复合材料制备工艺

复合材料制备工艺材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺2§9.1概述金属材料：力学性能和可加工性好多数不耐很高的温度耐磨和耐蚀性差陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好很脆，加工性能差高聚物材料：密度很低、韧性好强度、刚度、耐热性有限材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺3早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增强聚合物基复合材料。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺41、定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体2、组成：基体—连续相(延性、韧性好)增强/强化相—分散相(强度高、密度小)3、特点与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：（1）密度低、比强度、比模量高（2）疲劳强度高（3）热膨胀系数小（4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺5§9.2增强材料材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺6选择增强材料的原则：1)增强材料的强度、模量和密度；2)增强材料与基体材料的相容性；4)性能/价格比。晶须和纤维：高强度、价格昂贵颗粒增强材料：价廉、耐磨材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺71、纤维增强材料主要有玻璃~、芳纶~(Kevlar~)、尼龙~、聚乙烯~(Spectra~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon~)、氧化铝~以及金属~（如钨、钼、不锈钢丝等）。玻璃纤维碳纤维材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺8碳纤维的结构模型a-普通型；b-高强度型；c-高弹性模量型一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺92、晶须目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主要是碳化硅~、氧化铝~、氮化硅~等陶瓷晶须。α-碳化硅晶须NbC晶须材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺10a)多角状SiC颗粒b)等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒c)溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒d)α-Al2O3片晶3、颗粒增强材料碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺11§9.4典型的复合材料及其应用（1）按用途分：结构材料、功能材料（2）按各成分在材料中的集散情况分：分散强化型~、层状~、梯度~（3）按基体材料类型分：金属基~、聚合物基~、陶瓷基~、碳/碳~（C/C）（4）按增强材料形态分：颗粒增强~、晶须增强~、纤维增强~材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺12层状复合材料—铝包钢线材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺13功能复合材料陶瓷基复合材料材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺141、聚合物基复合材料（PolymerMatrixComposites，简称PMC）在结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广和用量最大的是聚合物基复合材料。包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强复合材料材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺15玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)突出特点：密度低、比强度高。应用航空航天工业：波音B-747飞机的机内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2，如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺16火箭发动机壳体、喷管(耐烧蚀)。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺17能源领域—风力发动机叶片风能发电每年以约25%的速率递增随发电功率增大，风机叶片尺寸越来越大，对强度和刚度的要求提高，大多采用玻璃钢（30多米）材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺18特点之二：具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。石油化工：贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺19玻璃钢容器（200m3水箱）大口径玻璃钢输水管道材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺20采用玻璃钢制作的体育用品也越来越多，大到快艇、帆船、滑雪车，小到自行车赛车、滑雪板、钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺21复合材料(玻璃钢)制作的渔船材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺22玻璃钢具有透光、隔热、隔音和防腐等性能，因而可作为轻质建筑材料，如用于建筑工程的各种玻璃钢型材。玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢各种玻璃钢型材制品材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺232、金属基复合材料（MetalMatrixComposites、简称MMC）耐高温、高比强度和比模量；具有高韧性、耐热冲击、导电和导热性能好，并可和金属材料一样进行热处理和其它加工来进一步提高性能。MMC以基体来分类可分为：铝基、钛基、镁基和高温合金基复合材料。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺24铝基复合材料（AluminumMatrixComposites）是当前使用最广泛、应用最早、品种和规格最多的一种MMC。硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺25随着碳纤维、碳化硅纤维等增强材料的开发，降低了MMC的成本，铝基MMC已用于空间站结构材料如主结构支架等，和飞机结构件如发动机风扇叶片、尾翼等。飞机结构件材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺26短纤维、晶须和颗粒增强材料在MMC的应用以及MMC新的制备技术开发，降低了成本，扩大了铝基MMC在民用领域的应用，最明显的是在汽车工业中的应用。由于Al2O3颗粒或短纤维、SiC颗粒或晶须、B4C颗粒增强的铝基MMC具有良好的高温力学性能、导热性和耐磨性，因此可制成汽车发动机的汽缸套、活塞（活塞环）、连杆、气门挺柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺27Al2O3短纤维/Al汽车活塞(活塞环)(丰田汽车公司)(左)SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6kg(福特、通用汽车公司)(中)SiCp/Al，Al2O3p/Al汽车刹车盘，减重60％(丰田、福特和通用汽车公司)(右)材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺283、陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites、简称CMC）基体：玻璃陶瓷（如锂铝硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化铝、碳化硅、氮化硅等增强材料：碳化硅纤维、碳纤维，碳化硅晶须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化锆增韧氧化铝等。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺29用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺30由YBa2Cu3O7-x（淡色的表面层）CVD到Al2O3多丝纤维（黑色核心部分）上而制成的Y-Ba-Cu-O超导复合材料材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺31CMC的高硬度、耐蚀性和耐磨性，如SiCw/Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已得到广泛应用的领域是用于现代高速、数控机床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。SiC晶须增强氧化铝钻头（左）颗粒增强氮化硅刀具(中)采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件（右）材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺32CMC可以制作人工关节等，在生物医学领域也得到应用。CMC的人工关节和齿材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺334、碳/碳复合材料（C/C）一般C/C是由碳纤维及其制品做成预成型体，通过CVD或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的。三维正交碳纤维增强的C/C的显微结构材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺34作为耐烧蚀材料用于军事工业的导弹弹头，固体火箭发动机喷管、喉衬，在航天领域中作为航天飞机的鼻锥、机翼前缘。C/C在航天领域中的应用材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺35具有优异的摩擦磨损性能。C/C可作为军用和民用飞机的刹车盘材料得到广泛应用。目前(60~70)％的C/C主要用于摩擦材料，包括飞机刹车盘、F-1赛车、高速列车的刹车制动材料。C/C的刹车盘材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺36由于C/C的高温性能和低密度特性，有可能成为工作温度达1500~1700℃的航空发动机理想轻质材料。目前研究人员正在进行C/C航空发动机的燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。C/C的另一用途是利用其与人体的生物相容性，用于生物医学领域，例如人工心脏瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髋关节等。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺37§9.5复合材料制备工艺§9.5.1金属基复合材料的制备粉末冶金法铸造热压扩散法热挤热轧熔融金属浸透等离子喷涂法等材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺381、粉末冶金法广泛用于各种颗粒、晶须及短纤维增强的分散强化型金属基复合材料。首先将金属粉末和增强体均匀混合，制得复合坯料，再压制烧结成锭，然后可通过挤压、轧制和锻造等二次加工成材。原生复合法利用烧结高温下的化学反应，在烧结体内直接生成能够强化颗粒。如2Cu-Al+3CuO→5Cu+Al2O3材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺39优点：（1）自由选择基体金属材料和强化颗粒；（2）强化颗粒分散均匀。缺点：（1）工艺较复杂，成本高；（2）微细颗粒均匀分散较困难；（3）强化颗粒表面污染不易除去，基体与颗粒界面不如铸造法。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺402、铸造凝固成形分类：（1）用于分散强化型复合材料成形的方法：普通铸造法；含浸凝固法；连续铸造法；（2）用于层状复合材料成形的方法：离心铸造法；热浸镀法；反向凝固法；铸拉法；双结晶器铸造法。材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺41含浸凝固法（加压含浸法）（1）定义：将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体（预成形体）含浸于熔融基体金属中，待浸透后，使其凝固以制备复合材料的方法。（2）特点优点：两相之间润湿性差的复合材料；有利于提高强化相含量；有利于抑制强化相与基体之间反应（接触时间短）。缺点：颗粒强化预成形体的制备比较困难，熔体金属不易浸透至预成形体的内部。加压含浸法材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—复合材料制备工艺42含浸凝固法工艺及其制备的SiC/Al复合材料显微组织材料科学与工程学院2020/2/28材料工程基础—