颗粒增强复合材料

主要内容常见制备方法及应用2颗粒增强复合材料的应用33颗粒增强复合材料简介31简介定义：为了改善复合材料的力学性能，提高断裂功、耐磨性、硬度等性能，向材料中添加高硬度、耐腐蚀、耐磨擦的颗粒材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C（石墨）等我们常见复合材料增强方式有：纤维增强和颗粒增强，纤维增强方法由于纤维的排布方式不同对材料的各向性能具有较大的影响，在纤维伸展方向材料的力学性能显著加强，而在垂直与该方向则没有很大改变，另外纤维成本较高，相比纤维增强颗粒增前具有成本低，易于混匀，对材料性能改善较为均一。弥散增强复合材料（粒径0.01~0.1um,间距0.01~0.3um）纯颗粒复合材料（粒径1~50μm，间距1~25μm）空心微球（球径10~30μm，壁厚1~10μm）按颗粒尺寸间距分类分类颗粒弥散强化陶瓷1颗粒增强聚合物32颗粒增强金属按基体分类颗粒强化机制基体承受载荷，弥散分布的增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动，如果位错能量较大则会切开第二相，继续运动，使其能量降低。基体承受载荷，弥散分布的增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动，随着外加应力的逐渐增大位错越来越弯曲，最终形成位错环。常见的制备方法粉末冶金法制备复合材料流程颗粒金属粉末混匀有机粘合剂混炼a压制成型烧结机械加工、整形、热处理成品校正、蒸汽处理粉末冶金法制备颗粒增强复合材料多采用机械混合,较易制备颗粒均匀分布的复合材料,因而广泛地应用在实验室的基础研究中。但粉末冶金法制备复合材料受初始基体合金的显微组织、粉末尺寸和热压条件等因素的影响。而且其制备工艺成本高,而且复合材料的显微组织无法改变,在实际生产中难以制造大尺寸和形状复杂的零件。搅拌铸造法搅拌铸造法是将陶瓷增强颗粒直接加入到基体金属熔体中，然后通过一定方式搅拌使增强颗粒分散在金属熔体中，最后浇铸得到工件，其工艺示意图，如右图所示。搅拌铸造法工艺相对简单，制造成本较低，是一种适合于工业规模生产颗粒增强铁基复合材料的技术。但搅拌铸造法也有很多缺陷以及改善措施如下表压力铸造压力铸造简称压铸，是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形和结晶而获得铸件的一种铸造技术。压铸最大的特点是生产效率高，铸件质量好。但只适合用于大批量生产有色合金中小铸件。压力铸造法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的过程主要包括颗粒预制块的制备和液态铝合金在一定压力下渗入预制块中2部分SiC颗粒在复合材料中分布的均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度来决定,并取决于预制块的制备工艺。复合材料的孔隙率和碳化硅颗粒增强铝基复合材料界面结合状态与压铸工艺参数密切相关碳化硅颗粒增强铝基复合材料中SiC颗粒的热膨胀系数仅是铝合金的1/6左右,复合材料从高温到室温的冷却过程中,碳化硅颗粒增强铝基复合材料的界面处将产生较大的热应力,当热应力高于基体合金的屈服强度时,基体合金将发生塑性变形,使基体合金中产生较高的位错密度,基体合金中高密度位错使合金得到强化,从而进一步提高了复合材料的强度。喷射沉积法1-沉积室；2-基板；3-喷射流；4体雾化室；5-合金溶液；6-坩埚；7-雾化气体；8-沉积体；9-运动机构；10-排气喷射沉积法的原理：合金熔液经过喷射雾利后形成高速飞行的液滴。这些液滴在完成凝固之前沉积在激冷汗基板上快速凝固。通过连续沉积可获得大尺寸的快速凝固制件。1-圆柱沉积坯；2-感应加热坩埚；3-喷嘴；4-沉积室；5-基棒；6-排气管；7-循环分离器在回转体表面进行喷射沉积的工艺原理图。通过维持圆柱基底（基棒）的平动与转动，在其表面喷射沉积具有快速凝固组织特征的材料。除了圆柱体外，还可以进行圆锥、圆鼓等各种复杂形状回转体的沉积。火花等离子体烧结•等离子体烧结是利用等离子体所特有的高温、高焓,快速烧成陶瓷的一种新工艺,其原理如右图等离子体烧结的优点1)可烧制难烧结的材料。等离子体可快速地获得2000℃以上的超高温,因而可以烧制用一般方法难以烧结的物质,包括复相陶瓷的反应烧结;(2)烧结时间短。陶瓷坯体通过表面与高温高焓等离子体的热交换,可获得极高的升温速度；(3)烧结体纯度高、致密度高、晶粒度小,性能优越。由于烧结时间短,烧结过程中不会混入杂质,可以阻止异常晶粒长大,因而得到的陶瓷晶粒度小而均匀,其力学性能也很高;(4)可以连续烧结长形的陶瓷制品,如管、棒等;(5)其装置相对较简单,能量利用率高,运行费用低,而且容易实现自动化微波烧结微波烧结是利用陶瓷及其复合材料在微波电磁场中的介电损耗,将整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结工艺。微波烧结的本质是微波电磁场与材料的相互作用,由高频交变电磁场引起陶瓷材料a内部的自由束缚电荷,如偶极子、离子和电子等的反复极化和剧烈运动,在分子间产生碰撞、摩擦和内耗,将微波能转变成热能,从而产生高温,达到烧结的目的。微波烧结具有以下优点(1)极快的加热和烧结速度,一般可达500℃/min,大大缩短了烧结时间;(2)降低烧结温度。可以在低于常规烧结温度几百度的情况下,烧结出与常规方法同样密度的制品;(3)改进材料的显微结构和宏观性能。由于烧结速度快、时间短,从而避免了陶瓷材料烧结过程中晶粒的异常长大,有希望获得具有高强度、高韧性的超细晶粒的结构;(4)经济简便地获得2000℃以上的超高温;(5)高效节能,节能效率可达50%左右。这是因为微波直接为材料吸收转化成热能,烧结时间特别短;(6)无热惯性,便于实现烧结的瞬时升、降温的自动控制。渗透法制备颗粒增强复合材料主要过程：模子制备好后,将SiC颗粒加入模内;将助渗剂加入模内与SiC颗粒均匀混合,或放入铝液中;将铝或者铝合金液经精炼后浇入模内。将浇注铝液后的模子放入普通空气加热炉中,温度控制在850～950℃范围内,根据零件厚度保温一段时间,以便获得一定渗透厚度的试件,保温结束后,炉冷至500℃,出炉脱模就可获得一定外形的铝基复合材料。自蔓延高温合成技术*自蔓延高温合成技术是一种利用反应物之间*高化学反应热的自加热和自传导过程,来合成材料的一种新技术。即利用外部热源,将原料预先压制成一定密度的坯件,进行局部或整体加热,当温度达到点燃温度时,撤掉外部热源,利用原料颗粒发生的固体与固体反应,或者固体与气体反应放出的大量反应热(如铝热反应)使反应继续进行,所有原料反应结束后生成所需材料。一、自蔓延高温合成●自蔓延高温合成(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis，简称SHS)概念：利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获得具有指定成分和结构的燃烧产物。●燃烧合成（combustionsynthesis)：燃烧：任何具有化学特征、结果能生成有实用价值的凝聚物的放热反应都可称谓燃烧。强烈的放热反应反应以反应波的形式传播实质：就是一种高放热化学反应！自蔓延合成的要求：•1、剧烈的放热反应•2、绝热燃烧温度（Ta）1）要使燃烧能够自持，产物的Ta大于1800K；2）Ta大于产物熔点，存在液相，反应易进行Ta---绝热温度:反应过程中能达到的最高温度.自蔓延工艺优点*此工艺最大的优点是节能,不需要高温设备,其反应温度可达2500℃以上,反应速度快、节能、方法简便、经济等。与传统方法相比,自蔓延高温合成技术获得的零件,有好的颗粒单晶性、高的纯度和高的结构稳定性。热等静压技术(hotisostaticpressing，简称HIP)•是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结工艺成型与烧结两步作业一并完成。而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。在热等静压中，一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作温度一般为1000~2200℃，工作压力常为100~200MPa。热等静压技术基本原理示意图1.上盖，2.高压缸，3.发热体，4.工件，5.下盖，6.泵等静压技术特点：•等静压成型的制品密度高，一般要比单向和双向模压成型高5-15%。热等静压制品相对密度可达99.8％-99.09％。•压坯的密度均匀一致。在摸压成型中，无论是单向、还是双向压制，都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的变化在压制复杂形状制品时，往往可达到10%以上。这是由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质传递压力，在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致，粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力只有轻微地下降，这种密度一般只有1%以下，因此，可认为坯体密度是均匀的。•因为密度均匀，所以制作长径比可不受限制，这就有利于生产棒状、管状细而长的产品。•等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。•等静压成型的制品，性能优异，生产周期短，应用范围广。等静压成型工艺的缺点是，工艺效率较低，设备昴贵。热压成形法颗粒与a聚合物混匀一定的压力和温度保温保压一段时间成品这种方法不适用于熔点较高易分解的聚合物熔融共混法聚合物颗a粒处理过的粉末粘流态a加热成型混炼将粉末表面处理后加入到处于玻璃化温度以上的聚合物中共混，但此种方法得到的材料中颗粒分布不均匀且有明显团聚的现象。溶液共混法聚合物溶解于溶剂处理过的粉末除去溶a剂搅拌成型将粉末表面处理后加入到溶解有聚合物的溶剂中，搅拌均匀后除去溶剂。但此种方法得到的材料相对于熔融法性能稍差。原位共聚法颗粒与聚合物单体一定比例混匀成品加入引发a剂反应并除水原位共聚法制得的聚合物材料中两类材料之间存在化学结合力，复合材料有较高的压缩强度和抗张强度。溶胶-凝胶法粉末溶于分散剂中形成溶胶加入聚合物溶解去除溶剂得成品关键在于寻找一种能对纳米粉末进行良好分散作用的溶剂，使纳米粉末加入后能形成溶胶。该法在聚合物基质与填充物纳米晶体之间存在着紧密的相互作用，纳米晶体在聚合物基质中的分散达到了显微水平的均匀复合。因此，复合材料的强度和弹性模量得到较大的提高。乳化剂法颗粒或聚合物乳化微球体除乳化剂多孔复合材料模具成型混合除致孔剂加热