复合材料课程论文(DOC)

1、材料科学与工程学院 研究生课程论文先进复合材料制造技术课程名称 复合材料制造技术 姓 名 唐光道 学 号 1100202052 专 业 材料加工工程 任课教师 李四中 开课时间 2012年上学期 教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间： 年 月 日先进复合材料制造技术摘要：近年来，各种复合材料制备技术日益更新，从陶瓷基复合材料、金属基复合材料到聚合物基复合材料，各种制备技术都得到了很大改善，使得复合材料的性能和应用得到了显著提高，。本文综述陶瓷基复合材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料等几种重要的制备方法以及应用。关键词：先进，复合材料，制造技术。1. 前言复合材料(Composit

2、e materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求1。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。纳米复合材料以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性

3、剂均匀性地分散于基体材料中，分散相尺寸至少有一维（直径、长度、宽度或厚度）小于100nm的复合材料。纳米复合材料结构的设计，纳米复合材料功能的设计都是研究热点。2. 陶瓷基复合材料2.1纤维增强陶瓷基复合材料的介绍工程陶瓷的开发是目前国内外甚为重视的新型材料研究领域。纯陶瓷材料因其脆性，不能满足苛刻条件下的使用要求。因此，目前广泛采取增韧技术来提高陶瓷的使用性能。纤维和晶须增韧陶瓷是一类有效的方法。用纤维来增韧陶瓷的技术是十年代以后开始的，最初是用碳纤维增强陶瓷，八十年代以来又开发了用陶瓷纤维和晶须增韧陶瓷，增韧效果不断取得进展，增韧技术也不断有所创新。连续纤维增强陶瓷基复合材料是最有前途的高

4、温结构材料之一，以其优异的高韧性、高强度得到世界各国的高度重视。连续纤维补强陶瓷基复合材料(Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites， 简称CFCC)是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料已经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用2-4.20世纪70年代初，J Aveston3在连续纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究基础上，首次提出纤维增强陶瓷基复合材料的概念，为高性能陶

5、瓷材料的研究与开发开辟了一个方向。随着纤维制备技术和其它相关技术的进步，人们逐步开发出制备这类材料的有效方法，使得纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术日渐成熟。由于纤维增强陶瓷基复合材料有着优异的高温性能、高韧性、高比强、高比模以及热稳定性好等优点，能有效地克服对裂纹和热震的敏感性5-6，因此，在重复使用的热防护领域有着重要的应用和广泛的市场。2.1.1 连续纤维补强陶瓷基复合材料的选择原则71) 陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括：工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。2) 陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时， 其应力和弹性模量服从加和原则。

6、c = f Vf + mVm ( 1) Ec = Ef Vf + EmVm Vf + Vm= 1上述方程中，表示承受的应力， V为体积分数， E为弹性模量。下标c、f、m分别代表复合材料、纤维、基体。3) 陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性， 其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。4) 材料应满足结构的特殊要求， 但组元之间不能发生明显的化学反应、溶解和严重的扩散。而且在满足性能要求的前提下， 成本尽可能低。2.1.2 连续纤维补强陶瓷基复合材料的增韧机制 任何固体材料在载荷作用下，吸收能量的方式只有两种：材料变形和形成新的表面8。对于脆性的陶瓷材料而言，材

7、料只能发生很小的变形，只能增加断裂表面，增加裂纹的扩展路径来消耗能量。对于CFCC其增韧机理主要包括因模量差异而引起的载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出等9。在轴向力作用下，CFCC断裂包括3个阶段(如图1(a)所示)：OA段，此段应力水平较低，材料处于线弹性阶段。在A点开始出现线性偏离，A点为基体的极限强度，基体开始出现裂纹。AB段，随着应力的提高裂纹越来越多、越来越大10。在B点处复合材料内部纤维开始断裂，即B点为CFCC的极限强度。与单相的陶瓷材料相比(如图1(b)所示)，虽然单相陶瓷的极限强度可能大于CFCC的极限强度，但是其应变值却远远小于CFCC的应变值，因此CFC

8、C的断裂功远大于单相陶瓷的断裂功。BC段，随着应力的继续增加，纤维和基体脱粘，伴随着纤维的断裂和拔出。在轴向力作用下，CFCC的断裂包括：基体开裂、纤维断裂、纤维脱粘、纤维拔出和纤维断裂等复杂过程。因此对于CFCC而言，纤维拔出和纤维桥接是主要的增韧陶瓷机理 11-12。图1 CFCC（a）和单相陶瓷（b）的应力-应变曲线示意图2.1.3 小结(1)连续纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构的关键材料。(2)CVI法是制造大型、薄壁、复杂连续纤维增韧陶瓷基复合材料构件的主要

9、方法，也是唯一已商品化的方法，可以在微观尺度上设计和制备复合材料的基体、界面层和表面防护涂层。实施变工艺参数控制可获得制备周期短、密度高、致密化速率高和密度梯度小的复合材料。3. 金属基复合材料3.1 金属基复合材料的介绍金属基复合材料具有比强度高，比刚度高，耐热，耐磨，导热，导电，尺寸稳定等优点，是一种很有发展前途的新材料，金属基复合材料广泛应用于制造航空抗天零部件，也用于制造各种民用产品。按基体分，金属基复合材料分为：铝基、镁基、钛基、锌基、铁基、铜基等金属基复合材料；按增强材料分，可分为：纤维增强金属基复合材料；其纤维有C、SiC、Si3N4、B4C、Al2O3等纤维；粒子增强金属基复合

10、材料，增强粒子有：Al2O3、TiC、SiC、Si3N4、BN、SiC、MgO等。金属基复合材料的制造方法：叠层金属基复合材料块状金属基复合材料纤维增强叠层加压法辊轧成型法钎焊法热等静压法铸造法液态铸造法金属浸渍热等静压层积法粒子增强半熔状态辊轧法半熔状态压接法等离子喷涂热压成型法铸造法半熔状态挤压法液态铸造法金属浸渍热等静压法3.2 纤维增强金属基复合材料的制造方法1. 叠层金属基复合材料的制造方法 （1）叠层加压法：工艺过程是：将金属（合金）箔片或纤维增强金属片按要求剪裁，并一层一层的进行叠层，然后加热加压进行成型和连接，一般是在真空或气体中进行。适于这种方法的材料有铝、钛、铜、高温合金，

11、其增强纤维随需要而定。为了改善连接性能，有事在两片之间加入中间金属或在待连接表面涂覆或沉积一层中间金属。 （2）辊轧成型连接法：其主要的基材是铝、钛箔片，增强纤维主要是B、C、SiC、Si3N4等，有时在基材表面要涂覆一层低熔点的中间金属，增强纤维表面要预先浸沾铝或经物理气相沉积（PVI）、化学气相沉积（CVI）处理。 （3）钎焊法：在增强纤维与基材之间加入箔状、粉末状或膏状的钎料，经真空钎焊或保护钎焊而成。钎焊法可以制造管材、型材、叶片等。 （4）热等静压法：如图2所示，其工艺过程是：将纤维与基材进行叠层并装入一模具中，使其在高温下受到各个方向均匀压力而进行成型和连接。其典型的实例是，制造航

12、天飞机用的B/Al复合管。其工艺过程如下：将B/Al纤维增强在铁芯上，外面用铁管密封，与520，68.6MPa下进行热等静压成形和扩散连接，处理后去除铁芯、铁管，再用电子束焊上钛接头。图 2 热等静压2. 短纤维增强金属基复合材料的制造方法 （1）铸造法：目前利用铸造法制造纤维增强金属基复合材料是最简单易行且成本低廉的方法，因此不仅在航空航天工业应用，汽车、轮船等民用工业也有应用。其铸造方法有：金属型铸造法、砂型铸造、熔模铸造、高压铸造、既可以铸造出标准铸锭，通过挤压或轧制成各种型材、管状、板材也可以直接铸出各种零件。 （2）液态铸造法：工艺如图所示，将SiC纤维排列在钢骨架上并预热，然后放入

13、铸模中，冲入熔融的金属合金，铸型内加49-98MPa压力并保压下凝固。图 3 液态铸造法3.3 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 因为金属基复合材料的增强体不同，其制备方法不同。颗粒增强金属基复合材料制备方法主要有：粉末冶金法、喷射沉积法、原位反应法、搅拌铸造法和挤压铸造法等。1. 粉末冶金法粉末冶金法是最早开发用于制备金属基复合材料的工艺，制备的金属基复合材料综合性能优良13。一般粉末冶金包括粉末制备、粉末成形和粉末烧结过程。粉末的制备方法主要分为机械制粉、物理制粉、化学制粉，其中机械制粉又可以分为机械研磨和气流研磨，物理制粉分为液体雾化和蒸发凝聚，化学制粉分为气相沉积还原化合和电化学法。2

14、. 多层喷射沉积法多层喷射沉积法是将金属液体被注入到坩埚中，通过导液管流入喷枪，被高压气体雾化成液粒喷射液，雾化器移动的方式受计算机控制，根据沉积坯形状和冷速的要求，按一定的规律进行匀速或变速运动，液粒扫描沉积在基体上。基体的升降装置亦由计算机控制，保持基体的下降速率与沉积坯长大速率一致，经过雾化液流的多次往返扫描沉积，最终成形为坯件14。但是喷射沉积态坯料的密度一般为理论密度的85%-90%，坯料中存在微孔颗粒之间颗粒与层界面之间均未达到完全的冶金结合。3. 搅拌铸造法搅拌铸造发起源于1968年Ray S在熔化的铝液中加入氧化铝颗粒搅拌制备复合材料。根据铸造时加热温度可以分为全液态搅拌铸造、

15、半固态搅拌铸造和搅熔铸造。搅拌铸造法工艺简单、操作方便、可以生产大体积的复合材料，但加入的增强像体积分数一般不超过20%，且易造成增强颗粒分布的不均匀。铸造或液态浸渍是用液态金属浸渍纤维束，或将纤维束通过液态金属熔池，使每根纤维被熔融金属润湿得到复合丝，再将复合丝挤压使其结合成一体以制得复合材料，由于纤维难以被熔融金属润湿，因此只有较少的金属基复合材料可以直接用液相浸渍法制造。通过浸渍前在纤维上涂覆改善润湿性的涂层可以改善润湿性能。挤压铸造或压力浸渍是使液态金属强制进入纤维预制件，压力一直延续到凝固结束。由于挤压铸造是强制将熔融金属压入纤维预制件中，因此不要求熔融金属对增强材料有好的润湿性。东

16、南大学采用挤压铸造压力浸渗工艺制备出氧化铝短纤维和碳酸铝短纤维增增强铝基复合材料北京交通大学则研究采用挤压铸造制备钢铁基复合材料。4. 原位合成法 原位合成法指增强材料在复合材料制造过程中，在基体中自己生成和生长。原位生成尺寸细小、分布均匀的增强相。与其他工艺相比，原位合成法具有工艺简单、烧结温度低、烧结体晶粒小等优点。合成的增强相包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等，如Al2O3、TiC、SiC、Si3N4等。原位生成的增强颗粒与基体之间界面无污染，二者之间为理想的原位匹配，界面结合好，增强颗粒热稳定性好。目前报道的原位合成法主要有：放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法和反应

17、喷射沉积等。3.4 小结经过二十多年的发展，金属基复合材料已经成功地从实验室走向市场，并在诸多应用领域站稳了脚跟，这受益于广泛而深入的基础研究工作，为低成本、高效率生产金属基复合材料提供有力的技术支撑。今后的研发工作主要应着眼于两个方面，即在进一步完善已有金属基复合材料材料和技术的同时，寻求新一代金属基复合材料设计与制备的突破口，从而为金属基复合材料的可持续发展奠定基础。目前金属基复合材料研发工作呈现3个趋势：1， 复合构型设计将受到更多重视，重点是通过调控增强体的空间分布实现强韧化； 2，结构功能一体化、多功能化将成为未来金属基复合材料高性能化的必然途径；3，尽管备受争议，以碳纳米管为代表的

18、金属基纳米复合材料终将登上历史的舞台。4. 聚合物基的复合材料4.1聚合物/纳米复合材料的介绍聚合物/纳米复合材料是今年来研究的热点，聚合物纳米复合材料是指具有纳米尺寸的其他材料与高分子材料以各种方式复合而成的一种新型复合材料。聚合物纳米复合材料由于既保持了聚合物体本身的各种优异性能，又能充分发挥纳米单元的特异性能。当聚合物基纳米复合材料中纳米基元（分散相）的尺寸达到纳米尺度时，其材料将产生纳米尺寸效应，出现以宏观尺寸分散的复合材料所不具备的、特殊的物理性能。4.2 聚合物/纳米复合材料的研究方法聚合物/纳米复合材料研究的方法主要是插层法，溶胶-凝胶法，共混法，原位聚合法等15。下面将着重讨论

19、聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料。插层复合法是目前制备聚合物纳米复合材料的主要方法。艾春玲等16用蒙脱土插层纳米复合材料改性水性涂料，并进行了性能测试表征，结果显示，经改性涂料的性能均有不同程度的提高。高振滨等17采用直接注射法制备HDPE/LLDPE/OMMT纳米复合材料，结果表明：蒙脱土的加入大大提高了纳米复合材料的力学性能和热变形温度。根据复合过程，插层复合法可分为三类18-20，1）插层聚合法：原理是将聚合物单体分散，插层进入层状硅酸盐片层中，然后再原位聚合，利用聚合时放出的大量的热量克服硅酸盐片层间的库仑力，使其剥离，从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合；2）熔体插层法：原理是

20、将插层无机物与高聚物插入层状无机的层间，该方法优点是不需要其它介质，不污染环境，操作简单，适用面广。3）溶液插层法：原理是高分子链在溶液中借助于溶剂而插入无机物层间，然后再挥发除去溶剂。图4 熔融插层法示意图4.3 聚合物/纳米复合材料的优异性能采用插层法制备的聚合物/纳米复合材料具有优异的性能，同普通的聚合物基复合材料相比，聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料，聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有以下优异的性能：（1） 对聚合物的增强、增韧作用；（2） 提高了材料的耐热性能（高的热变形温度和分解温度）；（3） 提高了材料的阻燃和耐烧蚀性能；（4） 提高了材料的阻隔性能；（5） 提高了材料的尺寸稳定性

21、，减少了材料内部的残余应力。4.4 聚合物/纳米复合材料的应用由于聚合物纳米复合材料既能体现出纳米微粒尺寸小、比表面积大、表面效应、量子效应等特点，又能保持聚合物体本身各种优异性能，使得聚合物纳米复合材料表现出常规材料所不具备的特性，具有了广阔的应用前景。聚合物/纳米复合材料的应用主要在涂料、医用材料、电子功能材料、包装材料、催化剂等，有着广泛的应用前景。开发优异性能的聚合物纳米复合材料是我们今后工作的重点，尽管目前对高分子基纳米复合材料的研究已经取得了很大的进展，但是由于其结构复杂，微区尺寸小，有表面效应，量子效应等因素的影响，对材料的结构形态特征与材料性能之间的关系还有待于进一步深入研究；

22、在合成方法上还有待突破现有的合成方法；特别是在拓宽其应用领域范围方面更是目前急需要解决的问题。5. 结语经过几十年代发展，复合材料制备技术日趋完善，从实验室成功的走向了市场，并在诸多领域站稳了脚跟，这些都是受益于科研人员广泛而又深入的基础研究工作。在优化现有工艺，降低制造成本，解决与环境的适应性，实现其再生循环利用，实现社会可持续发展等方面，将逐渐受到人们的关注。参考文献：1 张以河主编.复合材料学 M.北京：化学工业出版社，2011.22 韩桂芳，陈照峰，等.高温诱波材料研究进展. 航空材料学报，2003， 23(1) ：57623 Aveston J. In properties of f

23、iber composite.National Physicall-aboratory Conference Proceeding，1971： 63 744 何新波，杨辉， 张长瑞，等. 来年续纤维增强陶瓷基复合材料概述.材料科学与工程，2002，20(2) ：273 2785 Takeda M，Kagawa Y， Mitsuno S， et al. Ceram Soc， 1999， 82( 6) ：15976 薛明俊，孙承绪. 莫来石纤维对钛酸铝陶瓷力学性能的影响.华东理工大学学报，2003，29(6) ：587 5897 陈虹，张联盟，等. 陶瓷基纤维复合材料的结构设计及制备.硅酸盐通报，2003(4) ：46498 王零森，黄培云. 特种陶瓷( 第二版) .长沙：中南工业大学出版社，2005.9 闫联生，李贺军， 崔红， 等. 连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料研究进展.2005，19(1)：60 63.10 Lamouroux