复合材料制备与加工1

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1、复合材料制备与加工课程内容课程内容 概论概论 复合材料的界面与设计复合材料的界面与设计 金属复合材料的制备与加工金属复合材料的制备与加工 陶瓷复合材料的制备与加工陶瓷复合材料的制备与加工 高分子基复合材料的制备与加工高分子基复合材料的制备与加工 第一章第一章 概论概论 复合材料复合材料（Composite MaterialsComposite Materials）：）：采用物理或化学方法，使两种以上的材料采用物理或化学方法，使两种以上的材料 在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之 中，以达到提高材料的某些性能，或互补彼此中，以达到提高材料的某些性能，或

2、互补彼此 缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。内涵：内涵： 制备方法制备方法 组元形式组元形式 复合目的复合目的SaraComSaraCom复合硬质合金辊环复合硬质合金辊环 硬质合金与钢的冶金粘结技术开创了在热轧领域的硬质合金与钢的冶金粘结技术开创了在热轧领域的 崭新应用。崭新应用。耐磨的硬质合金只是整个辊环的一部分耐磨的硬质合金只是整个辊环的一部分 ，嵌在，嵌在SARACOMSARACOM复合辊环中复合辊环中， 吨钢轧辊成本吨钢轧辊成本 只是常规轧辊的只是常规轧辊的50%50%。 德国萨阿公司广告德国萨阿公司广告1.1 复合材料的发展 1942年，美国

3、Pittsburgh Plate Glass公司将玻璃纤维织网 含浸于芳基脂系非饱和聚脂树脂中，再将含浸网叠合并 固化处理，意外制得一种高弹性率、高强度树脂板（玻 璃纤维强化高分子复合材料）。由此引发世界规模 的复合材料研究热潮，并形成复合材料专门学科。 迄今研究的强化相包括：玻璃纤维、硼、碳化硅、 氧化铝、碳等粒子、晶须或纤维。基体相包括：高 分子材料、金属、陶瓷。 研究还涉及层状复合材料、梯度复合材料等。中国的复合材料中国的复合材料 中国的复合材料起始于中国的复合材料起始于19581958年，首先用于军工年，首先用于军工 制品，而后逐渐扩展到民用。制品，而后逐渐扩展到民用。 北京科技大学材

4、料学院在复合材料研究领域居北京科技大学材料学院在复合材料研究领域居 重要地位，承担多项国家自然科学基金项目、重要地位，承担多项国家自然科学基金项目、 国家高技术研究发展计划（国家高技术研究发展计划（863863）项目、国家）项目、国家 重点基础研究计划（重点基础研究计划（973973）项目和国防等项目）项目和国防等项目 。 历史，现实，与责任历史，现实，与责任 三星堆古遗址三星堆古遗址距今已有距今已有50005000至至30003000年历史年历史 三星堆遗址晚期遗址的房屋三星堆遗址晚期遗址的房屋在原生地面上在原生地面上 挖沟槽，槽中立木柱，间以小木棍或竹棍作为墙挖沟槽，槽中立木柱，间以小木棍

5、或竹棍作为墙 骨，在两侧抹草拌泥成为墙壁，并经火烧烤骨，在两侧抹草拌泥成为墙壁，并经火烧烤摘自互联网摘自互联网 历史，现实，与责任历史，现实，与责任 当务之急是校舍。年轻的曲凤琴没有退缩，决当务之急是校舍。年轻的曲凤琴没有退缩，决定自己动手盖。她带着几个稍大一点的学生，自己定自己动手盖。她带着几个稍大一点的学生，自己 动手脱动手脱土坯土坯，就像燕子衔泥垒巢一样。手被磨出了就像燕子衔泥垒巢一样。手被磨出了 血泡，在血泡，在混着柴草的泥土混着柴草的泥土中她的十个手指被磨得没中她的十个手指被磨得没 有一个完整的，而这换来的就是那些被码得整整齐有一个完整的，而这换来的就是那些被码得整整齐 齐的土坯。齐

6、的土坯。摘自互联网摘自互联网1.2 1.2 复合材料的种类复合材料的种类 1.2.1 1.2.1 分散强化型复合材料分散强化型复合材料 一种或一种以上的材料（强化材料或称强化相一种或一种以上的材料（强化材料或称强化相）分散在另一种材料（基体材料）之中的复合材料）分散在另一种材料（基体材料）之中的复合材料 。一、分散强化型复合材料的分类 二、金属基复合材料二、金属基复合材料 基体是金属，因而具有较好的耐热性，高弹性基体是金属，因而具有较好的耐热性，高弹性 系数以及高导电、导热性能，良好的成形加工系数以及高导电、导热性能，良好的成形加工 性能。性能。 作为基体金属，铝合金由于密度低、强度高、作为基

7、体金属，铝合金由于密度低、强度高、 易于加工处理等优良特性而广为使用，其次是易于加工处理等优良特性而广为使用，其次是 钛和钛合金。钛和钛合金。 用作强化材料的主要有颗粒、晶须、纤维（包用作强化材料的主要有颗粒、晶须、纤维（包 括短纤维和长纤维或连续纤维）。括短纤维和长纤维或连续纤维）。金属基复合材料金属基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 强化颗粒主要有氮化物、碳化物、硼化物以及强化颗粒主要有氮化物、碳化物、硼化物以及 氧化物陶瓷。氧化物陶瓷。金属基复合材料金属基复合材料三、陶瓷基复合材料三、陶瓷基复合材料 陶瓷材料可以分为功能陶瓷与结构陶瓷两大类。陶瓷材料可以分为功能陶瓷与结构陶瓷两大类

8、。 功能陶瓷包括半导体材料、敏感材料（如热敏、压功能陶瓷包括半导体材料、敏感材料（如热敏、压 敏、光敏、气敏、湿敏陶瓷等）、绝缘材料（含高敏、光敏、气敏、湿敏陶瓷等）、绝缘材料（含高 导热绝缘材料）、高温超导材料等；导热绝缘材料）、高温超导材料等； 结构陶瓷包括各种耐高温、耐腐蚀结构材料，如结构陶瓷包括各种耐高温、耐腐蚀结构材料，如 AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、BNBN、SiSi3 3N N4 4、WCWC等结构用陶瓷材料。等结构用陶瓷材料。 陶瓷材料复合化的目的，对于结构陶瓷主要是为了陶瓷材料复合化的目的，对于结构陶瓷主要是为了 提高材料的强度、韧性等力学性能，或提高其耐热提高

9、材料的强度、韧性等力学性能，或提高其耐热 、耐蚀性能；而对于功能材料，主要是为了获得某、耐蚀性能；而对于功能材料，主要是为了获得某 些新的功能。些新的功能。 用作陶瓷基复合材料的强化材料主要有：各种陶瓷用作陶瓷基复合材料的强化材料主要有：各种陶瓷 颗粒、晶须、纤维，某些金属纤维。颗粒、晶须、纤维，某些金属纤维。 四、高分子基复合材料四、高分子基复合材料 研究历史最长、应用最广泛的一类复合材料。研究历史最长、应用最广泛的一类复合材料。 高分子基复合材料五、原生复合材料（In-situ composites） 原生复合材料（也称为自生复合材料或原位复原生复合材料（也称为自生复合材料或原位复 合材料

10、）属于分散型复合材料的一种，是相对合材料）属于分散型复合材料的一种，是相对 于在基体中加入已经定形的强化相这样一类常于在基体中加入已经定形的强化相这样一类常 规复合材料而言的。规复合材料而言的。 原生复合材料中的强化相是在铸造、烧结等高原生复合材料中的强化相是在铸造、烧结等高 温加工处理过程中通过结晶或化学反应生成的温加工处理过程中通过结晶或化学反应生成的 。常见的许多热处理可强化（相变析出反应型。常见的许多热处理可强化（相变析出反应型 ）金属材料可以认为是广义上的原生复合材料）金属材料可以认为是广义上的原生复合材料 ，但习惯上不将这一类材料称为原生复合材料，但习惯上不将这一类材料称为原生复合

11、材料 。 1.2.2 梯度材料（梯度功能材料 ） 梯度材料（或梯度复合材料）是一种较为特殊的梯度材料（或梯度复合材料）是一种较为特殊的 复合材料，梯度材料中组元的含量沿着某一方向复合材料，梯度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。（例如厚度方向）产生连续或非连续的变化。 组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化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，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需 要。要。 因此，梯度材料也称为梯度功能材料（因此，梯度材料也称为梯度功能材料（ Functionally Gradient

12、MaterialsFunctionally Gradient Materials：FGMFGM）。）。梯度材料金属 陶瓷连续梯度变化金属 陶瓷非连续梯度变化1.2.3 1.2.3 层状复合材料层状复合材料 各组元自成一个或数个整体，组元之间以界面各组元自成一个或数个整体，组元之间以界面 结合的方式复合成一体。结合的方式复合成一体。铜包铝线铜包铝线铝铝铜铜铝包钢线铝包钢线钢钢铝铝复合钢板（复合钢板（ 减振钢板）减振钢板）钢钢树树 脂脂层状复合材料层状复合材料1.3 1.3 复合材料制备与加工方法复合材料制备与加工方法 1.3.1 1.3.1 金属复合材料金属复合材料对于金属基复合材料（分散强化型

13、金属复合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。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焊接后进行塑性加工，或利用塑性加工直接复合 成形。成形。 一、颗粒强化金属基复合材料 （1 1）粉末冶金法）粉

14、末冶金法包括常规的粉末冶金法与粉末塑性加工法。包括常规的粉末冶金法与粉末塑性加工法。 粉末冶金法还可根据强化颗粒的加入方式，分粉末冶金法还可根据强化颗粒的加入方式，分 为直接掺入法和通过反应生成的原生复合法。为直接掺入法和通过反应生成的原生复合法。 （2 2）铸造法）铸造法包括搅拌铸造法（增强相弥散分布）和挤压包括搅拌铸造法（增强相弥散分布）和挤压 铸造法（采用增强相预制件的方法）。铸造法（采用增强相预制件的方法）。 （3 3）喷射共沉积法）喷射共沉积法二、晶须增强金属基复合材料（1 1）粉末冶金法）粉末冶金法（2 2）压力铸造法）压力铸造法三、纤维增强金属基复合材料（1 1）粉末冶金法）粉末

15、冶金法通常是将纤维含浸于粉浆之中，堆垛干燥后进行通常是将纤维含浸于粉浆之中，堆垛干燥后进行 烧结。烧结。 （2 2）扩散结合法）扩散结合法包括热压、热等静压、热轧等方法。包括热压、热等静压、热轧等方法。 （3 3）预制件铸造法）预制件铸造法包括浸渍法和挤压铸造法。包括浸渍法和挤压铸造法。 （4 4）两相合金复合法）两相合金复合法包括共晶合金定向凝固复合法、非互溶两相合金包括共晶合金定向凝固复合法、非互溶两相合金 强加工法。强加工法。四、层状复合材料（1 1）机械接合）机械接合镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管（胀形）、冷拉拔等镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管（胀形）、冷拉拔等（2 2）冶金接合）冶金接合* * 爆炸成形，或爆炸成形后进行轧制爆炸成形，或爆炸成形后进行轧制* * 扩散热处理扩散热处理* * 轧制成形轧制成形* * 挤压成形挤压成形* * 粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结* * 摩擦焊接摩擦焊接* * 复合铸造复合铸造1.3.2 金属-陶瓷层状复合材料 、梯度材料（1 1）气相析出法）气相析出法化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVDCVD法：法：Chemical Chemical Vapor Vapor D