1、主要內容常見制備方法及應用2顆粒增強復合材料的應用3 3顆粒增強復合材料簡介3 1簡介定義：為了改善復合材料的力學性能，提高斷裂功、耐磨性、硬度等性能，向材料中添加高硬度、耐腐蝕、耐磨擦的顆粒材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、Mo S2、Si3N4、Ti B2、BN、C（石墨）等我們常見復合材料增強方式有：纖維增強和顆粒增強，纖維增強方法由于纖維的排布方式不同對材料的各向性能具有較大的影響，在纖維伸展方向材料的力學性能顯著加強，而在垂直與該方向則沒有很大改變，另外纖維成本較高，相比纖維增強顆粒增前具有成本低，易于混勻，對材料性能改善較為均一。 彌散增強復合材料（粒徑0.010.

2、1um,間距0.010.3um）純顆粒復合材料（粒徑150m，間距125m）空心微球（球徑1030m，壁厚110m）按顆粒尺寸間距分類分類 顆粒彌散強化陶瓷1顆粒增強聚合物32顆粒增強金屬 按基體分類顆粒強化機制基體承受載荷，彌散分布的增強顆粒阻礙導致基體塑性變形的位錯運動，如果位錯能量較大則會切開第二相，繼續(xù)運動，使其能量降低。基體承受載荷，彌散分布的增強顆粒阻礙導致基體塑性變形的位錯運動，隨著外加應力的逐漸增大位錯越來越彎曲，最終形成位錯環(huán)。常見的制備方法粉末冶金法制備復合材料流程顆粒金屬粉末混勻有機粘合劑混煉a壓制成型燒結機械加工、整形、熱處理成品校正、蒸汽處理粉末冶金法制備顆粒增強復合

3、材料多采用機械混合,較易制備顆粒均勻分布的復合材料,因而廣泛地應用在實驗室的基礎研究中。但粉末冶金法制備復合材料受初始基體合金的顯微組織、粉末尺寸和熱壓條件等因素的影響。而且其制備工藝成本高,而且復合材料的顯微組織無法改變,在實際生產中難以制造大尺寸和形狀復雜的零件。攪拌鑄造法攪拌鑄造法是將陶瓷增強顆粒直接加入到基體金屬熔體中，然后通過一定方式攪拌使增強顆粒分散在金屬熔體中，最后澆鑄得到工件，其工藝示意圖，如右圖所示。攪拌鑄造法工藝相對簡單，制造成本較低，是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產顆粒增強鐵基復合材料的技術。但攪拌鑄造法也有很多缺陷以及改善措施如下表壓力鑄造壓力鑄造簡稱壓鑄，是指將液態(tài)或半液態(tài)合

4、金澆入壓鑄機的壓室內，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形和結晶而獲得鑄件的一種鑄造技術。壓鑄最大的特點是生產效率高，鑄件質量好。但只適合用于大批量生產有色合金中小鑄件。壓力鑄造法制備碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的過程主要包括顆粒預制塊的制備和液態(tài)鋁合金在一定壓力下滲入預制塊中2部分SiC顆粒在復合材料中分布的均勻性由預制塊中顆粒分布的均勻程度來決定,并取決于預制塊的制備工藝。復合材料的孔隙率和碳化硅顆粒增強鋁基復合材料界面結合狀態(tài)與壓鑄工藝參數密切相關碳化硅顆粒增強鋁基復合材料中SiC顆粒的熱膨脹系數僅是鋁合金的1/6左右,復合材料從高溫到室溫的冷卻過程中,碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的界

5、面處將產生較大的熱應力,當熱應力高于基體合金的屈服強度時,基體合金將發(fā)生塑性變形,使基體合金中產生較高的位錯密度,基體合金中高密度位錯使合金得到強化,從而進一步提高了復合材料的強度。噴射沉積法 1-沉積室；2-基板；3-噴射流；4體霧化室；5-合金溶液；6-坩堝；7-霧化氣體；8-沉積體；9-運動機構；10-排氣 噴射沉積法的原理：合金熔液經過噴射霧利后形成高速飛行的液滴。這些液滴在完成凝固之前沉積在激冷汗基板上快速凝固。通過連續(xù)沉積可獲得大尺寸的快速凝固制件。 1-圓柱沉積坯； 2-感應加熱坩堝； 3-噴嘴； 4-沉積室；5-基棒；6-排氣管；7-循環(huán)分離器 在回轉體表面進行噴射沉積的工藝原

6、理圖。通過維持圓柱基底（基棒）的平動與轉動，在其表面噴射沉積具有快速凝固組織特征的材料。除了圓柱體外，還可以進行圓錐、圓鼓等各種復雜形狀回轉體的沉積?；鸹ǖ入x子體燒結 等離子體燒結是利用等離子體所特有的高溫、高焓,快速燒成陶瓷的一種新工藝,其原理如右圖等離子體燒結的優(yōu)點1)可燒制難燒結的材料。等離子體可快速地獲得2 000以上的超高溫,因而可以燒制用一般方法難以燒結的物質,包括復相陶瓷的反應燒結; (2)燒結時間短。陶瓷坯體通過表面與高溫高焓等離子體的熱交換,可獲得極高的升溫速度；(3)燒結體純度高、致密度高、晶粒度小,性能優(yōu)越。由于燒結時間短,燒結過程中不會混入雜質,可以阻止異常晶粒長大,因

7、而得到的陶瓷晶粒度小而均勻,其力學性能也很高;(4)可以連續(xù)燒結長形的陶瓷制品,如管、棒等;(5)其裝置相對較簡單,能量利用率高,運行費用低,而且容易實現(xiàn)自動化微波燒結微波燒結是利用陶瓷及其復合材料在微波電磁場中的介電損耗,將整體加熱至燒結溫度而實現(xiàn)致密化的快速燒結工藝。微波燒結的本質是微波電磁場與材料的相互作用,由高頻交變電磁場引起陶瓷材料a內部的自由束縛電荷,如偶極子、離子和電子等的反復極化和劇烈運動,在分子間產生碰撞、摩擦和內耗,將微波能轉變成熱能,從而產生高溫,達到燒結的目的。微波燒結具有以下優(yōu)點(1)極快的加熱和燒結速度,一般可達500/min,大大縮短了燒結時間;(2)降低燒結溫度

8、。可以在低于常規(guī)燒結溫度幾百度的情況下,燒結出與常規(guī)方法同樣密度的制品;(3)改進材料的顯微結構和宏觀性能。由于燒結速度快、時間短,從而避免了陶瓷材料燒結過程中晶粒的異常長大,有希望獲得具有高強度、高韌性的超細晶粒的結構;(4)經濟簡便地獲得2 000以上的超高溫;(5)高效節(jié)能,節(jié)能效率可達50%左右。這是因為微波直接為材料吸收轉化成熱能,燒結時間特別短;(6)無熱慣性,便于實現(xiàn)燒結的瞬時升、降溫的自動控制。滲透法制備顆粒增強復合材料主要過程：模子制備好后,將SiC顆粒加入模內;將助滲劑加入模內與SiC顆粒均勻混合,或放入鋁液中;將鋁或者鋁合金液經精煉后澆入模內。將澆注鋁液后的模子放入普通空

9、氣加熱爐中,溫度控制在850 950范圍內,根據零件厚度保溫一段時間,以便獲得一定滲透厚度的試件,保溫結束后,爐冷至500 ,出爐脫模就可獲得一定外形的鋁基復合材料。自蔓延高溫合成技術* 自蔓延高溫合成技術是一種利用反應物之間* 高化學反應熱的自加熱和自傳導過程,來合成材料的一種新技術。即利用外部熱源,將原料預先壓制成一定密度的坯件,進行局部或整體加熱,當溫度達到點燃溫度時,撤掉外部熱源,利用原料顆粒發(fā)生的固體與固體反應,或者固體與氣體反應放出的大量反應熱(如鋁熱反應)使反應繼續(xù)進行,所有原料反應結束后生成所需材料。一一、自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成 自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成 (Self-

10、propagating High-temperature Synthesis(Self-propagating High-temperature Synthesis，簡稱，簡稱SHS)SHS)利用化學反應利用化學反應放出的熱量放出的熱量使燃燒反應使燃燒反應自發(fā)的進行自發(fā)的進行下去，以獲下去，以獲得具有指定成分和結構的燃燒產物。得具有指定成分和結構的燃燒產物。 燃燒合成（燃燒合成（combustion synthesis)combustion synthesis)：任何具有化學特征、結果能生成有實用價值的凝聚物的任何具有化學特征、結果能生成有實用價值的凝聚物的放熱放熱反應反應都可稱謂燃燒。都可稱

11、謂燃燒。強烈的放熱反應強烈的放熱反應反應以反應波反應以反應波的形式傳播的形式傳播實質：就是一種高實質：就是一種高放熱化學反應放熱化學反應！自蔓延合成的要求：自蔓延合成的要求：1 1、劇烈的放熱反應、劇烈的放熱反應2 2、絕熱燃燒溫度（、絕熱燃燒溫度（T Ta a） 1 1） 要使燃燒能夠自持，產物的要使燃燒能夠自持，產物的T Ta a大于大于1800K1800K； 2 2） T Ta a大于產物熔點，存在液相，反應易進行大于產物熔點，存在液相，反應易進行Ta-Ta-絕熱溫度絕熱溫度: :反應過程中能達到的最高溫度反應過程中能達到的最高溫度. .自蔓延工藝優(yōu)點* 此工藝最大的優(yōu)點是節(jié)能,不需要高

12、溫設備,其反應溫度可達2 500以上,反應速度快、節(jié)能、方法簡便、經濟等。與傳統(tǒng)方法相比,自蔓延高溫合成技術獲得的零件,有好的顆粒單晶性、高的純度和高的結構穩(wěn)定性。熱等靜壓技術(hot isostatic pressing，簡稱HIP) 是一種在高溫和高壓同時作用下，使物料經受等靜壓的工藝技術，它不僅用于粉末體的固結工藝成型與燒結兩步作業(yè)一并完成。而且還用于工件的擴散粘結，鑄件缺陷的消除，復雜形狀零件的制作等。在熱等靜壓中，一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為10002200 ，工作壓力常為100200MPa。 熱等靜壓技術基本原理示意圖1.上蓋，2

13、.高壓缸，3.發(fā)熱體，4.工件，5.下蓋，6.泵等靜壓技術特點： 等靜壓成型的制品密度高，一般要比單向和雙向模壓成型高5 -15% 。熱等靜壓制品相對密度可達99.8-99.09 。 壓坯的密度均勻一致。在摸壓成型中，無論是單向、還是雙向壓制，都會出現(xiàn)壓坯密度分布不均現(xiàn)象。這種密度的變化在壓制復雜形狀制品時，往往可達到10% 以上。這是由于粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質傳遞壓力，在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致，粉料與包套無相對運動，它們之間的摩擦阻力很少，壓力只有輕微地下降，這種密度一般只有1% 以下，因此，可認為坯體密度是均勻的。 因為密度均勻，所以制作長徑比可不受

14、限制，這就有利于生產棒狀、管狀細而長的產品。 等靜壓成型工藝，一般不需要在粉料中添加潤滑劑，這樣既減少了對制品的污染，又簡化了制造工序。 等靜壓成型的制品，性能優(yōu)異，生產周期短，應用范圍廣。等靜壓成型工藝的缺點是，工藝效率較低，設備昴貴。熱壓成形法顆粒與a聚合物混勻一定的壓力和溫度保溫保壓一段時間成品這種方法不適用于熔點較高易分解的聚合物熔融共混法聚合物顆a粒處理過的粉末粘流態(tài)a加熱成型混煉將粉末表面處理后加入到處于玻璃化溫度以上的聚合物中共混，但此種方法得到的材料中顆粒分布不均勻且有明顯團聚的現(xiàn)象。溶液共混法聚合物溶解于溶劑處理過的粉末除去溶a劑攪拌成型將粉末表面處理后加入到溶解有聚合物的溶劑中，攪拌均勻后除去溶劑。但此種方法得到的材料相對于熔融法性能稍差。原位共聚法顆粒與聚合物單體一定比例混勻成品加入引發(fā)a劑反應并除水原位共聚法制得的 聚合物材料