湖大材料工程基礎(chǔ)件十復(fù)合材料制備工藝第1頁/共75頁2023/4/172早期人類用茅草與泥漿混合作為建筑材料、在戰(zhàn)國時期的越王劍和吳王矛是金屬包層復(fù)合材料、三國時期的藤甲是用藤浸漬桐油后形成的纖維增強聚合物基復(fù)合材料。第2頁/共75頁2023/4/1731、定義：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體2、組成：基體—連續(xù)相(延性、韌性好)

增強/強化相—分散相(強度高、密度小)3、特點與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料存在以下特點：（1）密度低、比強度、比模量高（2）疲勞強度高（3）熱膨脹系數(shù)?。?）耐腐蝕、耐熱沖擊、耐燒蝕等第3頁/共75頁2023/4/174§10.2增強材料

第4頁/共75頁2023/4/175選擇增強材料的原則：

1)增強材料的強度、模量和密度；

2)增強材料與基體材料的相容性；

4)性能/價格比。晶須和纖維：高強度、價格昂貴顆粒增強材料：價廉、耐磨第5頁/共75頁2023/4/1761、纖維增強材料

主要有玻璃~、芳綸~(Kevlar~)、尼龍~、聚乙烯~(Spectra~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon~)、氧化鋁~以及金屬~（如鎢、鉬、不銹鋼絲等）。玻璃纖維碳纖維

第6頁/共75頁2023/4/177碳纖維的結(jié)構(gòu)模型

a-普通型；b-高強度型；

c-高彈性模量型一般碳纖維由亂層結(jié)構(gòu)石墨微晶所組成，石墨的網(wǎng)平面不完整，沿纖維軸向排列也不整齊，強度和模量不夠高；高強度碳纖維網(wǎng)平面完整性提高，沿軸向排列也趨于整齊；高模量纖維則網(wǎng)平面更完整，沿軸向排列更整齊。第7頁/共75頁2023/4/1782、晶須

目前已研發(fā)出上百種晶須，在復(fù)合材料中應(yīng)用的主要是碳化硅~、氧化鋁~、氮化硅~等陶瓷晶須。α-碳化硅晶須NbC晶須第8頁/共75頁2023/4/179a)多角狀SiC顆粒b)等離子噴射熔融法制備的Al2O3顆粒c)溶膠凝膠法制備的Al2O3顆粒d)α-Al2O3片晶3、顆粒增強材料碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨等顆粒。第9頁/共75頁2023/4/1710

纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原則

材料復(fù)合的目的是獲得最佳的強度、剛度等機械性能。（1）纖維是材料的主要承載組成，因此應(yīng)該具有最高的強度和剛度。彈性模量E愈高，在同樣應(yīng)變量下，按照虎克定律，所承受的應(yīng)力愈大，工作中能承受的載荷愈大，更能充分發(fā)揮對材料的增強作用。此外，剛度高，比重小，熱穩(wěn)定性高也是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所必要的。（2）基體起粘結(jié)纖維的作用，因此必須：①對纖維有潤濕性，以便在界面上有必要的粘結(jié)力，而將纖維粘結(jié)為一個整體；②具有一定的塑性和韌性，對裂紋起致偏和控制作用；③能保護纖維表面，不引入裂紋，不發(fā)生損傷纖維表面的反應(yīng)。第10頁/共75頁2023/4/1711（3）纖維與基體之間應(yīng)該有高的且合適的結(jié)合強度。結(jié)合強度高，不僅直接有利于整個材料的強度，更重要的是便于將基體所承受的載荷傳遞給纖維，以充分發(fā)揮纖維的增強作用。結(jié)合強度過低，界面很難傳遞載荷，纖維無法增強，整體強度下降。結(jié)合強度過高也不利，使復(fù)合材料斷裂時失去纖維從基體拔出的過程，降低復(fù)合材料的強度，在載荷過大時可能導(dǎo)致危險的脆性斷裂。（4）纖維與基體的熱膨脹性能應(yīng)有較好的協(xié)調(diào)和配合。通常要求兩者的熱膨脹系數(shù)相近，如果纖維和基體熱膨脹系數(shù)相差過大，則有可能在熱脹冷縮過程中產(chǎn)生應(yīng)力，削弱兩者之間的結(jié)合強度，從而降低材料的整體強度。但對于韌性較低的基體，纖維的熱膨脹系數(shù)可以略高一些，以便在受熱后的冷卻過程中，由于收縮較大使基體處于受壓狀態(tài)，而獲得一定的保護。相反，對于塑性較好的基體，纖維的熱膨脹系數(shù)則可稍小一些，以便在其中造成殘余壓應(yīng)力，增進韌性。第11頁/共75頁2023/4/1712（5）纖維必須有合理的含量、尺寸和分布。一般來說，體積含量愈高，增強效果愈大，但體積含量過高，增強效果又會下降。比較合適的纖維含量在40~70%范圍內(nèi)。纖維越細，則缺陷越少，強度越高；同時細纖維的表面積較大，有利于增加與基體的結(jié)合力，即直徑越小，纖維增強效果越大。纖維的長度對增強有利，連續(xù)纖維比短纖維的增強效果大得多。短切纖維只有在超過一定的臨界值時，才能有明顯的強化效果。從加工性能的角度考慮，短纖維易于與基體混合，因此實際生產(chǎn)中常采用長徑比大于某一臨界值的不連續(xù)纖維。纖維的分布方式應(yīng)符合于構(gòu)件的受力要求。由于纖維的縱向拉伸強度比橫向高幾十倍，所以應(yīng)盡量使纖維的排列平行于應(yīng)力作用的方向。受力復(fù)雜的情況下，纖維采用不同方向交叉層疊的方式排列，以提供多個方向的增強效果。第12頁/共75頁2023/4/1713顆粒增強復(fù)合材料的復(fù)合原則

顆粒增強復(fù)合材料增強顆粒的尺寸一般很小，直徑約為100~2500?，并且大都為硬質(zhì)顆粒，可以是金屬或非金屬，最常見的是氧化物。這些彌散于金屬或合金基體中的顆粒，可以有效地阻礙位錯的運動或在聚合物基體中，顆?？勺璧K大分子鏈的運動；或在陶瓷基體中，顆粒對裂紋可起到屏蔽作用，進而產(chǎn)生顯著的強化效果。這類復(fù)合材料的復(fù)合強化機理與合金的沉淀硬化機理類似，可用Orowan理論（即位錯繞過質(zhì)點的理論）予以解釋。復(fù)合材料中基體是承受載荷的主體，所不同的是這些細小彌散顆粒不是借助于相變產(chǎn)生的第二相質(zhì)點，它們隨溫度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增強效果在高溫下可維持較長的時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能明顯優(yōu)于所用的基體金屬或合金。第13頁/共75頁2023/4/1714

若顆粒直徑小于100?，這時材料結(jié)構(gòu)接近于固溶體結(jié)構(gòu)，位錯容易繞過，難以對位錯起障礙作用，增強作用不大。若顆粒直徑大于1000?，在載荷作用下，顆粒周圍將造成應(yīng)力集中，或基體本身破裂，導(dǎo)致強度降低。為使彌散增強復(fù)合材料的性能達到最佳，除要求顆粒堅硬、穩(wěn)定、與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，顆粒的尺寸、形狀、體積分?jǐn)?shù)以及同基體結(jié)合能力均是必須加以考慮的因素。實踐表明，復(fù)合材料的性能顯著受到顆粒大小的影響，為提高增強效果，通常選擇尺寸較小的顆粒，并且盡可能地使其均勻分布在基體中。第14頁/共75頁2023/4/1715§10.4典型的復(fù)合材料及其應(yīng)用

（1）按用途分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料（2）按各成分在材料中的集散情況分：分散強化型~、層狀~、梯度~

（3）按基體材料類型分：金屬基~、聚合物基~、陶瓷基~、碳/碳~（C/C）

（4）按增強材料形態(tài)分：顆粒增強~、晶須增強~、纖維增強~

第15頁/共75頁2023/4/1716層狀復(fù)合材料—鋁包鋼線

第16頁/共75頁2023/4/1717功能復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第17頁/共75頁2023/4/17181、聚合物基復(fù)合材料

（PolymerMatrixComposites，簡稱PMC）

在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣和用量最大的是聚合物基復(fù)合材料。包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維等增強復(fù)合材料

第18頁/共75頁2023/4/1719玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料，GFRP)

突出特點：密度低、比強度高。

應(yīng)用航空航天工業(yè)：波音B-747飛機的機內(nèi)、外結(jié)構(gòu)件中玻璃鋼的使用面積達到了2700m2，如雷達罩、機艙門、燃料箱、行李架和地板等。第19頁/共75頁2023/4/1720火箭發(fā)動機殼體、噴管(耐燒蝕)。第20頁/共75頁2023/4/1721能源領(lǐng)域—風(fēng)力發(fā)動機葉片風(fēng)能發(fā)電每年以約25%的速率遞增隨發(fā)電功率增大，風(fēng)機葉片尺寸越來越大，對強度和剛度的要求提高，大多采用玻璃鋼（30多米）第21頁/共75頁2023/4/1722特點之二：具有良好的耐腐蝕性能，在酸、堿、海水，甚至有機溶劑等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，耐腐蝕性超過了不銹鋼。石油化工：貯罐、容器、管道、洗滌器、冷卻塔等

玻璃鋼管道與接頭在石油、化工工業(yè)中的應(yīng)用第22頁/共75頁2023/4/1723玻璃鋼容器（200m3水箱）大口徑玻璃鋼輸水管道第23頁/共75頁2023/4/1724

采用玻璃鋼制作的體育用品也越來越多，大到快艇、帆船、滑雪車，小到自行車賽車、滑雪板、釣魚竿、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，應(yīng)有盡有。第24頁/共75頁2023/4/1725復(fù)合材料(玻璃鋼)制作的漁船

第25頁/共75頁2023/4/1726

玻璃鋼具有透光、隔熱、隔音和防腐等性能，因而可作為輕質(zhì)建筑材料，如用于建筑工程的各種玻璃鋼型材。

玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢各種玻璃鋼型材制品第26頁/共75頁2023/4/17272、金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposites、簡稱MMC）

耐高溫、高比強度和比模量；具有高韌性、耐熱沖擊、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好，并可和金屬材料一樣進行熱處理和其它加工來進一步提高性能。

MMC以基體來分類可分為：鋁基、鈦基、鎂基和高溫合金基復(fù)合材料。第27頁/共75頁2023/4/1728

鋁基復(fù)合材料（AluminumMatrixComposites）是當(dāng)前使用最廣泛、應(yīng)用最早、品種和規(guī)格最多的一種MMC。

硼纖維增強鋁基復(fù)合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱第28頁/共75頁2023/4/1729隨著碳纖維、碳化硅纖維等增強材料的開發(fā)，降低了MMC的成本，鋁基MMC已用于空間站結(jié)構(gòu)材料如主結(jié)構(gòu)支架等，和飛機結(jié)構(gòu)件如發(fā)動機風(fēng)扇葉片、尾翼等。

飛機結(jié)構(gòu)件第29頁/共75頁2023/4/1730短纖維、晶須和顆粒增強材料在MMC的應(yīng)用以及MMC新的制備技術(shù)開發(fā)，降低了成本，擴大了鋁基MMC在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，最明顯的是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。由于Al2O3顆粒或短纖維、SiC顆?；蚓ы?、B4C顆粒增強的鋁基MMC具有良好的高溫力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和耐磨性，因此可制成汽車發(fā)動機的汽缸套、活塞（活塞環(huán)）、連桿、氣門挺柱以及制動器的剎車盤、剎車襯片等。

第30頁/共75頁2023/4/1731Al2O3短纖維/Al汽車活塞(活塞環(huán))(豐田汽車公司)(左)SiCp/Al連桿，鍛件替代鋼連桿，減重6kg(福特、通用汽車公司)(中)SiCp/Al，Al2O3p/Al汽車剎車盤，減重60％(豐田、福特和通用汽車公司)(右)第31頁/共75頁2023/4/1732MMC組織特點Al-7Si/SiCp的錠坯組織(冷速不同)

增強相的分布特點(錠坯和塑性加工材料)擠壓過程中陶瓷顆粒流線的形成第32頁/共75頁2023/4/1733Al-4wt％Cu/SiCp復(fù)合材料中’相的分布照片鋁基復(fù)合材料中的位錯結(jié)構(gòu)第33頁/共75頁2023/4/1734特殊的晶粒結(jié)構(gòu)

增強顆粒附近的位錯密度非常高，容易導(dǎo)致細小亞晶粒的產(chǎn)生，特別是對應(yīng)層錯能高的金屬。增強顆粒抑制晶粒轉(zhuǎn)動，因而減輕形變織構(gòu)，效果與體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。第34頁/共75頁2023/4/1735P/MAl/10vol％SiCp擠壓后的掃描電鏡照片。細小的氧化物條帶顯示了變形期間基體流變場的特征。SiC顆粒群內(nèi)的基體沒有變形。實際上，這三個顆粒的行為相當(dāng)于一個大尺寸顆粒的行為(在這個顆粒群周圍存在與大顆粒外圍相同的變形情況)第35頁/共75頁2023/4/1736影響再結(jié)晶過程小尺寸顆粒會釘扎大角度晶界，如果顆粒尺寸較大，則會促進再結(jié)晶形核。再結(jié)晶過程對增強相的體積分?jǐn)?shù)非常敏感。第36頁/共75頁2023/4/1737MMC界面問題

特點在界面處會出現(xiàn)材料的物理性質(zhì)(彈性模量、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱力學(xué)參數(shù))和化學(xué)性質(zhì)等的不連續(xù)性。結(jié)構(gòu)復(fù)雜性：接觸連接面、反應(yīng)產(chǎn)物、析出相、元素的擴散與偏聚、近界面的高密度位錯區(qū)等。第37頁/共75頁2023/4/1738界面結(jié)合類型化學(xué)結(jié)合如Al/Cf、Ti/SiCf等物理結(jié)合無反應(yīng)無擴散。如：Al/SiCf、Al/Bf擴散結(jié)合機械結(jié)合第38頁/共75頁2023/4/1739

界面優(yōu)化及界面反應(yīng)控制采用惰性擴散層來抑制界面反應(yīng)增強相表面改性，以提高界面結(jié)合強度問題提高熔體溫度在熔體中添加合金化元素增強相表面處理，如煅燒、氧化、粗糙化涂層，如電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、sol-gel等第39頁/共75頁2023/4/1740MMCS的性能特點優(yōu)點組織結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計性和可控制性強高彈性模量、高強度、高剛性膨脹系數(shù)可控高溫性能較好(與基體合金相比)阻尼性能優(yōu)異耐磨損性質(zhì)好抗蠕變性能優(yōu)異抗疲勞性能好不吸收水氣(與樹脂基復(fù)合材料比較)第40頁/共75頁2023/4/1741MMC彈性模量鋁基復(fù)合材料的單周和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線第41頁/共75頁2023/4/1742金屬和MMCs膨脹系數(shù)對比MMCs的耐熱性能第42頁/共75頁2023/4/1743第43頁/共75頁2023/4/1744缺點塑性和韌性較低疲勞性能不夠理想復(fù)合材料表面增強顆粒脫粘帶來的危害腐蝕問題復(fù)雜焊接工藝難度大價格較高技術(shù)較不成熟第44頁/共75頁2023/4/1745金屬基復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域衛(wèi)星和空間結(jié)構(gòu)材料：各種框架結(jié)構(gòu)，可展開天線，公用機匣，緊固件等；導(dǎo)彈材料：艙段殼體、彈翼連接法蘭盤、發(fā)動機部件、翼面、舵面電子及光學(xué)儀表：微波波導(dǎo)管、散熱器、封裝材料、雷達天線、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學(xué)儀器托架等；飛機：翼梁、起落架、壓氣機、風(fēng)扇葉片、剎車片等；直升機的傳動機匣、螺旋漿、旋翼槳轂等；第45頁/共75頁2023/4/1746輕武器：榴彈發(fā)射器槍管、輕型炮管、炮架；水中兵器：魚雷殼體、潛望鏡鏡桿、魚雷發(fā)動機缸套及缸蓋、活塞等；坦克：履帶、驅(qū)動輪、裝甲、炮管等；交通：汽車發(fā)動機部件(活塞、缸體、汽缸套)、連桿、驅(qū)動軸、制動盤、搖臂、軸承套等；高速列車制動盤等。第46頁/共75頁2023/4/1747在航天等領(lǐng)域的應(yīng)用第47頁/共75頁2023/4/17483、陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrixComposites、簡稱CMC）基體：玻璃陶瓷（如鋰鋁硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化鋁、碳化硅、氮化硅等增強材料：碳化硅纖維、碳纖維，碳化硅晶須、碳化硅顆粒、氧化鋁顆粒等典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化鋯增韌氧化鋁等。第48頁/共75頁2023/4/1749用于微波放大器中低壓場發(fā)射排列陰極的共晶原位復(fù)合材料鎢與鉬等難熔金屬的連續(xù)纖維平行排列于氧化物基體中第49頁/共75頁2023/4/1750

由YBa2Cu3O7-x（淡色的表面層）CVD到Al2O3多絲纖維（黑色核心部分）上而制成的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)復(fù)合材料

第50頁/共75頁2023/4/1751CMC的高硬度、耐蝕性和耐磨性，如SiCw/Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已得到廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域是用于現(xiàn)代高速、數(shù)控機床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。SiC晶須增強氧化鋁鉆頭（左）顆粒增強氮化硅刀具(中)采用顆粒增強氮化硅刀具加工高硬度的高鉻鑄鐵件（右）第51頁/共75頁2023/4/1752CMC可以制作人工關(guān)節(jié)等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到應(yīng)用。CMC的人工關(guān)節(jié)和齒第52頁/共75頁2023/4/17534、碳/碳復(fù)合材料（C/C）

一般C/C是由碳纖維及其制品做成預(yù)成型體，通過CVD或液態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/C的基體碳來制備的。三維正交碳纖維增強的C/C的顯微結(jié)構(gòu)第53頁/共75頁2023/4/1754作為耐燒蝕材料用于軍事工業(yè)的導(dǎo)彈彈頭，固體火箭發(fā)動機噴管、喉襯，在航天領(lǐng)域中作為航天飛機的鼻錐、機翼前緣。C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用第54頁/共75頁2023/4/1755具有優(yōu)異的摩擦磨損性能。C/C可作為軍用和民用飛機的剎車盤材料得到廣泛應(yīng)用。目前(60~70)％的C/C主要用于摩擦材料，包括飛機剎車盤、F-1賽車、高速列車的剎車制動材料。C/C的剎車盤第55頁/共75頁2023/4/1756由于C/C的高溫性能和低密度特性，有可能成為工作溫度達1500~1700℃的航空發(fā)動機理想輕質(zhì)材料。目前研究人員正在進行C/C航空發(fā)動機的燃燒室、整體渦輪盤及葉片的應(yīng)用研究。C/C的另一用途是利用其與人體的生物相容性，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如人工心臟瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髖關(guān)節(jié)等。

第56頁/共75頁2023/4/1757§10.5復(fù)合材料制備工藝§10.5.1金屬基復(fù)合材料的制備粉末冶金法鑄造熱壓擴散法熱擠熱軋熔融金屬浸透等離子噴涂法等第57頁/共75頁2023/4/17581、粉末冶金法廣泛用于各種顆粒、晶須及短纖維增強的分散強化型金屬基復(fù)合材料。首先將金屬粉末和增強體均勻混合，制得復(fù)合坯料，再壓制燒結(jié)成錠，然后可通過擠壓、軋制和鍛造等二次加工成材。原生復(fù)合法利用燒結(jié)高溫下的化學(xué)反應(yīng)，在燒結(jié)體內(nèi)直接生成能夠強化顆粒。如2Cu-Al+3CuO→5Cu+Al2O3第58頁/共75頁2023/4/1759優(yōu)點：（1）自由選擇基體金屬材料和強化顆粒（陶瓷加入量高，出、尺寸不受限制，有害界面反應(yīng)少）；（2）強化顆粒分散均勻。缺點：（1）工藝較復(fù)雜，成本高；（2）微細顆粒均勻分散較困難；（3）強化顆粒表面污染不易除去，基體與顆粒界面不如鑄造法。

第59頁/共75頁2023/4/17602、鑄造凝固成形

分類：

（1）用于分散強化型復(fù)合材料成形的方法：

普通鑄造法；含浸凝固法；連續(xù)鑄造法；（2）用于層狀復(fù)合材料成形的方法：

離心鑄造法；熱浸鍍法；反向凝固法；鑄拉法；雙結(jié)晶器鑄造法。

第60頁/共75頁2023/4/1761含浸凝固法（1）定義：將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體（預(yù)成形體）含浸于熔融基體金屬中，待浸透后，使其凝固以制備復(fù)合材料的方法。（2）特點

優(yōu)點：兩相之間潤濕性差的復(fù)合材料；

有利于提高強化相含量；有利于抑制強化相與基體之間反應(yīng)（接觸時間短）。缺點：顆粒強化預(yù)成形體的制備比較困難，熔體金屬不易浸透至預(yù)成形體的內(nèi)部。

第61頁/共75頁2023/4/1762含浸凝固法工藝及其制備的SiC/Al復(fù)合材料顯微組織第62頁/共75頁2023/4/17633、噴射沉積

1）添加法

顆粒添加噴射成形法具有強化顆粒與熔融金屬接觸時間短，界面反應(yīng)可以得到有效抑制。2）反應(yīng)噴射沉積法：使強化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動生成的方法。因此，反應(yīng)噴射沉積法也是一種原生復(fù)合法。

第63頁/共75頁2023/4/17644、熱壓擴散法按照制品形狀、纖維