复合材料原理09第12讲

复合材料原理,课程学科分类：材料学课程授课人：成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009.4.21,第十二讲界面控制与复合工艺,1.涂层制备方法2.MMC复合材料制备工艺3.CMC复合材料制备工艺4.PMC复合材料制备工艺,PMC界面控制主要问题是提高结合强度：,玻璃纤维/环氧A：商业胶料B：与基体不反应硅烷C：三功能环氧胶料D：与基体反应硅烷,1.1界面控制的主要问题,1.纤维表面涂层制备方法,MMC界面控制的主要问题是抑制界面反应：,1.纤维表面涂层制备方法,1.1界面控制的主要问题,CMC界面控制的主要问题是适当降低结合强度：,1.纤维表面涂层制备方法,1.1界面控制的主要问题,1.纤维表面涂层制备方法,纤维表面涂层制备方法与应用范围：,1.2纤维表面涂层制备方法与应用范围,CVD制备单丝纤维涂层：,1.纤维表面涂层制备方法,1.2纤维表面涂层制备方法与应用范围,EB-PVD制备单丝纤维涂层：,1.纤维表面涂层制备方法,1.2纤维表面涂层制备方法与应用范围,静电凝聚涂层技术：,在给定浆料PH值下依靠静电吸引制备纤维涂层,1.纤维表面涂层制备方法,1.2纤维表面涂层制备方法与应用范围,静电凝聚涂层形貌：,Nextel720纤维上制备的LaPO4涂层,Nextel720纤维浸渍在Betz1260凝聚剂中，然后清洗，最后再浸渍在粉碎的独居石浆料中,1.纤维表面涂层制备方法,1.2纤维表面涂层制备方法与应用范围,MMC有三种复合方法：SolidState固态LiquidState液态In-situ自生原位生长前两者需要对纤维表面进行处理，后一种由于增强体是自生的，因而不存在界面问题。,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,固态复合法实际上就是所谓的热压法或者粉末冶金法。即把纤维与基体混合，在一定的温度和压力条件下，使基体发生塑性流动，充填纤维的间隙。预制体用三种方法：粉体与纤维混合箔与纤维混合等离子化学或物理气相沉积,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,基体纤维预制体都要在压力下进行致密化：板状等简单形状的制品用热压(单向,HP)，复杂形状用热等静压(HIP)，热等静压需要使用包套，封装前一定要抽真空，热等静压时既能发生塑性变形，又能传递压力。这种方法由于有压力条件，因而温度低，化学反应趋势较少，对纤维涂层的要求较低，特别是反应阻挡层，甚至可以不要。但提高界面结合强度和提高润湿性的涂层仍然需要。金属基复合材料在远低于Tm温度成型。,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,实际上PlasmaSpray和PhysicalVaporDeposit(PVD)就是物理冶金的方法(粉末冶金)。Plasma使金属粉末(纳米)在等离子体的作用下沉积到预排好的纤维上。PVD金属在超高温度下蒸发，然后沉积到预排好的纤维上。CVD利用化学气相反应生成金属微粉沉积到排好了的纤维上。CVD不仅可以沉积陶瓷也可以沉积金属。总之固态方法就是粉末冶金、物理冶金或化学冶金加上致密化过程。粉末冶金或物理冶金或化学冶金+致密化,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,Diffusionbonding,HotPressingFabrication,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,HotIsostaticPressingFabrication,HotPowderExtrusionFabrication,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,热等静压法(HIP)：,2.MMC制备工艺方法,2.1SolidStateFabrication,液态复合法实际上就是铸造方法Casting，本质是液态金属对纤维或纤维预制体的充填，充填有三种方式：依靠毛细管作用(表面张力的作用)真空加压真空加压力结合使用,2.MMC制备工艺方法,2.2LiquidStateFabrication,金属熔体必须与增强体润湿。连续纤维必须预排或预制。短纤维或颗粒必须与金属熔体充分混合，短纤维或颗粒用挤压铸造方法：即在液态金属凝固过程中加上高压(半固态挤压)：浇铸加压凝固保压顶出。(类似于压力铸造或塑料压铸、注射成型),2.MMC制备工艺方法,2.2LiquidStateFabrication,(Automotiveenginepistonsfromaluminumalloyreinforcedbyaluminashortfibers),GasPressureInfiltration,SqueezeCastingInfiltration,2.MMC制备工艺方法,2.2LiquidStateFabrication,(3)PressureDieInfiltration,2.MMC制备工艺方法,2.2LiquidStateFabrication,2.MMC制备工艺方法,2.3In-situFabrication,UnidirectionalsolidificationofaeutecticalloyFormationofeutecticstructure,inwhichoneofthecomponentshasaformoflongcontinuousfilaments.,CMC的制备工艺体系：,3.CMC制备工艺方法,3.1CMC的制备工艺体系,固相法(热压，HotPress)：,3.CMC制备工艺方法,3.2固相法,3.CMC制备工艺方法,热压法的特点：,纤维受伤严重(强度低为纤维受损所致，防止纤维受损是开发材料性能的巨大市场，甚至比材料工艺更大)温度高，界面不容易控制，热失配倾向大形状简单体积分数低(太低不是先进复合材料),HP现在主要用于制备玻璃陶瓷基复合材料，因为玻璃可以在较低的温度下热压，基体容易流动，容易致密化。热压后一般都要热处理，使玻璃基体结晶，从而提高复合材料的抗蠕变性(在这方面俄罗斯比较重视)。,3.2固相法,3.CMC制备工艺方法,固相法(反应烧结，Reactionsintering)：,3.2固相法,反应烧结法的优点是工艺简单，可以控制在一定的反应程度，然后加工，加工完了以后反应烧结，加工很容易，成本低。如用Si和SiC纤维的预制体可以在1350与N2反应烧结，时间也不长。,问题是界面不容易设计，反应烧结的气氛很容易使界面层破坏，如C界面层很容易与反应烧结气氛中的SiO反应。同样的道理，反应烧结对纤维要求较高，如反应烧结Si3N4不能用C纤维。反应烧结CMC性能不高。(在这方面德国宇航院特别重视),3.CMC制备工艺方法,3.2固相法,液相法(反应性熔体渗透，Reactivemeltinfiltration)：,3.CMC制备工艺方法,3.3液相法,反应性熔体渗透是一种低成本方法，工艺简单、成本低，也可以进行界面设计控制反应熔体浸渗的时间。C+SiSiC晶粒粗大且有很多缺陷，一方面基体组织稳定，另一方面基体性能差，因而CMC的性能也差。可以看出：单靠这种方法是不容易进行界面设计的，必须与其它方法结合使用(美国、日本比较重视)。,3.CMC制备工艺方法,3.3液相法,液相法(先驱体浸渍热解，Precursorimpregnation&pyrolysis)：,3.CMC制备工艺方法,3.3液相法,用纤维编织体浸渍有机硅先驱体，如聚碳硅烷，然后在一定温度下热解生成SiC基体CMC密度与浸渍热解的次数有关，密度不容易达到很高，常用热压法致密化。这无疑会对纤维造成损伤，而且也会使能够形成复杂形状工件的优点部分丧失.优点是工艺设备简单。也可以看出，单独依靠这种方法也是不容易实现界面设计的(日本较重视)。,3.CMC制备工艺方法,3.3液相法,3.CMC制备工艺方法,液相法(溶胶凝胶，Sol-gel)：,3.3液相法,3.CMC制备工艺方法,凝胶注法的主要问题是致密度不高，热稳定性较低，而且工艺控制难。,凝胶注法主要用于制备氧化物/氧化物复合材料，主要优点是工艺设备简单。,3.3液相法,气相法(化学气相渗透，Chemicalvaporinfiltration)：,3.CMC制备工艺方法,3.3气相法,CVI实际上就是CVD，CVD发生在表面，CVI发生在内部。常压：适用薄壁件，时间短。减压：更容易致密化(沉积产物气体分子更容易扩散)，但时间长。通过控制反应气体的比例，可以对产物的成分进行控制。,3.CMC制备工艺方法,3.3气相法,CVI最大的问题是致密化速度慢、时间长(产物逸出)，容易在表面沉积而使密度形成梯度。,Cold,Hot,Hot,Hot,3.CMC制备工艺方法,热梯度法,等温法,3.3气相法,脉冲压力变化让产物气体逸出,强制热梯度法,强制等温法,脉冲法,3.CMC制备工艺方法,3.3气相法,这些措施都是为了提高致密化速度，缩短制备时间，与C/C相比(沉积C)，SiC更不易致密，因为分子量更大，产率更低，有更多的产物气体逆向逸出。CVI是唯一商业化的CMC制备方法，致密度可以达到8590%，这种方法的优点是可以制备任何形状的零件，性能高，能对界面进行精确的设计。缺点是时间长，设备复杂，而且由于沉积SiC晶粒细小，组织存在不稳定的倾向。,3.CMC制备工艺方法,3.3气相法,CMC的复合方法不能只局限于一种方法，应该发挥各种方法的优点，综合选择和使用。要求不高的CMC可以用HP或RS要求较高，用CVI制备界面层为基础，结合使用RMI或者PIP，可以降低成本，缩短时间。,3.CMC制备工艺方法,3.3气相法,CMC制备工艺使用范围：,3.CMC制备工艺方法,3.4CMC制备工艺的特点,CMC制备工艺与性能特点：,3.CMC制备工艺方法,3.4