塑性加工复合 复合材料与复合方法

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1、 塑性加工复合8.1 复合材料与复合方法1. 复合材料复合材料，顾名思义，就是由两种或两种以上的材料经过一定的复合工艺制造出来的一种新型材料。自然界中 原本就存在着许多天然的复合材料。例如，树木和竹子是 纤维素和木质素的复合体，动物骨骼则是由无机磷酸盐和 蛋白质胶原复合而成的。人类很早就接触和使用了各种天 然的复合材料，并且仿效自然界制造复合材料。例如，早 在6000多年前，我国陕西半坡人就懂得将草梗合泥用以筑 墙；而我国著名的传统工艺品漆器正是由麻纤维和土 漆制作的人工复合材料，至今已有4000多年的历史。现代复合材料的起源，一般公认为1942年， 即美国Pittsburgh Plate G

2、lass公司将玻璃纤维织网含浸于芳基酯系非饱和聚酯树脂之中，然后将含 浸网叠合起来，施以固化处理，意外地制得一种在 性能上从未有过的高弹性率、高强度的树脂板，俗 称玻璃钢。这一年中玻璃纤维增强聚酯树脂复合材 料首次被美国空军用于制造飞机构件。 这一结果激发了世界规模的复合材料研究热潮，形成了复合材料的专门学科，并使得复合材料能 在非常广泛的领域得以实际应用。国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应 满足下面三个条件：

3、 组元含量大于 5 %； 复合材料的性能显著不同于各组元的性能； 通过各种方法混合而成。复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的 分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能 显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体 ）。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。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。复合材料的突出优点之一就是性能的可设计性，它可以综合各种材料的优点，按需要复合成为综合性能优异的新型材料。这使得人们对材料的研究将逐步摆脱过去单纯 依靠

4、经验的方法，向着按预定性能设计新材料的方向发展 。复合材料的种类按分类方法的不同而异。结构材料；功能材料。分散(掺和)强化型复合材料、层状复合材料(或称接合型复合材料)、梯度复合材料(或称梯度功能材料)等。 按用途 ：按组成 ：（1）分散强化型复合材料分散强化型复合材料是指一种或一种以上的材料(强 化相)分散在另一种材料(基体)之中的一类复合材料，如图 8-1所示。 按照基体材料的种类不同，分散强化型复合材料可分为三大类： 金属基复合材料(metal matrix composites：MMC)； 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites：CMC)； 高分子基复合材料

5、(polymer matrix composites：PMC)。若按强化材料的形态来分，又可分为颗粒(粒子)弥散强 化复合材料、晶须强化复合材料，纤维强化复合材料(FRM 、FRC、FRP)三类。根据强化材料的尺寸，粒子强化复合材料可细分为纳米 复合材料(强化粒子的尺寸为纳米级)与颗粒复合材料(强化粒 子的尺寸在0.1m以上)；纤维强化复合材料可细分为连续纤维复合材料与非连续纤维(包括长纤维和短纤维)复合材料。此外，按照强化材料(颗粒或纤维)是被直接加入基体 之中，还是在基体中通过反应(化学反应)生成的，分散型 复合材料又可分为掺入型与原生(In-situ)复合型。原生复合材料也称为自生复合材

6、料或原位复合材料。例如，在粉末冶金成形过程中，利用高温下的内部反应来 生成Al2O3颗粒弥散强化铜基复合材料(称为内部氧化反应 法)：2Cu-Al + 3CuO5Cu + Al2O3 （2） 层状复合材料层状复合材料是各组元材料自成一个或数个整体，组元之间以界面接合的方式复合成一体，因而也称为接合型 复合材料。传统的包覆材料，如铝包钢线、复合钢板(多 层复合板)以及减振板等是典型的层状复合材料，如图8-2所示。 按照构成复合材料组元的类型不同，层状复合材料又可细分为金属金属复合材料，金属陶瓷复合材料等多 种，如图8-3所示。 层状复合材料金属金属，如铝钢复合板、双金属管、包覆 导线 （铝包钢、

7、铜包钢、铜包铝) 金属陶瓷，如金属陶瓷双层(或多层管)、陶 瓷镀膜金属 金属高分子，如树脂包覆板、管、棒、线材， 减振材料，夹层复合板，蜂窝板 陶瓷陶瓷，如多层陶瓷 陶瓷高分子，如夹层复合板 高分子高分子，如多层高分子、人造革、夹层 复合板图8-3层状复合材料的分类只要采取适当的预处理，可以在一定的温度或压力的作用下，或通过塑性变形将许多的金属或合金接合成一体 ，并可使其界面达到金属学的接合(也称冶金接合)，各种金属或合金相互之间的可能组合如表8-1所示。(3) 梯度复合材料（梯度功能材料）梯度复合材料中组元的含量沿着某一方向(例如厚度 方向)产生连续或非连续的变化，组元连续变化的称为连续梯度

8、复合材料，非连续变化的称为非连续梯度复合材料 ，如图8-4所示。组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。 因此，梯度复合材料也称梯度功能材料(functionally gradient materals，FGM)。例如，金属具有良好的韧性、耐疲劳性与可加工性(结构性)，而陶瓷材料则具有优良的耐高温、耐腐蚀性能。内层为陶瓷、外层为金属的复合管可以满足 燃气涡轮机、航天与航空飞行器发动机燃烧器等部件 既需要耐高温、耐腐蚀。又需要作为结构材料的可加 工性这样的综合性能要求。 由于金属与陶瓷之间热膨胀系数通常相差很大，直接将陶瓷与金属复合在一起的双层管，

9、其耐热冲击、热疲劳性能差，使用时陶瓷层容易产生裂纹、剥落 等问题。解决这一问题的理想方法是陶瓷与金属在成 分上实现梯度化，即沿着管材壁厚方向由内表面层百 分之百的陶瓷连续过渡到外表面层百分之百的金属。 成分连续梯度化的管材，其成形在方法上还存在 许多困难，如图8-5所示的属于非连续梯度材料的金属 与陶瓷的多层复合化(在陶瓷与金属层之间加上若干层 陶瓷与金属混合物的过渡层)因而受到重视，有可能较早地达到实用化。2. 复合材料的性能复合材料共同的特点是： 可综合发挥各组成材料的优点，使一种材料可具有多种性能； 可按照需要进行材料的设计和制造； 可一次性制成所需形状的产品，避免多次加工工序。在进行复

10、合材料的性能设计，或者使用复合材料时，需要知道复合材料的性能与组元材料的性能及组成比之间 的关系，这种关系称为复合准则(Rule Of Mixtures，常 简称为ROM)。用于复合材料的弹性系数、强度、导电导热等性能设计的准则，主要有简单复合准则和基于弹性理 论的复合准则，这里介绍简单复合准则。作为简单估计，复合材料的性能与组元的体积含量成正比，存在如下一般关系：式中，Pc只代表复合材料的性能指标，Pi代表各组元的性能指标，Vi代表各组元的体积含量， N代表组元的数目，n为实验参数。大量实验研究的结果表明，n的取值满足1n1的关系。上式称为简单复合准则。 当n =1，且复合材料由基体和一种强

11、化相组成时(N =2)。上式成为如下形式： 式中，下标c代表复合材料， m代表基体，r代表强化相。显然，组元的体积分数满足 关系Vm=1Vr。该式也称为经典复合准则，它是在研 究单向纤维强化复合材料沿 纤维方向的力学性能时总结 得出的，故又称为并列模型 ，如图8-6(a)所示。 当n=1时，若N =2，则成为或 这种模型称为串列模型，如图8-6(b)所示。 当n=0时，若N =2，则成为常数恒等式。为此，用 下述对数关系来描述n=0时的性能关系：或简单复合准则的适用范围因复合材料的种类不同而异。对于层状复合材料，采用并列模型和串列模型来预测各 种性能，一般可以获得令人满意的结果。对于分散强化型

12、复合材料，如下表所示，对应于不同 的n，所适用的对象(复合材料)不同，可预报的性能也不同，但均可用于弹性模量的预报。这是因为弹性模量是一 种组织结构不敏感的材料特性，受应力应变状态、变形履 历、温度条件等的影响较小。3. 复合方法复合材料因种类不同其制备与加工方法各异。对于金属基复合材料(分散强化型金属复合 材料)，直接利用塑性加工的方法进行成形，然后进行烧结固化，或采用铸造、粉末冶金等方法 制备毛坯，然后采用锻造、轧制、挤压等方法进 行二次加工的复合材料占绝大部分。层状金属复合材料主要采用爆炸焊接或扩散焊接后进行塑性加工，或利用塑性加工直接复合 成形。 对于金属基复合材料，其主要的复合方法有

13、如下一些：颗粒强化金属基复合材料主要有粉末冶金法、铸造法、喷射共沉积法、预制件渗浸法等； 晶须强化金属基复合材料主要有粉末冶金法、铸造法、预制件渗浸法等； 纤维强化金属基复合材料主要有粉末冶金法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等； 层状复合材料一般分为机械结合法与冶金结合法两大类。其中典型的 机械接合法主要有镶套(包括热装和冷压入)、液压扩管(胀形)、冷拉拔等方法；而典型的冶金接合法主要包括：(a) 爆炸成形，或爆炸成形后进行轧制；(b) 扩散热处理； (c) 轧制成形，包括热轧，冷轧+扩散热处理，液态轧制复合；(d) 挤压成形，包括复合坯料热挤压、温静液挤压、热挤压包覆等；(e)

14、粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结；(f) 摩擦焊接；(g) 复合铸造，包插包覆铸造、反向凝固、双流铸造、双结晶器铸造。某些方法所成形的层状复合材料因成形条件而异，其界面结合状态介于上述两种情形之间。例如，带张力挤压 复合(参见图8-30)、冷轧与温轧(轧后无扩散热处理的情形)。以下介绍采用塑性加工进行复合的主要方法。8.2 轧制复合轧制复合法主要用于双金属板以及减振钢板、铝-塑复合板的成形。轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合、冷轧复合和温轧复合三种。此外还有一种利用爆炸成形进行接合(焊接)，然后进行轧制成形的方法。下面讨论：双金属复合板减振钢板铝塑复合板 1. 双金属复合板双金属板

15、的轧制复合成形原理如图8-7所示，不同的金 属在一定的温度、压力作用下通过变形接合(焊合)成一体 。可用于轧制成形的复合板的种类很多，例如，表8-l所示的一些金属和合金的组合。热轧复合 冷轧、温轧复合 爆炸焊接-轧制成形法（1） 热轧复合先将金属板的接合面仔细清洗干净。为了提高界面的接合强度，还可对接合面进行打磨，提高其粗度。轧制坯的制备主要有如图8-8所示的两种方式，其中图 (a)为单一复合坯的情形；图(b)为组合型复合坯的情形。 单一复合坯适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形；组合型复合坯适合于复合层与基体板材在厚度或变形抗力上相差较大的情形。在保持内部为真空的条件下将组合坯

16、的四周焊合成一体。为了便于在复合后将上下复合板分开，需在两组复合坯之 间涂覆耐热化合物，以防止轧制时产生焊合。然后对复合坯 进行加热轧制，直至所需厚度。当界面较清洁时，一般只需 百分之几的压下率即可实现有效接合，获得高性能的复合界 面。热轧复合法的缺点在于：当被复合的材料为铝、钛等活性金属时，易在界面生成脆性金属间化合物；由于坯料的长 度受限制，轧制后切头剪边部分所占比例较大，对成品率影 响较大。 （2） 冷轧、温轧复合冷轧复合时界面接合较困难。但由于无加热所带来的界面氧化，不易在界面生成化合物，无需真空焊接等坯料前处理工 艺措施，因而金属组合的自由度大，适应面广。冷轧复合的一般方法如下，轧制前先将接合面的油脂、氧化物除去，然后将被复合的材料叠在一起进行轧制。为了获得 较好的界面接合，轧制压下率通常需要在70以上。由于冷轧复合的前处理与轧制均较容易实现连续作业，故 可使用卷状坯料(板卷)，以提高生产率与成品率。但冷轧复合时的界面几乎没有扩散效果，要达到完全接合很困难。因此， 往往在冷轧复合后施以扩散热