4.复合材料的制造方法

4 复合材料的制造方法概述 复合材料的重要领域之一是其制造技术 由于制造成本 最佳组织结构等与基体及增强体特性 排列方式等有关 所以制造技术是复合材料中至关重要 且为该领域的研究者非常感兴趣的课题 在复合材料的制造中 通常是将最终制品的制造与复合材料的成形一起完成 因此 增强体的最佳排列与分布 不仅是对应于用途的力学性能的要求 而且要满足使用者的要求 1 4 复合材料的制造方法 主要的液相工艺压挤铸造与压挤渗透喷雾沉积热喷射浆体铸造定向凝固共晶金属的定向氧化 2 主要的固相工艺 粉末冶金薄膜的扩散键合利用陶瓷 金属 陶瓷 间的反应由有机聚合物的合成 3 主要的气相工艺 PVD 物理气相沉积 CVD 化学气相沉积 CVI 化学气相渗透 4 5 塑料基复合材料的制备成形 6 4 2树脂基复合材料 先进复合材料具有比强度和比模量高 耐疲劳 各向异性和可设计性 材料与结构的一次成型等性能 自上世纪60年代问世以来 很快获得广泛应用 成为航空航天4大材料之一 随着其材料性能和制造技术的不断改进 复合材料未来在战斗机 大型军用运输机 无人机等平台上必将占有重要地位 航空工业中制备复合材料制件的主要要求为 可支付得起 高度自动化 好的质量控制 降低模具成本及缩短生产周期 为了达到这些要求 航空工业正着眼于 编织技术 先进的铺带技术 非热压罐技术 注射工艺 先进的固化工艺 全质量概念及热塑性工艺 7 预成形体的制造技术 1 缝合技术 缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起 经复合固化而成的纺织复合材料 它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力 增强层间强度 模量 抗剪切能力 抗冲击能力 抗疲劳能力等力学性能 从而满足结构件的性能需求 大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的NASA为主进行的 最著名的是利用缝合技术制造的复合材料机翼 其中采用了波音公司开发的28m长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体 该缝合机能够缝合超过25mm厚的碳纤维层 缝合速度达3000针 分 除了缝合蒙皮预成形体外 还可缝合加强筋 缝合完成后采用RFI技术进行加热和加压 这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少25 成本降低20 8 2 穿刺 穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单方法 在某些方面优于缝合技术 但是它不能用于制造预成形体 在这个工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中 从而获得三维增强复合材料结构 Z向削棒可以是金属材料 也可采用非金属材料 削棒插入的方式有两种 一是采用真空袋热压的方法 二是采用超声技术 穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的断裂韧性 意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力 该技术比缝合技术更具发展潜力 主要是因为其节省了高成本的缝合机 尺寸不受限制 特别是能够进行局部结构的加强 因此是未来飞机机体应用的关键技术 9 3 三维机织 该工艺目前已经广泛用于复合材料工业 主要用于生产单层 宽幅织物 作为复合材料的增强体 三维异型整体机织技术是国外上世纪80年代发展起来的高新纺织技术 它创造了一类新的复合材料结构形式 采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点 是一种高级纺织复合材料 其突出特点是纺织异型整体织物 如T形 U形 工形 十字形等型材和圆管等 灵活的机织工艺还可以创造出许多新的复杂形状织物 10 4 编织 编织是一种基本的纺织工艺 能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体 这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体 但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制 该工艺技术一般分为两类 一类的二维编织工艺 另一类是三维编织工艺 11 5 针织 针织用于复合材料的增强结构的方向强度 冲击抗力较机织复合材料好 且针织物的线圈结构有很大的可伸长性 易于制造非承力的复杂形状构件 目前国外已生产了先进的工业针织机 能够快速生产复杂的近无余量结构 而且材料浪费少 用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能 另外 这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形 因此适于在复合材料上成形孔 比钻孔具有很大优势 但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用 12 6 经编 采用经向针织技术 并与纤维铺放概念相结合 制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物 这种材料由于不弯曲 因此纤维能以最佳形式排列 经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向 由于不需要铺放更多的层数 极大提高经济效益 国外目前已经能够在市场上获得各种宽幅的玻璃和碳纤维经编织物 这种预成形体有两个优点 一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本低 二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板 因为它的纤维是直的 能够在厚度方向增强从而提高材料的层间性能 该技术已经在飞机机翼桁条和机翼壁板上进行了验证 预计未来将在飞机制造中广泛应用 13 7 层板及蜂窝结构制造技术 纤维增强金属层板 FRML 是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料 改变金属类型和厚度 纤维树脂预浸料系统 铺贴顺序 纤维方向 金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能 以用于不同地方 现在的FRML主要使用铝合金薄板 由于使用铝锂合金可提高FRML的比刚度 使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性 所以以铝锂合金或钛合金为基的FRML也在考虑和研究中 FRML中的纤维可以是玻璃纤维 芳纶纤维和碳纤维 它们各自与铝合金板组合后可构成三种性能不同的FRML 分别称为GLARE ARALL和CARE 胶接蜂窝夹层结构也是一种特殊的结构用复合材料 它把蜂窝开关的夹芯材料夹在两块面板之间并用胶粘剂粘接 因为具有良好的比强度和比刚度 因此在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景 14 复合材料零件成形及制造技术 1 树脂转移模塑成形技术 在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体 采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔 模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统 以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维 还具有加热系统 可加热固化成形复合材料构件 它是一种不采用预浸料 也不采用热压罐的成形方法 因此 具有效率高 投资 绿色等优点 是未来新一代飞机机体有发展潜力的制造技术 15 2 树脂浸渍技术 一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术 其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块 安放于模具的底部 其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体 然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装 于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸 树脂膜受热后黏度降低 沿着预制体由下向上爬升 从而填满整个预制体空间 随即依照固化工艺 制成复合材料制件 该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法 免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工 在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本 目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩 16 3 纤维缠绕 该工艺主要用于空心 圆形及椭圆零件 如管路及油箱 纤维束通过一个树脂池后以各种方向和速度缠绕到芯轴上 方向和速度由纤维进给机控制 这是一项已经发展较为成熟的技术 无论是在自动化 速度 变厚度 质量和纤维方向上都得到了巨大改进 它是筒形件的低成本快速制造方法 17 18 4 拉挤 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束 带或布等 在牵引力的作用下 通过挤压模具成型 固化 连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材 优点是 生产过程完全实现自动化控制 生产效率高 纤维含量高 浸胶在张力下进行 能充分发挥增强材料的作用 产品强度高 制品纵 横向强度可任意调整 可以满足不同力学性能制品的使用要求 较其它工艺省工 省原料 省能耗 制品质量稳定 重复性好 长度可任意切断 19 5 自动铺放技术 该技术在现代飞机上已经获得广泛应用 并取得了巨大进展 现有的自动铺叠技术已经在速度和准确度上有很大增长 而且计算机技术对它产生了很大影响 铺叠面积也有所增长 20 6 丝束铺放技术 丝束铺放 TowPlacement 相对较新 并在近年格外受到关注 它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点 能够制造复杂形状结构件 对纤维角度不限制 而且有极大减少生产成本的潜力 未来的开发包括最佳化控制系统 铺放头位置反馈 在线快速检测 准确和高质量产品 21 纤维含浸于低黏度的树脂 成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂 可以有多种含浸方法 最简单的方法是wetrayup法 将纤维 通常使用mat状的 配置在研磨的磨具上 进行锟压含浸或喷涂 splay 含浸 将树脂与硬化剂压成形之前混合 硬化通常在常温下进行 最近开发了将树脂与硬化剂同时混合后 含浸于纤维的方法 成形工艺的主要优点是自由度高 能够与任何形状相对应 费用与成形的成本有关 这样的成形技术向来是小尺寸 例如将玻璃含浸于纤维的复合材料很早以前就用来修复车辆 近来开展了大尺寸成形体的研究 作为一般的成形方法已开始广泛应用 例如可以适用于长度为50m船体的制造 在造船界也得到了广泛的应用 22 长纤维的编织 树脂基复合材料的压挤渗透用 23 24 汽车储气罐 25 26 门型纤维编织成形机 27 碳纤维强化网球拍的成形装置 28 BeechStarship飞机翅膀的成型中使用的autoclave 高压 成形 29 4 3金属基复合材料的制备方法 相对于树脂基复合材料而言 金属基复合材料发展得较晚 所以关于金属及复合材料的制备与成形方法的研究仍处于幼年期 在该背景下 再加上制备的难度与成本 使得其使用的领域也受到限制 尽管如此 关于金属基复合材料的制备方法的研究仍然是方兴未艾 有不少已经得到了工业化的应用 总体说来 液相的方法成本较低 但是制备过程中基体为熔融状态 难以处置 而固相的方法一般成本较高 30 金属基复合材料的制备成形 31 4 3 1主要的液相工艺1 压挤铸造与压挤渗透 无压熔浸 对液体状态的基体加压 使之进入由强化体材料组成的预成形体 预成形体的制备长纤维的编织短纤维的悬浮液体内沉积颗粒材料的成形与预烧结 32 压力熔浸 无压熔浸 是金属基复合材料中常用的一种成形方法 该方法是将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体 可以由长纤维 短纤维或所颗粒构成 而成形 通常预成形体是接近最终成品的形状 在大多数情况下 纤维不会成为熔融金属凝固时的晶核 在熔融金属的凝固过程中 纤维附近的金属最后固化 结果是通过在高压下纤维与金属的接触而使熔融金属形成强固的界面 而且一般也不会形成氧化膜 这样的纤维与金属的界面是优异的结合 33 短纤维的悬浮液体内沉积 34 颗粒材料的成形与预烧结 混合 加成形剂 成形 烧结 35 成形的方法 模压等静压注射成形凝胶注模成形轧制挤压松装烧结 预烧结 维持形状具有一定的强度 36 压挤渗透的设备 与压力铸造相比压头连续移动弥补收缩移动速度慢外加压力大 37 压力熔浸成形设备 38 39 40 压挤渗透双压头 保证熔体压力 避免孔隙 避免不完全渗透采用双重压头 41 42 压挤渗透材料的组织分析 预成形体内的纤维分布决定复合体内的纤维分布避免缺陷 微观孔隙 宏观空洞 纤维断裂等熔体黏度 高 减小涡流 减少空气吸入 压力大 内耗大低 易流动 压力小 产生涡流 43 本课题组研制的Al SiC复合材料简介 44 关于SiC Al复合材料的主要论文 YINFazhang JIAChengchang MEIXuezhen ManufactureofAl SiCCompositesbyPressureInfiltrationProcess MaterialsScienceForum 2005 475 479 913 916 SCIEI收录 IDSNumber BBR99EI105179061087 平延磊 贾成厂 曲选辉 周成 SiCp Al复合材料的研究方法现状 粉末冶金技术 2005 23 4 296 300 EI05399388407 褚克 贾成厂 尹法章 梅雪珍 曲选辉 高体积分数SiC Al复合材料电子封装盒体的制备 复合材料学报 2006 23 6 108 113 EI源刊 贾成厂 楮克 平延磊 尹法章 曲选辉 压力熔渗法制备Al SiCp复合材料 粉末冶金会刊 2005 30 3 117 121褚克 贾成厂 尹法章 曲选辉 注射成型与压力浸渗方法制备高体积分数SiC Al封装盒体 第十四届全国复合材料学术会议 2006 11 宜昌 第十四届全国复合材料学术会议论文集 上 601 平延磊 贾成厂 曲选辉 李志刚 SiCp Al电子封装复合材料预成形坯的制备 北京科技大学学报 2004 20 3 301 304 EI检索 贾成厂 梅雪珍 尹法章 平延磊 曲选辉 添加合金元素与对熔融铝熔渗SiC预成形体的影响 第十三届全国复合材料学术会议 成都 2004年10月8日 p643 647KeChu ChengchangJia XuebingLiang etall ThethermalconductivityofpressureinfiltratedSiCp Alcompositeswithvarioussizedistributions Experimentalstudyandmodeling Materialsdoi 10 1016 j matdes 2009 03 009 SCI KeChu ChengchangJia XuebingLiang etall Thethermalconductivityofsparkplasmasintered SPS SiCp Alcompositescontainingpores Numericalstudyandexperimentalvalidation CompositePartA 2009 SCI 45 关于SiC Al复合材料的主要专利 用粉末注射成形 压力熔浸法制备电子封装材料的方法 申请号 200510086820 8一种制备高导热SiCp Al电子封装材料的方法 申请号 200610011693 X 46 2 喷雾沉积 Ospray工艺20世纪70年代后期英国Kg s级适用于颗粒增强MMC 孔隙度 后续挤压加工 47 Ospray工艺 该方法是将液体状的原材料 金属与强化相颗粒 吹散雾化 沉积为块状材料 是英国的Osplay公司所开发的 该工艺是制备颗粒强化金属基复合材料的有效方法 当然在实用化这方面还存在一些问题 该方法的主要问题在于强化相颗粒难以均匀分散 发现了陶瓷层在与堆积垂直的方向上扩散的现象 这种方法制备的材料一般具备5 20 的孔隙 通常需要二次加工 48 3 热喷射 用电弧或气体加热颗粒 或线材 并喷射到物体的表面 得到块状的MMC 具有成分梯度的涂层 特点 沉积速度低 g s 颗粒速度大200m s以上 49 熔射 将在高温炉焰中熔融 由高温运动的颗粒而喷射 该方法与熔融气化的方法相似 堆积速度小 通常1g s 但颗粒的速度大 200 m s 所以熔射方法得到的材料孔隙度小 2 3 作为金属基复合材料的成形 该方法的优点在于 在对偶材料的非熔融状态下成形 缩短高温下熔射的时间 孔隙的存在等能够通过热处理而得到改善 结果是能够减少或避免纤维与金属基体的反应 但是对纤维喷射熔融金属也有相当的难度 而且 难以成形空隙率为10 以下的复合材料 另外 在该成形方法的发展中 还必须开发通过涂层而避免纤维的损伤及防止纤维分布不均匀的技术 50 4 浆体铸造 复合铸造 工艺简介原理 将液态金属与陶瓷粉末混合 使整个混合体凝固特点 简单 经济现状 已经有商业化生产 Al SiC 难点 成形的困难微观组织不均匀界面反应 51 颗粒或短纤维增强金属基复合材料的复合铸造 1 液态金属 陶瓷颗粒搅拌铸造法通过机械搅拌在液态金属牛产生涡流从而引人陶瓷颗粒并使其分布均匀 采用这种方法制造铝基复合材料 陶瓷颗粒尺寸可小到10 m 增强相的体积分数可达25 52 2 熔体浸渗铸造与挤压铸造法 熔体浸渗铸造就是前面已经介绍过的压挤铸造与压挤渗透 挤压铸造法是指先用机械搅拌法制备复合浆料 然后将液态复合浆料倒入挤压模 需预热 内 起动液压机 使液态浆料在一定的比压下凝固成形 53 3 高能超声法 在金属熔化后 一边利用超声发生装置 多用磁致伸缩换能器 施加超声振动 一边加入陶瓷颗粒 实现均匀混合以后浇注成形 也可将陶瓷颗粒制成预制件 浇入液体金属后 施加超声进行熔体浸渗 该方法可在极短的时间里 数十秒 实现颗粒的均匀分布 54 4 流变铸造法 半固态铸造 对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆液 同时引入陶瓷颗粒 利用半固态浆液的触交特性分散增强相 在一定压力下充型凝固成形 此工艺是一种两相工艺 局限于大结晶范围的合金 55 5 原位反应铸造法 与上述四种方法的根本区别在于 增强陶瓷颗粒不是外加的 而是在制备过程牛通过化学反应在原位生成的 其基本原理是 在一定的液态合金牛 利用合金液的高温 使合金液牛的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生化学反应 生成一种或几种陶瓷增强颗粒 然后通过铸造成形获得由原位颗粒增强的金属基复合材料 56 搅拌铸造 stircasting 1 成形的粘滞阻力向液体内加固体时 粘度会大大增加 对于纤维尤其严重 以致于当MMC含纤维量超过百分之几时 就不能用这种工艺制造 要保证很好的弥散程度是很困难的 2 微观组织的均匀性几种可能的原因 包括颗粒结团或在熔体里沉积 吸入的气泡 在铸造过程中由于液体输送不足造成的孔隙 以及由于凝固前沿对颗粒的推斥而致的颗粒偏析等等 3 界面反应在搅拌铸造过程中 延长了液体与陶瓷的接触时间 会引起过度的界面反应 对于A1 SiC体系 已有详尽的研究56 58 此时可能会有过多的A14C3和Si生成 这时既降低复合材料的最终性能 而且大大提高了浆体的粘度 使随后的铸造过程困难 57 浆体铸造的关键点 克服成形时的阻力 固相加入液相后使黏度增大 流变模型 减少或避免微观组织的不均匀 颗粒结团或沉淀 吸入气泡 液体输送不足 孔隙 颗粒的相互排斥造成的偏析 建立对颗粒排斥的流变模型 界面反应 例如Al SiC体系 生成Al4C3和Si 使黏度增大 复合材料性能下降 措施 预先合金化 使熔体富Si 58 界面反应 该方法中通常金属熔体与陶瓷的接触时间长 引起界面的二次反应 关于这一问题 对于在Al SiC界面上形成Al4C3进行了详细研究 这样的反应使复合材料的性能降低 提高熔体的黏度可以减缓这一反应 但也使得铸造变得困难 而且 在熔体中加入Si能够使该反应的速度接近于零 并保证能够进行铸造的黏度 这是由于在Al SiC铸造复合材料中 至完全凝固所需要的时间较长 为了使反应不至于剧然发生 必须对各种参数进行控制 59 60 61 5 反应性工艺 即时复合材料 1 共晶体的定向凝固 定向凝固很早就被用来生产各向异性的材料 定向凝固所得微观组织通常都具有很高的规则性和完整性 在一些特殊情况下 这种方法可用来生产实际上是金属基复合材料的铸件 当一种恰为共晶成分的二元合金在特定温度下正常凝结时 往往会形成一种排列整齐的两相结构 62 定向凝固共晶 原理 共晶凝固L 凝固方式 定向组织特征 整齐排列的两相 相当与纤维基体与纤维的结合力强可控制纤维的直径与间距热力学平衡状态增强体本性与体积分数的局限性 L 63 4 3 2主要的固相工艺 混合 压制与烧结 粉末冶金 薄膜的扩散键合SHS法由有机聚合物的合成 64 1 粉末冶金 65 66 67 68 69 粉末冶金 机械合金化 70 71 MA 机械合金化 纳米材料 弥散强化超合金 非晶材料 超导 磁性材料 互不相溶系复合材料 微晶材料 72 73 PrincipleandMechanism 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 本课题组关于放电等离子体烧结方面的论文 2005 6 2007 8 ChengchangJIA HuaTANG XuezhenMEI etal SparkPlasmaSinteringonNanometerScaleWC CoPowder MaterialsLetters 2005 59 4 2566 2569 SCIEI收录 IDSNumber 942IC JIAChengchang LIZhigang HEYuntao andQUXuanhui SparkplasmasinteringonmechanicallyactivatedW Cupowders RareMetals2004 23 269 273 SCIEI收录 IDSNumber 858MH ISSN 1001 0521 JieMeng ChengchangJia QingHe InfluenceofpowdercharacteristicsonthestructureandpropertiesofNi3Alfabricatedbysparkplasmasintering 6thInternationalWorkshoponAdvancedIntermetallicandMetallicMaterials 2005 10 Yangzhou Nanjing ChinaQingHe ChengchangJia JieMeng InfluenceofironpowdersizeonthemicrostructureandpropertiesofFe3Alintermetallicespreparedbymechanicalalloyngandsparkplasmasintering MateralsScienceandEngineeringA 428 2006 314 318 SCI JieMeng ChengchangJia QingHe EffectofMechanicalAlloyingontheFabricationofNi3AlbyHotPressing J ofAlloyandCompounds 421 2006 200 203 SCI ChengchangJia QingHe JieMeng XuanhuiQu Fe3Albasedalloysfabricatedbysparkplasmasinteringfrommechanicallyactivatedpowders SubmittedtoTHERMEC 2006 thefifthinternationalconferenceonadvancedmaterials Processing Fabrication Properties Applications Canada Vancouver 4 8 June 2006 SCI JieMeng ChengchangJia QingHe EffectofMechanicalAlloyingonStructureandpropertyofNi3AlbyparkPlasmaSintering 2006 BeijingInternationalMaterialsWeek June25 30 2006 China p216QingHe ChengchangJia JieMeng MechanicalPropertiesofFe3AlIntermetallics 2006 BeijingInternationalMaterialsWeek June25 30 2006 China p213JieMengChengchangJia Qing HeFabricationofoxide reinforcedNi3Alcompositesbymechanicalalloyingandsparkplasmasintering MaterialsscienceandengineeringA 434 2006 246 249 SCI JieMENG ChengchangJIAandQingHE CharacteristicsofmechanicalalloyedNi Alpowderforsintering RareMetals Volume26 Issue4 August2007 Pages372 376 SCI 85 本课题组关于放电等离子体烧结方面的论文 续 2005 6 2007 8 JieMENG ChengchangJIAandQingHE FabricationofNi3Albyhotpressingfromelementpowders RareMetals Volume26 Issue3 June2007 Pages222 225 SCI MengJie JiaChengchang HeQing InfluenceofpowdercharacteristicsonstructureandpropertiesofNi3Alfabricatedbysparkplasmasintering TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina EnglishEdition v16 nSUPPL 2 2006 p112 116 SCI LanSun ChengchangJia HuaTang ResearchonTwoSinteredTechnologyofNanometerWC CoPowder MaterialsScienceFrum 534 536 2007 593 596 SCI ChengchangJia LanSun HuaTang XuanhuiQu HotpressureofnometerWC Copowder REFRACTORYMETALS HARDMATERIALS 25 2007 53 56 SCI ChengchangJia QingHe JieMeng Fe3Alalloysfabricatedbysparkplasmasinteringfrommechanicallyalloyedpowders MaterialsScienceForum 539 543 2007 2706 2712 SCI LanSun ChengchangJia MinXian AResearchonthegraingrowthofWC Cocmentcarbide InternationalJournalofRefractoryMetals Materals 25 2007 121 124 SCI ChengchangJia QingHe JieMengandLinaGuo InfluenceofmechanicalalloyingtimeonthepropertiesofFe3AIintermetallicspreparedbysparkplasmasintering JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Volume14 Issue4 August2007 Pages331 334 SCI QingHe ChengchangJia JieMeng MechanicalpropertiesandmicrostructureofFe3Alintermetallicsfabricatedbymechanicallyalloyingandsparkplasmasintering TransactionsofnonferrousMetalsSocietyofChina 2006 16 747 752何箐 贾成厂 孟杰 机械合金化与放电等离子体烧结制备Fe3Al F3AlC0 5金属间化合物 第十四届全国复合材料学术会议 2006 11 宜昌 第十四届全国复合材料学术会议论文集 上 606 刘向兵 贾成厂 王富祥 盖国胜 陈晓华 热压与放电等离子体烧结 SPS 两种工艺制备Cu Al2O3复合材料 第十四届全国复合材料学术会议 2006 11 宜昌 第十四届全国复合材料学术会议论文集 上 633 86 4 2 2薄膜的扩散键合 工艺原理 将整齐排列的纤维 往往是通过缠绕丝线 置于金属薄膜之间 然后热压 适用性 钛基复合材料 a 用连续纤维增强钛特别有潜力 考虑到显著改善蠕变抗力和刚度 b 涉及液相钛的工艺会产生迅速的界面化学反应问题 c 因为Ti能在700 以上溶解其自身的氧化物典型的工艺参数 900 停留几小时 87 2 扩散键合 一种已商业化的用于长纤维增强钛合金的技术是将排列的纤维置于金属薄膜之间 往往是通过缠绕丝线 然后热压的方法 该工艺对于生产钛基复合材料非常有吸引力 a 用连续纤维增强钛特别有潜力 考虑到显著改善蠕变抗力和刚度 b 涉及液相钛的工艺会产生迅速的界面化学反应问题 c 因为Ti能在700C以上溶解其自身的氧化物 使之非常适合于扩散键合方法 88 4 3 3主要的气相工艺用于金属基复合材料的气相工艺主要是物理气相沉积 PVD 有几种PVD工艺方法以被用来制作MMC 所有的PVD方法都相对较慢 其中最快的一种是升华法一靶样在高度真空条件下的热气化 有一种制造长纤维增强钛合金的升华法工艺117 该工艺法将长纤维连续地输送通过一个区域 在这个区域内 所要沉积的金属的气相分压很高 这种金属气相便会沉积而在纤维表面生成较厚的涂层 气相是通过把高能 10kW 电子束聚集在一个固体杆状原料的一端而产生的 89 物理气相沉积 PVD 多种PVD工艺作为金属基复合材料的成形方法而使用 这种工艺用于长纤维强化Ti的成形 是使纤维通过真空容器而连续进行 形成比较纯的涂层面 蒸汽是由功率 10kw 的电子束直接照射到固体棒的一端产生 该方法可以适用于多种合金 为了调整不同材料之间产生的蒸发速度的不同 可以改变棒先端所发生的熔融物的构成 使供给的棒的量与沉积的合金的量平衡 所以在该工艺中 几乎不存在界面处的机械障碍 复合材料的成形是将纤维集束 再由热压 HP 或热等静压 HIP 固结成形 该成形工艺中由于纤维能够均匀分散 所以其体积分数可以达到80 该成形方法的效率低 成本高 但也是实用性高的成形方法 90 Ti 6Al 4V与SiC纤维复合 气相沉积Ti 5Al 5V的SiC 含80 SiC纤维的Ti 5Al 5V的复合材料 91 4 4陶瓷基复合材料的制备方法 陶瓷基复合材料的成形中 尚存在有一些问题 其中最主要的是 由于陶瓷本身是脆性材料 所以在成形工序难以变形 进而 由于陶瓷基体难以适应复合化过程中的体积变化 所以有时会在成形工序中发生开裂 特别是在以纤维作为增强体时 可能会给气体的排出造成困难 而且 陶瓷基复合材料的成形一般是伴随着高温而进行 92 陶瓷基复合材料的制备成形 93 4 4 1主要的固相工艺1 粉末烧结工艺 1 粉末的制备粉体的制备可分为机械制粉和化学制粉两种 化学制粉可得到性能优良的高纯 超细 组分均匀的粉料 其粒径可达10nm以下 是一类很有前途的粉体 尤其是多组分粉体 制备方法 但这类方法或需要较复杂的设备 或制备工艺要求严格 因而成本也较高 机械混合制备多组分粉体工艺简单 产量大 但得到的粉体组分分布不均匀特别是当某种组分很少的时候 而且这种方法常常会给粉体引入杂质 如球磨时 磨球及滚筒的磨损物都将进入粉料 机械制粉一般有球磨和搅拌振动磨等方式 其中球磨是最常用的一种粉碎和混合的装置 94 2 粉末的成形 a 干压成型 Drypressing 干压成型又称为模压成型 是将粉料填充到模具内部后 通过单向或双向加压 将粉料压成所需形状 这种方法操作简便 生产效率高 易于自动化 是常用的方法之一 但干压成型时粉料容易团聚 坯体厚度大时内部密度不均匀 制品形状可控精度差 且对模具质量要求高 复杂形状的部件模具设计较困难 95 b 等静压成型 IsostaticPressing 将粉料装入橡胶等可变形的容器中 密封后放入液压油或水等流体介质中 加压获得所需的形状 这种工艺最大的优点是粉料不需要加粘合剂 坯体密度均匀性好 所成型的制品几乎不受限制并具有良好的烧结体性能 但此法仅适用于简单形状制品 形状和尺寸控制性差 而且生产效率低 难于实现自动化批量生产 适用于大量压制同一类型的产品 特别是几何形状简单的产品 如管子 圆柱等 96 97 c 热压铸成型 Hotpressingcasting 将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合后 加热使混合料具有一定流动性 然后将混合料加压注入模具 冷却后即可得到致密的较硬实的坯体 这种方法适用于形状比较复杂的部件 易于工业规模生产 缺点是坯体中的蜡含量较高 约23 烧成时排蜡周期长 薄壁且大而长的制品易变形挠屈 98 d 挤压成型 Extrusionmolding 利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出 模具的形状就是成型坯体的形状 一般短柱状 纤维状 空心管状体及厚板状坯体等沿挤出方向外形平直的制品均可采用此方法 这种方法要求陶瓷粉料具有可塑性 即受力时有良好的形变能力 而且要求成型后粉料能保持原形或变形很小 99 e 轧膜成型 Rollcompacting 也称为滚 辊 压成型 将加入粘结剂的瓷料放入相向滚动的轧辊之间 使物料不断受到挤压 得到薄膜状坯体的一种成型方法 这种方法具有工艺简单 生产效率高 膜片厚度均匀 设备较简单 能够成型出厚度很薄 可达10 m 轧膜料常用的粘结剂有聚乙烯醇 聚合度1400 1700为宜 水溶液和聚醋酸乙烯脂 聚合度400 600为宜 配制轧膜料时 聚乙烯醇水溶液一般用量在30 40 之间 聚醋酸乙烯脂在20 25 之间 通常还要外加2 5 的甘油增塑剂 100 f 注浆成型 Slipcasting 和车坯成型 注浆成型是一种最古老的成型工艺 是在石膏模中进行的 即把一定浓度的浆料注入石膏模中 与石膏相接触的外围层首先脱水硬化 粉料沿石膏模内壁成型出所需形状 近年来用注浆成型法成型形状复杂的发动机陶瓷部件 车坯成型也是一种古老的成型工艺 它是用真空练泥机挤出的泥段或注浆成型注出的粗泥坯在车床上进行的 101 g 流延法成型 Tapecasting Doctorblade 超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料 然后通过固定的流延嘴及依靠料浆本身的自重将浆料刮成薄片状流在一条平移转动的环形钢带上 经过上下烘干道 钢带又回到初始位置时就得到所需的薄膜坯体 流延法成型的优点是生产效率比轧膜成型大大提高 易于连续自动化生产 流延膜的厚度可薄至2 3 m 厚至2 3mm 膜片弹性好 坯体致密 但这种工艺对有机溶剂的选择比较敏感 同时水含量及水质对料浆流变性 坯体密度 产品部件的拉伸强度均有较大的影响 102 h 注射成型 Injectionmoulding 陶瓷注射 注模 成型与塑料的注射成型原理类似 但过程更复杂 注射成型是把陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具 迅速冷凝后脱模取出坯体 成型时间为数十秒 然后经脱脂可得到致密度达60 的素坯体 注射成型与传统的陶瓷热压铸工艺也有类似之处 如都是将混合有机物的物料压入模具中 冷却固化成型 但热压铸是将陶瓷原料与有机物制成蜡饼加热至具有一定流动性后压入模具 压力只有几个大气压 而注射成型需将陶瓷物料和有机物的混合物压碎 造粒后才能用来成型 而且注模压力高达1300kg cm2 热压铸和注射成型所用的机械也不相同 103 注射成型 注射成型的主要优点是适合大批量生产陶瓷部件 且大批量生产时成本可很低 成品的最终尺寸可以控制 一般不必再修整 易于经济地制作具有不规则表面 孔道等复杂形状的制品 同热压铸一样 脱脂时间长是注射成型的最大缺点 此外浇口封凝后内部不均匀性也是一个问题 104 105 i 压力渗滤工艺 Pressurefiltration 压力渗虑工艺是在注浆成型基础上发展起来的 可避免一般工艺中发生的超细粉团聚和重力再团聚现象 并可获得较高的生坯密度 106 j 凝胶铸模成型 Gelcasting 把陶瓷粉体分散于含有有机体的溶液中形成泥浆 然后将泥浆填充到模具中 在一定温度和催化剂条件下有机体发生聚合 使体系发生胶凝 这样模内的料浆在原位成型 经干燥后可得到强度较高的坯体 优点是收缩小 干燥收缩为1 4 烧结收缩为16 17 生坯强度高 有机粘结剂用量低 并且可以成型形状复杂及大截面尺寸的部件 107 k 直接凝固成型 Directcoagulationcasting 把胶体化学与生物化学结合起来 其思路是利用胶体颗粒的静电或位阻效应首先制备出固相体积分数高 分散性好的悬浮体或料浆 同时引入延迟反应的催化剂 使泥浆聚沉成型 108 3 烧成 粉末冶金领域称为烧结 陶瓷领域称为烧成 最重要的工序 在高温作用下 瓷料发生一系列物理化学变化并由松散状态逐渐致密化 且机械强度大大提高 三个阶段 从室温至最高烧成温度的升温阶段 在最高温度的保温阶段 从最高温降至室温的冷却阶段 109 导入纤维时会产生一些新的问题 为了复合 可以在基体中混入纤维 也可以以浆状物的形式混合 也可以是纤维与颗粒的混合 但是 纤维可能会阻碍基体烧结时的收缩 采用热等静压等工艺可以抑制裂纹的发生与扩展 但相对成本较高 而且 要完全抑制裂纹也比较困难 作为解决这一问题的方法之一 是在复合过程的高温下使用部分或全部的液相作为基体 该方法制备的材料的高温性能较差 但在陶瓷基复合材料的形中 使用玻璃或玻璃状的物质作为基体时 仍引起广泛的兴趣 然而即使是基体不发生这样的裂纹而复合化 也可能会存在这样成形的热梯度所引起收缩的问题 这样的成形系统中的不匹配所引起的应变 由于基体在高温液体状态下的膨胀系数一般要比纤维大得多 所以该应变值也会很大 纤维强化陶瓷基复合材料成形中这样的困难与限制也是制约制造实用化的因素之一 110 ZrO2 3 Y2O3纤维与同种粉末混合烧结后 复合材料的截面 碳纤维强化Mg基复合材料的组织 由于不同的收缩而在基体中产生了裂纹 111 2 叠层陶瓷复合材料 将薄板状原材料叠层再进行烧结的方法 是简单地成形韧性较高的陶瓷基复合材料的方法 将微细的陶瓷粉末与高的聚合物溶剂混合 轧辊和压制成厚度约为200 m的带状薄板 为了强化可能会成为裂纹并提高韧性 进行厚度约5 m的涂层 之后将该带状薄板叠层烧结 这种材料具有各向异性特征 也在很宽的范围内进行了研究 SiC 石墨复合材料的微观组织与贝壳结构非常类似 由于该制备工艺中没有对纤维的操作与加压操作 所以是比较迅速 低成本的成形