条状或层片状增强相的间距

与凝固速率V之间存在以下关系：

2V=常数在满足平面凝固生长条件下，增加定向凝固时的温度梯度，可以加快定向组织的生长速度，同时可以降低条状或层片间距，有利于提高定向凝固共晶复合材料的性能在不同凝固速率下获得原位复合材料的横截面，镍合金基体被蚀刻掉，露出TaC纤维特点及应用：

定向凝固共晶复合材料，纤维与基体界面具有最低能量，用于高温结构材料（如发动机的叶片和涡轮叶片），常用的基体金属为镍基和钴基合金及金属间化合物。定向凝固共晶复合材料也可以作为功能复合材料，主要应用于磁、电和热相互作用或叠加效应的压电、电磁和热磁等功能器件，如InSb/NiSb

可做磁阻无接触电开关等存在问题：定向凝固速率非常低，可选择的共晶材料体系有限，共晶增强材料的体积分数无法调整Someimportantinsitucompositesystems（2）反应自生成法反应自生成法又分为：金属定向氧化Lanxide法、XD法和液相反应自生成法

Lanxide法金属直接氧化法(DIMOX):高温金属液暴露于空气中，使其表面首先氧化产生一层氧化膜，里面金属再通过氧化层逐渐向表面扩散，暴露空气后又被氧化，如此反复，形成复合材料金属无压浸渗法(PRIMEX):一是液态金属在环境气氛下向陶瓷预制件中渗透；二是液态金属与周围气体的反应生成新的增强粒子。复合材料的组织性能通过调整熔体成分、气氛分压和温度XD法:基本原理是将预期构成增强材料的两种固态粉末与基体金属粉末均匀混合，加热至基体熔点以上温度发生反应，生

成增强相，然后再经铸造、挤压成型XD法特点及应用：

增强相原位生成，具有热稳定性；增强相的类型、形态可以选择和设计；各种金属或金属间化合物均可以作基体；复合材料可采用传统金属加工进行二次加工

XD材料包括Al、Ti、Ni和Cu基复合材料。增强相包括硼化物、氮化物和碳化物，其形状可以是颗粒、晶须和杆状。已用该方法制备出TiC/Al、TiB2/Al等液相反应自生成法:是在熔融金属基体中加入或通入能生成某种颗粒的元素或化合物，在一定温度发生反应，生成细小

弥散颗粒，获得复合材料。如在Al熔体中加入Ti元素，形成Al-Ti合金，加入碳或通入碳氢化合物与

Al中的Ti反应生成TiC，然后浇铸成型。原料在铝液中可能反应：Ti+CH4

TiC+2H2(铝液中)4沉积法(Deposition)沉积法:可以分为喷涂沉积与喷射沉积，用它们制备金属基复合材料的工艺方法大多是由金属材料表

面强化技术衍生而来的喷涂沉积:主要应用于纤维增强金属基复合材料的预制层制备，也可用于制备复合层状材料的坯料。喷涂沉积主要是以等离子体或电弧加热金属基体形成高温金属气体，通过喷涂气体将其沉积到沉积基板上喷射沉积:则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。该方法是将金属基体雾化为细小的金属液滴，同时通过一个或多个喷嘴向雾化金属液滴中喷射加入增强颗粒，使之与雾化金属液滴一起在基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料特点:喷涂沉积与喷射沉积的特点是对增强体与金属基体的润湿性要求低，增强体与熔融金属基体的

接触时间短，界面反应量少，金属基体的选择范围广等04

陶瓷基复合材料制备11.4陶瓷基复合材料制备11.4.1陶瓷基复合材料概述概念：陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposite）是以陶瓷为基体，与增强相进行复合的复合材料。陶瓷基体包括：

氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和玻璃等特性：具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性能好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比重小等特点11.4.2陶瓷基复合材料制备技术11.4.2.1

粉末冶金法(PowderMetallurgyProcess)概念：粉末冶金法也称为粉体压制烧结或混合压制法。它包括：无压烧结、热压烧结和热等静压烧结法等工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、黏结剂和助烧剂）

球磨、超声混合均匀

冷/热压成型

烧结特点及应用：烧结时加压/常压，使复合材料更加致密；烧结过程会有体积收缩，易产生裂纹。该法适用于颗粒、晶须

和短纤维增强陶瓷基复合材料(1)无压烧结成型法(PressurelessSintering)

概念是指在常压下，具有一定形状陶瓷素坯在高温下经过物理化学过程变为致密、坚硬、体积稳定的具有一定性能的固结体的工艺方法。所谓“无压”是相对于“热压”和“气氛加压”而言，即烧结过程是在没有外加驱动力的情况下进行的，主要靠系统本身自由能的变化，即粉末表面积减少，表面能下降

传质无压烧结过程中物质传递可通过固相扩散来进行，也可通过蒸发凝聚来进行。对于某些单靠固相烧结无法致密的材料，常采用添加烧结助剂的方法，在高温下生成液相，通过液相传质来达到烧结致密的目的

烧结助剂作用高温下会产生有利于致密化的液相，降低烧结温度能降低固相扩展的晶界能抑制材料晶粒异常长大，使材料显微结构均匀化陶瓷基复合材料无压烧结比单相陶瓷烧结要困难得多；与单相陶瓷材料烧结相比，要获得致密的陶瓷基复合材料需加入更多的烧结助剂

影响因素

选用原料的粒度、纯度、活性、粒度分布等

第二相(颗粒、纤维、晶须)分散均匀性

素坯密度

烧结助剂种类和添加量

烧结工艺参数(气氛、升温速度、保温时间等)

特点工艺简单，设备易制造，成本低，并且易于制备复杂形状制品和批量生产，适应于工业化生产

无压烧结是在没有外加驱动力的情况下进行的，材料的致密度和性能比热压、热等静压等工艺制

得的材料低（2）

热压烧结成型法(Hot-PressingSintering

)

概念热压烧结成型是使松