材料化學(xué) 課件 10 復(fù)合材料制備

2023年8月8日高等材料化學(xué)教育部新材料領(lǐng)域工程碩博士核心課程第十一章：復(fù)合材料制備01

復(fù)合材料概論02聚合物基復(fù)合材料制備03

金屬基復(fù)合材料制備04

陶瓷基復(fù)合材料制備05

有機(jī)-無機(jī)雜化材料制備01

復(fù)合材料概論11.1復(fù)合材料概述復(fù)合材料(CompositeMaterials)概念：兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)原理結(jié)合在一起，組成具有新

宏觀性能的材料組成：基體相(Matrix):連續(xù)相，保護(hù)、固結(jié)增強(qiáng)相，傳遞荷載，阻止裂紋擴(kuò)展

增強(qiáng)相(Reinforcement):分散相，承受荷載和顯示功能界面相(Interface):通過化學(xué)鍵和物理鍵將基體和增強(qiáng)體有機(jī)地組合條件：

復(fù)合材料是人類為了某些需求制造的，而不是天然就存在的；

復(fù)合材料至少包含兩種物理或化學(xué)性能不同的獨(dú)立組元；

復(fù)合材料的性能取決于自身組元性質(zhì)的優(yōu)化結(jié)合11.1復(fù)合材料概述特點(diǎn)：

復(fù)合材料是一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；

復(fù)合材料中各組元保持各自的固有特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；

復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性；

復(fù)合材料的組分在復(fù)合后仍保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；

復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同11.1.1復(fù)合材料分類圖11.1

復(fù)合材料的分類11.1復(fù)合材料概述11.1.2復(fù)合材料命名按基體材料類型：聚合物基、金屬基、陶瓷基、碳基例如：環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、氧化鋁基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料命名基體材料增強(qiáng)體材料基體和增強(qiáng)體材料按增強(qiáng)體材料類型：纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)例如：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強(qiáng)復(fù)合材料按增強(qiáng)體和基體材料名稱：纖維(顆粒或晶須)增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料例如：碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料

書寫：Cf/Epoxy、SiCp/Al、Al2O3w/SiC（增強(qiáng)體/基體）02

聚合物基復(fù)合材料制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.1聚合物基復(fù)合材料概述聚合物基復(fù)合材料基本特點(diǎn)

比強(qiáng)度、比模量高，通常為金屬材料的3倍多

耐疲勞性能好，破損安全性能高，疲勞強(qiáng)度極限最高可達(dá)到抗張強(qiáng)度80%

過載時(shí)安全性好，其構(gòu)件不會(huì)突然失去承載能力

阻尼減振性好：復(fù)合材料有較高的自振頻率，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振

具有多種功能性：瞬時(shí)耐高溫、耐燒蝕性好；優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能；

良好的摩擦性能；優(yōu)良的耐腐蝕性能；有特殊的光、電學(xué)特性

良好的加工工藝性：

根據(jù)制品使用條件、性能要求選擇纖維、基體，具有可設(shè)計(jì)性

根據(jù)制品形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法

可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省材料和工時(shí)11.2.2預(yù)浸料/預(yù)混料的制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備聚合物基復(fù)合材料的制備

選擇相應(yīng)的成型工藝，使半成品形成有形的成品

預(yù)浸料/預(yù)混料的制備預(yù)浸料：連續(xù)纖維浸漬樹脂后的半成品預(yù)混料：非連續(xù)纖維與樹脂浸漬或混合后的半成品（1）預(yù)浸料制造熱固性預(yù)浸料：由連續(xù)纖維或織物及樹脂（包括固化劑等添加組分）組成，一般沒有其他填料。根據(jù)浸漬設(shè)備或制造方式不同，熱固性預(yù)浸料制造分為輪鼓纏繞法和陣列排鋪法，按浸漬樹脂狀態(tài)又分為濕法（溶液預(yù)浸）和干法（熱熔體預(yù)浸）熱塑性預(yù)浸料：根據(jù)樹脂狀態(tài)的不同，可分為預(yù)浸漬技術(shù)和后浸漬技術(shù)。預(yù)浸漬技術(shù)特點(diǎn)是預(yù)浸料中樹脂完全浸漬纖維，而后預(yù)浸技術(shù)的特點(diǎn)是樹脂以粉末、纖維、或包層等形式存在于預(yù)浸料中，對(duì)纖維的完全浸漬是后續(xù)成型過程中完成的11.2聚合物基復(fù)合材料制備（2）預(yù)混料制造片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料：是一類可直接進(jìn)行模壓成型，不需要事先進(jìn)行固化、干燥等其他工序的纖維增強(qiáng)熱固性模塑料通常根據(jù)片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料、玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料、注射模塑料這三種不同形態(tài)的塑料來分別進(jìn)行預(yù)混料的制造玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料：是一種類似于熱固性片狀模塑料的半成品，它的力學(xué)性能與熱固性片狀模塑料相似，甚至?xí)茫?/p>

具有生產(chǎn)過程無污染、成型周期短、廢品及制品可回收利用等優(yōu)點(diǎn)注射模塑料：一般使用雙螺桿擠出機(jī)制造，將連續(xù)纖維紗束與熔融態(tài)樹脂基體混合后擠出，然后由切割機(jī)切成長(zhǎng)度為3~6mm

顆粒，便于后期注射成型11.2.3聚合物基復(fù)合材料的成型工藝聚合物基復(fù)合材料的制備方法有很多，其中較為重要的有手糊成型工藝、模壓成型工藝、噴射成型工藝、擠出成型工藝、樹脂傳遞成型工藝11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.2

聚合物基復(fù)合材料制備方法11.2.3.1聚合物基復(fù)合材料制備成型特點(diǎn)1聚合物基復(fù)合材料合成與制品成型是同時(shí)完成，該材料的制備過程也就是其制品生產(chǎn)過程

在復(fù)合材料成型過程中，增強(qiáng)體的形狀變化不大，但基體的形狀有較大的變化;

成型工藝對(duì)制品的性能有很大的影響，如制備過程中的材料的界面黏結(jié)、氣孔率等對(duì)材料的層間結(jié)合

強(qiáng)度有主要的影響;

根據(jù)制品結(jié)構(gòu)和使用時(shí)受力狀況來選擇成型工藝;大型制品可一次整體成型，簡(jiǎn)化制品結(jié)構(gòu)，減少

組成零件和連接件數(shù)量，減輕制品重量如，單向受力桿件和梁應(yīng)采用拉擠法，因拉擠成型可保證制品在順著纖維方向具有最大的強(qiáng)度和剛度；薄殼構(gòu)件可采用連續(xù)纖維纏繞工藝，以滿足各個(gè)方向具有不同的強(qiáng)度和剛度要求2樹脂基復(fù)合材料成型比較方便：樹脂在固化前具有一定的流動(dòng)性，纖維又很柔軟，依靠模具容易形成要求形狀和尺寸；一種復(fù)合材料可用多種方法成型，綜合考慮，選擇最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)成型方法11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.3.2成型工藝流程11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.3

復(fù)合材料制品生產(chǎn)流程1手糊成型工藝(HandLay-up)(1)工藝特點(diǎn)及基本流程概念：手糊成型工藝又稱接觸成型工藝。是手工作業(yè)把增強(qiáng)纖維織物和樹脂交替鋪在模具上，然后固化成型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)；

設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、

見效快；

工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)技術(shù)易掌握；

易于滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，可在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料

缺點(diǎn)

生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、不宜大批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定性不高；

生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工

時(shí)粉塵多，易對(duì)施工人員造成傷害11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.4

手糊成型工藝流程圖(2)手糊成型的制造過程a)模具準(zhǔn)備模具是手糊成型中的主要設(shè)備。設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各方面因素。模具必須要符合制品設(shè)計(jì)的精度要求以及有足夠的剛度和強(qiáng)度，要容易脫模，造價(jià)要便宜模具結(jié)構(gòu)形式

陰模陽模

敞口式對(duì)模模具材料主要有木模、石膏模、樹脂模、玻璃模和金屬模等，其中金屬模應(yīng)用較多b)涂脫模劑根據(jù)所用樹脂類型、制品形狀與結(jié)構(gòu)等因素選擇脫模劑。所選用的脫模劑應(yīng)確保制品固化后能順利脫模，保持制品表面光潔、平整，又可保證模具完好，且可重復(fù)使用，涂脫膜劑要均勻涂抹，不得漏涂c)膠衣制備為了改善制品的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命，通常要為制品制備一層膠衣。它可以是純膠衣樹脂，也可以是表面氈增強(qiáng)樹脂制成。膠衣層厚度通常為0.3~0.4mm，可以用噴涂方法或刷涂方法制得d)裱糊鋪層可分為干法手糊和濕法手糊。干法手糊就是將預(yù)浸膠布按樣板剪裁，裱糊時(shí)稍加熱使樹脂軟化，然后裱貼在模具上。濕法手糊是一邊刷膠一邊在模具上鋪布裱貼，它可以使膠液浸透增強(qiáng)材料并有利于增強(qiáng)材料與模具貼合e)固化成型通常采用無壓常溫固化。制品從凝膠到具備一定硬度和定型，一般需要較長(zhǎng)的固化時(shí)間，成型后達(dá)到脫模強(qiáng)度通常要用24h，若要達(dá)到更高使用強(qiáng)度，固化時(shí)間要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月之久f)脫模和修整當(dāng)制品固化到脫模強(qiáng)度（即制品已具有維持自己形狀的強(qiáng)度）時(shí)便可進(jìn)行脫模，如手糊聚酯樹脂制品，一般在成型24h可達(dá)到脫模強(qiáng)度。脫模后的制品要進(jìn)行機(jī)械加工，除去飛邊、毛刺、修補(bǔ)表面及內(nèi)部缺陷(3)手糊成型制品的厚度控制手糊成型熱固性樹脂基復(fù)合材料制品的厚度是影響制品性能的主要參數(shù)厚度工藝系數(shù)=實(shí)際厚度/設(shè)計(jì)厚度當(dāng)厚度工藝系數(shù)大于1時(shí)，則稱為超重；當(dāng)厚度系數(shù)小于1時(shí)，則稱為厚度不足(4)手糊成型工藝應(yīng)用手糊成型工藝在樹脂基復(fù)合材料成型工藝中仍占相當(dāng)大的比重。用手糊工藝可生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片、各類漁船和游艇、汽車殼體、大型雷達(dá)天線罩、飛機(jī)的蒙皮等和一些民用制品，如活動(dòng)房、浴盆等02

聚合物基復(fù)合材料制備2模壓成型工藝(CompressionMolding)(1)工藝特點(diǎn)及基本過程概念：將模塑料(粉料、纖維預(yù)浸料等)置于陰模型腔內(nèi)，合上陽模，借助壓力和熱量作用，使物料熔化充滿型腔，形成與型腔形狀相同的制品，再經(jīng)加熱使其固化，冷卻后脫模。該技術(shù)是熱固性樹脂基復(fù)合材料和某些熱塑性樹脂基復(fù)合材料的主要成型方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

重復(fù)性好、成型時(shí)間短，效率高；

制品的內(nèi)應(yīng)力很低，且翹曲變形也很小，機(jī)械性能較穩(wěn)定；

可成

型較大的平板狀制品；

制品致密，質(zhì)量高，收縮率低，尺寸穩(wěn)定性較好；

生產(chǎn)效率高

缺點(diǎn)

不適合對(duì)存在凹陷、側(cè)面斜度或小孔等的復(fù)雜制品采用模壓成型；

模具制造復(fù)雜，投資較大，適合于

批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品基本過程：1）預(yù)壓，主要目的是改善制品質(zhì)量、提高模塑效率等。是將模塑粉或纖維預(yù)浸料等預(yù)先壓制成一定形狀的

操作過程；

2）預(yù)熱，主要是改進(jìn)模塑料的加工性能，縮短成型周期等。是把模塑料在成型前先進(jìn)行加熱的操作過程；

3）模壓，將計(jì)量的物料加入模具型腔內(nèi)，閉合模具，排出氣體，在規(guī)定的模塑溫度和壓力下保持一段時(shí)間，

然后脫模，取出制品，清理模具11.2聚合物基復(fù)合材料制備(2)模壓成型工藝a)模具準(zhǔn)備通常為金屬模具。脫模劑的涂刷，在模具型腔內(nèi)、外涂刷脫模劑，常用脫模劑有油酸、石蠟、有機(jī)硅油等b)加料加料量嚴(yán)格定量。定量加料法有重量法、計(jì)數(shù)法和容量法。重量法準(zhǔn)確，一般用于尺寸要求精確；容量法不如重量法準(zhǔn)確，一般用于粉料計(jì)算；計(jì)數(shù)法只用于預(yù)壓物料加料圖11.5

模壓成型工藝流程圖c)合模合模分為兩步：陽模未接觸物料前，需低壓(1.5~3MPa)、快速；當(dāng)接觸物料后，應(yīng)開始放慢閉模速度，改用高壓(15~30MPa)、慢速，以免損壞嵌件，并使模內(nèi)空氣排出d)排氣將物料中殘余的揮發(fā)物、物料帶入的空氣和水汽排除過程。其目的是為了保證制品的密實(shí)性，避免制品產(chǎn)生氣泡和分層e)固化固化速度的快慢取決于樹脂的分子結(jié)構(gòu)。一般相對(duì)分子量低、支鏈少，固化劑容易與活潑基團(tuán)反應(yīng)，固化速度就快；反之，相對(duì)分子質(zhì)量高，粘度大，不利于活潑基團(tuán)縮合，固化速度就慢f)保壓時(shí)間保壓時(shí)間的長(zhǎng)短決定制品的質(zhì)量。過短，會(huì)導(dǎo)致樹脂固化不完全，過長(zhǎng)，則會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常保壓時(shí)間在30秒到幾分鐘不等g)脫模脫模通常是靠頂桿來完成h)清理模具模壓后將模具清理干凈，清理后涂上脫模劑以便下次使用I)后處理保證樹脂制品固化完全；減少制品水份及揮發(fā)物；消除制品的內(nèi)應(yīng)力等(3)模壓成型工藝的應(yīng)用模壓成型工藝應(yīng)用于制造衛(wèi)星天線罩、車輛的外殼、保險(xiǎn)杠、傳動(dòng)軸油盤、輪轂、彈簧片、全塑汽車車體、水箱、整體浴室、居室門、座椅等3纏繞成型工藝(FilamentWinding

)(1)概念及工藝特點(diǎn)概念：是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上，常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工

藝，是一種制備各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡(jiǎn)單方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

①能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；②比強(qiáng)度高；③可靠性高；④生產(chǎn)效率高；⑤成本低

缺點(diǎn)

①纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏繞任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品；②制品強(qiáng)度方向性比較明

顯，層間剪切強(qiáng)度低，對(duì)加工設(shè)備性能要求較高

(2)纏繞成型工藝（1）干法纏繞：采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100～200m/min；工作環(huán)境較清潔，產(chǎn)品質(zhì)量高。缺點(diǎn)：纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，投資較大；干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低（2）濕法纏繞：將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。優(yōu)點(diǎn)：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好；③纖維排列平行度好；④纖維上的樹脂膠液可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)：①樹脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少（3）半干法纏繞：纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省去了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域圖11.6

纏繞成型工藝流程圖芯模纏繞控制膠槽及纏繞小車?yán)w維圖11.7

纏繞成型工藝設(shè)備示意圖(3)纏繞成型設(shè)備芯模成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出芯模設(shè)計(jì)的基本要求要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時(shí)的切削力等；能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；④制造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，取材方便纏繞成型芯模材料分兩類熔、溶性材料：是指石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔點(diǎn)金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸?，制品纏繞成型后，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用組裝式芯模材料：常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等，還有內(nèi)襯材料。內(nèi)襯材料是制品的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等纏繞機(jī)纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備，對(duì)纏繞機(jī)的要求是：①能夠?qū)崿F(xiàn)制品設(shè)計(jì)的纏繞規(guī)律和排紗準(zhǔn)確；②操作簡(jiǎn)便；③生產(chǎn)效率高；④設(shè)備成本低(4)纏繞成型工藝應(yīng)用纏繞成型工藝主要適合成型大型旋轉(zhuǎn)體制品。如壓力容器（氣瓶、魚雷殼體）、輸送石油、水、天然氣的化工管道及大型儲(chǔ)罐；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)放熱殼體等4拉擠成型工藝(Pultrusion)(1)概念及特點(diǎn)概念：將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料型材方法。一般只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化程度，最后固化在加熱箱中完成。該工藝適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材，如棒、管、實(shí)體型材(工字形、槽形、方形型材)等特點(diǎn)：是連續(xù)成型，制品長(zhǎng)度不受限制，力學(xué)性能尤其是縱向力學(xué)性能突出，結(jié)構(gòu)效率高，制造成本較低，自動(dòng)化程度高，制品性能穩(wěn)定。與其他纖維復(fù)合材料成型方式相比，拉擠成型技術(shù)屬于性能優(yōu)異且經(jīng)濟(jì)的型材生產(chǎn)方式，非常適合大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維復(fù)合材料型材(2)拉擠成型工藝典型的拉擠成型工藝：送紗、浸膠、預(yù)成型、固化成型、牽引和切割工序組成圖11.8

拉擠成型工藝示意圖(3)分類按工藝過程連續(xù)性，分為間斷拉擠成型和連續(xù)拉擠成型?，F(xiàn)代拉擠成型復(fù)合材料95%以上是采用連續(xù)拉擠成型(4)應(yīng)用主要用作工字型、角型、異型截面管材，實(shí)芯棒以及上述斷面構(gòu)成的組合截面型材。主要用于電氣、電子、化工防腐、文體用品、土木工程和陸上運(yùn)輸?shù)?噴射成型工藝(Spray-up

Molding

)(1)概念及特點(diǎn)概念：將含有固化劑的樹脂體系和含有引發(fā)劑的樹脂體系分別從噴槍的兩個(gè)噴嘴中噴涂到型腔內(nèi)，與此同時(shí)，也運(yùn)用噴槍上的切割器將連續(xù)纖維切成短纖維(25mm),待噴涂到規(guī)定的厚度，利用輥筒滾壓，將其壓實(shí)，固化成型制品，其中制品纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在30~40%左右為宜特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

1)生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用較少設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)中批量生產(chǎn)；3)用玻璃纖維無捻初紗代

替織物，材料成本低；4)產(chǎn)品整體性好無接縫；5)可自由調(diào)變產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂比例

缺點(diǎn)

1)現(xiàn)場(chǎng)污染大；2)制品樹脂含量高；3)制品強(qiáng)度較低(2)噴射成型工藝玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進(jìn)劑加熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模圖11.9

噴射成型工藝流程圖(3)噴射成型工藝參數(shù)纖維：專用無捻初紗，含量控制在25~45%，長(zhǎng)度一般為25~50mm;樹脂含量和粘度：含膠量約為60%左右，含膠量過低，纖維浸潤(rùn)不均，粘結(jié)不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，觸變度以1.5~4為宜，在此范圍內(nèi)膠液易于噴射霧化噴射量：應(yīng)始終保持膠液噴射量與纖維切割量的比例適宜且穩(wěn)定。噴射量與噴射壓力和噴嘴直徑有關(guān)，噴嘴直徑在1.2~3.5mm之間選定，可使噴膠量在8~60g/s之間調(diào)變噴槍夾角：對(duì)樹脂與引發(fā)劑在槍外混合均勻度影響極大，選用20

夾角為宜，噴槍口與成型表面距離350~400mm噴霧壓力：要能保證兩組分樹脂均勻混合。適宜的壓力同膠液粘度有關(guān)，若粘度在0.2Pa.s時(shí)，霧化壓力為0.3~0.35MPa(4)應(yīng)用噴射成型工藝適合于大型船體、機(jī)器外罩、汽車車身、浴盆、整體衛(wèi)生間及大型浮雕產(chǎn)品等6樹脂傳遞模塑成型工藝(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特點(diǎn)概念：是一種采用對(duì)模方法制備樹脂基復(fù)合材料制品方法。該方法是通過壓力將樹脂注入密閉的模腔，浸潤(rùn)已排鋪好的纖維織物坯件，然后固化成型。是一種不采用預(yù)浸漬料的成型方法特點(diǎn)：①可以制造兩面光的制品；②成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；③RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康；④增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強(qiáng)材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建廠投資少，上馬快。(2)RTM工藝預(yù)成型坯制造

將增強(qiáng)纖維按要求制成一定形狀，然后放入模具中，一般是整體織物結(jié)構(gòu)或三維編織結(jié)構(gòu)充模

在模具閉合鎖緊后，在一定條件下將樹脂注入模具，樹脂在浸漬纖維增強(qiáng)體的同時(shí)將空氣趕出。當(dāng)多余樹脂從模具溢膠口開始流出時(shí)，停止樹脂注入固化

在模具充滿后，通過加熱使樹脂發(fā)生反應(yīng)、交聯(lián)固化，理想的固化反應(yīng)開始時(shí)間是在模具剛剛充滿時(shí)。固化應(yīng)在一定的壓力下進(jìn)行開模

當(dāng)固化反應(yīng)進(jìn)行完全后，打開模具取出制件，為使制件固化完全可進(jìn)行后處理圖11.10RTM成型工藝示意圖(3)RTM成型控制主要工藝參數(shù)(a)注膠壓力：在較低的壓力下完成樹脂壓注。措施：降低樹脂粘度、采用適當(dāng)?shù)哪＞咦⒛z口和排氣口設(shè)計(jì)、采用適當(dāng)?shù)睦w維排布設(shè)計(jì)、降低注膠速率(b)注膠速率：高的注膠速率，有利于氣泡的排除，提高生產(chǎn)效率，但伴隨著壓力的升高(c)注膠溫度：高的注膠溫度能縮短樹脂的工作期；過低溫度會(huì)使樹脂粘度增大，使壓力升高，阻礙樹脂正常浸滲纖維的能力；較高的溫度還有利于體系氣泡的排出(4)RTM成型工藝對(duì)樹脂工藝性的要求室溫或較低溫度下具有低粘度和一定的適用期(48h);樹脂對(duì)增強(qiáng)材料具有良好的浸潤(rùn)性、匹配性；樹脂不含溶劑或揮發(fā)物、固化無小分子物體放出；

樹脂在固化溫度下具有良好的反應(yīng)性，且后處理溫度不應(yīng)過高(5)RTM成型工藝對(duì)增強(qiáng)材料的要求

鋪覆性好，容易制成與制品相同形狀；

耐沖刷性好，在樹脂注入過程中能保持鋪覆原位；

對(duì)樹脂阻力較小，易被樹脂浸透；

機(jī)械強(qiáng)度高；

鋪覆時(shí)用時(shí)短、效率高(6)RTM成型工藝應(yīng)用RTM技術(shù)適用范圍很廣，已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、天線罩、機(jī)器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等02

聚合物基復(fù)合材料制備2模壓成型工藝(CompressionMolding)(1)工藝特點(diǎn)及基本過程概念：將模塑料(粉料、纖維預(yù)浸料等)置于陰模型腔內(nèi)，合上陽模，借助壓力和熱量作用，使物料熔化充滿型腔，形成與型腔形狀相同的制品，再經(jīng)加熱使其固化，冷卻后脫模。該技術(shù)是熱固性樹脂基復(fù)合材料和某些熱塑性樹脂基復(fù)合材料的主要成型方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

重復(fù)性好、成型時(shí)間短，效率高；

制品的內(nèi)應(yīng)力很低，且翹曲變形也很小，機(jī)械性能較穩(wěn)定；

可成

型較大的平板狀制品；

制品致密，質(zhì)量高，收縮率低，尺寸穩(wěn)定性較好；

生產(chǎn)效率高

缺點(diǎn)

不適合對(duì)存在凹陷、側(cè)面斜度或小孔等的復(fù)雜制品采用模壓成型；

模具制造復(fù)雜，投資較大，適合于

批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品基本過程：1）預(yù)壓，主要目的是改善制品質(zhì)量、提高模塑效率等。是將模塑粉或纖維預(yù)浸料等預(yù)先壓制成一定形狀的

操作過程；

2）預(yù)熱，主要是改進(jìn)模塑料的加工性能，縮短成型周期等。是把模塑料在成型前先進(jìn)行加熱的操作過程；

3）模壓，將計(jì)量的物料加入模具型腔內(nèi)，閉合模具，排出氣體，在規(guī)定的模塑溫度和壓力下保持一段時(shí)間，

然后脫模，取出制品，清理模具11.2聚合物基復(fù)合材料制備(2)模壓成型工藝a)模具準(zhǔn)備通常為金屬模具。脫模劑的涂刷，在模具型腔內(nèi)、外涂刷脫模劑，常用脫模劑有油酸、石蠟、有機(jī)硅油等b)加料加料量嚴(yán)格定量。定量加料法有重量法、計(jì)數(shù)法和容量法。重量法準(zhǔn)確，一般用于尺寸要求精確；容量法不如重量法準(zhǔn)確，一般用于粉料計(jì)算；計(jì)數(shù)法只用于預(yù)壓物料加料圖11.5

模壓成型工藝流程圖c)合模合模分為兩步：陽模未接觸物料前，需低壓(1.5~3MPa)、快速；當(dāng)接觸物料后，應(yīng)開始放慢閉模速度，改用高壓(15~30MPa)、慢速，以免損壞嵌件，并使模內(nèi)空氣排出d)排氣將物料中殘余的揮發(fā)物、物料帶入的空氣和水汽排除過程。其目的是為了保證制品的密實(shí)性，避免制品產(chǎn)生氣泡和分層e)固化固化速度的快慢取決于樹脂的分子結(jié)構(gòu)。一般相對(duì)分子量低、支鏈少，固化劑容易與活潑基團(tuán)反應(yīng)，固化速度就快；反之，相對(duì)分子質(zhì)量高，粘度大，不利于活潑基團(tuán)縮合，固化速度就慢f)保壓時(shí)間保壓時(shí)間的長(zhǎng)短決定制品的質(zhì)量。過短，會(huì)導(dǎo)致樹脂固化不完全，過長(zhǎng)，則會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。通常保壓時(shí)間在30秒到幾分鐘不等g)脫模脫模通常是靠頂桿來完成h)清理模具模壓后將模具清理干凈，清理后涂上脫模劑以便下次使用I)后處理保證樹脂制品固化完全；減少制品水份及揮發(fā)物；消除制品的內(nèi)應(yīng)力等(3)模壓成型工藝的應(yīng)用模壓成型工藝應(yīng)用于制造衛(wèi)星天線罩、車輛的外殼、保險(xiǎn)杠、傳動(dòng)軸油盤、輪轂、彈簧片、全塑汽車車體、水箱、整體浴室、居室門、座椅等3纏繞成型工藝(FilamentWinding

)(1)概念及工藝特點(diǎn)概念：是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上，常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工

藝，是一種制備各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡(jiǎn)單方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

①能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；②比強(qiáng)度高；③可靠性高；④生產(chǎn)效率高；⑤成本低

缺點(diǎn)

①纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏繞任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品；②制品強(qiáng)度方向性比較明

顯，層間剪切強(qiáng)度低，對(duì)加工設(shè)備性能要求較高

(2)纏繞成型工藝（1）干法纏繞：采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100～200m/min；工作環(huán)境較清潔，產(chǎn)品質(zhì)量高。缺點(diǎn)：纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，投資較大；干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低（2）濕法纏繞：將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。優(yōu)點(diǎn)：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好；③纖維排列平行度好；④纖維上的樹脂膠液可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)：①樹脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少（3）半干法纏繞：纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省去了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域圖11.6

纏繞成型工藝流程圖芯模纏繞控制膠槽及纏繞小車?yán)w維圖11.7

纏繞成型工藝設(shè)備示意圖(3)纏繞成型設(shè)備芯模成型中空制品的內(nèi)模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出芯模設(shè)計(jì)的基本要求要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時(shí)的切削力等；能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；④制造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，取材方便纏繞成型芯模材料分兩類熔、溶性材料：是指石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔點(diǎn)金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或?qū)嵭男灸?，制品纏繞成型后，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復(fù)使用組裝式芯模材料：常用的有鋁、鋼、夾層結(jié)構(gòu)、木材及石膏等，還有內(nèi)襯材料。內(nèi)襯材料是制品的組成部分，固化后不從制品中取出，內(nèi)襯材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等纏繞機(jī)纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備，對(duì)纏繞機(jī)的要求是：①能夠?qū)崿F(xiàn)制品設(shè)計(jì)的纏繞規(guī)律和排紗準(zhǔn)確；②操作簡(jiǎn)便；③生產(chǎn)效率高；④設(shè)備成本低(4)纏繞成型工藝應(yīng)用纏繞成型工藝主要適合成型大型旋轉(zhuǎn)體制品。如壓力容器（氣瓶、魚雷殼體）、輸送石油、水、天然氣的化工管道及大型儲(chǔ)罐；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)放熱殼體等4拉擠成型工藝(Pultrusion)(1)概念及特點(diǎn)概念：將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料型材方法。一般只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化程度，最后固化在加熱箱中完成。該工藝適于生產(chǎn)各種斷面形狀的型材，如棒、管、實(shí)體型材(工字形、槽形、方形型材)等特點(diǎn)：是連續(xù)成型，制品長(zhǎng)度不受限制，力學(xué)性能尤其是縱向力學(xué)性能突出，結(jié)構(gòu)效率高，制造成本較低，自動(dòng)化程度高，制品性能穩(wěn)定。與其他纖維復(fù)合材料成型方式相比，拉擠成型技術(shù)屬于性能優(yōu)異且經(jīng)濟(jì)的型材生產(chǎn)方式，非常適合大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的纖維復(fù)合材料型材(2)拉擠成型工藝典型的拉擠成型工藝：送紗、浸膠、預(yù)成型、固化成型、牽引和切割工序組成圖11.8

拉擠成型工藝示意圖(3)分類按工藝過程連續(xù)性，分為間斷拉擠成型和連續(xù)拉擠成型?，F(xiàn)代拉擠成型復(fù)合材料95%以上是采用連續(xù)拉擠成型(4)應(yīng)用主要用作工字型、角型、異型截面管材，實(shí)芯棒以及上述斷面構(gòu)成的組合截面型材。主要用于電氣、電子、化工防腐、文體用品、土木工程和陸上運(yùn)輸?shù)?噴射成型工藝(Spray-up

Molding

)(1)概念及特點(diǎn)概念：將含有固化劑的樹脂體系和含有引發(fā)劑的樹脂體系分別從噴槍的兩個(gè)噴嘴中噴涂到型腔內(nèi)，與此同時(shí)，也運(yùn)用噴槍上的切割器將連續(xù)纖維切成短纖維(25mm),待噴涂到規(guī)定的厚度，利用輥筒滾壓，將其壓實(shí)，固化成型制品，其中制品纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在30~40%左右為宜特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

1)生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用較少設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)中批量生產(chǎn)；3)用玻璃纖維無捻初紗代

替織物，材料成本低；4)產(chǎn)品整體性好無接縫；5)可自由調(diào)變產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂比例

缺點(diǎn)

1)現(xiàn)場(chǎng)污染大；2)制品樹脂含量高；3)制品強(qiáng)度較低(2)噴射成型工藝玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進(jìn)劑加熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模圖11.9

噴射成型工藝流程圖(3)噴射成型工藝參數(shù)纖維：專用無捻初紗，含量控制在25~45%，長(zhǎng)度一般為25~50mm;樹脂含量和粘度：含膠量約為60%左右，含膠量過低，纖維浸潤(rùn)不均，粘結(jié)不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，觸變度以1.5~4為宜，在此范圍內(nèi)膠液易于噴射霧化噴射量：應(yīng)始終保持膠液噴射量與纖維切割量的比例適宜且穩(wěn)定。噴射量與噴射壓力和噴嘴直徑有關(guān)，噴嘴直徑在1.2~3.5mm之間選定，可使噴膠量在8~60g/s之間調(diào)變噴槍夾角：對(duì)樹脂與引發(fā)劑在槍外混合均勻度影響極大，選用20

夾角為宜，噴槍口與成型表面距離350~400mm噴霧壓力：要能保證兩組分樹脂均勻混合。適宜的壓力同膠液粘度有關(guān)，若粘度在0.2Pa.s時(shí)，霧化壓力為0.3~0.35MPa(4)應(yīng)用噴射成型工藝適合于大型船體、機(jī)器外罩、汽車車身、浴盆、整體衛(wèi)生間及大型浮雕產(chǎn)品等6樹脂傳遞模塑成型工藝(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特點(diǎn)概念：是一種采用對(duì)模方法制備樹脂基復(fù)合材料制品方法。該方法是通過壓力將樹脂注入密閉的模腔，浸潤(rùn)已排鋪好的纖維織物坯件，然后固化成型。是一種不采用預(yù)浸漬料的成型方法特點(diǎn)：①可以制造兩面光的制品；②成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；③RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康；④增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況鋪放增強(qiáng)材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建廠投資少，上馬快。(2)RTM工藝預(yù)成型坯制造

將增強(qiáng)纖維按要求制成一定形狀，然后放入模具中，一般是整體織物結(jié)構(gòu)或三維編織結(jié)構(gòu)充模

在模具閉合鎖緊后，在一定條件下將樹脂注入模具，樹脂在浸漬纖維增強(qiáng)體的同時(shí)將空氣趕出。當(dāng)多余樹脂從模具溢膠口開始流出時(shí)，停止樹脂注入固化

在模具充滿后，通過加熱使樹脂發(fā)生反應(yīng)、交聯(lián)固化，理想的固化反應(yīng)開始時(shí)間是在模具剛剛充滿時(shí)。固化應(yīng)在一定的壓力下進(jìn)行開模

當(dāng)固化反應(yīng)進(jìn)行完全后，打開模具取出制件，為使制件固化完全可進(jìn)行后處理圖11.10RTM成型工藝示意圖(3)RTM成型控制主要工藝參數(shù)(a)注膠壓力：在較低的壓力下完成樹脂壓注。措施：降低樹脂粘度、采用適當(dāng)?shù)哪＞咦⒛z口和排氣口設(shè)計(jì)、采用適當(dāng)?shù)睦w維排布設(shè)計(jì)、降低注膠速率(b)注膠速率：高的注膠速率，有利于氣泡的排除，提高生產(chǎn)效率，但伴隨著壓力的升高(c)注膠溫度：高的注膠溫度能縮短樹脂的工作期；過低溫度會(huì)使樹脂粘度增大，使壓力升高，阻礙樹脂正常浸滲纖維的能力；較高的溫度還有利于體系氣泡的排出(4)RTM成型工藝對(duì)樹脂工藝性的要求室溫或較低溫度下具有低粘度和一定的適用期(48h);樹脂對(duì)增強(qiáng)材料具有良好的浸潤(rùn)性、匹配性；樹脂不含溶劑或揮發(fā)物、固化無小分子物體放出；

樹脂在固化溫度下具有良好的反應(yīng)性，且后處理溫度不應(yīng)過高(5)RTM成型工藝對(duì)增強(qiáng)材料的要求

鋪覆性好，容易制成與制品相同形狀；

耐沖刷性好，在樹脂注入過程中能保持鋪覆原位；

對(duì)樹脂阻力較小，易被樹脂浸透；

機(jī)械強(qiáng)度高；

鋪覆時(shí)用時(shí)短、效率高(6)RTM成型工藝應(yīng)用RTM技術(shù)適用范圍很廣，已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、天線罩、機(jī)器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等03

金屬基復(fù)合材料制備11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.1金屬基復(fù)合材料概述概念：金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposite）是以金屬及其合金為基體，與其他金屬或非金屬增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合的復(fù)合材料。金屬基體包括：鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、金屬間化合物基等特性：金屬基復(fù)合材料具有把金屬基體優(yōu)越的塑性和成型性與增強(qiáng)體的承載能力及把金屬基體高熱傳導(dǎo)性與增強(qiáng)體低熱膨脹系數(shù)結(jié)合起來的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度；與樹脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與陶瓷基復(fù)合材料相比，具有高韌性和高沖擊性能11.3.2金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)11.3.2.1

金屬基復(fù)合材料制備需考慮的條件A.制造過程中應(yīng)使增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求均勻分布于金屬基體中B.避免制備工藝不當(dāng)造成增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能的下降C.合理選擇工藝參數(shù)，避免制備過程中發(fā)生各種不利界面反應(yīng)D.制造設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，方法應(yīng)適合于批量生產(chǎn)，盡可能滿足近終成型的要求，減少或避免后加工工序11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.2.2

金屬基復(fù)合材料制備方法圖11.11金屬基復(fù)合材料制備方法1固態(tài)制備方法(SolidStateFabrication)

金屬基體與增強(qiáng)材料均處于固態(tài)，其溫度控制在基體合金的液相線與固相線之間；

加工溫度較低，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，能較好地控制界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

固態(tài)制備方法特點(diǎn)

固態(tài)制備工藝：主要有粉末冶金法、擴(kuò)散結(jié)合法（熱壓法）、熱等靜壓法、熱軋法和拉拔法等11.3金屬基復(fù)合材料制備固態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，基體處于固態(tài)的制備方法。它是先將金

屬粉末或金屬箔與增強(qiáng)體（顆粒、晶須等）以一定的含量、分布混合排列，

再經(jīng)加熱、加壓，將基體和增強(qiáng)體粘結(jié)在一起（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)圖11.12

粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料工藝流程圖

概念：是用于制備、成型非連續(xù)增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料的一種傳統(tǒng)固態(tài)工藝方法，它是基于增強(qiáng)相共存下的金屬

粉體熱熔焊接工藝。該方法利用粉末冶金原理，將基體粉末和增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求在適當(dāng)條件下均勻混合

后經(jīng)熱壓制成型工藝過程：主要包括混合、固化和壓制三個(gè)過程（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)●

主要用于制造顆粒或晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。一方面可以制造復(fù)合材料的坯料；另一方面可直接

制成尺寸、形狀準(zhǔn)確的復(fù)合材料零件，可減少后續(xù)加工●

常用增強(qiáng)材料：SiCp、SiCw、Al2O3等顆粒、晶須及短纖維；常用基體金屬有：Al、Cu、Ti等優(yōu)點(diǎn)：

增強(qiáng)體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍；顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以任意調(diào)整，不受顆粒的尺寸與形狀

限制；可以實(shí)現(xiàn)制件的少或無切削或近靜成型基體合金粉末和顆粒（晶須）的混合均勻程度及基體粉末防止氧化的問題是整個(gè)工藝的關(guān)鍵缺點(diǎn)：

制造工序繁多，工藝復(fù)雜；制造成本較高；內(nèi)部組織不均勻，存在明顯的增強(qiáng)相富集區(qū)和貧乏

區(qū)；不易制備形狀復(fù)雜、尺寸大的制件（2）擴(kuò)散粘接法(DiffusionBonding)概念：在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫及一定的塑性變形作用下，依靠接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)行復(fù)合的方法，亦稱熱壓

法或擴(kuò)散焊接法，是制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要方法基本原理：將增強(qiáng)纖維按設(shè)計(jì)要求與基體金屬制成復(fù)合材料預(yù)制片；將預(yù)制片裁剪成所需形狀、疊層排布，放入熱壓

模具中，在高溫高壓下，

熱壓成型，制成復(fù)合材料零件圖11.13

擴(kuò)散粘結(jié)法工藝流程圖圖11.14

SiC纖維/Al基復(fù)合材料微觀組織

影響擴(kuò)散粘結(jié)的工藝因素：溫度、壓力、保持時(shí)間和氣氛等

擴(kuò)散粘結(jié)過程：

粘接表面接觸→界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散→界面消失(1)預(yù)制片的制備：等離子噴涂法、液態(tài)金屬浸漬法和箔粘結(jié)法等等離子噴涂法：先將粗纖維（硼纖維、碳化硅單絲等）纏繞在圓筒上，纖維之間保持一定的距離，然后放在低真空噴涂裝置中噴涂基體金屬形成含有增強(qiáng)纖維的預(yù)制片液態(tài)金屬浸漬法：采用液態(tài)金屬浸漬纖維制成復(fù)合絲或帶，再將復(fù)合絲或帶按設(shè)計(jì)要求排列成復(fù)合片，供進(jìn)一步熱壓箔粘結(jié)法：先將纖維用有機(jī)粘結(jié)劑黏貼在金屬箔上，或?qū)⒔饘俨瓑撼刹y狀，將纖維放在波紋中。兩片箔將纖維夾在其中組成預(yù)制片(2)熱壓過程：

熱壓過程在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行;

溫度的確定是接近或稍低于基體金屬固相線溫度；

壓力依據(jù)熱壓溫度選擇，一般，熱壓溫度高選用壓力小，熱壓溫度低則選用壓力大，但壓力過

大，溫度過低，均會(huì)使纖維受損傷，一般控制在10MPa以下；

熱壓時(shí)間一般為10~20min

熱壓法應(yīng)用：熱壓法是目前制造直徑較粗的硼纖維、碳纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法；也是制造鎢絲/超合金、鎢絲/銅等復(fù)合材料的主要方法之一。其產(chǎn)品主要用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)概念：是熱壓法的一種，用惰性氣體加壓，工件在各個(gè)方向上受到均勻壓力的作用。工藝過程：將金屬基體(粉末或箔)與增強(qiáng)體(纖維、晶須、顆粒)按一定比例排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬包套內(nèi)，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱加壓（氬氣介質(zhì)），得到金屬基復(fù)合材料圖11.15

Bf/Al管復(fù)合材料制造工藝流程（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)工藝有三種：

先升壓后升溫：其特點(diǎn)是無需將工件壓力升到最終所要求的最高壓力，隨著溫度的升高，氣體膨脹，壓力不斷

升高達(dá)到所需壓力，這種工藝適合于用金屬包套工件的制造

先升溫后升壓：此工藝對(duì)于用玻璃包套制造復(fù)合材料比較適合，因?yàn)椴Ａг谝欢囟认萝浕?，加壓時(shí)不會(huì)發(fā)生

破裂，又可有效傳遞壓力

同時(shí)升溫升壓：這種工藝適合于低壓成型、裝入量大、保溫時(shí)間長(zhǎng)的工件制造工藝參數(shù)：

溫度：一般選擇溫度低于熱壓溫度，以防止嚴(yán)重的界面反應(yīng)，在幾百到2000C范圍內(nèi)選擇；壓力：根據(jù)基體金屬在高溫下變形的難易程度而定，一般高于擴(kuò)散粘結(jié)壓力，在100~200MPa,對(duì)于易變形的金屬，相應(yīng)的壓力選擇低一些，對(duì)于難變形的金屬，選擇高些；保溫保壓時(shí)間：主要依據(jù)工件的大小確定，工件越大，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，一般為30min到數(shù)小時(shí)（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)優(yōu)點(diǎn)：

產(chǎn)品組織均勻致密，無縮孔、氣孔等缺陷；產(chǎn)品形狀、尺寸精確，性能均勻缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，工藝周期長(zhǎng)，成本高應(yīng)用：

熱等靜壓適用于多種復(fù)合材料的管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造，特別適用于鈦、金屬間化合物、超

合金基復(fù)合材料的制備（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法變形法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點(diǎn)，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步加工成型。特點(diǎn)：由于是在固態(tài)下進(jìn)行加工，速度快，纖維與基體作用時(shí)間短，纖維損傷?。坏己玫慕缑娼Y(jié)合不能保證，且因高應(yīng)力易造成纖維破壞（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱軋法：主要用來將已經(jīng)復(fù)合好的金屬基復(fù)合材料坯錠進(jìn)一步加工成板材。也可將金屬箔和連續(xù)纖維組成的預(yù)制片軋成板材。該方法主要是完成金屬基體與增強(qiáng)體之間的粘結(jié)。為了提高粘結(jié)強(qiáng)度，通常在纖維表面涂上銀、銅等涂層，經(jīng)過反復(fù)加熱和軋制最終制成復(fù)合材料

熱軋法制造C/Al復(fù)合材料：將鋁箔與涂銀纖維交替鋪層，然后將其在基體的固相點(diǎn)附近軋制。也可以用等離子噴涂法做成預(yù)制帶，疊層后熱軋；

Be/Al復(fù)合材料：是先將Be絲纏繞在鈦箔上，用等離子噴涂9091Al合金或用粘結(jié)劑固定，然后疊層熱軋制與金屬材料軋制相比，長(zhǎng)纖維-金屬箔軋制時(shí)每次的變形量小，軋制道次多；

對(duì)于顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的金屬基復(fù)合材料，先經(jīng)粉末冶金或熱壓成坯，再軋制成復(fù)合材料例如：SiCp/Al、SiCw/Cu、Al2O3w/Al、

Al2O3w/Cu（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱擠壓和熱拉法：主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料的進(jìn)一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等，對(duì)制造金屬絲增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是很有效的方法。經(jīng)過擠壓、拉拔后，復(fù)合材料的組織變得均勻，缺陷減少或消除，性能明顯提高，短纖維、晶須還有一定的擇優(yōu)取向，縱軸拉伸強(qiáng)度顯著提高

熱拉法與熔浸法組合：將用熔浸法制成的預(yù)浸線封入真空不銹鋼型中，通過加熱到一定溫度，再經(jīng)拉模拉拔，可制造出復(fù)合棒或管；

拉拔溫度應(yīng)取金屬基體的固相線附近，由于此時(shí)金屬基體的塑性變形阻力小，可以將纖維的機(jī)械損傷控制在最小的限度內(nèi)，同時(shí)減少拉拔力；

拉拔主要是為了消除預(yù)成型體內(nèi)的空隙，使其致密化利用變形壓力加工制造復(fù)合材料時(shí)，若加大金屬基體的塑性變形，纖維與基體將在界面處產(chǎn)生很大的應(yīng)力，容易造成界面的剝離，纖維表面損傷甚至破壞，且在復(fù)合材料中將產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，影響復(fù)合材料性能；

對(duì)于熱拔法，與其他變形壓力加工相比，該方法可以將基體金屬的塑性變形控制在比較小的程度，在拉拔過程中，由于纖維主要受到拉的作用，幾乎沒有彎曲應(yīng)力，將避免纖維的斷裂和界面的剝離（5）爆炸焊接法概念：是采用炸藥的爆炸為能源，由于炸藥的高速引爆和沖擊作用下，在瞬間使兩塊金屬板在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生高應(yīng)變，使材料發(fā)生塑性變形，在基體中，和基體與增強(qiáng)體的接觸處產(chǎn)生焊接形成復(fù)合材料。爆炸焊接前，應(yīng)將金屬絲等編織或固定好，基體與金屬絲必須除去表面氧化膜和污物。工藝特點(diǎn)：

加載壓力和界面高溫作用時(shí)間短，基體與增強(qiáng)體界面反應(yīng)可能性小，焊合區(qū)的厚度在幾十微米級(jí)；

復(fù)合界面無明顯擴(kuò)散層，不會(huì)產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，產(chǎn)品性能穩(wěn)定；

可制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材，還可以一次作業(yè)制備多塊復(fù)合材料板；

采用的是塊式法生產(chǎn)，無法連續(xù)生產(chǎn)寬度較大的復(fù)合坯料，而且爆炸所帶來的振動(dòng)和噪音難以控制爆炸焊接法在復(fù)合制備難焊接金屬往往不適用，因?yàn)槠浜附咏宇^強(qiáng)度差異很大，存在分層現(xiàn)象；

為了提高焊接接頭的強(qiáng)度和可靠性，需進(jìn)行：熱處理，以減少或完全消除高硬度熔化區(qū)對(duì)接頭斷裂的影響，使殘余應(yīng)力場(chǎng)重新分布；軋制或鍛造，通過塑性變形來消除裂紋和未焊透形式的缺陷應(yīng)用：適合制造金屬層合板和金屬絲增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如鋼絲/鋁、鉬絲/鈦、鎢絲/鎳等復(fù)合材料03

金屬基復(fù)合材料制備2

液態(tài)制備方法(LiquidStateFabrication)液態(tài)金屬基復(fù)合材料制備的共同特點(diǎn)是基體處于熔融狀態(tài)。該方法關(guān)鍵技術(shù)是有效控制高溫下的界面反應(yīng)及基體的氧化反應(yīng)這種方法可用來直接制造復(fù)合材料零件，也可用來制造復(fù)合絲、復(fù)合帶、坯錠等作為二次加工成零件的原料，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)

液態(tài)制備方法特點(diǎn)液態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)體

復(fù)合的制備方法。為了減少高溫下的界面反應(yīng)，改善界面潤(rùn)濕性，通?？刹?/p>

用加壓浸滲、增強(qiáng)體表面處理和基體中添加合金元素等措施

液態(tài)制備工藝：主要有擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、液態(tài)金屬攪拌鑄造法等11.3金屬基復(fù)合材料制備（1）擠壓鑄造法概念：是通過壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的一種方法。其工藝過程是：將增強(qiáng)材料制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱放入同樣預(yù)熱的模具中，熔融金屬進(jìn)入模具，對(duì)熔體金屬加壓滲透纖維預(yù)制件中成型圖11.17擠壓鑄造工藝流程圖圖11.16擠壓滲透裝置特點(diǎn)及應(yīng)用：主要用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件，且制造成本低；由于高壓的作用，可以促進(jìn)熔體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕，增強(qiáng)材料一般不需要表面處理；熔體與增強(qiáng)材料在高溫下接觸時(shí)間短，一般不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)主要工藝參數(shù)：預(yù)制件預(yù)熱溫度、熔體溫度、壓力大小。壓力一般在70~100MPa，要求模具和預(yù)制件要有足夠的

強(qiáng)度圖11.18擠壓鑄造法工藝原理(a)增強(qiáng)體預(yù)制件預(yù)熱(b)預(yù)制件放入模具(c)注入金屬基體溶液(d)加壓使金屬滲入預(yù)制件(e)加壓凝固(f)冷卻從模具中取出制件（2）真空壓力浸漬法概念：是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料制成預(yù)制件，再制備金屬基復(fù)合材料。它兼有真空吸鑄和壓力鑄造的優(yōu)點(diǎn)。熔體進(jìn)入預(yù)制件有三種方法：底部壓入、頂部注入和壓入法

預(yù)制件的制作圖11.19

預(yù)制件制造工藝流程圖(a)

壓制成型工藝流程；(b)

抽吸成型工藝流程

工藝過程浸漬爐由高壓殼體、熔化金屬的加熱爐、預(yù)制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成圖11.20

底部壓入式浸漬爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖11.21

真空壓力浸漬法工藝流程

主要工藝參數(shù)：

預(yù)制件預(yù)熱溫度

金屬熔體溫度

浸漬壓力

冷卻速度。金屬熔體溫度越高，流動(dòng)性越好，越容易充填到預(yù)制件中；預(yù)制件溫度越高，金屬熔體不會(huì)因滲入預(yù)制件而迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分

真空壓力浸漬法特點(diǎn)：

浸漬在真空中進(jìn)行，壓力下凝固，無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷，組織致密，材料性能好；

工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)易于控制，可直接制成復(fù)合材料零件，基本無需后續(xù)加工

它的缺點(diǎn)是：工藝周期長(zhǎng)、投資大、制造大尺寸零件需要大型設(shè)備

應(yīng)用：適用于多種基體金屬和各類增強(qiáng)體的復(fù)合材料（3）液態(tài)金屬攪拌鑄造法概念：是將顆粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻的分散在金屬熔體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件以制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法稱為液態(tài)金屬攪拌鑄造法分類：根據(jù)工藝特點(diǎn)及所選用的設(shè)備可分為旋渦法、無旋渦攪拌法和復(fù)合鑄造法旋渦法：是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器形成金屬熔體的旋渦，依旋渦的負(fù)壓抽吸作用，使顆粒進(jìn)入金屬熔體中。

然后將含有顆粒的金屬熔體注入模具型腔，冷凝后從模具中取出金屬基復(fù)合材料制件主要工藝參數(shù)：攪拌速度（一般控制在500~1000r/min）、基體熔體溫度（選在基體金屬液相線溫度以上100°C）、顆粒加入速度特點(diǎn)及應(yīng)用：工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉。主要用于制造含較粗顆粒（直徑50~100m）的耐磨復(fù)合材料，如Al2O3/Al-Mg、C（石墨）/Al等復(fù)合材料圖11.22

旋渦攪拌法設(shè)備簡(jiǎn)圖

無旋渦法：也叫無旋渦攪拌法。將熔煉好的金屬熔體注入可抽真空或通惰性氣體保護(hù)并能保溫的攪拌爐中，加入顆粒增強(qiáng)物，攪拌器在真空或充壓條件下進(jìn)行高速攪拌，使細(xì)小的顆粒均勻分散在熔體中，并與金屬基體潤(rùn)濕復(fù)合，澆鑄獲得顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制品主要工藝參數(shù)：攪拌器由主、副兩攪拌器組成，主攪拌器具有同軸多槳葉，旋轉(zhuǎn)速度高，在1000~2500r/min范圍，副攪拌器沿坩堝壁緩慢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速小于100r/min，起著消除旋渦和將黏附在坩堝壁上顆粒刮離并帶入金屬熔體中；金屬熔體溫度一般高于液相線50°C；攪拌時(shí)間20min左右；與旋渦法相比，該方法在真空或氬氣中攪拌，有效防止金屬的氧化和氣體吸入特點(diǎn)及應(yīng)用：該方法制備的金屬基復(fù)合材料中熔體中氣體含量低、顆粒分布均勻，鑄成的錠坯氣孔率小，組織致密，性能好。適合于多種顆粒和基體，主要用于鋁合金，包括形變鋁合金和鑄造鋁合金

復(fù)合鑄造法：用機(jī)械攪拌將顆?；烊虢饘偃垠w中。攪拌是在半固態(tài)金屬中進(jìn)行。通過對(duì)加熱溫度的控制，將金屬熔體中的固相粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在40%~60%。加入的顆粒在半固態(tài)金屬中與固相金屬粒子相互碰撞、摩擦，導(dǎo)致顆粒與液態(tài)金屬潤(rùn)濕并在金屬熔體中均勻分散。復(fù)合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，鑄成零件或坯料特點(diǎn)及應(yīng)用：工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，制造成本低。適用于多種基體和多種顆粒，可以用來制造顆粒細(xì)小、含量高的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，也可以用來制造晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在問題：該方法現(xiàn)存的問題是基體合金體系的選擇受限較大，要求必須選擇同樣的體系和溫度，才能析出大量的初晶相，并達(dá)到40%~60%圖11.23

復(fù)合鑄造法工藝裝置簡(jiǎn)圖3原位自生成法(InSituProcesses)

增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核長(zhǎng)大的，具有穩(wěn)定的熱力學(xué)特性，增強(qiáng)體與基體間相容性好，界面結(jié)合強(qiáng)；通過合理地選擇反應(yīng)元素或化合物的類型、成分及其反應(yīng)性，可有效的控制原位生成增強(qiáng)體的種類、大小、

分布和數(shù)量；由于增強(qiáng)相是從液態(tài)基體中原位生長(zhǎng)，因此可以用鑄造方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的構(gòu)件；

在保證材料具有很好的韌性和高溫性能的同時(shí)，可較大幅度的提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量;

原位反應(yīng)大都伴有氧化或氣體放出，復(fù)合材料易形成微氣孔，還可能形成氧化夾雜，影響材料的組織性能

原位自生成制備方法特點(diǎn)概念：原位自生成法是指增強(qiáng)材料在復(fù)合材料制造過程中在基體中自己生成和生長(zhǎng)的方法基本原理：在一定條件，通過元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。增強(qiáng)材料可以共晶的形式從基體凝固析出，也可由加入的相應(yīng)的元素之間的反應(yīng)、合成熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間的反應(yīng)生成，前者獲得定向凝固共晶復(fù)合材料，后者得到反應(yīng)自生成復(fù)合材料原位反應(yīng)產(chǎn)生的增強(qiáng)相主要為氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等，如Al2O3、AlN、TiC和TiB2

原位自生成制備技術(shù)（1）定向凝固法概念：具有共晶成分的合金加熱熔化后，在凝固過程中，通過控制冷凝方向，在基體中生長(zhǎng)出排列整齊的、類似纖維的條狀或片狀共晶增強(qiáng)材料，得到金屬基復(fù)合材料定向凝固速率大小直接影響定向凝固共晶復(fù)合材料中增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和形狀。在一定溫度梯度下，條狀或?qū)悠瑺钤鰪?qiáng)相的間距

與凝固速率V之間存在以下關(guān)系：

2V=常數(shù)在滿足平面凝固生長(zhǎng)條件下，增加定向凝固時(shí)的溫度梯度，可以加快定向組織的生長(zhǎng)速度，同時(shí)可以降低條狀或?qū)悠g距，有利于提高定向凝固共晶復(fù)合材料的性能在不同凝固速率下獲得原位復(fù)合材料的橫截面，鎳合金基體被蝕刻掉，露出TaC纖維特點(diǎn)及應(yīng)用：

定向凝固共晶復(fù)合材料，纖維與基體界面具有最低能量，用于高溫結(jié)構(gòu)材料（如發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和渦輪葉片），常用的基體金屬為鎳基和鈷基合金及金屬間化合物。定向凝固共晶復(fù)合材料也可以作為功能復(fù)合材料，主要應(yīng)用于磁、電和熱相互作用或疊加效應(yīng)的壓電、電磁和熱磁等功能器件，如InSb/NiSb

可做磁阻無接觸電開關(guān)等存在問題：定向凝固速率非常低，可選擇的共晶材料體系有限，共晶增強(qiáng)材料的體積分?jǐn)?shù)無法調(diào)整Someimportantinsitucompositesystems（2）反應(yīng)自生成法反應(yīng)自生成法又分為：金屬定向氧化Lanxide法、XD法和液相反應(yīng)自生成法

Lanxide法金屬直接氧化法(DIMOX):高溫金屬液暴露于空氣中，使其表面首先氧化產(chǎn)生一層氧化膜，里面金屬再通過氧化層逐漸向表面擴(kuò)散，暴露空氣后又被氧化，如此反復(fù)，形成復(fù)合材料金屬無壓浸滲法(PRIMEX):一是液態(tài)金屬在環(huán)境氣氛下向陶瓷預(yù)制件中滲透；二是液態(tài)金屬與周圍氣體的反應(yīng)生成新的增強(qiáng)粒子。復(fù)合材料的組織性能通過調(diào)整熔體成分、氣氛分壓和溫度XD法:基本原理是將預(yù)期構(gòu)成增強(qiáng)材料的兩種固態(tài)粉末與基體金屬粉末均勻混合，加熱至基體熔點(diǎn)以上溫度發(fā)生反應(yīng)，生

成增強(qiáng)相，然后再經(jīng)鑄造、擠壓成型XD法特點(diǎn)及應(yīng)用：

增強(qiáng)相原位生成，具有熱穩(wěn)定性；增強(qiáng)相的類型、形態(tài)可以選擇和設(shè)計(jì)；各種金屬或金屬間化合物均可以作基體；復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)金屬加工進(jìn)行二次加工

XD材料包括Al、Ti、Ni和Cu基復(fù)合材料。增強(qiáng)相包括硼化物、氮化物和碳化物，其形狀可以是顆粒、晶須和桿狀。已用該方法制備出TiC/Al、TiB2/Al等液相反應(yīng)自生成法:是在熔融金屬基體中加入或通入能生成某種顆粒的元素或化合物，在一定溫度發(fā)生反應(yīng)，生成細(xì)小

彌散顆粒，獲得復(fù)合材料。如在Al熔體中加入Ti元素，形成Al-Ti合金，加入碳或通入碳?xì)浠衔锱c

Al中的Ti反應(yīng)生成TiC，然后澆鑄成型。原料在鋁液中可能反應(yīng)：Ti+CH4

TiC+2H2(鋁液中)4沉積法(Deposition)沉積法:可以分為噴涂沉積與噴射沉積，用它們制備金屬基復(fù)合材料的工藝方法大多是由金屬材料表

面強(qiáng)化技術(shù)衍生而來的噴涂沉積:主要應(yīng)用于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的預(yù)制層制備，也可用于制備復(fù)合層狀材料的坯料。噴涂沉積主要是以等離子體或電弧加熱金屬基體形成高溫金屬氣體，通過噴涂氣體將其沉積到沉積基板上噴射沉積:則主要用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。該方法是將金屬基體霧化為細(xì)小的金屬液滴，同時(shí)通過一個(gè)或多個(gè)噴嘴向霧化金屬液滴中噴射加入增強(qiáng)顆粒，使之與霧化金屬液滴一起在基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料特點(diǎn):噴涂沉積與噴射沉積的特點(diǎn)是對(duì)增強(qiáng)體與金屬基體的潤(rùn)濕性要求低，增強(qiáng)體與熔融金屬基體的

接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)量少，金屬基體的選擇范圍廣等04

陶瓷基復(fù)合材料制備11.4陶瓷基復(fù)合材料制備11.4.1陶瓷基復(fù)合材料概述概念：陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrixComposite）是以陶瓷為基體，與增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合的復(fù)合材料。陶瓷基體包括：

氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和玻璃等特性：具有強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性能好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和比重小等特點(diǎn)11.4.2陶瓷基復(fù)合材料制備技術(shù)11.4.2.1

粉末冶金法(PowderMetallurgyProcess)概念：粉末冶金法也稱為粉體壓制燒結(jié)或混合壓制法。它包括：無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)法等工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、黏結(jié)劑和助燒劑）

球磨、超聲混合均勻

冷/熱壓成型

燒結(jié)特點(diǎn)及應(yīng)用：燒結(jié)時(shí)加壓/常壓，使復(fù)合材料更加致密；燒結(jié)過程會(huì)有體積收縮，易產(chǎn)生裂紋。該法適用于顆粒、晶須

和短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(1)無壓燒結(jié)成型法(PressurelessSintering)

概念是指在常壓下，具有一定形狀陶瓷素坯在高溫下經(jīng)過物理化學(xué)過程變?yōu)橹旅?、?jiān)硬、體積穩(wěn)定的具有一定性能的固結(jié)體的工藝方法。所謂“無壓”是相對(duì)于“熱壓”和“氣氛加壓”而言，即燒結(jié)過程是在沒有外加驅(qū)動(dòng)力的情況下進(jìn)行的，主要靠系統(tǒng)本身自由能的變化，即粉末表面積減少，表面能下降

傳質(zhì)無壓燒結(jié)過程中物質(zhì)傳遞可通過固相擴(kuò)散來進(jìn)行，也可通過蒸發(fā)凝聚來進(jìn)行。對(duì)于某些單靠固相燒結(jié)無法致密的材料，常采用添加燒結(jié)助劑的方法，在高溫下生成液相，通過液相傳質(zhì)來達(dá)到燒結(jié)致密的目的

燒結(jié)助劑作用高溫下會(huì)產(chǎn)生有利于致密化的液相，降低燒結(jié)溫度能降低固相擴(kuò)展的晶界能抑制材料晶粒異常長(zhǎng)大，使材料顯微結(jié)構(gòu)均勻化陶瓷基復(fù)合材料無壓燒結(jié)比單相陶瓷燒結(jié)要困難得多；與單相陶瓷材料燒結(jié)相比，要獲得致密的陶瓷基復(fù)合材料需加入更多的燒結(jié)助劑

影響因素

選用原料的粒度、純度、活性、粒度分布等

第二相(顆粒、纖維、晶須)分散均勻性

素坯密度

燒結(jié)助劑種類和添加量

燒結(jié)工藝參數(shù)(氣氛、升溫速度、保溫時(shí)間等)

特點(diǎn)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備易制造，成本低，并且易于制備復(fù)雜形狀制品和批量生產(chǎn)，適應(yīng)于工業(yè)化生產(chǎn)

無壓燒結(jié)是在沒有外加驅(qū)動(dòng)力的情況下進(jìn)行的，材料的致密度和性能比熱壓、熱等靜壓等工藝制

得的材料低（2）

熱壓燒結(jié)成型法(Hot-PressingSintering

)

概念熱壓燒結(jié)成型是使松