湖大材料工程基础课件第十章-复合材料制备工艺

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺1§10.1概述金属材料：力学性能和可加工性好多数不耐很高的温度耐磨和耐蚀性差

陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好很脆，加工性能差

高聚物材料：密度很低、韧性好强度、刚度、耐热性有限2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺2早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增强聚合物基复合材料。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺31、定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体2、组成：基体—连续相(延性、韧性好)

增强/强化相—分散相(强度高、密度小)3、特点与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：（1）密度低、比强度、比模量高（2）疲劳强度高（3）热膨胀系数小（4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺4§10.2增强材料

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺5选择增强材料的原则：

1)增强材料的强度、模量和密度；

2)增强材料与基体材料的相容性；

4)性能/价格比。晶须和纤维：高强度、价格昂贵颗粒增强材料：价廉、耐磨2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺61、纤维增强材料

主要有玻璃~、芳纶~(Kevlar~)、尼龙~、聚乙烯~(Spectra~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon~)、氧化铝~以及金属~（如钨、钼、不锈钢丝等）。玻璃纤维碳纤维

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺7碳纤维的结构模型

a-普通型；b-高强度型；

c-高弹性模量型一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺82、晶须

目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主要是碳化硅~、氧化铝~、氮化硅~等陶瓷晶须。α-碳化硅晶须NbC晶须2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺9a)多角状SiC颗粒b)等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒c)溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒d)α-Al2O3片晶3、颗粒增强材料碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺10

纤维增强复合材料的复合原则

材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。（1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度。弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。（2）基体起粘结纤维的作用，因此必须：①对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而将纤维粘结为一个整体；②具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；③能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺11（3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺12（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在40~70%范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增强效果。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺13颗粒增强复合材料的复合原则

颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为100~2500Å，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用Orowan理论（即位错绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷的主体，所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺14

若颗粒直径小于100Å，这时材料结构接近于固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于1000Å，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素。实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体中。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺15§10.4典型的复合材料及其应用

（1）按用途分：结构材料、功能材料（2）按各成分在材料中的集散情况分：分散强化型~、层状~、梯度~

（3）按基体材料类型分：金属基~、聚合物基~、陶瓷基~、碳/碳~（C/C）

（4）按增强材料形态分：颗粒增强~、晶须增强~、纤维增强~

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺16层状复合材料—铝包钢线

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺17功能复合材料陶瓷基复合材料2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺181、聚合物基复合材料

（PolymerMatrixComposites，简称PMC）

在结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广和用量最大的是聚合物基复合材料。包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强复合材料

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺19玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)

突出特点：密度低、比强度高。

应用航空航天工业：波音B-747飞机的机内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2，如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺20火箭发动机壳体、喷管(耐烧蚀)。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺21能源领域—风力发动机叶片风能发电每年以约25%的速率递增随发电功率增大，风机叶片尺寸越来越大，对强度和刚度的要求提高，大多采用玻璃钢（30多米）2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺22特点之二：具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。石油化工：贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等

玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺23玻璃钢容器（200m3水箱）大口径玻璃钢输水管道2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺24

采用玻璃钢制作的体育用品也越来越多，大到快艇、帆船、滑雪车，小到自行车赛车、滑雪板、钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺25复合材料(玻璃钢)制作的渔船

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玻璃钢具有透光、隔热、隔音和防腐等性能，因而可作为轻质建筑材料，如用于建筑工程的各种玻璃钢型材。

玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢各种玻璃钢型材制品2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺272、金属基复合材料（MetalMatrixComposites、简称MMC）

耐高温、高比强度和比模量；具有高韧性、耐热冲击、导电和导热性能好，并可和金属材料一样进行热处理和其它加工来进一步提高性能。

MMC以基体来分类可分为：铝基、钛基、镁基和高温合金基复合材料。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺28

铝基复合材料（AluminumMatrixComposites）是当前使用最广泛、应用最早、品种和规格最多的一种MMC。

硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺29随着碳纤维、碳化硅纤维等增强材料的开发，降低了MMC的成本，铝基MMC已用于空间站结构材料如主结构支架等，和飞机结构件如发动机风扇叶片、尾翼等。

飞机结构件2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺30短纤维、晶须和颗粒增强材料在MMC的应用以及MMC新的制备技术开发，降低了成本，扩大了铝基MMC在民用领域的应用，最明显的是在汽车工业中的应用。由于Al2O3颗粒或短纤维、SiC颗粒或晶须、B4C颗粒增强的铝基MMC具有良好的高温力学性能、导热性和耐磨性，因此可制成汽车发动机的汽缸套、活塞（活塞环）、连杆、气门挺柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺31Al2O3短纤维/Al汽车活塞(活塞环)(丰田汽车公司)(左)SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6kg(福特、通用汽车公司)(中)SiCp/Al，Al2O3p/Al汽车刹车盘，减重60％(丰田、福特和通用汽车公司)(右)2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺32MMC组织特点Al-7Si/SiCp的锭坯组织(冷速不同)

增强相的分布特点(锭坯和塑性加工材料)挤压过程中陶瓷颗粒流线的形成2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺33Al-4wt％Cu/SiCp复合材料中

’相的分布照片铝基复合材料中的位错结构2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺34特殊的晶粒结构

增强颗粒附近的位错密度非常高，容易导致细小亚晶粒的产生，特别是对应层错能高的金属。增强颗粒抑制晶粒转动，因而减轻形变织构，效果与体积分数有关。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺35P/MAl/10vol％SiCp挤压后的扫描电镜照片。细小的氧化物条带显示了变形期间基体流变场的特征。SiC颗粒群内的基体没有变形。实际上，这三个颗粒的行为相当于一个大尺寸颗粒的行为(在这个颗粒群周围存在与大颗粒外围相同的变形情况)2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺36影响再结晶过程小尺寸颗粒会钉扎大角度晶界，如果颗粒尺寸较大，则会促进再结晶形核。再结晶过程对增强相的体积分数非常敏感。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺37MMC界面问题

特点在界面处会出现材料的物理性质(弹性模量、膨胀系数、热导率、热力学参数)和化学性质等的不连续性。结构复杂性：接触连接面、反应产物、析出相、元素的扩散与偏聚、近界面的高密度位错区等。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺38界面结合类型化学结合如Al/Cf、Ti/SiCf等物理结合无反应无扩散。如：Al/SiCf、Al/Bf扩散结合机械结合2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺39

界面优化及界面反应控制采用惰性扩散层来抑制界面反应增强相表面改性，以提高界面结合强度问题提高熔体温度在熔体中添加合金化元素增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、sol-gel等2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺40MMCS的性能特点优点组织结构和性能的可设计性和可控制性强高弹性模量、高强度、高刚性膨胀系数可控高温性能较好(与基体合金相比)阻尼性能优异耐磨损性质好抗蠕变性能优异抗疲劳性能好不吸收水气(与树脂基复合材料比较)2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺41MMC弹性模量铝基复合材料的单周和循环应力应变曲线2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺42金属和MMCs膨胀系数对比MMCs的耐热性能2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺432024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺44缺点塑性和韧性较低疲劳性能不够理想复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害腐蚀问题复杂焊接工艺难度大价格较高技术较不成熟2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺45金属基复合材料的主要应用领域卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天线，公用机匣，紧固件等；导弹材料：舱段壳体、弹翼连接法兰盘、发动机部件、翼面、舵面电子及光学仪表：微波波导管、散热器、封装材料、雷达天线、惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等；飞机：翼梁、起落架、压气机、风扇叶片、刹车片等；直升机的传动机匣、螺旋浆、旋翼桨毂等；2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺46轻武器：榴弹发射器枪管、轻型炮管、炮架；水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、鱼雷发动机缸套及缸盖、活塞等；坦克：履带、驱动轮、装甲、炮管等；交通：汽车发动机部件(活塞、缸体、汽缸套)、连杆、驱动轴、制动盘、摇臂、轴承套等；高速列车制动盘等。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺47在航天等领域的应用2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺483、陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites、简称CMC）基体：玻璃陶瓷（如锂铝硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化铝、碳化硅、氮化硅等增强材料：碳化硅纤维、碳纤维，碳化硅晶须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化锆增韧氧化铝等。2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺49用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺50

由YBa2Cu3O7-x（淡色的表面层）CVD到Al2O3多丝纤维（黑色核心部分）上而制成的Y-Ba-Cu-O超导复合材料

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺51CMC的高硬度、耐蚀性和耐磨性，如SiCw/Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已得到广泛应用的领域是用于现代高速、数控机床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。SiC晶须增强氧化铝钻头（左）颗粒增强氮化硅刀具(中)采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件（右）2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺52CMC可以制作人工关节等，在生物医学领域也得到应用。CMC的人工关节和齿2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺534、碳/碳复合材料（C/C）

一般C/C是由碳纤维及其制品做成预成型体，通过CVD或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的。三维正交碳纤维增强的C/C的显微结构2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺54作为耐烧蚀材料用于军事工业的导弹弹头，固体火箭发动机喷管、喉衬，在航天领域中作为航天飞机的鼻锥、机翼前缘。C/C在航天领域中的应用2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺55具有优异的摩擦磨损性能。C/C可作为军用和民用飞机的刹车盘材料得到广泛应用。目前(60~70)％的C/C主要用于摩擦材料，包括飞机刹车盘、F-1赛车、高速列车的刹车制动材料。C/C的刹车盘2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺56由于C/C的高温性能和低密度特性，有可能成为工作温度达1500~1700℃的航空发动机理想轻质材料。目前研究人员正在进行C/C航空发动机的燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。C/C的另一用途是利用其与人体的生物相容性，用于生物医学领域，例如人工心脏瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髋关节等。

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺57§10.5复合材料制备工艺§10.5.1金属基复合材料的制备粉末冶金法铸造热压扩散法热挤热轧熔融金属浸透等离子喷涂法等2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺581、粉末冶金法广泛用于各种颗粒、晶须及短纤维增强的分散强化型金属基复合材料。首先将金属粉末和增强体均匀混合，制得复合坯料，再压制烧结成锭，然后可通过挤压、轧制和锻造等二次加工成材。原生复合法利用烧结高温下的化学反应，在烧结体内直接生成能够强化颗粒。如2Cu-Al+3CuO→5Cu+Al2O32024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺59优点：（1）自由选择基体金属材料和强化颗粒（陶瓷加入量高，出、尺寸不受限制，有害界面反应少）；（2）强化颗粒分散均匀。缺点：（1）工艺较复杂，成本高；（2）微细颗粒均匀分散较困难；（3）强化颗粒表面污染不易除去，基体与颗粒界面不如铸造法。

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺602、铸造凝固成形

分类：

（1）用于分散强化型复合材料成形的方法：

普通铸造法；含浸凝固法；连续铸造法；（2）用于层状复合材料成形的方法：

离心铸造法；热浸镀法；反向凝固法；铸拉法；双结晶器铸造法。

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺61含浸凝固法（1）定义：将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体（预成形体）含浸于熔融基体金属中，待浸透后，使其凝固以制备复合材料的方法。（2）特点

优点：两相之间润湿性差的复合材料；

有利于提高强化相含量；有利于抑制强化相与基体之间反应（接触时间短）。缺点：颗粒强化预成形体的制备比较困难，熔体金属不易浸透至预成形体的内部。

2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺62含浸凝固法工艺及其制备的SiC/Al复合材料显微组织2024/7/4材料工程基础—复合材料制备工艺633、喷射沉积

1）添加法

颗粒添加喷射成形法具有强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应可以得到有效抑制。2）反应喷射沉积法：使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。因此，反应喷射沉积法也是一种原生复合