第10章復(fù)合材料制備

第10章復(fù)合材料制備重點：定義、組成、特點和分類；基本理論；金屬基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料。10.1、基本概念定義：由兩種或兩種以上不同物理和化學(xué)性質(zhì)的材料，通過人工合成的一種多相材料。特點：明顯的界面；保持固有特性，賦予優(yōu)良特殊性能；可設(shè)計性?；窘Y(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料基體增強體命名：以基體、增強體、增強體+基體、商業(yè)名。分類：A.按基體材質(zhì)分類：聚合物（樹脂基）復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料命名和分類B.按增強體形狀分類：顆粒增強復(fù)合材料，纖維增強復(fù)合材料，夾層增強復(fù)合材料。C.按性能分類：

普通復(fù)合材料，先進復(fù)合材料5.基本性能：高比強度、高比模量（剛度）；良好的高溫性能；良好的尺寸穩(wěn)定性；良好的化學(xué)穩(wěn)定性；良好抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性；良好的功能性能。6.

復(fù)合材料發(fā)展階段：

第一代，玻璃強化樹脂；第二代，碳纖維增強樹脂、硼纖維增強樹脂；第三代，金屬或陶瓷為基體的先進復(fù)合材料。10.2基本理論1、復(fù)合材料界面復(fù)合材料的界面是指基體與增強相一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域。

外力場基體基體表面區(qū)相互滲透區(qū)增強體表面區(qū)增強體

A、界面效應(yīng)

可將界面的機能歸納為以下5種效應(yīng)：（1）傳遞效應(yīng)：（2）阻斷效應(yīng)：（3）不連續(xù)效應(yīng)：（4）散射和吸收效應(yīng)：（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：B、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料；界面結(jié)合過強的復(fù)合材料；界面結(jié)合最佳態(tài)。××√2、復(fù)合理論一、復(fù)合材料增強機制1、顆粒增強復(fù)合材料增強機制基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒阻礙基體位錯運動；裂紋的擴展在顆粒前受阻。顆粒增強復(fù)合材料的屈服強度可有下式表示：式中：

σy

－復(fù)合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數(shù)

VP

－顆粒體積分數(shù)；Gp

－顆粒的切變模量。

2、彌散增強復(fù)合材料增強機制基體是承受外來載荷的主要相；顆粒阻礙基體位錯運動裂紋的擴展在顆粒前受阻彌散增強復(fù)合材料的屈服強度可由下式表示：式中：

σy

－復(fù)合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；

VP

－顆粒體積分數(shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強機制

基體：不是主承力相。

纖維：主承力相。假定：理想結(jié)合，泊松比相同；在外力作用下。短纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應(yīng)變同時發(fā)生的基體應(yīng)力；

σfF

－纖維的平均拉伸應(yīng)力；

Vf－纖維的體積分數(shù)；

l

－纖維的長度；

lc

－最大拉應(yīng)力等于纖維斷裂強度時纖維的強度，纖維的臨界長度，?？傻茫海?）l/lc愈大，復(fù)合材料的拉伸強度愈大。當l/lc＝10時，增強效果可達到連續(xù)纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，

（l/d）c

為纖維臨界長徑比，當（l/d）c

10時，復(fù)合材料可獲得理想的增強效果。分析上式二、復(fù)合材料的復(fù)合法則—混合定律1、混合定律：復(fù)合材料滿足以下條件:（1）均質(zhì)，無內(nèi)應(yīng)力；（2）各向同性及線彈性材料；（3）粘結(jié)牢靠。復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系

Xc=XmVm+XfVf

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

V：材料的體積百分比。2、連續(xù)纖維單向增強復(fù)合材料

彈性模量、泊松比、剪切強度等性能均符合混合定律。如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個系數(shù)。在平行于纖維長度方向的強度計算，主要考慮基體的強度和纖維與基體的結(jié)合強度。

3、短纖維增強復(fù)合材料

短纖維復(fù)合材料的強度與纖維長度的關(guān)系示意圖

強度纖維長度，以lc為單位單相復(fù)合材料，Vf＝0.5長纖維

作為復(fù)合材料強化體的纖維，從材質(zhì)上講可以是金屬，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，從形態(tài)上可以是長纖維（連續(xù)纖維）、短纖維、晶須?，F(xiàn)在的長纖維的直徑可以從7μm到140μm。由于制備技術(shù)的開發(fā)與進步，幾乎所有的無機化合物都可以制成纖維。陶瓷材料纖維化，特別是制成連續(xù)纖維，有利于充分發(fā)揮其特性。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，也不斷開發(fā)出具有新的特征的纖維。1.玻璃纖維將玻璃加熱至熔融狀態(tài)，使其從漏嘴流出，再進行高速拔絲的方法。而且一般是使用多個漏嘴，同時紡絲。用這種方法既可制備連續(xù)纖維，也可以制備短纖維。

玻璃纖維由于玻璃纖維的直徑很小，單位質(zhì)量所具有的表面積是普通玻璃的1000倍。所以對于普通玻璃來說不會成為問題的耐風(fēng)化性、耐藥品性，表面電阻等，對于玻璃纖維來說都必須充分注意。例如玻璃纖維表面可能與空氣中的水分反應(yīng)，產(chǎn)生風(fēng)化，使強度等下降。連續(xù)纖維的直徑為3，4，5，6，7，9，10，13，16，24μm等。短纖維的直徑多為5～20μm。2.碳纖維碳纖維最突出的優(yōu)點是：強度高、模量高、密度小；耐高溫，可在2000℃使用，3000℃非氧化真氛中不熔不軟；耐酸，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介質(zhì)浸蝕；熱膨脹系數(shù)小，約等于零；熱導(dǎo)率高；導(dǎo)電性好；摩擦系數(shù)小并具潤滑性。碳纖維可以用以下原材料制得：人造絲、石油（或煤的蒸溜殘碴）以及PAN（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纖維）等。其特性也因原材料而有所差別。原絲制造改性的丙烯纖維穩(wěn)定化硫酸脫氫，橋接反應(yīng)，嘧啶聚合物碳化在氮氣中加熱一千至兩千度穩(wěn)定化碳、氮等結(jié)合反應(yīng)，脫氫反應(yīng)表面處理表面形成氫氧基，或涂有機聚合物精整穩(wěn)定纖維尺寸以PAN作為原材料

PAN基碳纖維高強度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)異的電性能等特點，世界總生產(chǎn)能力，躍居世界高性能纖維的第二位。

聚丙烯腈（PAN）基碳纖維有兩大類，即大絲束碳纖維（LT）和小絲束碳纖維（CT）。20世紀90年代中期以前世界上生產(chǎn)的都是CT型碳纖維。1996年生產(chǎn)出位伸強度可以與CT型碳纖維相媲美的LT型碳纖維。

各種碳纖維的力學(xué)性能原料抗拉強度（MPa）彈性模量（GPa）延伸率（%）人造絲（低彈性模量絲）686391.8人造絲（高彈性模量絲）27444900.6瀝青（低彈性模量絲）784392.0瀝青（高彈性模量絲）2450343～4900.5～0.7PAN（高強度絲）34302251.5PAN（高彈性模量絲）24503920.6金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：

1）固態(tài)法：真空熱壓擴散結(jié)合、熱等靜壓、超塑性成型/擴散結(jié)合、模壓、粉末冶金法。

2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。

3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。

4）原位生長法。10.3、金屬基復(fù)合材料連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝

鋁合金——固態(tài)、液態(tài)法碳纖維鎂合金——固態(tài)、液態(tài)法硼纖維鈦合金——固態(tài)法

SiC纖維高溫合金——固態(tài)法氧化鋁纖維金屬間化合物——固態(tài)法不連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝

鋁合金—固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法顆粒鎂合金—液態(tài)法晶須鈦合金—固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法短纖維高溫合金—原位生長法金屬間化合物—粉末冶金、原位生長法固態(tài)法（連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）

真空熱壓擴散結(jié)合

金屬基復(fù)合材料（MMC）制備方法4.粉末冶金法（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料常采用的工藝。其優(yōu)點如下：

1）與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；

2）可根據(jù)要求設(shè)計復(fù)合材料的性能；

3）利于增強相與金屬基體的均勻混合。

4）其組織致密、細化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；

5）利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點。金屬基復(fù)合材料的性能

復(fù)合材料增強相含量VoL%抗拉強度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陶瓷基復(fù)合材料特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等細微的缺陷很敏感。陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較材料整體陶瓷顆粒增韌晶須增韌金屬Al203ZrO2/Al203SiC/Al203鋁鋼斷裂韌性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝粉末冶金法工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形

（熱壓）燒結(jié)適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。

漿體法（濕態(tài)法）為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，可采