复合材料-第十章材料复合新技术课件

第十章材料复合新技术§10-1概述原位(in-situ)复合技术－－在材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复污染。自蔓延复合技术(self-propagatingsynthesis)－－以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点。梯度复合技术－－以组分、结构及性能渐变为特点。分子自组装技术－－以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材料为特点。

什么是原位复合？原位复合就是材料中的第二相或者复合材料中的增强相生成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之前就有，而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或者高分子等物相，它们能以颗粒、晶须、晶板或纤维等显微组织形式存在于基体中。§10-2原位复合技术固相反应法液-固相反应法气-液反应法法反应喷射沉积成型技术一、金属基原位复合技术1、固相反应法(放热分散技术)原理：把含有反应剂元素的两种合金粉末与基体金属或合金混合均匀，然后加热到基体金属或合金的熔点以上的温度，达到反应温度时反应剂元素在熔体中发生放热化学反应，生成合金或陶瓷粒子,如TiB2/TiAl。该技术优点：①增强相的种类多，包括硼化物、碳化物、硅化物；②增强相粒子的体积百分比可以通过控制反应剂的比例和含量加以控制；③增强相粒子的大小可以通过调节温度控制；④可以制备各种金属基和金属间化合物基复合材料；⑤由于反应是在熔融状态下进行的，可以进一步近终形成型。2、液固反应法(无压金属浸润技术)原理：在基体金属熔液中加入增强型颗粒的固体元素或化合物，在熔融的基体合金中反应生成细小弥散的颗粒增强物，形成金属基复合材料。如TiC/Ti复合材料。特点：适宜于铝基、镁基和钛基复合材料增强物与基体金属界面干净，结合良好增强物性质稳定，颗粒大小及数量可控。4、反应喷射沉积成型技术原理：在喷射沉积过程中，金属液流被雾化成粒径很小的液滴，它们具有很大的比表面积，同时又具有—定的高温，这就为喷射沉积过程中的化学反应提供了驱动力，借助于液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应，或在基体上沉积凝固过程中与外加剂粒子之间的化学反应，生成粒度细小、分散均匀的增强相陶瓷粒子或金属间化合物粒子。气－液：Cu-Al+O2Cu-Al+Al2O3液－液：Cu-B＋Cu-TiCu/TiB2固－液：MO+XM＋XO二、陶瓷基原位复合技术三、聚合物基原位复合技术熔融共混技术溶液共沉淀技术原位聚合技术熔融共混技术的优点制备工艺简单增强相种类多由于增强相微纤维是在制备过程中产生的，其表面洁净均匀微纤维不仅起到增强剂的作用，还起到加工助剂和促进树脂基体结晶的作用可以近终形成型，制备形状复杂的产品熔融共沉淀技术原理：在树脂基体中通过共溶液、共沉淀均匀分散制备聚合物微纤维的技术。解决了熔融共混技术中不相容聚合物不能成纤的问题。共沉淀技术的优点增强相微纤维生成于共沉淀过程中，微纤维表面洁净，分散均匀。微纤维直径仅为纳米级微纤维不仅起到增强作用，还促进树脂基体的结晶适用于不相容两聚合物体系。原位聚合技术原理：利用聚合物单体在外力作用下，如氧化、光、电、热、辐射等，原位产生聚合或共聚，使得某一种聚合物或其它物质均匀分散在聚合物基体中，起到对复合材料改性的作用。原位聚合技术优点制备工艺简单能制备较多体系的复合材料第二相或增强相种类多，体积分数高第二相或增强相表面洁净，分散均匀可以制备金属、陶瓷或聚合物第二相或增强相的聚合物基复合材料工艺设备简单、工艺周期短、生产效率高；能耗低、物耗低；合成过程中极高的温度可对产物进行自纯化，同时，极快的升温和降温速率可获得非平衡结构的产物。特点：自蔓延高温合成的理论基础物料燃烧的最高温度就是理论绝热温度理论绝热温度

Tad﹤1500K，放热不足以维持合成反应Tad﹥2500K，反应可自我维持1500K﹤Tad﹤2500K，须提高反应初温度等等一、SHS粉末技术粉末材料的自蔓延高温合成是SHS最早研究的方向，也是较具生命力的研究方向。二、SHS致密化技术液相致密化－－利用高放热反应的热量使反应温度超过合成产物的熔点，从而使最终产物全部或部分熔融。SHS粉末烧结致密化－－首先是采用SHS方法合成粉料，再通过成型、烧结来得到致密块体材料SHS结合压力致密化－－利用SHS反应刚刚完成，合成材料处于红热软化状态时对其施加外部压力而实现材料的致密化。三、SHS熔铸技术SHS熔铸技术是将SHS技术与传统的铸造工艺相结合而发展起来的一种新型SHS复合技术。利用这种技术进行陶瓷与金属的复合可以有效地克服传统铸造工艺中的颗粒表面污染、氧化问题，具有“原位”复合的特点。四、SHS气相传质涂层技术

将反应物料和被涂层材料置于SHS反应腔内，在反应中引入气相传输介质，当SHS发生后，气相传输介质和高温产物反应形成挥发性化合物，在被涂层物表面沉积或再次发生化学反应而形成涂层。五、自蔓延复合技术中的结构控制方法控制包括SHS促进和抑制两方面的内容。促进SHS过程的方法主要是通过物理或化学的方式来进行，抑制SHS过程的方法主要是掺加稀释剂来实现。与宏观均质复合材料相比，功能梯度材料的成分和结构在每一处都是有控制地连续改变的。其特点是构成材料的组成、显微结构（陶瓷、金属、显微气孔等）不仅是连续分布、适应环境，而且是可以控制的。

这种材料的概念是由日本学者平井敏雄等人于1987年首先提出的，该材料的应用目标主要是航天飞机的防热系统和发动机。

以航天飞机用的超耐热材料构件为例，在承受高温的表面，设计和配置耐高温陶瓷；在与冷却气体接触的表面，设计采用导热性和强韧性良好的金属；而在两个表面之间，采用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶瓷的相对组成及组织结构，使其无界面地、连续地变化，就得到一种呈梯度变化的材料。二、梯度功能材料的研究内容：分为梯度材料设计、梯度材料制备与结构控制、梯度材料特性评价三个基本要素。梯度材料物系设计材料的性能要与目标环境(温度、气氛、强度)相适宜材料间的物理化学相容性，热膨胀系数、润湿性等等热应力缓和结构设计材料制备过程中的残余应力使用条件下(温度梯度、热冲击)的热应力梯度材料设计三、梯度复合技术与结构控制方法梯度复合的各种方法可以在远低于物质的熔点温度下合成材料，能得到高纯度、致密的产物；可以通过调整原料气体的流量、温度等来控制材料组分、结构状态；与烧结法和PVD方法等相比，还有不需粘结剂、助燃剂，成膜速度快等特点。优点：1、化学气相沉积技术（CVD）合成热应力缓和型SiC／C系梯度材料的CVD装置示意图2、物理气相沉积技术（PVD）PVD显著特点是：通过物理方法如直接加热或者用离子束、电子束、等离子体等能量束来激发固体，以原子或分子状态蒸发，在基板上沉积，或与反应物气体相互作用后在基板上沉积。PVD技术的优点是:物系的可选择面宽，原则上可以合成各种金属相和包括氧化物、氮化物、碳化物在内的陶瓷以及金属／陶瓷的复合物。产物纯度高、组成控制精度高，但成厚膜很困难。用PVD技术在铜板上镀上Ti/TiC系梯度薄膜3、自蔓延快速加压(SHS／QP)梯度复合技术自蔓延技术制备具有块体特性的梯度材料时，由于物相的组成、熔点、烧结致密化温度都相对试样位置呈梯度变化，所以必须配合以特殊的加压技术，尤其是加压的时机和加压速度。4、等离子喷涂（熔射）法等离子喷涂是利用各种等离子体如Ar、H2、N2等的发生来获得高温，使材料金属或陶瓷在从等离子枪内射出并通过等离子焰时被熔融或部分融化，最终在基体上成膜的表面加工技术。§9-5分子自组装技术分子自组装技术是通过有机物或聚合物分子以一定的结合方式在特定的基片上自行组装而获得具有特殊性能材料的材料制备技术。有机分子或聚合物分子与基片之间以及这些分子之间的作用力，可以是化学键、氢键或静电引力。巧妙的利用这种作用力在一定条件下能得到单层、双