先进复合材料及技术

先进复合材料课程作业姓名：学号：专业：授课教师：赵玉涛1、论述国内外先进复合材料（在纳米复合材料、生物复合材料、智能复合材料中选一）的最新研究进展与发展趋势。智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信号通过信息处理器作出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能，以及各种智能纺织品。★智能复合材料最新研究进展：智能复合材料主要由基体、传感器、信息处理器和驱动器组成。基体材料较多采用高分子物，主要作用是承载。传感器的主要作用是感知环境的变化(如温度、热、声音、压力、光等)，并将其转换为相应的信号。这类材料(一般有敏感的感知能力)有形状记忆合金(SMA)、压电材料、光纤、电/磁致粘流体、光致变化材料等，尤其是光纤应用最广(可感觉压力、温度、密度、弯曲、射线等)。信息处理器是核心的部分，它对传感器输出信号进行判断处理。构成驱动器部分的驱动。材料在一定条件下可产生较大的应变和应力，从而起到响应和控制作用，如形状记忆合金、磁致伸缩材料、pH致伸缩材料等。复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。目前，研究者主要针对智能复合材料制备技术先进化、功能复合化、应用广泛化等一系列先进技术展开了研究，无论是在智能复合材料的制备，还是其材料结构、性能的检测方面，都取得了一定的进步。（一）制备工艺数字化：智能复合材料具有优异的性能而备受人们青睐，国内外研究者对如何改进工艺方法、提升制造效率、提高制造质量以及降低综合制造成本等方面提出了更高的要求，特别是在自动化制造技术迅猛发展和广泛应用的背景下，复合材料构件的加工制造设备和制造手段更加趋向于自动化及数字化，向多种技术、多种工艺、多种加工方法融合的数字化复合加工方向发展。其中主要包括：（1）数字化自动铺放工艺技术（2）超声波数控加工技术（3）与五轴数控机床组合应用的柔性夹持加工技术。这些技术主要应用于复合材料型材构件、复合材料编织物缝合成型、板材构件等的铣削钻孔和锪窝等[1]。通过相关关键技术和装备的研制和工程化应用，使复合材料构件的研制能力得到突破，整体制造水平显著提高，实现了大型复杂复合材料构件的高速度、高精度和高效率制造。（二）原料合成表征技术：2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的先进制造业伙伴关系(AdvancedManufacturingPartnership,AMP)计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而材料基因组计划(MaterialsGenomeInitiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分，投资将超过1亿美元。随着材料基因组计划的宣布，我国材料专家也进行了相关的科学研究，如我国冶金分析表征专家王海舟院士对原位统计分布表征的研究，极大地推动了材料制备的发展进程。（三）超声无损探伤技术：针对航空航天高端装备制造与服役过程中复合材料部件的复杂型面检测、非接触检测、快速检测、现场检测等问题，依托自主研制的新型超声检测系统开展实验研究，基于相控阵超声技术实现碳纤维增强树脂基复合材料L型构件R区孔隙、分层缺陷检测；基于空气耦合超声技术实现蜂窝夹芯复合材料脱黏缺陷检测；基于激光超声技术实现碳纤维树脂基复合材料孔隙、紧固孔分层检测及耐高温复合材料分层缺陷检测。分析了各项技术的关键问题、应用范围和发展方向。研究结果表明，应用超声无损检测新技术可以实现复合材料部件的复杂型面检测、非接触检测和快速检测，并且可以现场应用[2]。★智能复合材料发展趋势：智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。由此，我们也可以观察到，复合材料的发展趋势是：（1）进一步提高结构型先进复合材料的性能；（2）深入了解和控制复合材料的界面问题；（3）建立健全复合材料的复合材料力学；（4）复合材料结构设计的智能化；（5）加强功能复合材料的研究。[3]此外,复合材料的绿色环保生产趋势也是现代文明对其发展的要求。总的来说，先进复合材料具有高的比强度、比刚度、热稳定性，较低的热膨胀系数，优良的导热性、耐疲劳性及耐磨性等性能而广泛受到人们的关注，尤其是智能复合材料由于其特殊的结构、功能而不断地被开发利用，其发展趋势也越来越明显化。由于其具有良好的使用性能，其应用逐渐朝着广泛化发展；广泛的使用要求材料制备实现低成本、机械化、性能优良化以及多样化。目前，传统的制备方法已经不能满足生产需求，制备手段已经呈现出多样化趋势，计算机技术的引入可实现其数字化、自动化制备；原位统计分布表征与激光烧结技术的完美结合使得智能复合材料结构更加均匀化，功能实现更加精准化；高端的制备方法，不同于一般材料的优异性能使其凸显高端技术领域应用的趋势。2、论述结构复合材料（在金属基、陶瓷基、聚合物基中选择一类）的制备技术、性能及其应用情况；金属基复合材料是指以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。金属基复合材料按增强体的类别来分类，可分为纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等[4]。★金属基复合材料制备技术：金属基复合材料品种繁多，根据其不同性质，应选取不同的制造工艺。现有的制造工艺有：粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、反应自生法等。归纳起来可分为：固态法、液态法和自生成法及其他制备方法。下面简单介绍几种常见的制备方法：（一）粉末冶金复合法粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等[5]。（二）铸造凝固成型法铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。其中，原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术LiquidContactReaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。（三）喷射成形法喷射成形又称喷射沉积（SprayForming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。利用喷射成形原理制备工艺有添加法（inertsprayform-ing）和反应法（reactivesprayforming）两种。OspreyMetals研究的Osprey工艺是喷射成形法的代表，其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。（四）叠层复合法叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。（五）原位自生成复合法原位自生成复合法也称反应合成技术，金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金属及其合金，或（NiTi）（AlTi）等金属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料。金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等。它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。★金属基复合材料性能：金属基复合材料的增强体主要有纤维、晶须和颗粒，这些增强体主要是无机物（陶瓷）和金属。无机纤维主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维等。金属纤维主要有铍、钢、不锈钢和钨纤维等。用于增强金属复合材料的颗粒主要是无机非金属颗粒，主要包括石墨、碳化硅、氧化铝、碳化硅、碳化钛、碳化硼等。金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。通过优化组合可以既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。综合归纳金属基复合材料有以下性能特点：A．高比强度、比模量；B.良好的导热、导电性能；C．热膨胀系数小、尺寸稳定性好；D．良好的高温性能和耐磨性；E．良好的断裂韧性和抗疲劳性能；F．不吸潮、不老化、气密性好。★金属基复合材料的应用：近些年来正在迅速开发研究适用于350℃～1200℃使用的各种金属基复合材料。金属基复合材料是以金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。增强材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。金属基体除金属铝、镁外，还发展有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物，及黑色金属作为金属基体。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。是令人注目的航空航天用高温材料，可用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。目前不断发展和完善的金属基复合材料以碳化硅颗粒铝合金发展最快。这种