復合材料制備與加工1.ppt

1、復合材料制備與加工,課程內容,概論 復合材料的界面與設計 金屬復合材料的制備與加工 陶瓷復合材料的制備與加工 高分子基復合材料的制備與加工,第一章 概論,復合材料（Composite Materials）： 采用物理或化學方法，使兩種以上的材料在相態(tài)與性能相互獨立的形式下共存于一體之中，以達到提高材料的某些性能，或互補彼此缺點，或獲得新的性能（或功能）的目的。,內涵： 制備方法 組元形式 復合目的,SaraCom復合硬質合金輥環(huán),硬質合金與鋼的冶金粘結技術開創(chuàng)了在熱軋領域的嶄新應用。耐磨的硬質合金只是整個輥環(huán)的一部分，嵌在SARACOM復合輥環(huán)中， 噸鋼軋輥成本只是常規(guī)軋輥的50%。 德國薩阿

2、公司廣告,1.1 復合材料的發(fā)展,1942年，美國Pittsburgh Plate Glass公司將玻璃纖維織網含浸于芳基脂系非飽和聚脂樹脂中，再將含浸網疊合并固化處理，意外制得一種高彈性率、高強度樹脂板（玻璃纖維強化高分子復合材料）。由此引發(fā)世界規(guī)模的復合材料研究熱潮，并形成復合材料專門學科。 迄今研究的強化相包括：玻璃纖維、硼、碳化硅、氧化鋁、碳等粒子、晶須或纖維。基體相包括：高分子材料、金屬、陶瓷。 研究還涉及層狀復合材料、梯度復合材料等。,中國的復合材料,中國的復合材料起始于1958年，首先用于軍工制品，而后逐漸擴展到民用。 北京科技大學材料學院在復合材料研究領域居重要地位，承擔多項國

3、家自然科學基金項目、國家高技術研究發(fā)展計劃（863）項目、國家重點基礎研究計劃（973）項目和國防等項目。,歷史，現實，與責任,三星堆古遺址. 距今已有5000至3000年歷史. 三星堆遺址晚期遺址的房屋. 在原生地面上挖溝槽，槽中立木柱，間以小木棍或竹棍作為墻骨，在兩側抹草拌泥成為墻壁，并經火燒烤 摘自互聯網,歷史，現實，與責任,當務之急是校舍。年輕的曲鳳琴沒有退縮，決定自己動手蓋。她帶著幾個稍大一點的學生，自己動手脫土坯，就像燕子銜泥壘巢一樣。手被磨出了血泡，在混著柴草的泥土中她的十個手指被磨得沒有一個完整的，而這換來的就是那些被碼得整整齊齊的土坯。 摘自互聯網,1.2 復合材料的種類,1

4、.2.1 分散強化型復合材料 一種或一種以上的材料（強化材料或稱強化相）分散在另一種材料（基體材料）之中的復合材料。,一、分散強化型復合材料的分類,二、金屬基復合材料,基體是金屬，因而具有較好的耐熱性，高彈性系數以及高導電、導熱性能，良好的成形加工性能。 作為基體金屬，鋁合金由于密度低、強度高、易于加工處理等優(yōu)良特性而廣為使用，其次是鈦和鈦合金。 用作強化材料的主要有顆粒、晶須、纖維（包括短纖維和長纖維或連續(xù)纖維）。,金屬基復合材料,金屬基復合材料,強化顆粒主要有氮化物、碳化物、硼化物以及氧化物陶瓷。,金屬基復合材料,三、陶瓷基復合材料,陶瓷材料可以分為功能陶瓷與結構陶瓷兩大類。 功能陶瓷包括

5、半導體材料、敏感材料（如熱敏、壓敏、光敏、氣敏、濕敏陶瓷等）、絕緣材料（含高導熱絕緣材料）、高溫超導材料等； 結構陶瓷包括各種耐高溫、耐腐蝕結構材料，如Al2O3、SiC、BN、Si3N4、WC等結構用陶瓷材料。 陶瓷材料復合化的目的，對于結構陶瓷主要是為了提高材料的強度、韌性等力學性能，或提高其耐熱、耐蝕性能；而對于功能材料，主要是為了獲得某些新的功能。 用作陶瓷基復合材料的強化材料主要有：各種陶瓷顆粒、晶須、纖維，某些金屬纖維。,四、高分子基復合材料,研究歷史最長、應用最廣泛的一類復合材料。,高分子基復合材料,五、原生復合材料（In-situ composites）,原生復合材料（也稱為自

6、生復合材料或原位復合材料）屬于分散型復合材料的一種，是相對于在基體中加入已經定形的強化相這樣一類常規(guī)復合材料而言的。 原生復合材料中的強化相是在鑄造、燒結等高溫加工處理過程中通過結晶或化學反應生成的。常見的許多熱處理可強化（相變析出反應型）金屬材料可以認為是廣義上的原生復合材料，但習慣上不將這一類材料稱為原生復合材料。,1.2.2 梯度材料（梯度功能材料）,梯度材料（或梯度復合材料）是一種較為特殊的復合材料，梯度材料中組元的含量沿著某一方向（例如厚度方向）產生連續(xù)或非連續(xù)的變化。 組元梯度化的目的是為了實現材料性能的梯度化，賦予材料多種功能，以滿足一些特殊的使用需要。 因此，梯度材料也稱為梯度

7、功能材料（Functionally Gradient Materials：FGM）。,梯度材料,1.2.3 層狀復合材料,各組元自成一個或數個整體，組元之間以界面結合的方式復合成一體。,層狀復合材料,層狀復合材料,1.3 復合材料制備與加工方法,1.3.1 金屬復合材料 對于金屬基復合材料（分散強化型金屬復合材料），直接利用塑性加工的方法進行成形，然后進行燒結固化，或采用鑄造、粉末冶金等方法制備毛坯，然后采用鍛造、軋制、擠壓等方法進行二次加工的復合材料占絕大部分。 層狀金屬復合材料主要采用爆炸焊接或擴散焊接后進行塑性加工，或利用塑性加工直接復合成形。,一、顆粒強化金屬基復合材料,（1）粉末冶金

8、法 包括常規(guī)的粉末冶金法與粉末塑性加工法。粉末冶金法還可根據強化顆粒的加入方式，分為直接摻入法和通過反應生成的原生復合法。 （2）鑄造法 包括攪拌鑄造法（增強相彌散分布）和擠壓鑄造法（采用增強相預制件的方法）。 （3）噴射共沉積法,二、晶須增強金屬基復合材料,（1）粉末冶金法 （2）壓力鑄造法,三、纖維增強金屬基復合材料,（1）粉末冶金法 通常是將纖維含浸于粉漿之中，堆垛干燥后進行燒結。 （2）擴散結合法 包括熱壓、熱等靜壓、熱軋等方法。 （3）預制件鑄造法 包括浸漬法和擠壓鑄造法。 （4）兩相合金復合法 包括共晶合金定向凝固復合法、非互溶兩相合金強加工法。,四、層狀復合材料,（1）機械接合

9、鑲套（包括熱裝和冷壓入）、液壓擴管（脹形）、冷拉拔等 （2）冶金接合 * 爆炸成形，或爆炸成形后進行軋制 * 擴散熱處理 * 軋制成形 * 擠壓成形 * 粉末塑性加工，或粉末塑性加工后燒結 * 摩擦焊接 * 復合鑄造,1.3.2 金屬-陶瓷層狀復合材料、梯度材料,（1）氣相析出法 化學氣相沉積法（CVD法：Chemical Vapor Deposition）,通過氣相狀態(tài)下的化學反應而使所需成份在基板上析出。 物理氣相沉積法（PVD法：Physical Vapor Deposition）包括真空鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜等方法。通過加熱蒸發(fā)、或讓粒子撞擊固體，使所需成份的原子（或分子）沉積于基板

10、上。,（2）粉末冶金法 粉末堆積法:采用粉末狀原料進行積層堆積，在堆積過程中控制各組成的含量。 薄膜積層法：先制取金屬與陶瓷或陶瓷與陶瓷的復合薄膜，然后將不同成份的薄膜積層起來。 離心成形法：利用不同比重材料的粉末混合體在離心力作用下產生分離的特性，或邊改變所加粉末混合體的組成，邊通過離心成形法進行堆積。 （3）等離子噴鍍法,（4）自蔓延燃燒合成法（SHS法） 利用陶瓷與陶瓷、陶瓷與金屬之間的反應熱進行自我燒結（SHS法: Self propagating High temperature Synthesis）。 （5）電解析出法 將基板作為陰極浸入含有金屬離子的電解液之中，通過電解使金屬離子

11、在基板上還原析出而實現成膜。,1.3.3 陶瓷基復合材料,（1）粉末燒結法 （2）高分子反應合成法 將有機高分子材料與強化材料混合成形，通過燃燒合成陶瓷基體。 （3）熔融含浸法 將纖維織物含浸于熔融狀態(tài)的陶瓷基體中，使熔體充滿纖維之間的間隙而制取連續(xù)纖維強化復合材料。 （4）化學氣相滲透法（氣相反應直接復合法） 通過對強化材料預成形體（纖維織物等）施加溫度梯度或壓力梯度，使原料氣體在預成形體內部產生反應而析出陶瓷基體。 （5）原生復合法,1.3.4 高分子復合材料,（1）連續(xù)纖維強化復合材料 手糊法 或稱直接涂積法，即通過手工用不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂將增強材料粘結在一起。 含浸網層壓法 將一

12、定量的含浸網層疊在一起，在一定的溫度和壓力下壓制成板材。 纏繞法 將含浸有樹脂的連續(xù)纖維纏繞在芯模上，然后進行固化。 模壓法 將含浸網積層于金屬模中，或將纏繞成型的芯模置于金屬模中，在一定的溫度和壓力下使其固化。 拉拔法 將含浸有樹脂的纖維束通過成型模拉制成所需斷面形狀。,（2）非連續(xù)纖維強化復合材料 非連續(xù)纖維強化復合材料的成型方法主要有手糊法、模壓法、注射法、擠壓法等幾種。 注射法 采用注射的方法使處于熔化狀態(tài)的高分子與強化材料的混合物流入并充滿成型模，經固化而獲得所需制品。 擠壓法 借助柱塞或螺稈將圓筒容器內的處于熔化狀態(tài)的高分子與強化材料的混合物通過成型?？讛D出制取所需斷面形狀的制品。,（3）層狀復合材料 典型的高分子層狀復合材料有夾層復合材料、各種復合膜、人造革等。 由三層以上的不同材料或不同結構組成的復合材料稱為夾層復合材料。 根據夾芯的類型，夾層復合材料可以分為泡沫夾層材料、蜂窩夾層材料與折板夾層材料三種。夾層復合材料的各層之間主要采用粘結的方法進行接合。,1.4 復合材料的應用,1.4.1 金屬復合材料 金屬復合材料中以層狀復合材料的應用面最廣、產量最大，如鋁包鋼導線、剛性電車導線、低溫超導材料、光纖、各種復合板、雙金屬管等。 金屬基復合材料中以顆粒強化復合材料發(fā)展最快，應用較為廣泛，其中尤以顆粒強化鋁基復合材料最具有代表性。,1.4.2 陶瓷復合