复合材料学之七讲稿.ppt
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1、复合材料学之七第一页,讲稿共三十九页哦第二页,讲稿共三十九页哦第三页,讲稿共三十九页哦第四页,讲稿共三十九页哦金属基功能复合材料 由于复合材料最初的研究目的是做为质轻高强材料,因此一提及复合材料,人们往在把它单纯看做结构材料。然而随着复合材科研究的不断深入,人们发现复合材料还具有多种特殊功能,于是功能复合材料也就应运而生。91 复合材料具有的功能 众所周知,结构材料是一种依靠自身原子间的结合力支撑着来自外界的载荷。与此相对应,所谓的功能材料是对外来“刺激”十分敏感的材科,即是一种具有“能动反应”的材料。功能复合材科是将具有各种各样功能的材料进行复合,它除了保留了组成复合材料素材的功能外,还由于
2、是多元组成,同时存在着界面,因此就会产生许多新的功能。组成的复合材料的功能可能与组成素材有相同之处,亦可能有较大的差异。就目前已发表的文献而言,复合材科的功能数以干计,它们的分类的标准尚未统一,在此仅就大多数学者的观点,特别结合我国科技工作者的习惯,将复合材料的功竟分类列入表91第五页,讲稿共三十九页哦第六页,讲稿共三十九页哦92 电气功能复合材料921 导电用复合材秆 作为导电材料最具有代表的是铜材,然而为满足电气产品的高容量、高性能的需要,有时要求它具有较高的耐热性,为此人们首先想到的是在铜中加入合金元素的Ag、zr、Cr、刚、n等)的方法,可是采用此方法总是或多或少地使合金的导电能力下降
3、,由此固溶强化及加工硬化的方法受到了限制。后来人们开始研究在铜中加入 Al2O3粒子的弥散强化方法制造新导电材料,结果表明这种材料的耐热性与强度均较高,而导电性几乎没有降低,于是很快地得到了应用,它的使用温度可达600 。这种材料的制造方法有两种,一是将 Cu粉与 Al粉机械混合的方法;另一是将 CuAl合金用气化等方法制成粉末,然后在一连串的热处理中使粉末反应,形成在Cu基体中分散Al2O3的颗粒的方法。近年亦有人研究用钢来补充铜导线的强度不足,该种导线被广泛应用于输电线、架空地铁线、通信线等方面。制造的方法多种多样,常见的有在钢线的表面用电镀的方法镀上一层铜,当然复合后导线的电导率与所镀的
4、铜层厚度有关。此外也有在钢棒周围注入熔融铜水形成铸锭,然后轧制灾妄合导线。第七页,讲稿共三十九页哦为保证导线良好的导电性,同时使之又具有高的强度,日本研究开发了利用为保证导线良好的导电性,同时使之又具有高的强度,日本研究开发了利用挤压成形的方法,在挤压过程中将钢丝周围包覆不同厚度的挤压成形的方法,在挤压过程中将钢丝周围包覆不同厚度的Al,这样利用钢丝,这样利用钢丝与与Al之间的摩擦力将两者合在一种。利用此方法,可自由地之间的摩擦力将两者合在一种。利用此方法,可自由地 调整调整 Al的厚度、钢丝的的厚度、钢丝的尺寸及导线的强度,因此在电器设备上被广泛应用,表尺寸及导线的强度,因此在电器设备上被广
5、泛应用,表92是一些铝包覆导线的种是一些铝包覆导线的种类与性能。类与性能。第八页,讲稿共三十九页哦超导复合材料超导复合材料 研究表明,NiTi与Nb3Sn 等化合物作为超导线很有应用前景。这种超导导线的超导性能受其直径的限制,经大量研究已证明,超导导线的直径只有小于 30um时才能防止磁通跳跃出现。但直径 203um的超导导线仅可通过几安培的电流,并且这种线很易折断难以投入使用,为此人们研究将这种导线埋入如铜、铝这样的低电阻金属中,制成复合材料再使用的方法。图91为挤压成型的NbTi 合金系超导导线的断面图。这种导线是将 NbTi 细线埋入Cu中经挤压使之成为一体,构成稳定的超导线材。在此方面
6、常用的是Cu作基体,但对于极低温下使用的材料,考虑到其剩磁与传热特性,使用Al材为基会更好些。即在Cu基体中埋入极细的多心NiTi合金,在两者之间放入高纯度 Al(含 9 999Al以上),通过挤压使三者有机地结合在一起。其特点是包覆前后临界电流基本不变,但经包覆后电压的变化趋缓。第九页,讲稿共三十九页哦第十页,讲稿共三十九页哦定向凝固涡轮发动机叶片定向凝固涡轮发动机叶片可用于定向凝固的合金可用于定向凝固的合金 用定向凝固方法制造的自生复合材料,具有其它类型复合材料所不具用定向凝固方法制造的自生复合材料,具有其它类型复合材料所不具有的独特优点,即易控制增强相的排列和界面。但是就目前来看,自生复
7、有的独特优点,即易控制增强相的排列和界面。但是就目前来看,自生复合材料的应用并不广泛,其主要原因就是在合金的选择上受到了限制。并合材料的应用并不广泛,其主要原因就是在合金的选择上受到了限制。并非所有的共晶或偏晶合金都能用来制作自生复合材料,这里的关键问题是非所有的共晶或偏晶合金都能用来制作自生复合材料,这里的关键问题是两相共同生长界面匹配问题。共晶两相界面张力直接影响着固相的曲率半两相共同生长界面匹配问题。共晶两相界面张力直接影响着固相的曲率半径。两相接触角愈大,曲率半径愈大,由曲率引起的过冷度就愈小,此时径。两相接触角愈大,曲率半径愈大,由曲率引起的过冷度就愈小,此时固液界面就愈容易按平滑界
8、面的方式向前推进,这有利于定向自生复合固液界面就愈容易按平滑界面的方式向前推进,这有利于定向自生复合材料的制作。另外,通常定向凝固形成的两固相之间存在有一定的位向关材料的制作。另外,通常定向凝固形成的两固相之间存在有一定的位向关系,并且两共晶相的长大关系也是特定的,这些都使可用定向凝固的合金系,并且两共晶相的长大关系也是特定的,这些都使可用定向凝固的合金受到了限制。如受到了限制。如FeC二元系,虽然可形成共晶,但是由于二元系,虽然可形成共晶,但是由于FeC合金奥氏体的合金奥氏体的(111)面与石墨的()面与石墨的(0001)面仅在结构上相似,原子间距、面原子密度相)面仅在结构上相似,原子间距、
9、面原子密度相差很大,具有较高的表面张力,不易平面生长,难以自生复合材料。差很大,具有较高的表面张力,不易平面生长,难以自生复合材料。第十一页,讲稿共三十九页哦第十二页,讲稿共三十九页哦定向凝固方法制造叶片的程序定向凝固方法制造叶片的程序用定向凝固共晶高温合金制造涡轮权叶片的几种常用的方法如图用定向凝固共晶高温合金制造涡轮权叶片的几种常用的方法如图923所示。其中,所示。其中,a)图为熔模精密铸造法制造叶片,这种方法与现行的一般高温合金的制造方法没)图为熔模精密铸造法制造叶片,这种方法与现行的一般高温合金的制造方法没有本质的区别。有本质的区别。b)图为定向凝固共晶高温合金制造的叶片与一般方法制造
10、的高温合金叶根进行扩散焊)图为定向凝固共晶高温合金制造的叶片与一般方法制造的高温合金叶根进行扩散焊接方法。接方法。c)图为用电化学或电火花加工方法加工定向凝固坯科料。)图为用电化学或电火花加工方法加工定向凝固坯科料。d)图大致与)图大致与b)相同,不同之处在于叶根部是定向凝固带的积层结构。)相同,不同之处在于叶根部是定向凝固带的积层结构。尤其是尤其是d)这样的结构,通过导入角折叠的积层结构,可能实现材料各向这样的结构,通过导入角折叠的积层结构,可能实现材料各向异性的最佳组合,这一点令世人注目。异性的最佳组合,这一点令世人注目。第十三页,讲稿共三十九页哦第十四页,讲稿共三十九页哦第十五页,讲稿共
11、三十九页哦金属基复合材料的前景展望金属基复合材料的前景展望高温耐热结构复合材料得新成员高温耐热结构复合材料得新成员金属基复合材料目前发展最快的是纤维增强金属类,且以金属基复合材料目前发展最快的是纤维增强金属类,且以Al合金为基体的最常见。成合金为基体的最常见。成为当今各国科技界关注约热点当其使用温度超过为当今各国科技界关注约热点当其使用温度超过5 70 K之后将会出现一系列的问题。如之后将会出现一系列的问题。如超音速运输机,机体与空气剧烈摩擦产生大量热,从而使机体表面材料温升据到算超音速运输机,机体与空气剧烈摩擦产生大量热,从而使机体表面材料温升据到算机头部位最高温度可达机头部位最高温度可达5
12、001200K,在此条件下,在此条件下Al基复合材料已无能为力。基复合材料已无能为力。可以胜任的将是耐热家族的新成员,如:复合化陶瓷、可以胜任的将是耐热家族的新成员,如:复合化陶瓷、C/C复合材料复合材料纳米晶复合材料纳米晶复合材料所谓纳米晶复合材料是指组分相在形态上被缩小至纳米程度(所谓纳米晶复合材料是指组分相在形态上被缩小至纳米程度(5100nm)的材料。纳米晶)的材料。纳米晶材料的颗粒可以是晶体、准晶体或无定形相,也可以是金属、陶瓷或复合材料。材料的颗粒可以是晶体、准晶体或无定形相,也可以是金属、陶瓷或复合材料。纳米晶材料实质上是利用微粒排列不同于结晶组分的界面组分,使该材料具有新纳米晶
13、材料实质上是利用微粒排列不同于结晶组分的界面组分,使该材料具有新的特殊性能。现已成功合成的纳米的特殊性能。现已成功合成的纳米 TIO2、CuEr、CuFe、AgFe、CaF2Cu、SICC等。等。第十六页,讲稿共三十九页哦C/C复合材料C/C复合材料指用碳纤维强化的碳素基体组成的复合材料。这种材料具有质量轻、高强高韧以及在惰性气氛下2000 时也不熔融的耐热性。正是这种优异的力学与热学特性,人们对这种材料给予极大的关注,作为宇航材料、高温结构材料已有了部分应用。此外由于其高导热性及低核残留特点,预计在核工业领域的应用上大有潜力。C/C复合材料的生物相容性特点又将使其在医学工程方面大显身手。CC
14、复合材料的制造方法,按基体的成形万法可分为树脂浸渗法与CVD法;按热处理区分则分为碳化与石墨化两大类。树脂浸渗法是将碳素纤维用树脂浸透,再以适当的方式卷取,之后在惰性气氛约1000 下进行碳化,或者在约20003000 下进行石墨化处理,从而制得C/C复合材料。第十七页,讲稿共三十九页哦CVD方法多是以甲烷、丙烷气体为载气,将已加热至10001400 的碳纤维束放入上述气氛中,使甲烷、丙烷通过热分解在纤维的表面沉积而形成 CC复合材料,这种方法有时也需在20003000进行石墨化处理。第十八页,讲稿共三十九页哦当今在C/C复合材料的开发中急需解决的问题有:首先是组织的控制;1 C/C复合材料中
15、作为基体得碳由于担当着传递纤维间载荷之重任,因此对材料的力学性能起着重要的作用。现已证实通过热处理的方法或通过施加一些有机添加剂可以改善基体碳的力学性能。第十九页,讲稿共三十九页哦其次是界面的控制。其次是界面的控制。C/C复合材料的界面控制指的是为提高材料得强度所采取的增强纤维复合材料的界面控制指的是为提高材料得强度所采取的增强纤维与基体界面性能的控制,具体地讲是通过碳纤维表面的氧化处理或填与基体界面性能的控制,具体地讲是通过碳纤维表面的氧化处理或填料处理来控制界面的结合力。料处理来控制界面的结合力。F i t z e r等对纤维表面进行硝酸氧化处理,结果表明经氧化等对纤维表面进行硝酸氧化处理
16、,结果表明经氧化处理后结合力过强,之后再碳化处理多使纤维产生裂纹而促处理后结合力过强,之后再碳化处理多使纤维产生裂纹而促进低应力脆断发生。与之相对应,进低应力脆断发生。与之相对应,Manocha等研究了石墨化处等研究了石墨化处理后的清况,发现经上述氧化处理再进行石墨化处理,纤维与基理后的清况,发现经上述氧化处理再进行石墨化处理,纤维与基体的结合力大为增加,使材料表现为强度增高,发生的是准韧性体的结合力大为增加,使材料表现为强度增高,发生的是准韧性断裂,而未经上述氧化处理直接石墨化处埋后的材料强度很低,断裂,而未经上述氧化处理直接石墨化处埋后的材料强度很低,其原因是界面结合力太弱,由此可见界面的
17、控制具有十分重要的其原因是界面结合力太弱,由此可见界面的控制具有十分重要的意义意义第二十页,讲稿共三十九页哦第三是 CC 复合材料所适用的碳纤维的开发以及力学性能的评价;由于由于 CC H合材料的研究起步较晚,因此在其性能评价上一直着眼于合材料的研究起步较晚,因此在其性能评价上一直着眼于1D材料,材料,8 0年代后期人们才开始将年代后期人们才开始将2D材、材、3D材的研究转为重点。然而由于工艺参数的多样材的研究转为重点。然而由于工艺参数的多样化,到目前为止还没有系统的数据发表。对性能的研究主要涉及断裂韧性、循环疲劳化,到目前为止还没有系统的数据发表。对性能的研究主要涉及断裂韧性、循环疲劳特性、
18、蠕变特性等方面,最近有人开始对如热导率等进行研究。特性、蠕变特性等方面,最近有人开始对如热导率等进行研究。第二十一页,讲稿共三十九页哦最后是Cc复合材料的氧化问题CC复合材科在力学性能上具有优势,然而它最大的缺点是易被复合材科在力学性能上具有优势,然而它最大的缺点是易被氧化,尤其是在氧化,尤其是在500 以上的大气中氧化极为严重,这一点必须以上的大气中氧化极为严重,这一点必须引起高度警觉。对引起高度警觉。对 CC复合材料氧化机理目前尚未取得一致的复合材料氧化机理目前尚未取得一致的见解,现已查明基体组成及其组织、纤维的分布、热处理等都会见解,现已查明基体组成及其组织、纤维的分布、热处理等都会影响
19、氧化的速度和行为。为防止氧化人们采取了一系列防护措施,影响氧化的速度和行为。为防止氧化人们采取了一系列防护措施,在在 10 0 0 以下使用以下使用 B2O3包覆方法就很有效。包覆方法就很有效。第二十二页,讲稿共三十九页哦金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料的开发是与高比强度的金属间化合物 TiAl的开发同时进行的,它是以TiAl 作为基体,采用碳化硅纤维作为增强纤维。该系复合材料的耐热温度与构成其基体的金属间化合物大致相同,而通过加入增强纤维使材料的比强度、比模量较基体大幅度提高,同时韧性得到了改善,预期可作为在6001000 环境下工作环境下工作的结构件材料。第二十三页,讲稿共三十
20、九页哦在航空、航天方面用的材料工作环境羹十分恶劣,在穿越大气层时表层由干与空气的剧烈摩擦生热,为此在内层多采用液氨等冷却,由此造成内外层温差过大形成极高的热应力,般的复合材料将由于热应力而在界面处失效 针对上述问题,人们一直希望找到一种无明显界面的新型复合材料(FGM)。第二十四页,讲稿共三十九页哦 FGM的制造方法的制造方法CVD法法 CVD是利用气相化学反应向基板沉积的一种方法。由于是利用气相化学反应向基板沉积的一种方法。由于CVD多是在高多是在高温合成的,因此很适合于耐热材料的合成,同时由于其析出速度温合成的,因此很适合于耐热材料的合成,同时由于其析出速度快,不仅可用于表面处理,亦适用于
21、松散材料的合成。在快,不仅可用于表面处理,亦适用于松散材料的合成。在 CC复合材料中,大提高其耐氧化性在表面作的复合材料中,大提高其耐氧化性在表面作的CS iC系、系、TicSiC系的梯度包覆层多用系的梯度包覆层多用CVD来完成的。用来完成的。用CVD法制造上述梯度包法制造上述梯度包覆时,梯度控制是通过作为原料的覆时,梯度控制是通过作为原料的CH4及载气及载气H2的流量和比例而达的流量和比例而达到的。图到的。图105为用为用CVD法制造的法制造的TiCSiC系系FGM的显微组织。的显微组织。图图106为为FGM材料组成与热膨胀系数及弹性模量的关系。可材料组成与热膨胀系数及弹性模量的关系。可见用
22、见用CVD法制造的梯度对缓解热应力是很有效的。法制造的梯度对缓解热应力是很有效的。第二十五页,讲稿共三十九页哦第二十六页,讲稿共三十九页哦PV D法PVD法是离子喷镀法的代表,在低温喷镀时具有优势,并可形成非晶类的非法是离子喷镀法的代表,在低温喷镀时具有优势,并可形成非晶类的非平衡相不足之处是速度较慢,并且对厚层喷镀以及松散材料的合成都困难。平衡相不足之处是速度较慢,并且对厚层喷镀以及松散材料的合成都困难。用用PVD法制造梯。材料时,梯度组成一般是采取控制反应气体流量的方法。法制造梯。材料时,梯度组成一般是采取控制反应气体流量的方法。第二十七页,讲稿共三十九页哦 FGM的前景展望FGM作为一种
23、崭新的材料,虽然最初是以缓解航空航天材料热应力而开发的,但其具有巨大的潜在价值在核能工业方面,耐辐射的陶瓷与导热好的金属相通过梯度结合,可大大减少界面所产生的热应力;在电磁方面,可借助渐变组成控制技术,制造多元一体电子产品;在医学方面也将大有用武之地,如制造假牙时,为增强生物相容性可采用多孔磷灰石作根部,牙齿外露部分使用高硬度陶瓷,中间部为高韧陶瓷,这种结构不仅结合牢固,中间部分的陶瓷起提高整牙机械强度的作用,外表的高硬陶瓷则具有高蒿耐磨之特点。因此可以预言FGM将广泛应用于包括日常生活在内的各个领域,为人类造福。F G M的研究仍处于起步阶段,还有很多问题需待解决。日本是世界上最早开展FG
24、M研究的国家,目前已有10 0多个机构(包括大学、研究院所、企业)参加了该项工作,并已建立了材料设计、结构合成、性能评价三大权构。美国的 NA SA、德国的 D EVLR等据称亦积极开展FGM的研究工作。第二十八页,讲稿共三十九页哦金属系智能复合材料智能材料的特点 智能材料简单地说就是同时具有感知功能,(相当干传感器的作用)、自身判断并自彦身作出结论的功能(情报信息处理权的功能)和自身指令并自己进行行动的功能(执行机构功能)的材料。因此,感知、信息处理和执行功能是智能材料的三大基本要素。智能材料不但可以判断环境,而且还可顺应环境。换言之,智能材料应具有应对环后变化的特性,如自身内部诊断、自身修
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