第10章復合材料制備

第10章復合材料制備重點：定義、組成、特點和分類；基本理論；金屬基復合材料；陶瓷基復合材料。10.1、基本概念定義：由兩種或兩種以上不同物理和化學性質的材料，通過人工合成的一種多相材料。特點：明顯的界面；保持固有特性，賦予優良特殊性能；可設計性。基本結構模式復合材料基體增強體命名：以基體、增強體、增強體+基體、商業名。分類：A.按基體材質分類：聚合物（樹脂基）復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料命名和分類B.按增強體形狀分類：顆粒增強復合材料，纖維增強復合材料，夾層增強復合材料。C.按性能分類：

普通復合材料，先進復合材料5.基本性能：高比強度、高比模量（剛度）；良好的高溫性能；良好的尺寸穩定性；良好的化學穩定性；良好抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性；良好的功能性能。6.

復合材料發展階段：

第一代，玻璃強化樹脂；第二代，碳纖維增強樹脂、硼纖維增強樹脂；第三代，金屬或陶瓷為基體的先進復合材料。10.2基本理論1、復合材料界面復合材料的界面是指基體與增強相一個多層結構的過渡區域。

外力場基體基體表面區相互滲透區增強體表面區增強體

A、界面效應

可將界面的機能歸納為以下5種效應：（1）傳遞效應：（2）阻斷效應：（3）不連續效應：（4）散射和吸收效應：（5）誘導效應：B、界面的結合狀態和強度復合材料都要求有合適的界面結合強度。界面結合較差的復合材料；界面結合過強的復合材料；界面結合最佳態。××√2、復合理論一、復合材料增強機制1、顆粒增強復合材料增強機制基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒阻礙基體位錯運動；裂紋的擴展在顆粒前受阻。顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：式中：

σy

－復合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數

VP

－顆粒體積分數；Gp

－顆粒的切變模量。

2、彌散增強復合材料增強機制基體是承受外來載荷的主要相；顆粒阻礙基體位錯運動裂紋的擴展在顆粒前受阻彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示：式中：

σy

－復合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；

VP

－顆粒體積分數。3.纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制

基體：不是主承力相。

纖維：主承力相。假定：理想結合，泊松比相同；在外力作用下。短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應變同時發生的基體應力；

σfF

－纖維的平均拉伸應力；

Vf－纖維的體積分數；

l

－纖維的長度；

lc

－最大拉應力等于纖維斷裂強度時纖維的強度，纖維的臨界長度，。可得：（1）l/lc愈大，復合材料的拉伸強度愈大。當l/lc＝10時，增強效果可達到連續纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，

（l/d）c

為纖維臨界長徑比，當（l/d）c

10時，復合材料可獲得理想的增強效果。分析上式二、復合材料的復合法則—混合定律1、混合定律：復合材料滿足以下條件:（1）均質，無內應力；（2）各向同性及線彈性材料；（3）粘結牢靠。復合材料力學性能同組分之間的關系

Xc=XmVm+XfVf

或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）式中：X：材料的性能，如強度、彈性模量、密度等；

V：材料的體積百分比。2、連續纖維單向增強復合材料

彈性模量、泊松比、剪切強度等性能均符合混合定律。如果考慮界面效應，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個系數。在平行于纖維長度方向的強度計算，主要考慮基體的強度和纖維與基體的結合強度。

3、短纖維增強復合材料

短纖維復合材料的強度與纖維長度的關系示意圖

強度纖維長度，以lc為單位單相復合材料，Vf＝0.5長纖維

作為復合材料強化體的纖維，從材質上講可以是金屬，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，從形態上可以是長纖維（連續纖維）、短纖維、晶須。現在的長纖維的直徑可以從7μm到140μm。由于制備技術的開發與進步，幾乎所有的無機化合物都可以制成纖維。陶瓷材料纖維化，特別是制成連續纖維，有利于充分發揮其特性。隨著復合材料的發展，也不斷開發出具有新的特征的纖維。1.玻璃纖維將玻璃加熱至熔融狀態，使其從漏嘴流出，再進行高速拔絲的方法。而且一般是使用多個漏嘴，同時紡絲。用這種方法既可制備連續纖維，也可以制備短纖維。

玻璃纖維由于玻璃纖維的直徑很小，單位質量所具有的表面積是普通玻璃的1000倍。所以對于普通玻璃來說不會成為問題的耐風化性、耐藥品性，表面電阻等，對于玻璃纖維來說都必須充分注意。例如玻璃纖維表面可能與空氣中的水分反應，產生風化，使強度等下降。連續纖維的直徑為3，4，5，6，7，9，10，13，16，24μm等。短纖維的直徑多為5～20μm。2.碳纖維碳纖維最突出的優點是：強度高、模量高、密度小；耐高溫，可在2000℃使用，3000℃非氧化真氛中不熔不軟；耐酸，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介質浸蝕；熱膨脹系數小，約等于零；熱導率高；導電性好；摩擦系數小并具潤滑性。碳纖維可以用以下原材料制得：人造絲、石油（或煤的蒸溜殘碴）以及PAN（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纖維）等。其特性也因原材料而有所差別。原絲制造改性的丙烯纖維穩定化硫酸脫氫，橋接反應，嘧啶聚合物碳化在氮氣中加熱一千至兩千度穩定化碳、氮等結合反應，脫氫反應表面處理表面形成氫氧基，或涂有機聚合物精整穩定纖維尺寸以PAN作為原材料

PAN基碳纖維高強度、重量輕、耐高溫、耐腐蝕、優異的電性能等特點，世界總生產能力，躍居世界高性能纖維的第二位。

聚丙烯腈（PAN）基碳纖維有兩大類，即大絲束碳纖維（LT）和小絲束碳纖維（CT）。20世紀90年代中期以前世界上生產的都是CT型碳纖維。1996年生產出位伸強度可以與CT型碳纖維相媲美的LT型碳纖維。

各種碳纖維的力學性能原料抗拉強度（MPa）彈性模量（GPa）延伸率（%）人造絲（低彈性模量絲）686391.8人造絲（高彈性模量絲）27444900.6瀝青（低彈性模量絲）784392.0瀝青（高彈性模量絲）2450343～4900.5～0.7PAN（高強度絲）34302251.5PAN（高彈性模量絲）24503920.6金屬基復合材料制備工藝的分類：

1）固態法：真空熱壓擴散結合、熱等靜壓、超塑性成型/擴散結合、模壓、粉末冶金法。

2）液態法：液態浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態鑄造。

3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。

4）原位生長法。10.3、金屬基復合材料連續增強相金屬基復合材料的制備工藝

鋁合金——固態、液態法碳纖維鎂合金——固態、液態法硼纖維鈦合金——固態法

SiC纖維高溫合金——固態法氧化鋁纖維金屬間化合物——固態法不連續增強相金屬基復合材料的制備工藝

鋁合金—固態、液態、原位生長、噴射成型法顆粒鎂合金—液態法晶須鈦合金—固態、液態法、原位生長法短纖維高溫合金—原位生長法金屬間化合物—粉末冶金、原位生長法固態法（連續增強相金屬基復合材料制備工藝）

真空熱壓擴散結合

金屬基復合材料（MMC）制備方法4.粉末冶金法（非連續增強相金屬基復合材料制備工藝）粉末冶金法也是一種制備非連續增強相金屬基復合材料常采用的工藝。其優點如下：

1）與液相法相比，制備溫度低，界面反應可控；

2）可根據要求設計復合材料的性能；

3）利于增強相與金屬基體的均勻混合。

4）其組織致密、細化、均勻、內部缺陷明顯改善；

5）利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點。金屬基復合材料的性能

復合材料增強相含量VoL%抗拉強度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3BF/AlCVDSiCF/AlNicalonSiCF/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.710.4陶瓷基復合材料特種陶瓷具有優秀的力學性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對裂紋、氣孔和夾雜等細微的缺陷很敏感。陶瓷基復合材料使材料的韌性大大改善，同時其強度、模量有了提高。不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復合材料的斷裂韌性比較材料整體陶瓷顆粒增韌晶須增韌金屬Al203ZrO2/Al203SiC/Al203鋁鋼斷裂韌性2.7～4.26.5～158～1033～4444～66陶瓷基復合材料的制備工藝粉末冶金法工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強劑、粘結劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形

（熱壓）燒結適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復合材料。

漿體法（濕態法）為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，可采