复合材料及其成型技术PPT课件.ppt

复合材料及其成型技术 曹韩学chxchx2001 一 复合材料定义 第一节什么是复合材料 从广义上讲 复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料 但在现代材料学界中 复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料 复合材料可定义为 用经过选择的 含一定数量比的两种或两种以上的组分 或称组元 通过人工复合 组成多相 三维结合且各相之间有明显界面的 具有特殊性能的材料 史上最牛的钉子户 我们住在复合材料里 复合材料无所不在 木质素纤维素 树木也是一种复合材料 燕子窝 泥土 草复合材料 进化的复合材料 海胆牙齿 进化的复合材料 贝壳 玻璃钢冷却塔 复合材料 玻璃钢 玻璃纤维增强风机叶片 玻璃钢材料的汽车前保险杠 玻璃钢游艇 玻璃钢 复合材料在轨道交通车辆中的应用 A380复合材料的使用比例为22 A340 600的比例为12 1997年服役 目前世界性能最佳的制空战机之一55 机身采用高強度 低重量的复合材料 B 777上用的先进材料 复合材料具有质量轻 较高的比张度 比模量 较好的延展性 抗腐蚀 导热 隔热 隔音 减振 耐高 低 温 独特的耐烧蚀性 透电磁波 吸波隐蔽性 材料性能的可设计性 制备的灵活性和易加土性等特点 被大量地应用到航空航天等军事领域中 是制造飞机 火箭 航天飞行器等军事武器的理想材料 二 复合材料的特点 三 复合材料的意义现代高科技的发展更是离不开复合材料 例如 火箭壳体材料对射程的影响 飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度航空发动机材料发展预测如下 四 复合材料的分类 复合材料种类繁多 目前尚无统一的分类方法 结构复合材料的分类 复合材料及其增强相的各种形态 纤维状 颗粒状 层状 片状 填充状 第二节金属基复合材料概述 金属基复合材料相对于传统的金属材料来说 具有较高的比强度与比刚度 而与树脂基复合材料相比 它又具有优良的导电性与耐热性 与陶瓷基材料相比 它又具有高韧性和高冲击性能 金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员 它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大 一 金属基复合材料的分类 金属基复合材料是以金属为基体 以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料 因此 对这种材料的分类既可按用途来进行 按基体来进行 也可按增强体来进行 1 按用途分类 2 按基体分类 1 铝基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广的一种 由于铝的基体为面心立方结构 因此具有良好的塑性和韧性 再加之它所具有的易加工性 工程可靠性及价格低廉等优点 为其在工程上应用创造了有利的条件 在制造铝基复合材料时 通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金 这主要是由于与纯铝相比 铝合金具有更好的综合性能 至于选择何种铝合金做基体 则根据实际中对复合材料的性能需要来决定 2 镍基复合材料这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的 由于镍的高温性能优良 因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件 人们研制镍基复合材料的一个重要目的 即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片 从而进一步提高燃汽轮机的工作温度 但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决 所以还未能取得满意的结果 3 钛基复合材料钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度 此外 钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度 因此 对飞机结构来说 当速度从亚音速提高到超音速时 钛比铝合金显示出了更大的优越性 随着速度的进一步加快 还需要改变飞机的结构设计 采用更细长的机冀和其它冀型 为此需要高刚度的材料 而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求 基体和增强体的热膨胀系数 钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维 这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近 如下表所示 3 按增强体分类 1 纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维 短纤维和晶须 它们均属于一维增强体 因此 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时 基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征 但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用 2 颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20 的复合材料 而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属 分为外加和内生两种 3 层状复合材料这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中 含有重复排列的高强度 高模量片层状增强物的复合材料 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近 而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大 因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小 因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高 因此层状结构复合材料的强度受到了限制 然而 在增强平面的各个方向上 薄片增强物对强度和模量都有增强效果 这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性 二 金属基复合材料特性 复合材料是由多种组分的材料组成 许多性能优于单一组分的材料 1 高比强度 高比模量 刚度 比强度 强度 密度MPa g cm3 比模量 模量 密度GPa g cm3 增强体或者基体是比重小的物质 或两者的比重都不高 且都不是完全致密的 增强体多是强度很高的纤维 例如 普通碳钢的密度为7 8g cm3 玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1 5 2 0g cm3 只有普通碳钢的1 4 1 5 比铝合金还要轻1 左右 而机械强度却能超过普通碳钢的水平 若按比强度计算 玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢 而且可超过某些特殊合金纲 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度 因此具有更高的比强度 复合材料的比模量大 故自振频率也高 可避免构件在工作状态下产生共振 纤维与基体界面有吸收振动能量的作用 所以纤维增强复合材料具有很好的减振性能 2 热膨胀系数小 尺寸稳定性好 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度 而且可以使其热膨胀系数明显下降 通过改变复合材料中增强体的含量 可以调整复合材料的热膨胀系数 3 良好的高温性能 目前 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C 金属基复合材料按不同的基体性能 其使用温度在350 1100 C范围内变动 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400 C 碳 碳复合材料的使用温度最高可达2800 C 不同SiC纤维复合材料的使用温度范围 4 良好的疲劳性能和断裂韧度 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小 纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展 改变裂纹扩展的方向 复合材料具有较高的疲劳强度 实验表明 r 70 80 b 而钢的疲劳强度只有抗拉强度的40 50 纤维复合材料平均几千到几万根纤维 cm2 即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力 故破断安全性好 5 工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能 能满足各种类型制品的制造需要 特别适合于大型制品 形状复杂 数量少制品的制造 6 耐磨性好 7 不吸潮 不老化 气密性好 第三节金属基复合材料的设计 一 复合材料的可设计性 复合材料可以根据不同的用途要求 灵活地进行产品设计 具有很好的可设计性 可设计性是指 设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求 对结构设计的同时对材料本身进行设计 力学 结构 设计 给制品一定的强度和刚度功能设计 给制品除力学性能外的其他性能工艺设计 对复合材料的制备工艺进行设计 结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计 更重要的是还可进行复合结构设计 即增强体的比例 分布 排列和取向等的设计 对于结构复合材料来说 是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起传递力作用的基体组元构成 由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料 对于结构件来说 可以根据受力情况合理布置增强材料 达到节约材料 减轻质量的目的 对于有耐腐蚀性能要求的产品 设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料 对于其他一些性能要求 如介电性能 耐热性能等 都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求 复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量 层间剪切强度低等缺点 二 金属基复合材料的基体选择 1 选择的基本原则 1 根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料 2 根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体 3 选择的基体要求与增强体具有良好的相容性 浸润性 在制备金属基复合材料时 液态金属对增强材料的浸润性 则直接影响到界面粘结强度 浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度 好的浸润性意味着液体 基体 将在增强材料上铺展开来 并覆盖整个增强材料表面 2 结构件金属基复合材料的基体 用于航空 航天 汽车 先进武器等结构件的复合材料要求具有高的比强度 比刚度 有高的结构效率 因此大多选择铝及铝合金和镁及镁合金作为基体金属 在发动机 燃气轮机中所需的结构材料 是耐热结构材料 工作温度为650 1200 钛合金基体复合材料可耐650 高温 而镍 钴基复合材料可在1200 下使用 1 用于450 以下的轻金属基体 铝 镁合金 连续纤维增强金属复合材料 选纯铝或含合金元素少的单相铝合金为基体 颗粒 晶须增强金属基复合材料 选择具有高强度的铝合金作为基体 铝基复合材料活塞 颗粒增强铝基原位复合材料 2 用于450 700 的复合材料的金属基体 钛合金 可在450 650 使用 增强体为高性能碳化硅纤维 碳化钛颗粒 硼化钛颗粒等 SiC纤维 3 用于1000 以上的高温复合材料的金属基体 镍基 铁基耐热合金和金属间化合物 较成熟的是镍基 铁基高温合金 3 功能件金属基复合材料的基体 用于电子封装的金属基复合材料 高碳化硅颗粒含量的铝基 铜基复合材料 高模量 超高模量石墨纤维增强铝基 铜基复合材料 金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝 铜基复合材料 硼 铝复合材料等 用于耐磨零部件的金属基复合材料用于集电和电触头的金属基复合材料 三 金属基复合材料的增强体选择 增强体应具有高比强度 高模量 高温强度 高硬度 低热膨胀等 增强体应具有良好的化学稳定性 增强体与基体金属应具有良好的浸润性和相容性 1 连续纤维 2 晶须 3 颗粒 ZnO晶须 Al2O3纤维 SiC颗粒 四 金属基复合材料的界面设计 1 界面的特征与设计 复合材料的界面 指基体与增强物之间化学成分有显著变化的 构成彼此结合的 能起载荷传递作用的微小区域 复合材料的界面虽然很小 但它是有尺寸的 约几个纳米到几个微米 是一个区域或一个带 或一层 它的厚度呈不均匀分布状态 界面通常包含以下几个部分 基体和增强物的部分原始接触面 基体与增强物相互作用生成的反应产物 此产物与基体及增强物的接触面 基体和增强物的互扩散层 增强物上的表面涂层 基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面等 界面是复合材料的特征 可将界面的机能归纳为以下几种效应 1 传递效应界面能传递力 即将外力传递给增强物 起到基体和增强物之间的桥梁作用 2 阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展 中断材料破坏 减缓应力集中的作用 3 不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象 如抗电性 电感应性 磁性 耐热性 尺寸稳定性等 4 散射和吸收效应光波 声波 热弹性波 冲击波等在界面产生散射和吸收 如透光性 隔热性 隔音性 耐机械冲击及耐热冲击性等 5 诱导效应一种物质 通常是增强物 的表面结构使另一种 通常是聚合物基体 与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变 由此产生一些现象 如强的弹性 低的膨胀性 耐冲击性和耐热性等 复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面 而是一个多层结构的过渡区域 界面区是从与增强体内部性质不同的某一点开始 直到与基体内整体性质相一致的点间的区域 界面上产生的这些效应 是任何一种单体材料所没有的特性 它对复合材料具有重要作用 界面区域的结构与性质都不同于两相中的任一相 从结构上来分 这一界面区由五个亚层组成 见下图所示 界面区域示意图1一外力场 2 基体 3 基体表面区 4 相互渗透区 5一增强体表面 6 增强体 实验表明 金属基复合材料由于容易发生界面反应 生成脆性大的界面反应层 在低应力条件下 界面就会破坏 从而降低复合材料的整体性能 若基体为合金 则还易出现某元素在界面上富集的现象 有关金属基复合材料的界面控制研究主要有以下两方面 1 对增强材料进行表面处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性 同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用 镀镍碳纤维 2 选择金属元素改变基体的合金成分 造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应 在碳纤维增强A1复合材料中 在碳纤维上涂Ti B涂层 在碳纤维增强Mg复合材料中采用SiO2作涂层 在硼纤维增强A1复合材料中用SiC涂层等都是在增强材料表面预先涂层的例子 另外 在C A1复合材料中 常用含Ti的Al合金 由于Ti的富集形成一层松散的钛化物阻挡层 可大大提高复合材料的拉伸强度和抗冲击性 五 金属基复合材料的力学性能设计 1 连续纤维增强复合材料的力学性能设计 1 单向复合材料及其结构模型 定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料 叫做单向连续纤维增强复合材料 结构模型 图 并联模型纤维与基体有相同的应变 串联模型纤维与基体有相同的应力 四个特征弹性常数 纵向弹性模量 横向弹性模量 主泊松比 切变模量 五个特征强度值 纵向抗拉强度 横向抗拉强度 纵向抗压强度 横向抗压强度 面内抗剪强度 复合材料的强度和弹性模量由复合材料的组分 材料的特性 增强体的取向 体积分数决定 2 力学性能特征值 Al2O3 Al 1 5Mg复合材料棒材 a 纵向 b 横向 纤维增强复合材料 2 短纤维及颗粒增强金属基复合材料 2 颗粒增强复合材料的弹性和强度 1 短纤维增强复合材料 粉末增强剂发生团聚 改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度 颗粒增强复合材料 不要求 第四节金属基复合材料的制备 一 金属基复合材料制备方法的分类 1 固态法 固态法 是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法 包括 粉末冶金法 热压法 热等静压法 轧制法 挤压和拉拔法 爆炸焊接法等 2 液态法 液态法 是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法 包括 真空压力浸渍法 挤压铸造法 搅拌铸造法 液态金属浸渍法 共喷沉积法 原位反应生成法等 3 表面复合法 包括 物理气相沉积法 化学气相沉积法 热喷涂法 化学镀和电镀法 复合镀法等 二 固态制备技术 1 粉末冶金技术 工艺过程 粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强 非连续增强型 金属基复合材料的传统固态工艺法 粉末冶金生产工艺 2 热压技术 扩散黏结 在较长时间 较高温度和压力下 通过固态焊接工艺 使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法 三阶段 粘结表面之间最初接触增强材料与合金粉末发生界面扩散和体扩散 接触面粘结结合界面最终消失 粘结过程完成 热压技术 3 热轧 热挤压和热拉拔技术 变形法 形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点 通过热轧 热拉 热挤压等加工手段 使已复合好的颗粒 晶须 短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材 轧制 挤压 拉拔 4 爆炸焊接技术 三 液态制备技术 1 真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下 使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法 浸渍炉结构 2 挤压铸造技术 挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法 见成形技术 3 液态金属搅拌铸造技术 液态金属搅拌铸造法 是将增强相颗粒直接加入金属熔体中 通过搅拌使颗粒均匀分散 然后浇铸成型制成复合材料制品的方法 见成形技术 4 共喷沉积技术 金属液滴与颗粒的混合 沉积 凝固 5 原位自生成技术 1 定向凝固法 2 反应自生成法 基本原理 根据材料设计的要求 选择适当的反应剂 气相 液相或粉末固相 在适当的温度下 通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应 在金属基体内原位生成一种或几种高硬度 高弹性模量的陶瓷增强相 从而达到强化金属基体的目的 四 表面复合技术 1 物理气相沉积技术 物理气相沉积是材料源的不断汽化 通过真空蒸发 电离或溅射等过程 产生金属离子并沉积于基体表面形成金属涂层 或与反应气体化合形成化合物涂层的方法 真空蒸镀 在高真空度的反应室中 将镀层材料加热成蒸发原子 使其在真空条件下撞击工件表面而形成沉积层 真空溅射 离子镀 2 化学气相沉积技术 分解反应 化合反应 化学气相沉积技术是指利用气态物质 在一定温度下在固体表面上进行化学反应 并生成固态沉积膜的工艺过程 常用化学气相沉积涂层材料为碳化物 氮化物 氧化物 如TiC TiN Al2O3等 涂层具有很高的硬度2000 4000HV 较低的摩擦系数 优异的耐磨性 良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性 化学气相沉积的装置如图 以在钢件表面沉积TiC涂层为例 将反应气体TiCl4与气态或蒸发状态的碳氢化合物一起导入真空 高温的反应室内 用氢作为载体和稀释剂 就会发生化学反应生成TiC沉积在基体表面 3 热喷涂技术 指以某种热源 将基体材料加热到熔化或熔融状态后 用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强材料上 形成一层覆盖层的过程 常用的热喷涂的主要方法如下 1 火焰喷涂2 电弧喷涂3 等离子喷涂 气体导电 或放电 所产生的等离子电弧作为高温热源 氧乙炔火焰喷涂原理1 进料口2 气体通道3 喷嘴4 火焰5 喷涂层6 工件7 氧乙炔入口8 气体出口 它是把金属线 或粉末 以一定的速度送进喷枪里 使端部在高温火焰中熔化 随即用压缩空气把其雾化并吹走 沉积在预处理过的工件表面上 电弧喷涂示意图1 送丝轮2 金属丝3 喷嘴4 涂层5 工件 在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧 因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化 熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层 气体电离后 在空间不仅有原子 还有正离子和自由电子 这种状态就叫等离子体 等粒子喷涂是利用等离子弧进行的 离子弧是压缩电弧 与自由电弧项比较 其弧柱细 电流密度大 气体电离度高 因此具有温度高 能量集中 弧稳定性好等特点 等离子喷涂示意图 第五节金属基复合材料的成形加工 一 铸造成形 1 铸造成形方法与特点 1 搅拌铸造成形 液态金属搅拌铸造法 是将增强相颗粒直接加入金属熔体中 通过搅拌使颗粒均匀分散 然后浇铸成型制成复合材料制品的方法 液态机械搅拌法 半固态拌法 搅拌是在半固态金属熔体中进行 颗粒加入半固态金属中 在搅拌作用下通过其中的固相金属将颗粒带入熔体中 2 正压铸造成形 挤压铸造 挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法 离心铸造 离心铸造是在离心力作用下将金属液体浸入增强材料间隙形成复合材料制品的一种方法 3 负压铸造成形 真空吸铸 将预制品放入铸型 将铸型一端浸入金属液体 铸型另一端接真空 使合金液体吸入预制体的铸造方法 自浸透法 借助预制体内毛细管作用使金属液体引入增强体间隙 制成复合材料的方法 二 塑性成形 塑性成形方法适用范围 非连续增强金属基复合材料 主要是铝基复合材料 塑性成形的目的 致密化 消除孔隙 改变增强颗粒分布 获得指定形状 铝基复合材料塑性成形方法 拉拔 压缩 挤压 轧制 1 金属基复合材料的高温压缩变形 应变软化 高温压缩变形的应力 应变曲线上有明显的峰值 即当压缩变形量达到一定程度后出现应力减小的现象 抗压强度 抗压强度的近似计算 晶须的转动 弹性阶段 塑性阶段 转动原因 基体的塑性变形 如位错滑移 攀移 影响晶须转动的因素 变形温度 变形温度越高 复合材料中晶须转动越容易 应变量 应变量越大 晶须转动程度越大 避免晶须折断的措施 提高变形温度 采用有利于基体金属流动的变形方式 复合材料高温压缩变形三个阶段 变形速度增加 曲线向上平移 晶须的加入 抗压屈服强度 弹性模量 高温强度增加 复合材料高温压缩变形机制 纯固相变形机制 位错的运动协调晶界的变形 微量液相存在时 沿晶界和界面的位错运动协调的晶界滑移和界面滑移 同时伴随液相的协调作用 2 金属基复合材料的轧制塑性 热轧 轧制温度对致密度的影响 变形量对致密度和抗拉强度的影响 预热温度对抗拉强度的影响 轧制对复合材料组织的影响 3 铝基复合材料的挤压塑性 金属基复合材料挤压变形特点 金属基体中含有一定量的增强体 晶须 颗粒 大大降低了金属的塑性 变形阻力大 成形困难 坚硬的增强颗粒将磨损模具 影响挤压变形的主要因素 模具和坯料的预热温度 挤压比 挤压变形速度和润滑剂 润滑剂 改变挤压坯料与模具之间的摩擦力 主要有石墨 二硫化钼等 挤压温度 根据材料的塑性 强度 生产率和成本 设备 等综合因素考虑 挤压比 表示变形程度的方法 挤压速度 第一类裂纹 由表面折叠引起的裂纹 第二类裂纹 由夹杂物引起的裂纹 第三类裂纹 由表皮下气泡引起的裂纹 速度过高 速度过低 体积分数 SiC颗粒体积分数 最大挤压力 热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响 发生纤维断裂 产生 陶瓷富集带 三 连接 1 溶化焊接 钨极惰性气体保护焊 在惰性气体保护下 钨电极与工件之间产生电弧使工件局部溶化而连接在一起 必要时可添加焊丝 如铝基复合材料焊接 溶化极惰性气体保护焊 把小直径电极丝放在工件处 电极丝与工件之间产生电弧使工件局部溶化 为了保