《复合材料的制备》PPT课件.ppt

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1、材料合成与制备材料合成与制备李亚伟李亚伟 赵雷赵雷 无机非金属材料系无机非金属材料系10/31/2021/23:38:14/13:17:412第第6 6章章 复合材料的制备复合材料的制备 Preparation of Composite Materials/23:38:1436.1 6.1 复合材料的基本概念和性能复合材料的基本概念和性能 复合材料是由两种或两种以上复合材料是由两种或两种以上单一材料构成的，具有一些新性单一材料构成的，具有一些新性能的材料能的材料 由两个或两个以上独立的物理由两个或两个以上独立的物理相，包含粘结材料（基体）和粒相，包含粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成

2、的一料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。种固体产物。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料定义定义Composite Materials/23:38:144行业行业实例实例飞机制造飞机制造机翼，机身，起落架，垂直尾翼机翼，机身，起落架，垂直尾翼汽车制造汽车制造车身，灯壳罩，保险杠车身，灯壳罩，保险杠造船造船船壳体，甲板，桅杆船壳体，甲板，桅杆化工化工管道，储油罐，压力容器管道，储油罐，压力容器家具家具椅子，桌子，梯子，台板，住房椅子，桌子，梯子，台板，住房电气工业电气工业仪器面盘，配电盘，绝缘材料仪器面盘，配电盘，绝缘材料运

3、动器材运动器材钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇复合材料的应用复合材料的应用/23:38:145 复合材料的基本结构模式复合材料的基本结构模式 复合材料由复合材料由基体基体和和增强剂增强剂两个组分构成：两个组分构成：基体：构成复合材料的基体：构成复合材料的连续相连续相；增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分布在整个基体中的分散相分散相，这种分散相的性能优越，会，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。使材料的性能显著改善和增强。E 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或

4、增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。E 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。/23:38:146复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)a)层叠复合层叠复合 b)b)连续纤维复合连续纤维复合 c)c)细粒复合细粒复合 d)d)短切纤维复合短切纤维复合/23:38:147v复合材料的复合材料的命名命名 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强增强材料材料的名称放在前面，的名称放在前面，基体材料基体材料的

5、名称放在后面，再加上的名称放在后面，再加上“复合材料复合材料”。如。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料玻璃纤维环氧树脂复合材料”碳碳/环氧复合材料环氧复合材料 碳碳/金属复合材料金属复合材料 碳碳/碳复合材料碳复合材料为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料”。如玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料，也可写做“玻璃环氧复合材料”。以及左面例/23:38:148 国外还常用国外还常用英文编号英文编号英文编号英文编号来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复）表示金属基复合材料，合材料，FRP（Fiber Reinfo

6、rced Plastics）表示）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy,或或G/Ep(G-Ep)/23:38:149复合材料分类复合材料分类 /23:38:1410材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图/23:38:1411因此复合材料必须通过对因此复合材料必须通过对原材料的选择原材料的选择，各组分分布的设计各组分分布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的料的复合效应复合效应复合效应复合效应使之出现新的性能，最大限度地使之出现新的性

7、能，最大限度地发挥优势。发挥优势。/23:38:1412 复合材料应具有以下三个特点：复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通通过宏观或微观复合过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着形成的一种新型材料，组元之间存在着明明显的界面显的界面。(2)复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性而且可而且可最最大限度发挥各种材料组元的特性大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。具备的优良持殊性能。(3)复合材料具有复合材

8、料具有可设计性可设计性可设计性可设计性。/23:38:1413 通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择有意识地选择，至，至少包括两种物理或化学性能不同的少包括两种物理或化学性能不同的独立组元独立组元，其中一组元的，其中一组元的体积分数一般不低于体积分数一般不低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；粒；复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取

9、决于组元性质的优化组合，它应优于优于独立组元独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。/23:38:14141.1.高比强度、高比模量（刚度）：高比强度、高比模量（刚度）：比强度比强度=强度强度/密度密度 MPa/(g/cm MPa/(g/cm3 3),),比模量比模量=模量模量/密度密度 GPa/(g/cm GPa/(g/cm3 3)复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）集束箭弹小箭集束箭弹小箭钨基合金箭头钨基合金箭头铁基合金尾翼铁基合金尾翼/23:38:1415 2 2、良好的高温性能：、良好的高温性能：目前已经达到的水平：目

10、前已经达到的水平：C 聚合物基复合材料的最高耐温上限为聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C；C 金属基复合材料按不同的基体性能，金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在其使用温度在350 350 1100 1100 C C范围内变动；范围内变动；C 陶瓷基复合材料的使用温度可达陶瓷基复合材料的使用温度可达14001400 C C；C 碳碳/碳复合材料的使用温度最高可达碳复合材料的使用温度最高可达28002800 C C。复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）/23:38:1416 3 3、良好的尺寸稳定性：、良好的尺寸稳定性：加入增强体到基体材料中不仅可以提

11、高材料的强度和刚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。通过改变合材料度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）/23:38:14174 4、良好的化学稳定性：、良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。5 5、良好的抗疲劳、蠕变、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：冲击和断裂韧性：陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6 6、良

12、好的功能性能、良好的功能性能 复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）/23:38:14186.2 6.2 几种复合材料几种复合材料聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料（纤维聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。聚合物基复合材料的特性聚合物基复合材料的特性 1)比强度、高比模大比强度、高比模大 /23:38:14

13、19Glass fiber reinforced composites Carbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites玻璃纤维玻璃纤维复合材复合材料有较高的比强料有较高的比强度、比模量，而度、比模量，而碳纤维碳纤维、硼纤维硼纤维、有机纤维有机纤维增强的增强的聚合物基复合材聚合物基复合材料的比强度相当料的比强度相当于钛合金的于钛合金的3 35 5倍，它们的比模倍，它们的比模量相当于金属的量相当于金属的4 4倍之多。倍之多。/23:38:14202)2)耐疲劳性能好：耐疲劳性能好：疲劳破坏的种类不同：疲劳破坏

14、的种类不同：金属金属 突发性破坏突发性破坏 极限极限=抗张强度抗张强度20%20%50%50%聚合物基复合材料聚合物基复合材料 有预兆破坏有预兆破坏 极限极限=抗张强度抗张强度70%70%80%80%3)3)减震性好：减震性好：受力结构的自振频率有关因素：受力结构的自振频率有关因素：结构形状比模量的平方根结构形状比模量的平方根.同时，复同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高 4)4)各向异性和可设计性：各向异性和可设计性：可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的

15、不同，选取相应的材料及铺层设计满足既定的要求。层设计满足既定的要求。FRCFRC的这一特点可以实现制件的优化设计，做到安的这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。全可靠、经济合理。5)5)材料与结构的统一性材料与结构的统一性 制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少-减减轻了部件质量降低了应力集中。轻了部件质量降低了应力集中。/23:38:1421p聚合物基复合材料存在的缺点：聚合物基复合材料存在的缺点：H材料工艺的稳定性差材料工艺的稳定性差 H材料性能的分散性大材料性能的分散性大 H长期耐高温与环境老化性

16、能不好长期耐高温与环境老化性能不好 H抗冲击性能低抗冲击性能低 H横向强度和层间剪切强度不够好横向强度和层间剪切强度不够好/23:38:1422金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能1)1)高比强度、比模量高比强度、比模量 由于在金属基体中加入了适量的由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低高强度、高模量、低密度密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的料的比强度和比模量比强度和比模量，特别是高性能连续纤维，特别是高性能连续纤维 硼纤硼纤维、碳维、碳(石墨石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的

17、强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理想的结构材料。想的结构材料。/23:38:14232)2)导热、导电性能导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在在6060以上，因此以上，因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性仍保持金属所具有的良好导热和导电性。为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石

18、纤维、金刚石颗粒增强铝基、的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还高，用它们制成的集铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。成电路的可靠性。金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能/23:38:1424金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能 3)3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好 加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数

19、明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数以满足各种工况要求。膨胀系数以满足各种工况要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到，当石墨纤维含量达到48w48w时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例复合在一起，通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例复合在一

20、起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。/23:38:1425金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能4)4)良好的高温性能良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合

21、材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。熔点，并比金属基体的高温性能高许多。/23:38:1426金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能5)5)耐磨性好耐磨性好 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。

22、中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。6)6)良好的疲劳性能和断裂韧性良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面结合状态，既可有效地传递载荷，又能态。最佳的界面结合状态，既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。据美国宇航公阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。据美国宇航公司报道，司报道，C

23、 CAlAl复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为左右。复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为左右。/23:38:1427金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能7)7)不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用不会分解出低这比聚合物基复合材料优越，在空间使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。金属基复合材料所具有的高比强

24、度、比模量，金属基复合材料所具有的高比强度、比模量，良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能，低的热良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能，低的热膨胀系数，高的尺寸稳定性等优异的综合性能，使膨胀系数，高的尺寸稳定性等优异的综合性能，使金属基复合材料在航空、航天、电子、汽车、先进金属基复合材料在航空、航天、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景，对装备性能的武器系统中均具有广泛的应用前景，对装备性能的提高将发挥巨大作用。提高将发挥巨大作用。/23:38:1428陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能J陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨

25、损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小和相对密度较小.L陶瓷材料陶瓷材料抗弯强度不高抗弯强度不高，断裂韧性低断裂韧性低，限制了其，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。/23:38:1429陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料的性能 最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶增强碳化硅基体和用碳化硅纤

26、维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在瓷基复合材料，可分别在17001700o oC C和和12001200o oC C下保持下保持2020o oC C时的抗时的抗拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而断裂延伸串较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效地降低表断裂延伸串较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因是主要原因是一方面制备工艺复杂，另一方面是缺少

27、耐高温的一方面制备工艺复杂，另一方面是缺少耐高温的纤维。纤维。/23:38:1430碳碳复合材料的性能碳碳复合材料的性能 碳碳/碳复合材料（碳复合材料（C/CC/C）是由碳纤维及其制品（碳毡、）是由碳纤维及其制品（碳毡、碳布等）增强的碳基复合材料。一般碳布等）增强的碳基复合材料。一般C/CC/C是由碳纤维及是由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法（其制品作为预制体，通过化学气相沉积法（CVDCVD）或液）或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/CC/C的基体碳来制备的。的基体碳来制备的。空中客车空中客车A320的的C/C刹刹车装置车装置M-4海对地海对地战略弹道导战

28、略弹道导弹（法）弹（法）/23:38:1431 C/C C/C的组成只有一个元素碳，具有碳和石墨材料的所特的组成只有一个元素碳，具有碳和石墨材料的所特有优点如低密度和优异热性能如耐烧蚀性、抗热震性、高导热有优点如低密度和优异热性能如耐烧蚀性、抗热震性、高导热性和低膨胀系数等，同时还具有复合材料的高强高模量等特点。性和低膨胀系数等，同时还具有复合材料的高强高模量等特点。C/C C/C的另一重要的性能是其优异的摩擦磨损性能。的另一重要的性能是其优异的摩擦磨损性能。C/CC/C中的碳中的碳纤维除增强碳基体外，也提高了复合材料的摩擦系数。纤维除增强碳基体外，也提高了复合材料的摩擦系数。C/CC/C的高

29、的高温摩擦时能大量吸收的能量（温摩擦时能大量吸收的能量（8208201050KJ/KgC/C1050KJ/KgC/C），在高速、），在高速、高能量条件下的摩擦升温高达高能量条件下的摩擦升温高达10001000以上，其摩擦性能仍然保以上，其摩擦性能仍然保持平稳，而且磨损量很低，这是其它摩擦材料所不具有的。持平稳，而且磨损量很低，这是其它摩擦材料所不具有的。/23:38:14326.3 6.3 复合材料的制备方法复合材料的制备方法p复合材料的制备复合材料的制备,有许多工艺方法。有许多工艺方法。p纤维纤维的处理、分散、致密化等问题的处理、分散、致密化等问题,对复合对复合材料的性能影响较大材料的性能影

30、响较大,需要使用许多需要使用许多新方法新方法。p增强颗粒增强颗粒一般不用或很少用特殊处理，因此一般不用或很少用特殊处理，因此颗粒增强复合材料多沿用颗粒增强复合材料多沿用传统的制备工艺传统的制备工艺。/23:38:14336.3.1 6.3.1 复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺p复合材料的传统制备工艺主要包括：复合材料的传统制备工艺主要包括：增强物的制备、增强物的制备、成型成型和和固化（烧结）固化（烧结）三个部分。三个部分。p其其中中增增强强物物的的制制备备包包括括粉粉体体和和纤纤维维以以及及晶晶须须的的制备。制备。/23:38:1434几种常用纤维的制备几种常用纤维的制备 1 1、玻璃纤维

31、（、玻璃纤维（Glass FiberGlass Fiber）玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。/23:38:1435将玻璃小球熔化，然后将玻璃小球熔化，然后通过通过1mm左右直径的小左右直径的小孔把他们拉出。缠绕纤孔把他们拉出。缠绕纤维的

32、心轴的转动速度决维的心轴的转动速度决定纤维的直径，通常为定纤维的直径，通常为10m的数量级。为了便的数量级。为了便于操作和避免纤维受潮于操作和避免纤维受潮并形成纱束，在刚凝固并形成纱束，在刚凝固层纤维时，表面就涂覆层纤维时，表面就涂覆一层保护膜，这层保护一层保护膜，这层保护膜还有利于基体的粘结。膜还有利于基体的粘结。/23:38:14362 2、碳纤维、碳纤维 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量物碳。含碳量95%95%左右的称为碳纤维；含碳量左右的称为碳纤维；含碳量99%99%左右的左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强

33、度、比模量大，耐称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、比模量大，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。重要的高性能增强剂。/23:38:1437/23:38:14383 3、硼纤维（、硼纤维（Boron FiberBoron Fiber）制备工艺：化学气相沉积（制备工艺：化学气相沉积（CVDCVD）。）。2BCl 2BCl 3 3+3H+3H 2 2 2B 2B +6HCl +6HCl 中心是碳纤维或钨纤维中心是碳纤维或钨纤维/23:38:1439Chemical vapor deposition(CVD)化学气相沉

34、积法化学气相沉积法2BX3+3H2 2B+6HX X:C1,Br,or I/23:38:14404 4、氧化铝纤维、氧化铝纤维(Alumina Fiber)(Alumina Fiber)氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以以 及耐热性和抗氧化性。及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多，制备氧化铝纤维的方法较多，有有 -、-、-Al-Al2O O3 连续纤维和连续纤维和-Al-Al2O O3 短纤维。短纤维。-Al-Al2O O3与树脂及熔融金属的相容性好与树脂及熔融金属的相容性好.氧化铝纤氧化铝纤 维主要用于金属基复合材料。缺点是维主要用于金

35、属基复合材料。缺点是密度较大。密度较大。/23:38:1441SpinneretprocessofmakingAlprocessofmakingAl2 2O O3 3fiberfiber/23:38:14425 5、碳化硅纤维、碳化硅纤维 碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐 蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点点,同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能温性能 可保持到可保持到12001200 C C。其成本下降的潜力很大。其成本下降的潜力很大。适合于制备树

36、脂、金属及陶瓷基复合材料。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和 CVD CVD法两种。法两种。/23:38:1443 先驱体转化法先驱体转化法 1975 1975 年由日本矢岛教授首先研制成功。有年由日本矢岛教授首先研制成功。有 Nicalon Nicalon（尼卡隆）（尼卡隆）和和TyrannoTyranno（奇拉隆）两种商品。（奇拉隆）两种商品。纤维呈束状，每束纤维呈束状，每束500500根左右，每根纤维根左右，每根纤维1010 m m左右。左右。聚碳硅烷聚碳硅烷纺丝纺丝聚碳硅烷纤维聚碳硅烷纤维N N2 2下高温处理

37、下高温处理NicalonNicalon（尼卡隆）（尼卡隆）/23:38:14446.6.有机纤维有机纤维 Organic Fibers Organic Fibers/23:38:1445晶须（晶须（Whisker）晶须是指具有一定长径比和截面积小于晶须是指具有一定长径比和截面积小于52 10-5 cm2 的单晶纤维材料。其直径为的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米，到几个微米，长度为数十到数千微米。长度为数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径约为但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米，微米，长径比在长径比在5100之间。之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接晶须是含缺陷很少

38、的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。近其纯晶体的理论强度。/23:38:1446ZnOZnO晶须微观形貌晶须微观形貌 SiCSiC晶须微观形貌晶须微观形貌 /23:38:1447 晶须的制备方法有：晶须的制备方法有：化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）法、溶胶）法、溶胶-凝胶法、气液凝胶法、气液固法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。固法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。制备陶瓷晶须经常采用制备陶瓷晶须经常采用CVDCVD法法:即通过气体原料在高温下反应，并沉积在衬底即通过气体原料在高温下反应，并沉积在衬底上而长成晶须。上而长成晶须。/23:38:1448CVD 法制

39、备法制备 SiC 晶须的基本反应式为：晶须的基本反应式为：CH3SiCl3（g）+H2 SiC +HCl（g）CVD 法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本 反应式为：反应式为：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）+8HCl（g）MCl4（g）+CH2 =MC（s）+4HCl（g）/23:38:1449 VLS VLS 法制备法制备 SiC SiC 晶须的过程：晶须的过程：在预选高温将触媒固体颗粒（在预选高温将触媒固体颗粒（3030 m m）熔化成液态）熔化成液态触媒球，通入气相源触媒球，通入气相源(H(H2 2、CHCH4 4、SiO)SiO)，气相中的

40、碳、，气相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成过饱和的碳硅溶液，以硅原子被液球吸收溶解形成过饱和的碳硅溶液，以SiC SiC 的形式沉积在支撑衬底上。沉积不断进行，晶须的形式沉积在支撑衬底上。沉积不断进行，晶须 不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起，继续吸不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起，继续吸 收、溶解和沉积。收、溶解和沉积。/23:38:1450晶须：晶须：VLSVLS法法3C+SiO3C+SiO2 2 SiC+2COSiC+2CO3030的固体 催化剂液体催化剂含过饱和SiSi与C C14001400oC CH H2 2CHCH4 4SiOSiO2 2/23:38:1451聚合物复合材料（聚

41、合物复合材料（PMC）制备工艺）制备工艺聚合物复合材料的分类聚合物复合材料的分类 1 1 纤维增强（纤维增强（FRCFRC）（1 1）按纤维形态：）按纤维形态：连续纤维和非连续纤维；连续纤维和非连续纤维；（2 2）按铺层方式：单向；织物；三维；）按铺层方式：单向；织物；三维；（3 3）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶（）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶（KevlarKevlar）纤维；混杂纤维；纤维；混杂纤维；2 2 晶须增强（晶须增强（WRCWRC）3 3 粒子增强（粒子增强（PRCPRC）/23:38:14521 1 预浸料预浸料/预混料制备预混料制备 预浸料是指定向排列的预浸料是指定

42、向排列的连续纤维连续纤维（单向、织物）（单向、织物）浸渍浸渍树脂后所形成的厚度均匀的树脂后所形成的厚度均匀的薄片状薄片状半成品。半成品。预混料是指预混料是指不连续纤维不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的的较厚的片片（SMCSMC、GMTGMT）团状团状（BMCBMC）或粒状或粒状半成品以及半成品以及注射模塑料（注射模塑料（IMCIMC）。）。SMCSMC片状模塑料；片状模塑料；GMT GMT玻璃毡增强热塑性塑料玻璃毡增强热塑性塑料;BMC BMC团状模塑料；团状模塑料；IMC IMC颗粒状注射模塑料；颗粒状注射模塑料；聚合物复合材料（聚合物复合材料（PMC

43、）制备工艺）制备工艺/23:38:1453 后浸渍技术：后浸渍技术：预浸料中树脂以粉末、纤维或包层等形式预浸料中树脂以粉末、纤维或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。（1 1）预浸料制备：）预浸料制备：/23:38:1454（2 2）预混料制造）预混料制造 a.SMC(a.SMC(片状模塑料片状模塑料)和和BMC(BMC(团状模塑料团状模塑料)制造：制造：这是一类可直接进行模压成型而不需要事先这是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序的纤维增强热固性模进行固化、干燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。其

44、组成包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、塑料。其组成包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。固化剂或催化剂、填料等。SMC SMC一般用专用一般用专用SMCSMC机组制造；机组制造；BMC BMC用捏合法制造。用捏合法制造。/23:38:1455b.GMT(b.GMT(玻璃毡增强热塑性塑料玻璃毡增强热塑性塑料)制造：制造：GMT GMT是一种类似于热固性是一种类似于热固性SMCSMC的复合材料半成的复合材料半成品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或连续品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或连续纤维。纤维。制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法。制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法。c.IMC

45、(c.IMC(颗粒状注射模塑料颗粒状注射模塑料)制造：制造：IMC IMC一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为断，长度一般为36mm36mm。/23:38:1456金属基复合材料（金属基复合材料（MMCMMC）制备工艺）制备工艺金属基复合材料制备工艺的分类：金属基复合材料制备工艺的分类：1 1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型型/扩散结合、模压、粉末冶金法。扩散结合、模压、粉末冶金法。2 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造

46、。铸造。3 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4 4）原位生长法。）原位生长法。/23:38:1457 连续增强相金属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固态、液态法固态、液态法 碳纤维碳纤维 镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法 硼纤维硼纤维 钛合金钛合金 固态法固态法 SiCSiC纤维纤维 高温合金高温合金固态法固态法 氧化铝纤维氧化铝纤维 金属间化合物金属间化合物固态法固态法/23:38:1458不连续增强相金属基复合材料的制备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固态、液态、原位生长、喷射

47、成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒颗粒 镁合金镁合金液态法液态法 晶须晶须 钛合金钛合金固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法 短纤维短纤维 高温合金高温合金原位生长法原位生长法 金属间化合物金属间化合物粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法/23:38:1459金属基复合材料（金属基复合材料（MMCMMC）制备方法）制备方法1 1 粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：工艺。其优点如下

48、：1 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；2 2）可根据要求设计复合材料的性能；）可根据要求设计复合材料的性能；3 3）利于增强相与金属基体的均匀混合。）利于增强相与金属基体的均匀混合。4 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；5 5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。/23:38:1460/23:38:14612 2 固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）固态法

49、（连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1 1）真空热压扩散结合）真空热压扩散结合 /23:38:1462（2 2）热等静压（）热等静压（HIPHIP）热等静压制备金属基复合材料管材示意图热等静压制备金属基复合材料管材示意图 Place in high isostatic pressure furnace to diffusion sound the fiber layer to the inside of the tubePlace layers of fiber reinforced titanium on inside of tubeSeal tube assembly in metall

50、ic bag and pull a vacuumMachine outer surface of steelspline/23:38:1463（3 3）模压成型）模压成型 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。/23:38:14643 3 液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1 1）压铸法）压铸法