复合材料工艺及设备复合材料工艺及设备主讲人：董抒华主讲人：董抒华1目 录 1 1 绪论绪论 2 2 手糊成型工艺及设备手糊成型工艺及设备 3 3 夹层结构成型工艺及设备夹层结构成型工艺及设备 4 4 模压成型工艺模压成型工艺 5 5 模压成型模具与液压机模压成型模具与液压机 6 6 层压工艺及设备层压工艺及设备2 7 7 缠绕成型工艺缠绕成型工艺 8 8 缠绕设备缠绕设备 9 9 无机非金属基成型工艺及无机非金属基成型工艺及设备设备目 录3 9.1 9.1 概述概述 9.2 9.2 水泥基复合材料水泥基复合材料 9.3 9.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料9 无机非金属基复合材料49.1 概述9.1.1 开展概况无机非金属基复合材料，通常是指各种类型的纤维或晶须为增强材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体，通过不同的成型方法复合而成的一类新型的多相固态材料5 传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，如抗腐蚀、耐高温等这使得许多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它也有质脆、经不起热冲击的弱点，又使它的应用范围受到了一定的限制6无机非金属材料复合材料特性：1、能承受高温，强度高2、具有电学特性3、具有光学特性4、具有生物功能78F-117是一种单座战斗轰炸机。
设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力9101 1 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料Ceramic Matrix Ceramic Matrix CompositeComposite开展概况开展概况陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温和陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等十分突出的优秀性能，但它耐腐蚀等十分突出的优秀性能，但它又有脆性的缺点，这限制了它的更广又有脆性的缺点，这限制了它的更广泛应用工艺上采取陶瓷纤维参加陶泛应用工艺上采取陶瓷纤维参加陶瓷基质的方法，来增大它的韧性，取瓷基质的方法，来增大它的韧性，取得有效的结果，既到达增韧又不降低得有效的结果，既到达增韧又不降低强度现在已经可以满足强度现在已经可以满足1200120019001900高温范围内使用的要求高温范围内使用的要求11陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体，通过参加颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料其复合材料的类型如下图12不同增强材料的陶瓷基复合材料连续纤维片状或层状纤维13陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。
的是提高其韧性炭纤维和陶瓷纤维晶须增强陶瓷基复合材料炭纤维和陶瓷纤维晶须增强陶瓷基复合材料有较高的韧性但炭纤维和陶瓷基体之间相容性有较高的韧性但炭纤维和陶瓷基体之间相容性较差，且其本钱高所以重点研究和开发陶瓷纤较差，且其本钱高所以重点研究和开发陶瓷纤维晶须增强陶瓷基复合材料维晶须增强陶瓷基复合材料14所用的陶瓷纤维或晶须有SiC、Si3N4和Al2O3等陶瓷基复合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC系列； Si3N4系列；SiC- Si3N4系列其成型方法有：烧结法、热压法、反响烧结法、化学气相沉积法和浸渍法等15氧化锆陶瓷刀具氧化锆陶瓷刀具162. 2. 水泥基复合材料水泥基复合材料Glassfiber Reinforced CementGlassfiber Reinforced Cement开展概况开展概况1964年，丹麦Krenchel博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料的机理1967年英国的Majumdar试制成功含锆的抗碱玻璃纤维，并研究了抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆，取得了专利1971年此种复合材料开始小规模生产17我国在50年代曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆。
进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥纤维增强水泥基复合材料的纤维种类有：石棉纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、炭纤维、Kevlar纤维和植物纤维等18成型工艺方法：喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法、离心法、抄取法和流浆法19二、陶瓷基和水泥基复合材料性能及其应用1.陶瓷基复合材料性能及应用20稀土离子掺杂YAG透明陶瓷的显微结构 无压烧结氮化硅陶瓷材料的显微结构 21碳化物陶瓷制品SiC密封件、SiC轴承球、SiC燃烧室Si3N4及陶瓷制品222. 水泥基复合材料性能及应用特点：轻质高强、具有良好的断裂韧性增强材料：石棉纤维、玻璃纤维和有机合成纤维等1玻璃纤维增强水泥的性能及应用广泛用于建筑物中23242526272石棉水泥基复合材料性能及应用由于石棉粉尘的危害性，使其应用受到了限制主要应用：石棉瓦、石棉水泥管283钢纤维水泥复合材料性能及应用钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成通常称为“钢纤维增强混凝土Steel Fiber Reinforced Concrete主要应用领域：隧道、巷道、机场跑道、桥梁、高速公路等294聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。
统称为聚丙烯纤维增强混凝土Polypropylene Fiber Reinforced Concrete特点：抗冲击强度增大、韧性增高主要应用领域：可做半承重的预制品，还可用于现场浇注、地板和复合楼板等309.3 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料开展现状 陶瓷基复合材料所用原材料 陶瓷基复合材料成型工艺及设备 连续纤维增强陶瓷基复合材料生产工艺31重点：陶瓷基复合材料纤维晶须与基体间的相容性；低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原那么；陶瓷基复合材料成型方法及烧结原理32难点：低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原那么；陶瓷基复合材料烧结过程及原理339.3.1 陶瓷基复合材料开展现状9.3.1 9.3.1 陶瓷基复合材料开展现状陶瓷基复合材料开展现状34陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体，通过参加颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料35我国在20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料研究，取得了一系列创新性成果纤维补强陶瓷基复合材料在我国独创性地应用于战略导弹上，被列入为定型产品，并另被应用于各类卫星天线窗的保护框上 36假设一辆普通的汽车在沙漠中行驶，在零部件不坏的前提下最怕遇到什么问题？3738近十年来，我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，研制成功一系列新的陶瓷材料，并带出许多应用。
广州本田新雅阁发动机39“枭龙战斗机 发动机402004年3月我国国防科技工业领域惟一的女院士、西北工业大学教授张立同率领的科技创新团队，以“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究荣获国家技术创造一等奖 41氮化硅与碳化硅基陶瓷材料应用于机械密封、金属加工切削和金属冶炼工业中氧化铝、氧化锆基增韧陶瓷部件应用于集成电路基片、光纤连接器关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域42缺乏：与其他复合材料相比，陶瓷基复合材料的开展较慢原因：制备工艺复杂；缺少耐高温的纤维43研究方向：主要集中于纤维与基体之间的相容性；低温制备技术；纤维外表处理技术44(1)要大力提高陶瓷纤维或晶须的性能1. 纤维晶须与晶体间的相容性(2)必须考虑纤维或晶须与基体在化学上和物理上的相容性45低温制备技术的研究，近年来十分活泼2. 低温制备技术46目的：主要改善纤维晶须与基体在物理上和化学上的相容性，提高纤维晶须与基体的结合强度，减少或防止纤维与基体之间的有害化学反响的发生，从而提高复合材料的性能3. 纤维晶须外表处理技术47常用的外表处理方法有：化学气相沉淀、化学气相浸渍、化学反响沉积、熔态浸渍、等离子喷涂、电镀和化学镀等。
48原材料如何？491. 增强材料陶瓷基复合材料所用增强材料 有：Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2等氧化物晶须和Si3N4、SiC、TaC和BN等非氧化物晶须所用纤维有C纤维、B纤维、SiC纤维、BN纤维和Al2O3纤维等9.3.2 陶瓷基复合材料所用原材料50晶须放大照片碳化硅晶须样品512. 基体材料常用的有SiC、Si3N4、 Al2O3、C、BN、 ZrO2、MgO和SiO2等碳化硅SiC是一种非常硬而脆的材料在复原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力2. 基体材料52碳化硅陶瓷的特点 高温强度高，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，而其它陶瓷材料到12001400 时强度水平显著降低 具有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷 具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性能碳化硅53 强度高，反响烧结氮化硅室温抗弯强度为200 MPa，到1200-1350仍保持较高强度热压氮化硅室温抗弯强度可达500 MPa 抗热震性能和抗高温蠕变性能比其它陶瓷材料好； 硬度高，摩擦系数低，为0.1-0.2，是一种极其优良的耐磨材料； 具有自润滑性，可在无润滑的磨损条件下工作；氮化硅陶瓷的特点54 具有良好的耐腐蚀性能，除具有良好的耐腐蚀性能，除HFHF外，可耐外，可耐所有无机酸和某些碱性溶液的腐蚀；所有无机酸和某些碱性溶液的腐蚀； 可抵抗熔融有色金属的侵蚀；可抵抗熔融有色金属的侵蚀； 抗氧化温度高达抗氧化温度高达1000 1000 ； 良好的电绝缘性能。
良好的电绝缘性能553. 陶瓷纤维晶须与陶瓷基体复合过程中的匹配原那么1增强材料弹性模量要高2增强材料和基体材料热膨胀系数相近3在制造过程中，应防止纤维或晶须与基体在高温处理时两者发生化学反响4确保增强材料与基体材料界面之间的结合强度56工艺如何？579.3.3 陶瓷基复合材料成型工艺及设备陶瓷基复合材料的成型方法主要有：注浆法、浸渍法、气相沉积法和热压法等陶瓷和粉末冶金工艺通常包括粉末制备、坯块成型和烧结工艺三个工序581. 注浆成型Slip Casting注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法由于采用石膏模、本钱低；此法易于成型大尺寸、外形复杂的薄壁部件 注浆成型包括石膏模制做、粉浆制备和粉浆浇注注浆成型的关键是浆料的制备在制备浆料时，需要参加分散悬浮剂、粘结剂、除气剂和滴定剂 59成型过程：将物料和水经研磨后制成一定浓度的悬浮粉浆，注入具有所需形状的石膏模具，空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出；拆开模具取注件，枯燥，烧结60注浆成型工艺过程注浆成型研究论文61为缩短吸浆时间，提高注件质量，可采用压力注浆、离心注浆和真空注浆离心成型Centrifugal casting也称为离心注浆成型。
是将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成型，较适合于空心柱状部件，缺乏之处是坯体的密度沿离心方向变化622. 压力渗滤工艺(Pressure filtration)和离心成形(Centrifugal casting)压力渗滤工艺综合了注浆和注射工艺的优点，可得到异形的复合材料制品，可防止超细粉或晶须在整个制备过程中发生团聚和再团聚现象特别适合于晶须增韧陶瓷基复合材料的成型63压力渗滤法生产过程：首先将晶须(短切纤维)预成型为坯件，然后经外表处理，置于石膏模具中，在压力作用下使料浆充满晶须(短切纤维)预成型坯件的缝隙料浆中的液体经过过滤器排入过滤腔，而留在模具内的经加压烧结形成晶须(短切纤维)补强陶瓷基复合材料64压力渗滤工艺示意图压力渗滤工艺示意图1-1-加压器；加压器；2-2-压头活塞；压头活塞；3-3-泥浆及预成型坯件；泥浆及预成型坯件；4-4-过滤器；过滤器；5-5-过滤腔；过滤腔；6-6-石膏模具石膏模具65将晶须或短切纤维进行预处理，然后采用分散技术分布于陶瓷基体料浆中，再利用上图所示的装置直接加压渗滤，经过烧结后也可以获得晶须(短团纤维)补强陶瓷基复合材料。
特点：可防止粉料团聚和重团聚现象，坯体密度高，。