复合材料2.ppt

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1、 复合材料是指由两种或两种以上不同物质复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金等特点，已逐步取代木材及金属合金等，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、等，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域建筑、健身器材等领域。按基

2、体材料的不同，复合材料分为：按基体材料的不同，复合材料分为：金属基复合材料金属基复合材料(MMCs)：是以金属、合金：是以金属、合金或金属间化合物为基体，含有增强成分的复或金属间化合物为基体，含有增强成分的复合材料。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛合材料。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。及其合金。非金属基复合材料：非金属基体主要有合成非金属基复合材料：非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点高比强度和高比模量高比强度和高比模量 在金属基体中加入适量高比强度、高比模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，

3、复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金或金属。高导热和导电性能高导热和导电性能 现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基和铜基复合材料的导热率比纯铝和钢还高，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，提高集成电路的可靠性。良好的高温性能良好的高温性能 金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度地提高发动机的性能和效率。耐磨性好耐磨性好 高耐磨的SiC/Al 复合材料用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件,明显地提高零件的性能和寿命。热膨胀系数小，尺寸稳定性好热膨胀系数小，尺寸稳定性好良好的疲劳性能和断裂韧性良好的疲劳性能和断裂韧性不吸潮、不老化

4、、气密性好不吸潮、不老化、气密性好扩散粘结法扩散粘结法叠层复合法叠层复合法原位复合法原位复合法铸造法铸造法金属基复合材料常用的制备方法金属基复合材料常用的制备方法 一、扩散粘结法一、扩散粘结法 对于对于颗粒、晶须颗粒、晶须等增强体可采用成熟的等增强体可采用成熟的粉末冶金法粉末冶金法，即，即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结；把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结；对于对于连续增强体连续增强体则较复杂，需先将纤维进行表面涂层以则较复杂，需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用，再浸改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用，再浸入液态金属制成复合丝，然后再把

5、复合丝排列并夹入金属薄入液态金属制成复合丝，然后再把复合丝排列并夹入金属薄片后热压烧结；片后热压烧结；对于对于难熔金属难熔金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上制成复合片，再把这些片材层叠热压或热等静压好的框架上制成复合片，再把这些片材层叠热压或热等静压成型。成型。这类方法制备工艺复杂，所用设备投资昂贵，生产成本这类方法制备工艺复杂，所用设备投资昂贵，生产成本高，且不宜制作过大或形状复杂的产品。高，且不宜制作过大或形状复杂的产品。二、叠层复合法二、叠层复合法 这种方法是先将不同金属板用这种方法是先将不同金属板用扩散结合方法扩散结合方法复合，然后复

6、合，然后来用来用离子溅射或分子束外延方法离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移。航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移。三、原位自生复合法三、原位自生复合法 该法是该法是8080年代出现的一种新型制备复合材料的工艺，其年代出现的一种

7、新型制备复合材料的工艺，其基本原理是：在合适的温度下，向金属熔液中加入能生成强基本原理是：在合适的温度下，向金属熔液中加入能生成强化相的气体或固体物质，通过原位反应制备复合材料。化相的气体或固体物质，通过原位反应制备复合材料。金属基复合材料的原位复合工艺金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题中常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良、界面反，如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的(亚微米和纳米级亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等。增强体极难进行复合等。它作为一种具有突破性的

8、新工艺它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。原位共晶生长法等。四、铸造法四、铸造法 被称为被称为2121世纪的新型工程材料，铸造复合材料作为金属世纪的新型工程材料，铸造复合材料作为金属基复合材料的一种，已引起人们的关注和重视。基复合材料的一种，已引起人们的关注和重视。共晶自成复合铸造材料共晶自成复合铸造材料已用于航空航天工业中，如制造已用于航空航天工业中，如制造民用和军用飞机的发动机叶片，有效地提高了发动机的寿命民用和军用飞机的发动机叶片，有效地提高了发动机的寿命和效率；和效率；金属

9、铝基石墨铸造复合材料金属铝基石墨铸造复合材料广泛用于制造轴瓦、活广泛用于制造轴瓦、活塞等耐磨铸件；塞等耐磨铸件；AlAl2 2SiC SiC 铸造复合材料铸造复合材料已用于汽车活塞、刹已用于汽车活塞、刹车片以及飞机的液压阀体、减速板等各种要求轻量化、高强车片以及飞机的液压阀体、减速板等各种要求轻量化、高强度、高耐磨性和高耐热性的场合。度、高耐磨性和高耐热性的场合。铸造法主要有熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射铸造法主要有熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射沉积法等。沉积法等。与其他方法比较，铸造法具有的与其他方法比较，铸造法具有的明显优势明显优势：工艺简单，：工艺简单，设备也不复杂，能获得形状复

10、杂的近净形产品，这在由于设备也不复杂，能获得形状复杂的近净形产品，这在由于增强体使复合材料的机加工困难或价格昂贵的情况下尤为增强体使复合材料的机加工困难或价格昂贵的情况下尤为重要；能生产铸锭，产品能重熔和回收利用；生产成本低、重要；能生产铸锭，产品能重熔和回收利用；生产成本低、污染少、能耗省。污染少、能耗省。铸造法是提高生产率、促进大规模生产、铸造法是提高生产率、促进大规模生产、扩大复合材料应用领域的最佳途径。扩大复合材料应用领域的最佳途径。熔体搅拌铸造法熔体搅拌铸造法 熔体搅拌铸造法是一种简单常用的方法，分液态和熔体搅拌铸造法是一种简单常用的方法，分液态和半固态搅拌法两种。半固态搅拌法两种。

11、液态搅拌法液态搅拌法是将固态颗粒逐步混合于是将固态颗粒逐步混合于处在机械搅拌下的液态金属中；处在机械搅拌下的液态金属中；半固态搅拌法半固态搅拌法是利用含有是利用含有一定固相的半固态熔体在高速切应力作用下的流变行为使一定固相的半固态熔体在高速切应力作用下的流变行为使之粘度降低，颗粒逐步加入后，熔体中的固相可以起到阻之粘度降低，颗粒逐步加入后，熔体中的固相可以起到阻止颗粒上浮和下沉的作用，也称复合铸造。止颗粒上浮和下沉的作用，也称复合铸造。这类方法这类方法的设备与工艺相对简单，并可进行铸锭和的设备与工艺相对简单，并可进行铸锭和型材生产，能进行常规的二次加工；不足之处是所制造的型材生产，能进行常规的

12、二次加工；不足之处是所制造的成品易有气孔、夹杂和增强相分布不均成品易有气孔、夹杂和增强相分布不均而影响质量。而影响质量。液相浸渗法液相浸渗法 该法先把增强相颗粒预制成形该法先把增强相颗粒预制成形,然后将基体熔液然后将基体熔液倾入倾入,在在一定压力一定压力下使其浸渗至颗粒间隙而达到复合化下使其浸渗至颗粒间隙而达到复合化的目的。的目的。其局限性是预制件的孔隙率与孔径难以控制其局限性是预制件的孔隙率与孔径难以控制,若若气体在基体合金液凝固前未能及时排出便形成气孔。气体在基体合金液凝固前未能及时排出便形成气孔。无压渗透法制备颗粒增强铝基复合材料的研究无压渗透法制备颗粒增强铝基复合材料的研究 利用一种特

13、殊的助渗剂，可在空气气氛下，利用一种特殊的助渗剂，可在空气气氛下，800-1000 温度范围内，无需借助外加压力或真空，使铝合金温度范围内，无需借助外加压力或真空，使铝合金液自动渗入颗粒填料中。液自动渗入颗粒填料中。无压渗透法成功地制造出高含量比的各类增强颗粒的无压渗透法成功地制造出高含量比的各类增强颗粒的铝基复合材料铝基复合材料,制备出的材料组织均匀、致密、具有良好的制备出的材料组织均匀、致密、具有良好的耐磨性。耐磨性。无压渗透法制备复合材料工艺简单、无需特殊设备无压渗透法制备复合材料工艺简单、无需特殊设备,是是一种很有前途的工艺。一种很有前途的工艺。共喷射沉积法共喷射沉积法 它是用惰性气体

14、将液体金属雾化成微小的液滴，并使它是用惰性气体将液体金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强体微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平的增强体微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。台上，凝固成复合材料。这是一个较复杂的过程，与金属的雾化情况、沉积凝这是一个较复杂的过程，与金属的雾化情况、沉积凝固条件和增强体的送入角度等有关，过早的凝固则不能复固条件和增强体的送入角度等有关，过早的凝固则不能复合，而过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。合，而过迟的凝固则使增强体发生上浮下

15、沉而分布不匀。金属基复合材料的制备工艺目前尚处于研究金属基复合材料的制备工艺目前尚处于研究开发中，在上述各种方法中，最具产业化前景的开发中，在上述各种方法中，最具产业化前景的是是机械搅拌铸造法机械搅拌铸造法。因为其工艺简单、成本低，。因为其工艺简单、成本低，对熔体及增强颗粒的种类几乎没有限制，具有广对熔体及增强颗粒的种类几乎没有限制，具有广泛的适应性。但要真正实现大规模工业生产还需泛的适应性。但要真正实现大规模工业生产还需解决以下几个问题：颗粒微观分布的均匀性；金解决以下几个问题：颗粒微观分布的均匀性；金属基体与增强颗粒之间的界面反应与控制；组织属基体与增强颗粒之间的界面反应与控制；组织与性能的稳定性等。与性能的稳定性等。纵观材料的发展历程，纵观材料的发展历程，材料复合化材料复合化已成为已成为必然趋势。各国科学家都认识到了这一点，并必然趋势。各国科学家都认识到了这一点，并致力于将科研成果产业化。日本在将复合材料致力于将科研成果产业化。日本在将复合材料用于汽车、电子、机械、体育器材等民用产品用于汽车、电子、机械、体育器材等民用产品方面上己走到世界的前列。我国近年也投入巨方面上己走到世界的前列。我国近年也投入巨资用于复合材料研究立项，资用于复合材料研究立项，促进复合材料的发促进复合材料的发展。展。