《复合材料的成型工艺复习课程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料的成型工艺复习课程（258页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺1、聚合物基复合材料的成型工艺、聚合物基复合材料的成型工艺聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能在在纤维纤维与与树树脂脂体系确定后体系确定后，主要决定于，主要决定于成型工艺成型工艺。成型工艺成型工艺主要包括以下两个方面：主要包括以下两个方面：234片状模压料片状模压料SMC5一是一是成型成型成型成型，即将，即将预浸料预浸料预浸料预浸料按产品的要求，按产品的要求，铺置铺置成一定的形状成一定的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状;二是二是固化固化固化固化，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的叠层预叠层预叠层预叠层预浸料浸料浸料浸料，在，在
2、温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使形状形状形状形状固定固定固定固定下来，并能达到预期的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。6生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺(1) (1) 手糊手糊手糊手糊成型成型成型成型 (2)(2)注射注射注射注射成型成型成型成型 (3)(3)真空袋压法真空袋压法真空袋压法真空袋压法成型成型成型成型(4)(4)挤出挤出挤出挤出成型成型成型成型(5)(5)压力袋压力袋压力袋压力袋成型成型成型成型 (6) (6)纤维缠绕纤维缠绕纤维缠绕纤维缠绕成型成型成型成型(7)(7)树脂注射树脂注射树脂注射树脂注射和和和和树脂传递树脂传递树脂传递树脂传
3、递成型成型成型成型 (8) (8)真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射成型成型成型成型7(9)(9)连续板材连续板材连续板材连续板材成型成型成型成型 (10) (10)拉挤拉挤拉挤拉挤成型成型成型成型 (11)(11)离心浇铸离心浇铸离心浇铸离心浇铸成型成型成型成型 (12)(12)层压或卷制层压或卷制层压或卷制层压或卷制成型成型成型成型 (13)(13)夹层结构夹层结构夹层结构夹层结构成型成型成型成型(14)(14)模压模压模压模压成型成型成型成型(15)(15)热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压成型成型成型成
4、型(16)(16)喷射喷射喷射喷射成型成型成型成型8（a）手糊成形）手糊成形 （b）真空袋压成形）真空袋压成形 （c）加压袋法）加压袋法 （d)高压釜加压法高压釜加压法9(1)手糊成型工艺手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料手糊成型工艺是复合材料最早的最早的一一种成型方法，也是一种种成型方法，也是一种最简单最简单的方法，的方法，其具体工艺过程如下：其具体工艺过程如下：10首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混合物合物合物合物，再在其上铺贴一层，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的按要求剪裁好的纤维纤维纤维纤维织物织物织物织物，用刷子
5、、压辊或刮刀压挤织物用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其，使其均均均均匀浸胶匀浸胶匀浸胶匀浸胶并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺铺贴第二层纤维织物贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所，反复上述过程直至达到所需厚度为止。需厚度为止。 11然后，然后，在一定压力作用下在一定压力作用下加热固化成加热固化成型型（热压成型热压成型）或者利用）或者利用树脂体系固化时树脂体系固化时放出的热量放出的热量固化成型（固化成型（冷压成型冷压成型），最后），最后脱模脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：图所示：12模具模具模具模具准备准备准备准备涂
6、脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂手糊成型手糊成型手糊成型手糊成型树脂胶树脂胶树脂胶树脂胶液配制液配制液配制液配制增强材增强材增强材增强材料准备料准备料准备料准备固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品制品制品手糊成型工艺流程图手糊成型工艺流程图13为了得到为了得到良好的脱模效果良好的脱模效果和和理想理想的制品的制品，同时使用几种脱模剂，可以，同时使用几种脱模剂，可以发挥发挥多种脱模剂的综合性能多种脱模剂的综合性能。1415手糊成型工艺优点手糊成型工艺优点不受产品尺寸和形状限制，适宜不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸尺寸大大、批量小批量小、形状复杂形状复杂产品
7、的生产；产品的生产；设备简单设备简单、投资少投资少、设备、设备折旧费低折旧费低。16 工艺简单工艺简单；易于满足产品设计要求，可以易于满足产品设计要求，可以在在产品不同部位产品不同部位任意增补增强材料任意增补增强材料制品制品树脂含量较高树脂含量较高，耐腐蚀性好耐腐蚀性好。17手糊成型工艺缺点手糊成型工艺缺点 生产效率生产效率低，低，劳动强度劳动强度大，大，劳动卫生劳动卫生条件条件差。差。 产品质量产品质量不易控制，不易控制，性能稳定性性能稳定性不高。不高。 产品产品力学性能力学性能较低。较低。182模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早在是
8、一种古老的技术，早在20世世纪初就出现了纪初就出现了酚醛塑料酚醛塑料模压成型。模压成型。模压成型是一种对模压成型是一种对热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂都适用的都适用的纤维复合材料纤维复合材料成型方法。成型方法。1920模压成型工艺过程模压成型工艺过程将定量的将定量的模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂与与短纤维的混合短纤维的混合短纤维的混合短纤维的混合物物物物放入敞开的放入敞开的金属对模金属对模中，闭模后中，闭模后加热加热加热加热使其使其熔化熔化熔化熔化，并并在压力作用下在压力作用下充满模腔，形成与模腔相
9、同形状的充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；模制品；再经加热再经加热再经加热再经加热使树脂使树脂进一步发生进一步发生交联反应交联反应交联反应交联反应而固而固化化，或者，或者冷却使冷却使热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化，脱模后得到，脱模后得到复合复合复合复合材料制品材料制品材料制品材料制品。21金属对金属对金属对金属对模准备模准备模准备模准备涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂膜压成型膜压成型膜压成型膜压成型模塑料、模塑料、模塑料、模塑料、颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂短纤维短纤维短纤维短纤维固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品
10、制品制品加热、加压加热、加压加热、加压加热、加压加热加热加热加热冷却冷却冷却冷却膜压成型工艺流程图膜压成型工艺流程图22模压成型工艺优点模压成型工艺优点模压成型工艺有模压成型工艺有较高的生产效率较高的生产效率较高的生产效率较高的生产效率，制品尺寸制品尺寸制品尺寸制品尺寸准确准确准确准确，表面光洁表面光洁表面光洁表面光洁，多数结构复杂的制品可，多数结构复杂的制品可一次成一次成一次成一次成型型型型，无需二次加工，无需二次加工，制品外观及尺寸的制品外观及尺寸的重复性好重复性好重复性好重复性好，容易实现容易实现机械化和自动化机械化和自动化机械化和自动化机械化和自动化等。等。23模压成型工艺缺点模压成型
11、工艺缺点模具设计制造复杂模具设计制造复杂模具设计制造复杂模具设计制造复杂，压机及模具，压机及模具投资高投资高投资高投资高，制品尺寸受设备限制，一般只制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大适合制造批量大适合制造批量大适合制造批量大的中、小型制品。的中、小型制品。24模压成型工艺模压成型工艺已成为已成为复合材料的重要复合材料的重要成型方法成型方法，在，在各种成型工艺中各种成型工艺中所占比例仅所占比例仅次于次于手糊手糊/喷射喷射和和连续成型连续成型，居第三位。，居第三位。近年来随着近年来随着专业化专业化、自动化自动化和和生产效生产效率的提高率的提高，制品成本制品成本不断降低，使用范围不断降低，使用
12、范围越来越广泛。越来越广泛。25模压制品模压制品模压制品模压制品主要用作主要用作结构件结构件、连接件连接件、防护件防护件和和电气绝缘电气绝缘等，广泛应用于等，广泛应用于工业工业、农业农业、交通运交通运输输、电气电气、化工化工、建筑建筑、机械机械等领域。等领域。由于模压制品由于模压制品质量可靠质量可靠质量可靠质量可靠，在，在兵器兵器、飞机飞机、导导弹弹、卫星卫星上也都得到应用。上也都得到应用。263. 层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的，是把一定层数的浸胶布浸胶布浸胶布浸胶布(纸纸)叠在一起，送入叠在一起，送入多层液压机多层液压机多层液压机多
13、层液压机，在一定的温度和压在一定的温度和压力下力下压制成板材压制成板材压制成板材压制成板材的工艺。的工艺。层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺属于属于干法压力成型范畴干法压力成型范畴，是复，是复合材料的一种主要成型工艺。合材料的一种主要成型工艺。27层压成型工艺层压成型工艺生产的制品生产的制品包括各种包括各种绝缘材料板绝缘材料板、人造木板人造木板、塑料贴面板塑料贴面板、覆铜箔层压板覆铜箔层压板等。等。复合材料复合材料层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程如下如下28层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程增强材料增强材料增强材料增强材料热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂浸胶
14、浸胶浸胶浸胶胶布胶布胶布胶布裁裁裁裁剪剪剪剪叠叠叠叠合合合合热热热热压压压压脱脱脱脱模模模模切切切切边边边边产产产产品品品品29层压成型工艺的优点层压成型工艺的优点是制品是制品表面光洁表面光洁、质量较好质量较好且且稳定稳定以及以及生产效率较高生产效率较高。层压成型工艺的缺点层压成型工艺的缺点是只能生产是只能生产板材板材，且且产品的尺寸大小受设备的限制产品的尺寸大小受设备的限制。30313233344喷射成型工艺喷射成型工艺将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的不饱和聚不饱和聚酯树脂酯树脂从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷）喷出，同时将出，同时将玻璃纤维无捻粗
15、纱玻璃纤维无捻粗纱用切割机切用切割机切断断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，与树脂一起喷出，与树脂一起均匀沉均匀沉积到模具上积到模具上。35当当不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂与与玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压用手辊滚压，使纤使纤维浸透树脂维浸透树脂、压实并除去气泡压实并除去气泡，最后，最后固化成固化成制品制品。其具体工艺流程图如下：其具体工艺流程图如下：36玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂加热加热加热加热引发剂引发剂引发剂引发剂促进剂促进剂促进剂促进剂静态混合静态混合静态混合静态混
16、合切切切切割割割割喷喷喷喷枪枪枪枪模模模模具具具具喷喷喷喷射射射射成成成成型型型型辊压辊压辊压辊压固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模喷射成型工艺流程图喷射成型工艺流程图37喷射成型喷射成型喷射成型喷射成型对所用原材料对所用原材料有一定要求有一定要求，例如，例如树脂体系的树脂体系的粘度应适中粘度应适中粘度应适中粘度应适中，容易喷射雾化容易喷射雾化容易喷射雾化容易喷射雾化、脱除脱除脱除脱除气泡气泡气泡气泡和和浸润纤维浸润纤维浸润纤维浸润纤维以及以及不带静电不带静电不带静电不带静电等。等。最常用的树脂最常用的树脂是是在室温或稍高温度下在室温或稍高温度下即可即可固化的固化的不饱和聚酯不饱和聚酯不饱和聚酯
17、不饱和聚酯等。等。38喷射法使用的模具与手糊法类似，喷射法使用的模具与手糊法类似，而而生产效率生产效率可提高数倍，可提高数倍，劳动强度劳动强度降低，降低，能够能够制作大尺寸制品制作大尺寸制品。39用用喷射成型喷射成型方法虽然可以制成方法虽然可以制成复杂复杂形状的制品形状的制品，但其，但其厚度和纤维含量厚度和纤维含量都较都较难精确控制，树脂含量一般在难精确控制，树脂含量一般在60%以上，以上，孔隙率孔隙率较高，较高，制品强度较低制品强度较低，施工现场施工现场污染污染和和浪费较大浪费较大。40利用利用喷射法喷射法可以制作可以制作大蓬车车身大蓬车车身、船体船体、广告模型广告模型、舞台道具舞台道具、贮
18、藏箱贮藏箱、建筑构件建筑构件、机器外罩机器外罩、容器容器、安全帽安全帽等。等。415. 连续缠绕成型工艺连续缠绕成型工艺将将浸过树脂胶液浸过树脂胶液浸过树脂胶液浸过树脂胶液的的连续纤维或布带连续纤维或布带，按照一，按照一定规律定规律缠绕到芯模缠绕到芯模缠绕到芯模缠绕到芯模上，然后上，然后固化脱模固化脱模固化脱模固化脱模成为成为增强塑增强塑增强塑增强塑料制品料制品料制品料制品的工艺过程，称为的工艺过程，称为缠绕工艺缠绕工艺缠绕工艺缠绕工艺。缠绕缠绕工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图如下图所示：如下图所示：424344缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图纱团纱团纱团纱团集束集束集束集束胶液配制胶液配
19、制胶液配制胶液配制浸胶浸胶浸胶浸胶烘干烘干烘干烘干络纱络纱络纱络纱胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽张力控制张力控制张力控制张力控制纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕芯模芯模芯模芯模纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕张力控制张力控制张力控制张力控制加热粘流加热粘流加热粘流加热粘流固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模打模喷漆打模喷漆打模喷漆打模喷漆成品成品成品成品湿湿湿湿法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺干干干干法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺45利用利用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术制作复合材
20、料制品时，制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：有两种不同的方式可供选择：一是将一是将纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯浸树脂后，再缠绕在芯模上；模上；二是先将二是先将纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。目前普遍采用前者。46缠绕机缠绕机缠绕机缠绕机类似一部机床，纤维类似一部机床，纤维通过树脂槽通过树脂槽后，后，用轧辊用轧辊用轧辊用轧辊除去纤维中多余的树脂除去纤维中多余的树脂。为改善为改善工艺性能工艺性能工艺性能工艺性能和避免和避免损伤纤维损伤纤维损伤纤维损伤纤维，可
21、预先，可预先在纤维表面在纤维表面徐覆一层徐覆一层半固化的基体树脂半固化的基体树脂半固化的基体树脂半固化的基体树脂，或者，或者直接使用预浸料直接使用预浸料直接使用预浸料直接使用预浸料。47纤维纤维缠绕方式和角度缠绕方式和角度缠绕方式和角度缠绕方式和角度可以通过可以通过机械传动机械传动或或计计算机控制算机控制。缠绕达到要求厚度后缠绕达到要求厚度后，根据所选用的，根据所选用的树脂类树脂类型型，在室温或加热箱内在室温或加热箱内固化固化固化固化、脱模脱模脱模脱模便得到复合材便得到复合材料制品。料制品。 48利用利用纤维缠绕工艺纤维缠绕工艺制造制造压力容器压力容器时，时，一般要求纤维具有一般要求纤维具有较
22、高的强度较高的强度和和模量模量，容易被树脂浸润容易被树脂浸润，纤维纱的，纤维纱的张力均匀张力均匀以以及缠绕时及缠绕时不起毛不起毛、不断头不断头等。等。49另外，在缠绕的时候，所使用的另外，在缠绕的时候，所使用的芯模芯模应应有有足够的强度和刚度足够的强度和刚度，能够承受能够承受成型加工过成型加工过程中程中各种载荷各种载荷（缠绕张力缠绕张力、固化时的、固化时的热应力热应力、自重自重等），满足制品等），满足制品形状尺寸形状尺寸和和精度要求精度要求以以及及容易与固化制品分离容易与固化制品分离等。等。50常用的常用的芯模材料芯模材料有石膏、石蜡、金有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用属或合金、塑料等
23、，也可用水溶性高分水溶性高分材料材料，如以，如以聚烯醇聚烯醇作粘结剂制成作粘结剂制成芯模芯模。 51连续纤维缠绕技术的优点连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维首先，纤维按预定要求排列的按预定要求排列的规整度规整度规整度规整度和和精度精度精度精度高高高高，通过改变，通过改变纤维排布方式、数量纤维排布方式、数量，可以实现，可以实现等等等等强度设计强度设计强度设计强度设计，因此，能，因此，能在较大程度上在较大程度上发挥发挥增强纤维增强纤维增强纤维增强纤维抗张性能抗张性能抗张性能抗张性能优异的特点，优异的特点，52其次，用其次，用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术所制得所制得的成品，的成品，结构合理结构合理
24、，比强度比强度和和比模量比模量高，高，质量质量比较比较稳定稳定和和生产效率生产效率较高等。较高等。53连续纤维缠绕技术的缺点连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用设备投资费用大，只有大，只有大批量生产时大批量生产时才可能降低成本。才可能降低成本。54连续纤维缠绕法连续纤维缠绕法适于制作适于制作承受一定承受一定内压的内压的中空型容器中空型容器，如，如固体火箭发动机固体火箭发动机壳体壳体、导弹放热层导弹放热层和和发射筒发射筒、压力容器压力容器、大型贮罐大型贮罐、各种管材各种管材等。等。55近年来发展起来的近年来发展起来的异型缠绕技术异型缠绕技术，可，可以实现以实现复杂横截面形状的复杂横截面形状的回转体
25、回转体或断面呈或断面呈矩形矩形、方形方形以及以及不规则形状不规则形状容器的成型。容器的成型。56 6. 拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，首先将拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂浸渍过树脂胶液的胶液的连续纤维束连续纤维束或或带状织物带状织物在牵引装置在牵引装置作用下作用下通过通过成型模成型模而而定型定型；57其次，其次，在模中或固化炉中在模中或固化炉中固化固化，制成具有，制成具有特定横截面形状特定横截面形状和和长度不受限制的长度不受限制的复合材料，复合材料，如如管材管材、棒材棒材、槽型材槽型材、工字型材工字型材、方型材方型材等。等。5859一般情况下，只将一般情况下，只将预制品预制品预制品
26、预制品在成型模中在成型模中加热到加热到预固化预固化预固化预固化的程度的程度，最后固化最后固化最后固化最后固化是是在加热箱中在加热箱中完成的。完成的。卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图制品制品制品制品切割切割切割切割纤维纤维纤维纤维树脂槽树脂槽树脂槽树脂槽挤挤挤挤胶胶胶胶器器器器预预预预成成成成型型型型拉拉拉拉拢拢拢拢热热热热模模模模60 拉挤成型拉挤成型过程中，要求过程中，要求增强纤维的增强纤维的强强度高度高、集、集束性好束性好、不发生悬垂不发生悬垂和容易被树和容易被树脂胶液脂胶液浸润浸润。常用的常用的增强纤维增强纤维如如玻璃纤维玻璃纤维、
27、芳香族芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维、碳纤维碳纤维以及以及金属纤维金属纤维等。等。61用作用作基体材料基体材料的树脂的树脂以以热固性树脂热固性树脂为主，为主，要求树脂的要求树脂的粘度低粘度低和和适用期长适用期长等。等。大量使用的基体材料有大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂和和环氧树脂环氧树脂等。等。62另外，以另外，以耐热性较好耐热性较好、熔体粘度较低熔体粘度较低的的热塑性树脂热塑性树脂为基体的为基体的拉挤成型工艺拉挤成型工艺也取得了也取得了很大进展。很大进展。其其拉挤成型的关键拉挤成型的关键在于在于增强材料的浸渍增强材料的浸渍。63在在拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工
28、艺中，目前常用的方法如中，目前常用的方法如热热热热熔涂覆法熔涂覆法熔涂覆法熔涂覆法和和混编法混编法混编法混编法。热熔涂覆法热熔涂覆法热熔涂覆法热熔涂覆法是使是使增强材料增强材料通过通过熔融树脂熔融树脂，浸渍树脂后浸渍树脂后在成型模中在成型模中冷却定型冷却定型冷却定型冷却定型；64混编法混编法混编法混编法中，首先按一定比例将中，首先按一定比例将热塑性聚合物热塑性聚合物纤维纤维与与增强材料增强材料混编织成混编织成带状带状带状带状、空芯状空芯状空芯状空芯状等几何形等几何形状的织物；状的织物；然后，利用具有然后，利用具有一定几何形状的织物一定几何形状的织物通过热通过热模时模时基体纤维熔化基体纤维熔化基
29、体纤维熔化基体纤维熔化并并浸渍增强材料浸渍增强材料浸渍增强材料浸渍增强材料，冷却定型冷却定型冷却定型冷却定型后后成为产品。成为产品。 65拉挤成型的优点拉挤成型的优点生产效率高生产效率高，易于实现自动化；，易于实现自动化； 制品中增强材料的含量一般为制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料的作用，能够充分发挥增强材料的作用，制品制品性能稳定可靠性能稳定可靠；66不需要或仅需要进行少量加工，生不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中产过程中树脂损耗少树脂损耗少；制品的制品的纵向和横向强度可任意调整纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可以适应不同制品的使用要求
30、，其长度可根根据需要据需要定长切割定长切割。67拉挤制品的主要应用领域拉挤制品的主要应用领域(1)耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域。主要用于。主要用于上、下水装置上、下水装置，工，工业业废水处理设备废水处理设备、化工挡板化工挡板及化工、石油、造纸和及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的冶金等工厂内的栏杆栏杆、楼梯楼梯、平台扶手平台扶手等。等。(2)电工领域电工领域电工领域电工领域。主要用于主要用于高压电缆保护管高压电缆保护管、电电缆架缆架、绝缘梯绝缘梯、绝缘杆绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零、灯柱、变压器和电机的零部件等。部件等。68(3)建筑领域建筑领域建筑领域建筑领域。主要用于。主要用于
31、门窗结构用门窗结构用型材、型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域运输领域运输领域运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。舶甲板、电气火车轨道护板等。69(5)运动娱乐领域运动娱乐领域运动娱乐领域运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。底板等。(6)能源开发领域能源开发领域能源开发领域能源开发领域。主要用于
32、主要用于太阳能收集器太阳能收集器、支架、支架、风力发电机叶片风力发电机叶片和抽油杆等。和抽油杆等。(7)航空航天领域航空航天领域航空航天领域航空航天领域。如宇宙飞船。如宇宙飞船天线绝缘管天线绝缘管，飞船用飞船用电机零部件电机零部件等。等。70目前，随着目前，随着科学和技术科学和技术科学和技术科学和技术的不断发展，正向的不断发展，正向着着提高生产速度提高生产速度提高生产速度提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使热塑性和热固性树脂同时使用用的的复合结构材料复合结构材料复合结构材料复合结构材料和方向发展。和方向发展。生产生产大型制品大型制品大型制品大型制品，改进，改进产品外观质量产品外观质量产品外观
33、质量产品外观质量和和提高提高提高提高产品的横向强度产品的横向强度产品的横向强度产品的横向强度都将是都将是拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺今后的发今后的发展方向。展方向。71 7. 注射成型工艺注射成型工艺注射成型注射成型是是树脂基复合材料生产中的树脂基复合材料生产中的一一种重要成型方法，它适用于种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性热塑性和热固性复合材料复合材料，但，但以热塑性复合材料以热塑性复合材料应用最广。应用最广。 72注射成型工艺原理注射成型工艺原理注射成型注射成型注射成型注射成型是根据是根据金属压铸原理（动画）金属压铸原理（动画）金属压铸原理（动画）金属压铸原理（动画
34、）发发展起来的一种成型方法展起来的一种成型方法。该方法是将该方法是将颗粒状树脂颗粒状树脂颗粒状树脂颗粒状树脂、短纤维短纤维短纤维短纤维送入送入注射腔内注射腔内，加热熔化加热熔化、混合均匀混合均匀，并，并以一定的挤出压力以一定的挤出压力，注射到温度较低的，注射到温度较低的密闭模具密闭模具密闭模具密闭模具中，经过中，经过冷却定型冷却定型后，开模便得到复合材料制品后，开模便得到复合材料制品。73注射成型工艺过程注射成型工艺过程注射成型工艺过程注射成型工艺过程包括包括加料加料加料加料、熔化熔化熔化熔化、混合混合混合混合、注射注射注射注射、冷却硬化冷却硬化冷却硬化冷却硬化和和脱模脱模脱模脱模等步骤等步骤
35、（动画）（动画）。加工加工热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂时，一般是将时，一般是将温度较低的树温度较低的树温度较低的树温度较低的树脂体系脂体系脂体系脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化防止物料在进入模具之前发生固化)与与短短短短纤维纤维纤维纤维混合均匀后注射到模具，然后再混合均匀后注射到模具，然后再加热模具加热模具加热模具加热模具使使其固化成型。其固化成型。 74在加工过程中，由于在加工过程中，由于熔体混合物的流动熔体混合物的流动会使纤维会使纤维在树脂基体中的分布在树脂基体中的分布有一定的有一定的各向各向异性异性。如果制品形状比较复杂，则容易出现如果制品形状比较复杂，则容易出现局局部
36、纤维分布不均匀部纤维分布不均匀或或大量树脂富集区大量树脂富集区，影响，影响材料的性能。材料的性能。75因此，因此，注射成型工艺注射成型工艺要求要求树脂与短树脂与短纤维的混合均匀纤维的混合均匀，混合体系有，混合体系有良好的流良好的流动性动性，而，而纤维含量不宜过高纤维含量不宜过高，一般在，一般在30-40左右。左右。76注射成型法注射成型法所得制品所得制品的的精度高精度高、生产生产周期短周期短、效率较高效率较高、容易实现自动控制容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂热塑性树脂都可都可以采用这种方法成型。以采用这种方法成型。77按按物料物料物料物料在注射腔中在注射
37、腔中熔化方式熔化方式熔化方式熔化方式分类，常用的分类，常用的注注注注射机射机射机射机有有按塞式按塞式按塞式按塞式和和螺杆式螺杆式螺杆式螺杆式两种。两种。由于由于按塞式注射机按塞式注射机按塞式注射机按塞式注射机塑化能力较低塑化能力较低、塑化均匀塑化均匀性差性差，注射压力损耗大注射压力损耗大及及注射速度较慢注射速度较慢等，已很等，已很少生产，现在普遍使用的是少生产，现在普遍使用的是往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机。78树脂传递模塑成形树脂传递模塑成形RTM79802、金属基复合材料的成型技术、金属基复合材料的成型技术金属基复合材料的金属基复合材料的制备工艺方法制备工
38、艺方法对复对复合材料的合材料的性能性能有很大的影响，是金属基复有很大的影响，是金属基复合材料的合材料的重要研究内容重要研究内容之一。之一。81金属基复合材料工艺研究内容金属基复合材料工艺研究内容 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的结合结合和和结结合方式合方式； 金属基体金属基体/增强材料增强材料界面界面和和界面产界面产物物在工艺过程中的形成及控制在工艺过程中的形成及控制；82 增强材料增强材料在金属基体中的在金属基体中的分布分布； 防止防止连续纤维连续纤维在制备工艺过程中在制备工艺过程中的的损伤损伤； 优化优化工艺参数工艺参数，提高复合材料的，提高复合材料的性能和稳定性性能和稳定性，降低
39、，降低成本成本。 83根据各种根据各种方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点，把把金属基复合金属基复合金属基复合金属基复合材料的制备工艺材料的制备工艺材料的制备工艺材料的制备工艺分为四大类：分为四大类：(1) (1) 固态固态固态固态法；法；法；法；(2) (2) 液态液态液态液态法；法；法；法；(3) (3) 喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积法；法；法；法；(4) (4) 原位复合原位复合原位复合原位复合法。法。法。法。84常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺85(1) 固态法固态法固态制备工艺主要为固态制备工艺主要为扩散结合扩散
40、结合和和粉末粉末治金治金两种方法。两种方法。861) 扩散结合扩散结合在一定的在一定的温度和压力温度和压力下，把表面下，把表面新鲜清洁新鲜清洁的的相同或不相同相同或不相同的金属，通过的金属，通过表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散而连接在一起。而连接在一起。因而，扩散结合也成为一种制造因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增连续纤维增连续纤维增连续纤维增强金属基复合材料强金属基复合材料强金属基复合材料强金属基复合材料的传统工艺方法。的传统工艺方法。87扩散结合工艺扩散结合工艺中，中，增强纤维与基体的增强纤维与基体的结合结合主要分为三个关键步骤：主要分为三个关键
41、步骤： 纤维的排布；纤维的排布； 复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装； 热压。热压。88硼纤维增强铝的扩散结合工艺流程硼纤维增强铝的扩散结合工艺流程89采用采用扩散结合方式扩散结合方式制备金属基复合材料，制备金属基复合材料，工工工工艺相对复杂艺相对复杂艺相对复杂艺相对复杂，工艺参数控制工艺参数控制工艺参数控制工艺参数控制要求严格，纤维排布、要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，叠合以及封装手工操作多，成本高成本高。但但扩散结合扩散结合扩散结合扩散结合是是连续纤维增强连续纤维增强并能并能按照铺层要按照铺层要求排布的求排布的惟一可行的工艺。惟一可行的工艺。90在在扩散结合工艺
42、扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺中，中，增强纤维与基体增强纤维与基体的的湿湿湿湿润问题润问题润问题润问题容易解决，而且容易解决，而且在热压时在热压时可通过可通过控制工控制工控制工控制工艺参数艺参数艺参数艺参数的办法来的办法来控制界面反应控制界面反应控制界面反应控制界面反应。因此，在金属基复合材料的因此，在金属基复合材料的早期生产早期生产早期生产早期生产中大中大量采用量采用扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺。912) 粉末冶金粉末冶金粉末冶金既可用于粉末冶金既可用于连续长纤维连续长纤维增强，增强，又可用于又可用于短纤维短纤维、颗粒颗粒或或晶须晶须增强的增强的金金属基复合材料属基
43、复合材料。92在粉未冶金法中，在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复长纤维增强金属基复合材料合材料分两步进行。分两步进行。首先是将首先是将预先设计好的一定体积百分比预先设计好的一定体积百分比的的长纤维和金属基体粉末长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在混装于容器中，在真空或保护气氛真空或保护气氛下下预烧结预烧结。然后将然后将预烧结体预烧结体进行进行热等静压热等静压加工。加工。93一般情况下，采用一般情况下，采用粉未冶金工艺粉未冶金工艺制制备的备的长纤维增强金属基复合材料中长纤维增强金属基复合材料中，纤，纤维的维的体积百分含量体积百分含量为为40% 60%，最多，最多可达可达75%。94粉末冶金法五大
44、优点粉末冶金法五大优点 热等静压热等静压热等静压热等静压或或烧结温度烧结温度烧结温度烧结温度低于低于低于低于金属熔点，因而金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少界面反应少界面反应少界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过时可以通过热等静压或烧结时热等静压或烧结时的的温度温度温度温度、压力压力压力压力和和时时时时间间间间等工艺参数来等工艺参数来控制界面反应控制界面反应。95 可根据性能要求，使增强材料（纤维、可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末颗粒或晶须）与
45、基体金属粉末以任何比例混以任何比例混合合，纤维含量最高纤维含量最高可达可达75%，颗粒含量颗粒含量可达可达50%以上，这是液态法无法达到的。以上，这是液态法无法达到的。96 可降低可降低增强材料与基体增强材料与基体互相湿润互相湿润的要的要求，也降低了求，也降低了增强材料与基体粉未增强材料与基体粉未的的密度差密度差的要求，使的要求，使颗粒或晶须颗粒或晶须均匀分布均匀分布在金属基复在金属基复合材料的基体中。合材料的基体中。97 采用采用热等静压工艺热等静压工艺时，其时，其组织细化组织细化、致密致密、均匀均匀，一般不会产生，一般不会产生偏析、偏聚偏析、偏聚等等缺陷，可使缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷孔
46、隙和其他内部缺陷得到明显得到明显改善，从而提高复合材料的性能。改善，从而提高复合材料的性能。98 粉未冶金法粉未冶金法制备的制备的金属基复合材料金属基复合材料可通过传统的可通过传统的金属加工方法金属加工方法进行二次加工。进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯毛坯。99 工艺过程比较工艺过程比较复杂复杂； 金属基体必须制成粉末，增如了工金属基体必须制成粉末，增如了工艺的艺的复杂性复杂性和和成本成本； 在制备铝基复合材料时，还要防止在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的铝粉引起的爆炸爆炸。 粉末冶金法主要缺点粉末冶金法主要缺点1002液态法液态法液态法
47、亦称为液态法亦称为熔铸法熔铸法，其中包括，其中包括压铸压铸、半固态复合铸造半固态复合铸造、液态渗透液态渗透以及以及搅拌法搅拌法和和无压渗透法无压渗透法等。等。101液态法是目前制备液态法是目前制备颗粒颗粒、晶须晶须和和短纤维短纤维增强金属基复合材料的增强金属基复合材料的主要工艺方法主要工艺方法。液态法液态法主要特点主要特点是金属基体是金属基体在制备复合在制备复合材料时材料时均处于液态。均处于液态。102103104105106107108109110111与固态法相比，液态法的与固态法相比，液态法的工艺及设备相工艺及设备相对简便易行对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，与传统金属材料的成型工艺
48、，如铸造、压铸等方法非常相似，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较制备成本较低低，因此液态法得到较快的发展。，因此液态法得到较快的发展。1121) 压铸压铸压铸成型是指压铸成型是指在压力作用下在压力作用下将液态或半将液态或半液态金属基复合材料或金属液态金属基复合材料或金属以一定速度以一定速度充填充填压铸模型腔压铸模型腔或或增强材料预制体的孔隙增强材料预制体的孔隙中，中，在在压力下压力下快速快速凝固成型凝固成型而制备金属基复合材料而制备金属基复合材料的工艺方法。的工艺方法。113（a）注入复合材料）注入复合材料 （b）加压）加压 （c）固化）固化 （d)顶出顶出 金属基复合材料压铸工艺示意图金
49、属基复合材料压铸工艺示意图114压铸成型法的具体工艺压铸成型法的具体工艺首先将首先将包含有增强材料的金属熔体包含有增强材料的金属熔体倒入倒入预热预热预热预热摸具中摸具中摸具中摸具中后，迅速加压，压力约为后，迅速加压，压力约为70100MPa，使，使液态金属基复合材料液态金属基复合材料在压力下凝固。在压力下凝固。待复合材料待复合材料完全固化后完全固化后完全固化后完全固化后顶出，即制得所需形顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件坯料或压铸件坯料或压铸件坯料或压铸件。115压铸工艺中，影响压铸工艺中，影响金属基复合材料性能金属基复合材料性能的的工艺因素工艺
50、因素主要有四个：主要有四个：熔融金属的温度熔融金属的温度、 模具预热温度模具预热温度 使用的最大压力使用的最大压力、 加压速度加压速度。116在采用在采用预制增强材料块预制增强材料块时，为了获得时，为了获得无孔隙无孔隙的复合材料，一般的复合材料，一般压力压力不低于不低于50MPa，加压速度加压速度以以使预制件不变形使预制件不变形为宜，为宜，一般为一般为13cm/s。117对于对于铝基复合材料铝基复合材料，熔融金属温度一般，熔融金属温度一般为为700800，预制件和模具预热温度预制件和模具预热温度一般可一般可控制在控制在500800，并可相互补偿，如前者高，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些
51、，反之亦然。些，后者可以低些，反之亦然。118采用采用压铸法压铸法生产的生产的铝基复合材料铝基复合材料的零的零部件，其部件，其组织细化组织细化、无气孔无气孔，可以获得比，可以获得比一般一般金属模铸件金属模铸件性能优良的压铸件。性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺压铸工艺设备简单设备简单，成本低成本低，材料的，材料的质量质量高且稳定高且稳定，易于，易于工业化工业化生产。生产。1192) 半固态复合铸造半固态复合铸造半固态复合铸造主要是针对半固态复合铸造主要是针对搅拌法的缺点搅拌法的缺点搅拌法的缺点搅拌法的缺点而提而提出的改进工艺。出的改进
52、工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒中，通过搅拌使颗粒在金属基体中在金属基体中均匀分布，并取均匀分布，并取得良好的界面结合，然后得良好的界面结合，然后浇注成型浇注成型浇注成型浇注成型或将半固态复合或将半固态复合材料材料注入模具中注入模具中进行进行压铸成型压铸成型压铸成型压铸成型。120通常采用通常采用搅拌法制备金属基复合材料搅拌法制备金属基复合材料搅拌法制备金属基复合材料搅拌法制备金属基复合材料时，常常时，常常会由于会由于强烈搅拌强烈搅拌将将气体或表面金属氧化物卷入金属气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中熔体中；同时同时当颗粒与
53、金属基体当颗粒与金属基体湿润性差湿润性差湿润性差湿润性差时，颗粒难以时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中在金属基体中由于比重由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。121半固态复合铸造的原理半固态复合铸造的原理是将是将金属熔体的温度金属熔体的温度控制在控制在液相线液相线与固相线与固相线之间，通过搅拌使部分之间，通过搅拌使部分树枝状结树枝状结晶体晶体破碎成破碎成固相颗粒固相颗粒，熔体中的固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种是一种非枝晶结钩非枝晶结钩，可以防止，可以防止半固态熔体半固态熔体粘度的增加粘度的增加。12
54、2当加入当加入预热后的预热后的增强颗粒增强颗粒时，因熔体时，因熔体中含有一定量的中含有一定量的固相金属颗粒固相金属颗粒，在搅拌中，在搅拌中增增强颗粒受阻强颗粒受阻而滞留在半而滞留在半固态金属熔体固态金属熔体中，增中，增强颗粒不会强颗粒不会结集和偏聚结集和偏聚而得到一定的分散。而得到一定的分散。同时强烈的同时强烈的机械搅拌机械搅拌也使也使增强颗粒与增强颗粒与金属熔体金属熔体直接接触，直接接触，促进润湿促进润湿。123主要控制工艺参数主要控制工艺参数 金属基体金属基体熔体的温度熔体的温度应使熔体达到应使熔体达到30%50%固态；固态； 搅拌速度搅拌速度应应不产生湍流不产生湍流以防止空以防止空气裹入
55、，并使熔体中气裹入，并使熔体中枝晶破碎枝晶破碎形成固态颗形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。粒的加入。124由于浇注时由于浇注时金属基复合材料金属基复合材料是是处于处于半固态半固态，直接浇注成型直接浇注成型或或压铸成型压铸成型所得所得的铸件几乎的铸件几乎没有缩孔或孔洞没有缩孔或孔洞，组织细化组织细化和致密和致密。125半固态复合铸造半固态复合铸造主要应用于主要应用于颗粒增强颗粒增强金属基复合材料金属基复合材料，因短纤维、晶须在加入，因短纤维、晶须在加入时容易时容易结团或缠结结团或缠结在一起，虽经搅拌也不在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而
56、不易采用此法来制备易分散均匀，因而不易采用此法来制备短短纤维或晶须增强纤维或晶须增强金属基复合材料。金属基复合材料。1263) 无压渗透无压渗透工艺过程工艺过程如下：如下：是将是将增强材料增强材料制成制成预制体预制体，置于氧化，置于氧化铝容器内。铝容器内。再将再将基体金属坯料基体金属坯料置于可渗透的置于可渗透的增强增强材料预制体材料预制体上部。上部。127氧化铝容器氧化铝容器、预制体预制体和和基体金属基体金属坯料坯料均装入均装入可通入流动氮气可通入流动氮气的的加热炉加热炉中。中。通过加热，通过加热，基体金属熔化基体金属熔化，并自，并自发渗透进入网络状发渗透进入网络状增强材料预制体增强材料预制体
57、中。中。128无压渗透工艺无压渗透工艺能较明显能较明显降低降低金属基复金属基复合材料的制造合材料的制造成本成本，但复合材料的，但复合材料的强度较强度较低低，而其，而其刚度刚度显著高于基体金属。显著高于基体金属。 129例如以例如以5560%Al2O3或或SiC预制成预制成零件零件的形状的形状，放入同样形状的，放入同样形状的刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内，将含有将含有3%10%Mg的的铝合金铝合金（基体）（基体）坯料坯料放置在放置在增强材料预制体增强材料预制体上，在流动的氮气上，在流动的氮气气氛下，加热至气氛下，加热至8001000，铝合金熔化铝合金熔化并自发渗入预制体内并自发渗入预制体内。130由于
58、由于氮气与铝合金氮气与铝合金发生反应，在金属发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有基复合材料的显微组织中还有AlN。控制控制氮气流量氮气流量、温度温度以及以及渗透速度渗透速度，可以控制可以控制AIN的生成量的生成量。131AIN在在铝基复合材料铝基复合材料中起到提高复合中起到提高复合材料材料刚度刚度，降低，降低热膨胀系数热膨胀系数的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的Al2O3/Al的刚度的刚度是是铝合金基体铝合金基体的两倍，而的两倍，而SiC/Al的刚度也的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。达到钢的水平，但强度水平较低。1323喷射沉积喷射沉积首先，将首先，将基体金属基体
59、金属在坩埚中熔化后，在坩埚中熔化后，在在压力作用下压力作用下通过喷咀送入通过喷咀送入雾化器雾化器，在，在高速惰高速惰性气体射流性气体射流的作用下，的作用下，液态金属被分散为细液态金属被分散为细小的液滴小的液滴，形成所谓，形成所谓“雾化锥雾化锥” ；133然后，通过一个或多个然后，通过一个或多个喷咀喷咀向向“雾化雾化锥锥”喷射喷射入入增强颗粒增强颗粒，使之与，使之与金属雾化液金属雾化液滴滴一齐一齐在基板（收集器）上沉积在基板（收集器）上沉积，并快速，并快速凝固形成凝固形成颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料，如下，如下图所示。图所示。134喷涂沉积法喷涂沉积法135雾化金属液滴与颗粒共沉
60、积示意图雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图136喷射沉积法的优越性喷射沉积法的优越性 该该工艺流程短工艺流程短，工序简单工序简单，喷射，喷射沉积沉积效率高效率高，有利于实现工业化生产。，有利于实现工业化生产。 高致密度高致密度，直接沉积的复合材料密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的一般可达到理论的95%98%；137属属快速凝固方法快速凝固方法，冷速可达，冷速可达103 106 K/s，故金属，故金属晶粒及组织细化晶粒及组织细化，消除了，消除了宏观偏析宏观偏析，合金成分均匀合金成分均匀，同时增强材料，同时增强材料与金属液滴接触时间短，与金属液滴接触时间短，很少或没有界面很少或没有界面反应反
61、应；138 具有具有通用性通用性和和产品多样性产品多样性。该工艺。该工艺适于适于多种金属材料基体多种金属材料基体，如高、低合金钢、，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。同时可铝及铝合金、高温合金等。同时可设计雾设计雾化器和收集器的形状化器和收集器的形状和一定的机械运动，和一定的机械运动，以直接形成以直接形成盘盘、棒棒、管管和和板带板带等接近等接近零件零件实际形状实际形状的复合材料的坯料；的复合材料的坯料；1394原位自生成法原位自生成法在复合材料制造过程中，在复合材料制造过程中，增强材料增强材料在基体中在基体中生成和生长的方法生成和生长的方法称作原位自称作原位自生成法。生成法。140在在金
62、属基复合材料金属基复合材料制备过程中，往往制备过程中，往往会遇到两个问题：会遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的一是增强材料与金属基体之间的相容相容性性（即润湿性）问题，（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在料与金属基体之间的界面都存在界面反应界面反应。141其中，其中，增强材料与金属基体增强材料与金属基体之间的之间的相容性相容性相容性相容性往往往影响金属基复合材料往影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中在高温制备和高温应用中的的性能性能性能性能和和性能稳定性性能稳定性性能稳定性性能稳定性。如果如果增强材料增强材料
63、增强材料增强材料（纤维、颗粒或晶须）能（纤维、颗粒或晶须）能从金从金属基体中属基体中直接直接直接直接（即原位）（即原位）生成生成生成生成，则上述两个问题，则上述两个问题就可以得到较好的解决。就可以得到较好的解决。142以以原位自生成法原位自生成法原位自生成法原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的与增强材料间的相容性好相容性好相容性好相容性好，界面干净界面干净界面干净界面干净，结合牢固结合牢固结合牢固结合牢固。特别当特别当增强材料与基体之间增强材料与基体之间有有共格共格共格共格或或半共格半共格半共格半共格关系关系时，能非常时，能非常有效地传递应力有效地
64、传递应力；而且，；而且，界面上不生成有界面上不生成有害的反应产物害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性，因此这种复合材料有较优异的力学性能。能。143原位自生成原位自生成有三种方法有三种方法1) 共晶合金共晶合金定向凝固法定向凝固法2) 直接直接金属氧化法金属氧化法（DIMOXTM）3) 反应反应自生成法自生成法（XDTM）144 1) 共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法增强材料增强材料以共晶的形式以共晶的形式从基体中从基体中凝固析出，凝固析出，通过控制通过控制冷凝方向冷凝方向，在基体中生长出，在基体中生长出排列整排列整齐的齐的类似纤维的类似纤维的条状或片层状条状或片层状共晶增强材料
65、共晶增强材料。以这种方式生产的以这种方式生产的镍基镍基、钴基钴基定向凝固定向凝固共晶复合材料共晶复合材料已得到应用。已得到应用。145定向凝固共晶定向凝固共晶复合材料的复合材料的原位生长原位生长必必须满足三个条件：须满足三个条件： 有有温度梯度温度梯度（GL）的加热方式；）的加热方式； 满足满足平面凝固条件平面凝固条件； 两相的两相的成核和生长成核和生长要要协调进行协调进行。146二元共晶材料的二元共晶材料的平面凝固条件平面凝固条件平面凝固条件平面凝固条件是：是：其中，其中， C0为合金成份；为合金成份；GL为液相温度梯度；为液相温度梯度；R为凝固速度；为凝固速度；mL为液相线斜率；为液相线斜
66、率；CE为共晶成份；为共晶成份；DL为溶质在液相中的扩散系数。为溶质在液相中的扩散系数。147定向凝固共晶定向凝固共晶复合材料的组织复合材料的组织是是层片层片状状还是还是棒状棒状（纤维状）取决于共晶中（纤维状）取决于共晶中含量含量较少的组元的体积分数较少的组元的体积分数Xf。在二元共晶中，当在二元共晶中，当Xf 32 %时为层片状。时为层片状。148定向凝固定向凝固共晶复合材料共晶复合材料主要应用于主要应用于航航空透平机叶片空透平机叶片，有，有三元共晶合金三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形成的，它所形成的和和相为相为Ni3Al和和Ni3Nb；单变度共晶合金单变度共晶合金C-Co-Cr，所形成
67、的，所形成的和和相分别为相分别为(Co,Cr)和和(Cr,Co)7C3。1492) 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM是一种可以制备是一种可以制备金属基复合金属基复合材料材料和和陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的原位复合工艺原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有法根据是否有预成型体预成型体又可又可分为分为惟一基体法惟一基体法和和预成型体法预成型体法，两者原理相，两者原理相同。同。150惟一基体法惟一基体法的特点的特点制备制备金属基复合材料的金属基复合材料的原材料中原材料中没有填没有填充物（增强材料预成型体）和增强相充物（增强材料预成型体）和增强相，只是，只是通过通过
68、基体金属的氧化或氮化基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。来获取复合材料。151在在惟一基体法惟一基体法中，例如需制备中，例如需制备Al2O3/Al，则可通过，则可通过铝液的氧化铝液的氧化来获取来获取Al2O3增强相。增强相。通常通常铝合金铝合金表面迅速氧化，形成一种表面迅速氧化，形成一种内内聚、结合紧密的聚、结合紧密的氧化铝膜氧化铝膜，这层氧化铝膜使，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。进一步氧化。152但是在但是在DIMOXTM工艺中，工艺中，熔化温度熔化温度上上升到升到9001300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660。通
69、过进一步加入通过进一步加入促进氧化反应的合金元促进氧化反应的合金元素素Si和和Mg，使熔化金属，使熔化金属通过显微通道通过显微通道渗透渗透到氧化层外边到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，并顺序氧化，即铝被氧化，但但铝液的渗透通道铝液的渗透通道未被堵塞。未被堵塞。153利用利用惟一基体法惟一基体法工艺，可以工艺，可以根据氧化根据氧化程度程度来控制来控制Al2O3的量。的量。如果这一工艺过程在如果这一工艺过程在所有金属被氧化所有金属被氧化之前之前停止的话，则所制备的复合材料就是停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中陶瓷基复合材料，其中含有含有5% 30
70、%的的Al。154除了可以除了可以直接氧化直接氧化外，还可以外，还可以直接氮化直接氮化。通过通过DIMOXTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和和TiN/Ti等等金属基或陶瓷基金属基或陶瓷基复合材料。复合材料。155当当DIMOXTM工艺采用工艺采用增强材料预成型体增强材料预成型体时，由于时，由于增强材料预成型体增强材料预成型体是透气的，金属是透气的，金属基体可以通过基体可以通过渗透的氧或氮渗透的氧或氮顺序氧（氮）化顺序氧（氮）化形成基体。形成基体。1563) 反应自生成法（反应自生成法（XDTM）这种方法是在近这种方法是在近20年中发展起来的技年中发展起来的技术，主要用
71、于制造术，主要用于制造金属间化合物金属间化合物复合材料。复合材料。157在反应自生成法中，在反应自生成法中，增强材料增强材料是由是由加入加入基体中的基体中的相应元素之间的反应，相应元素之间的反应，或者或者合金熔合金熔体中的体中的某种组分某种组分与与加入的元素或化合物之间加入的元素或化合物之间反应反应生成的。生成的。158在在XDTM工艺中，可以根据工艺中，可以根据所选择的所选择的原位生成的原位生成的增强相的类别或形态增强相的类别或形态，选择，选择基基体和增强相生成所需的体和增强相生成所需的原材料原材料，如一定粒，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应
72、要求）混合。（反应要求）混合。159XDTM工艺原理示意图工艺原理示意图160当这种混合物制成当这种混合物制成预制体预制体，加热到，加热到金金属熔点以上属熔点以上或者或者自蔓延的反应发生的温度自蔓延的反应发生的温度时，时，混合物的组成元素进行放热反应混合物的组成元素进行放热反应，用，用以生成以生成在基体中弥漫的在基体中弥漫的微观增强颗粒微观增强颗粒、晶晶须须和和片晶片晶等增强相。等增强相。161XDTM工艺的工艺的关键技术关键技术是可以生成一是可以生成一种种韧相韧相，它属于专利技术。，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例以一定比例混合成型混
73、合成型，加热后反应生成，加热后反应生成TiB2，进而形成，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。 Al + Ti + B TiB2 + Al 162XDTM法不仅可以用法不仅可以用粉末反应粉末反应生成复合生成复合材料，也可以材料，也可以在熔融的合金中在熔融的合金中导入导入参加反参加反应的粉末或气体应的粉末或气体而生成复合材料。而生成复合材料。如在熔融的如在熔融的Al-Ti合金中导入合金中导入载碳气体载碳气体，反应生成反应生成TiC，进而形成，进而形成TiC增强铝基复合增强铝基复合材料。材料。Al + Ti + C TiC + Al163XDTM工艺特点工艺特点 增强相是增强相
74、是原位形成原位形成，具有，具有热稳定性热稳定性； 增强相的增强相的类型、形态类型、形态可以可以选择和设计选择和设计； 各种各种金属或金属间化合物金属或金属间化合物均可作为基均可作为基体；体； 复合材料可以采用复合材料可以采用传统金属加工方法传统金属加工方法进行二次加工进行二次加工。164XDTM材料包括材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和和Ni基复合材料，还可以是基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和和NiAl等等金属化合物基金属化合物基复合材料。复合材料。其中，其中，增强相增强相包括包括硼化物硼化物、氮化物氮化物和和碳碳化物化物等，其等，其形态形态可以是可以是颗粒颗粒、片晶片晶和和杆状
75、杆状，还可以还可以原位生成晶须原位生成晶须。1653、陶瓷基复合材料的制备方法与工艺、陶瓷基复合材料的制备方法与工艺陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：的制造分为两个步骤：第一步是将第一步是将增强材料增强材料掺入掺入未固结未固结(或粉或粉末状末状)的的基体材料基体材料中，排列整齐或混合均勾；中，排列整齐或混合均勾；第二步是运用第二步是运用各种加工条件各种加工条件在尽量在尽量不破不破坏坏增强材料增强材料和和基体性能基体性能的前提下，制成复合的前提下，制成复合材料制品。材料制品。 166根据根据陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的制造步骤，在的制造步骤，在加工制备复合材料加工制备复合材料时，
76、应时，应根据使用要求根据使用要求，相应地增强相应地增强材料和基体的复合材料和基体的复合，针对，针对不同不同的增强材料的增强材料(纤维、晶须、颗粒纤维、晶须、颗粒)，选择，选择相相应的加工条件应的加工条件等因素。等因素。167选择哪种选择哪种增强材料和基体增强材料和基体，除了，除了根根据使用要求据使用要求，如，如温度温度、强度强度、弹性模量弹性模量等，两种材料间一些等，两种材料间一些性能的配合性能的配合也直接也直接影响复合材料的性能影响复合材料的性能。168通常要考虑的通常要考虑的两种材料的主要因素两种材料的主要因素如下：如下：物理因素物理因素：熔点熔点、挥发度挥发度、密度密度、弹性弹性模量模量
77、、热膨胀系数热膨胀系数、蠕变性能蠕变性能、强度强度、断裂断裂韧性韧性等。等。169纤维和基体纤维和基体的的相容性因素相容性因素：化学相容性化学相容性、热性能相容性热性能相容性(主要是高主要是高温状态温状态)、同环境的相容性同环境的相容性(包括内部和外包括内部和外部，而外部环境的相容主要包括氧化和蒸部，而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发发)。 170针对针对不同的增强材料不同的增强材料，已经开发了，已经开发了多多种加工技术种加工技术。例如，对于以例如，对于以连续纤维增强的连续纤维增强的陶瓷基陶瓷基复合材料的加工复合材料的加工通常采用下面三种方法：通常采用下面三种方法：首先采用首先采用料浆浸渍料浆
78、浸渍工艺，然后再工艺，然后再热热压烧结压烧结；171将将连续纤维连续纤维编织制成编织制成预成型坯件预成型坯件，再，再进行进行化学气相沉积化学气相沉积(CVD)，化学气相渗透化学气相渗透(CVI)，直接氧化沉积直接氧化沉积(Lanxide)； 利用利用浸渍浸渍-热解循环热解循环的的有机聚合物裂有机聚合物裂解法解法制成制成陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。172对于对于颗粒弥散型颗粒弥散型陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料，主要采用主要采用传统的烧结工艺传统的烧结工艺，包括，包括常压烧常压烧结结、热压烧结热压烧结或或热等静压烧结热等静压烧结。173此外，一些此外，一些新开发的工艺新开发的工艺如如固相反固相反
79、应烧结应烧结、高聚物先驱体热解高聚物先驱体热解、CV、溶溶胶胶凝胶凝胶、直接氧化沉积直接氧化沉积等也可用于等也可用于颗颗粒弥散型粒弥散型陶瓷基复合材料的制备陶瓷基复合材料的制备。174晶须补强晶须补强陶瓷基复合材料的制备方法陶瓷基复合材料的制备方法：将将晶须晶须在液体介质中在液体介质中经经机械或超声分散机械或超声分散，再与再与陶瓷基体粉末陶瓷基体粉末均匀混合均匀混合，制成，制成一定形状一定形状的坯件的坯件，烘干后，烘干后热压或热等静压热压或热等静压烧结。烧结。175制备制备晶须补强晶须补强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料时，为了时，为了克服克服晶须晶须在烧结过程中的在烧结过程中的搭桥现象搭桥现象，
80、坯件制，坯件制造采用造采用压力渗滤压力渗滤或或电泳沉积电泳沉积成型上艺。成型上艺。此外，此外，原位生长原位生长工艺、工艺、CVD、CAI、固固相反应烧结相反应烧结、直接氧化沉积直接氧化沉积等工艺也适合于等工艺也适合于制备制备晶须补强晶须补强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。176陶瓷基复合材料的加工制造方法陶瓷基复合材料的加工制造方法(1)传统的制备技术传统的制备技术(2)新的制备技术新的制备技术177(1)传统的制备技术传统的制备技术1)冷压和烧结法冷压和烧结法2)热压法热压法1781)冷压和烧结法冷压和烧结法传统的陶瓷生产工艺，是将传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维粉末和纤维冷压冷压，然后，然
81、后烧结烧结。179借鉴借鉴聚合物生产工艺聚合物生产工艺中的中的挤压挤压、吹塑吹塑、注射注射等等成型工艺成型工艺，为了快速生产的需要，为了快速生产的需要，可以可以在一定的条件下在一定的条件下将将陶瓷粉体陶瓷粉体和和有机载有机载体体混合后，混合后，压制成型压制成型，除去有机黏结剂，除去有机黏结剂，然后然后烧结烧结成制品。成制品。180在在冷压和烧结冷压和烧结法的生产过程中，通常法的生产过程中，通常会遇到会遇到烧结过程中烧结过程中制品收缩制品收缩，同时，同时最终产最终产品中品中有有许多裂纹许多裂纹的问题。的问题。181在用在用纤维和晶须纤维和晶须增强增强陶瓷基材料陶瓷基材料进进行烧结时，除了会遇到行
82、烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩陶瓷基收缩的问的问题外，还会使题外，还会使烧结材料烧结材料在烧结和冷却时在烧结和冷却时产生产生缺陷缺陷或或内应力内应力。这主要是由。这主要是由增强材增强材料的特性料的特性决定的。决定的。182例如例如增强材料的特性增强材料的特性主要有：主要有：增强材料增强材料具有较高的具有较高的长径比长径比；增强材料和基体不同的增强材料和基体不同的热膨胀系数热膨胀系数；增强材料在基体中增强材料在基体中排列方式排列方式的不同等。的不同等。1832)热压法热压法热压是目前制备热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合纤维增强陶瓷基复合材料材料(CMCs)最常用的方法，一般把它称为最常用的方法，一
83、般把它称为浆料浸渍工艺浆料浸渍工艺。主要用在主要用在纤维增强玻璃纤维增强玻璃和和纤维增强陶纤维增强陶瓷瓷复合材料中。复合材料中。184浆料浸渍工艺浆料浸渍工艺主要包括以下两个步骤：主要包括以下两个步骤：增强相增强相渗入渗入没有固化的基体没有固化的基体中；中；固化的复合材料固化的复合材料被被热压成型热压成型。 185下图显示了浆料浸渍工艺流程图：下图显示了浆料浸渍工艺流程图：186纤维纤维纤维纤维浸渍浆料浸渍浆料浸渍浆料浸渍浆料纤维缠绕在辊筒上纤维缠绕在辊筒上纤维缠绕在辊筒上纤维缠绕在辊筒上纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层纤维裁剪铺层压力压力压力压力纤维纤维纤维纤维/ /玻璃陶瓷复合材料玻璃
84、陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料玻璃陶瓷复合材料热压，热压，热压，热压，800925 800925 脱黏结剂，脱黏结剂，脱黏结剂，脱黏结剂， 500 500热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线187此此工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图主要包括以下主要包括以下四个过程四个过程四个过程四个过程：纤维首先通过浆料池纤维首先通过浆料池；浸渍的丝被卷到一个转筒上浸渍的丝被卷到一个转筒上；干燥后被切割并依照一定的要求干燥后被切割并依照一定的要求层状排列层状排列；固化并加热成型固化
85、并加热成型。188其中，浆料池中的其中，浆料池中的浆料浆料由由陶瓷粉末陶瓷粉末、溶剂溶剂和和有机黏结剂有机黏结剂组成；另外，再加入一组成；另外，再加入一些些润湿剂润湿剂，有助于提高，有助于提高纤维在浆料中的浸纤维在浆料中的浸润性润性。189下图显示了在热压下图显示了在热压各向同性各向同性氧化铝纤氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材料维增强玻璃陶瓷基复合材料时，时，温度和压温度和压力力随随时间时间的变化曲线。的变化曲线。190温温温温度度度度/ / 压压压压力力力力 / / MM P Pa a时间时间时间时间 / / minmin温度温度压力压力热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材热压各向同性氧
86、化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材料时温度、压力随时间的变化曲线料时温度、压力随时间的变化曲线191 浆料浸渍工艺浆料浸渍工艺非常适合非常适合玻璃或玻璃陶玻璃或玻璃陶瓷基复合材料瓷基复合材料，因为它的，因为它的热压温度热压温度低于这些低于这些晶体基体材料晶体基体材料的熔点。的熔点。但热压过程中，除了要考虑但热压过程中，除了要考虑制品的形状制品的形状外，还要考虑的因素包括：外，还要考虑的因素包括： 192在整个操作过程中，在整个操作过程中，纤维必须经仔纤维必须经仔细处理细处理，避免损伤纤维表面。，避免损伤纤维表面。拉力拉力影响影响浆料浸渍纤维浆料浸渍纤维的能力，太的能力，太强的拉力会导致纤维破坏。强的
87、拉力会导致纤维破坏。193在加工过程中在加工过程中，要尽量，要尽量减少纤维的减少纤维的破坏破坏。因为。因为结晶陶瓷的耐火颗粒结晶陶瓷的耐火颗粒在与在与纤维纤维的机械接触中的机械接触中会会损伤纤维损伤纤维，太高的压力太高的压力也也会损伤纤维，还要避免纤维会损伤纤维，还要避免纤维在高温中在高温中与基与基体的反应。体的反应。194浆料的组成浆料的组成是一个重要方面，包括是一个重要方面，包括粉粉体的含量体的含量、粉体粒子的大小粉体粒子的大小、黏结剂的种类黏结剂的种类和含量和含量、溶剂溶剂等，它们都对最终等，它们都对最终复合材料制复合材料制品的性能品的性能有所影响。有所影响。195为了减少最终制品的为了
88、减少最终制品的孔隙率孔隙率，在，在热压之前，要热压之前，要设法完全除去设法完全除去挥发性黏结挥发性黏结剂剂，使用比纤维直径更小的，使用比纤维直径更小的颗粒状陶瓷颗粒状陶瓷基体基体。196热压操作热压操作非常关键，通常是在一个非常关键，通常是在一个非常非常窄的操作温度范围窄的操作温度范围，缩短操作时间缩短操作时间可可以减少纤维的损坏。以减少纤维的损坏。197浆料浸渍工艺浆料浸渍工艺可以制得可以制得纤维定向排列纤维定向排列、低孔隙率低孔隙率、高强度高强度的的陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。它可。它可以用在以用在C、Al2O3、SiC和和Al2O3.SiO2纤维增强纤维增强玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷玻
89、璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制造工艺中。的制造工艺中。这种工艺的这种工艺的主要缺点主要缺点是要求是要求基体有较高基体有较高的熔点或软化点的熔点或软化点。198新的制备技术主要指新的制备技术主要指在在20世纪世纪70年代年代开始发展起来的技术。它包括开始发展起来的技术。它包括渗透渗透，直接直接氧化氧化，以化学反应为基础的，以化学反应为基础的CVD、CVI，溶胶溶胶-凝胶凝胶，聚合物热解聚合物热解，白蔓燃高温合白蔓燃高温合成成(SHS)等技术。等技术。(2)新的制备技术新的制备技术1991)渗透法渗透法渗透法就是渗透法就是在在预制的增强材料坯件预制的增强材料坯件中中使使基体材料基体材料以以固态、液态
90、或气态的形式固态、液态或气态的形式渗渗透制成复合材料。其中，比较常用的是透制成复合材料。其中，比较常用的是液液相渗透相渗透。200渗透法渗透法类似于类似于聚合物基复合材料聚合物基复合材料制造制造技术中，技术中，纤维布纤维布被被液相的树脂液相的树脂渗透后，渗透后，热热压固化压固化。二者的差别二者的差别就是所用的就是所用的基体是陶瓷基体是陶瓷，渗透的温度渗透的温度要高得多。下图是要高得多。下图是液相渗透工液相渗透工艺示意图艺示意图。201活塞活塞活塞活塞熔体熔体熔体熔体预制件预制件预制件预制件加热棒加热棒加热棒加热棒液相渗透工艺示意图液相渗透工艺示意图液相渗透工艺示意图液相渗透工艺示意图202由于
91、由于熔融的陶瓷熔融的陶瓷具有具有较高的黏度较高的黏度，为，为了提高了提高陶瓷陶瓷对对预制增强材料坯件预制增强材料坯件的渗透，的渗透，通过对通过对增强材料的表面处理增强材料的表面处理，来提高其浸，来提高其浸渍性，这种渍性，这种提高渗透提高渗透主要采用主要采用化学反应的化学反应的方式方式。203另外，另外，加压加压和和抽真空抽真空这两种物理方法这两种物理方法也可以被用来也可以被用来提高渗透性提高渗透性。以这种方法生产以这种方法生产陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的主主要优点要优点是是制造工艺是一个简单的一步生产制造工艺是一个简单的一步生产过程过程，可以获得一个均匀的制品可以获得一个均匀的制品。204
92、渗透法的主要缺点渗透法的主要缺点如果使用如果使用高熔点的陶瓷高熔点的陶瓷，就可能就可能在陶在陶瓷和增强材料之间瓷和增强材料之间发生化学反应；发生化学反应；陶瓷陶瓷具有比金属更具有比金属更高的熔融黏度高的熔融黏度，因，因此此对增强材料的渗透对增强材料的渗透相当困难；相当困难；205增强材料增强材料和和基体基体在冷却后在冷却后，由于不，由于不同的同的热膨胀系数热膨胀系数会会引起收缩引起收缩产生产生裂纹裂纹。因此，为了避免这种情况，要尽量选因此，为了避免这种情况，要尽量选用用热膨胀系数相近的热膨胀系数相近的增强材料和基体。增强材料和基体。2062)直接氧化法直接氧化法(Lanxide法法)直接氧化法
93、直接氧化法就是利用就是利用熔融金属熔融金属直接与直接与氧氧化剂化剂发生氧化反应发生氧化反应而制备而制备陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的工艺方法。工艺方法。由于它是由由于它是由Lanxide公司发明的，所以公司发明的，所以又称为又称为Lanxide法。法。207直接氧化法的生产工艺直接氧化法的生产工艺将将增强纤维增强纤维或或纤维预成型件纤维预成型件置于熔置于熔融金属的下面，并处于融金属的下面，并处于空气或其他气氛空气或其他气氛中，中，熔融金属中含有熔融金属中含有镁、硅镁、硅等一些添加剂。等一些添加剂。208在在纤维纤维不断不断被金属渗透被金属渗透的过程中，的过程中，渗透到纤维中的金属渗透到纤维中
94、的金属与与空气或其他气体空气或其他气体在在不断发生不断发生氧化反应氧化反应，这种反应始终，这种反应始终在液相在液相金属和气相氧化剂的界面处金属和气相氧化剂的界面处进行，进行，反应生反应生成的氧化物成的氧化物沉积在沉积在纤维周围纤维周围，形成含有少，形成含有少量金属、致密的陶瓷基复合材料。量金属、致密的陶瓷基复合材料。209Al + N2以以金属铝金属铝为例，在为例，在空气或氮气空气或氮气气氛气氛中，主要发生下列反应：中，主要发生下列反应：2Al2O3AlN4Al + 3O2210一般在这种一般在这种陶瓷基复合材料制品陶瓷基复合材料制品中，中，未发生氧化反应的未发生氧化反应的残余金属量残余金属量
95、约占约占 5 30。可以用来这种方法制造可以用来这种方法制造高温热能量交高温热能量交换器换器的的管道管道等部件，具有等部件，具有较好的机械性能较好的机械性能(强度、韧性等强度、韧性等)。211直接氧化法工艺直接氧化法工艺的的缺点缺点以这种方法生产的产品中，以这种方法生产的产品中，残余的金残余的金属属很难完全被氧化或除去很难完全被氧化或除去。这种方法这种方法难于用来生产难于用来生产一些一些较大的和较大的和比较复杂的部件比较复杂的部件，比如航天工业的一些部件。，比如航天工业的一些部件。212原位化学反应技术原位化学反应技术已经被广泛用于已经被广泛用于制制造整体陶瓷件造整体陶瓷件，同样该技术也可以用
96、于制，同样该技术也可以用于制造造陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料，已广泛应用的有，已广泛应用的有CVD和和CVI工艺。工艺。3)原位化学反应法原位化学反应法213 CVD法法CVD法就是利用法就是利用化学气相沉积化学气相沉积技术，技术，通过一些通过一些反应性混合气体反应性混合气体在高温状态下反在高温状态下反应，应，分解出陶瓷材料分解出陶瓷材料并并沉积沉积在各种增强材在各种增强材料上形成料上形成陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的方法。的方法。214 CVI法法将化学气相沉积技术运用在将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷将大量陶瓷材料材料渗透渗透进增强材料预制坯件进增强材料预制坯件的工艺就称的工艺就称为为化
97、学气相渗透工艺化学气相渗透工艺。215从这两种工艺技术来说，从这两种工艺技术来说，CVD法首先被法首先被开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复复合材料的制备；合材料的制备；CVI方法方法在在CVD技术上发展起来技术上发展起来并被广并被广泛应用于各种陶瓷基复合材料。泛应用于各种陶瓷基复合材料。216下图是下图是CVI的工艺示意图，的工艺示意图，217加热元件加热元件加热元件加热元件带孔的挡环带孔的挡环带孔的挡环带孔的挡环水冷底座水冷底座水冷底座水冷底座源气源气源气源气纤维预成型体纤维预成型体纤维预成型体纤维预成型体渗透的复合材料渗透的复合材料渗透的复合材料渗透的
98、复合材料热区热区热区热区,1200,1200 逸出的气体逸出的气体逸出的气体逸出的气体热表面热表面热表面热表面冷表面冷表面冷表面冷表面CVI工艺示意图工艺示意图218以以A12O3陶瓷基复合材料为例，反应性混陶瓷基复合材料为例，反应性混合气体合气体(AlCl3H2/CO2)在较低的沉积温度在较低的沉积温度(9501000)和压力和压力(23kPa)下发生下列反应：下发生下列反应：2192AlCl2AlCl3 3(g) + 3H(g) + 3H2 2(g) +3CO(g) +3CO2 2(g) (g) Al Al2 2OO3 3(s) + 3CO(g) (s) + 3CO(g) +6HCl(g)
99、+6HCl(g)固态的固态的Al2O3沉积在纤维表面，最后形成沉积在纤维表面，最后形成陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。HH2 2(g) + CO(g) + CO2 2 (g) (g) HH2 2O(g) + CO(g)O(g) + CO(g)220与与CVD工艺相比，工艺相比，CVI工艺实际上是一工艺实际上是一种种低温和低压工艺低温和低压工艺，这样就可以避免一般陶，这样就可以避免一般陶瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。CVI制造的产品，其实际密度可以达到制造的产品，其实际密度可以达到理论密度的理论密度的9394。221 CVI工艺生产工艺生产CMC的主要优点：
100、的主要优点：在高温下有很好的机械性能；在高温下有很好的机械性能；可以生产一些较大的、形状复杂可以生产一些较大的、形状复杂的产品；的产品；产品能较好地保持纤维和基体的产品能较好地保持纤维和基体的抗弯性能。抗弯性能。222CVI工艺的主要缺点就是生产工艺的主要缺点就是生产工艺时间较长，生产成本较大。工艺时间较长，生产成本较大。2234)溶胶溶胶-凝胶法和热解法凝胶法和热解法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 溶胶溶胶-凝胶（凝胶（Sol-Gel）法是运用胶体化法是运用胶体化学的方法，将含有学的方法，将含有金属化合物的溶液金属化合物的溶液，与，与增增强材料强材料混合后反应形成混合后反应形成溶胶溶胶，溶胶在一定的
101、，溶胶在一定的条件下转化成为条件下转化成为凝胶凝胶，然后烧结成，然后烧结成CMC的一的一种工艺。种工艺。224由于从由于从凝胶凝胶转变成转变成陶瓷陶瓷所需的反应温所需的反应温度要低于传统工艺中的度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度熔融和烧结温度，因此，在制造一些因此，在制造一些整体的陶瓷构件整体的陶瓷构件时，溶时，溶胶胶-凝胶法有较大的优势。凝胶法有较大的优势。225溶胶溶胶-凝胶法凝胶法与一些与一些传统的制造工艺传统的制造工艺结合，可以发挥比较好的作用。结合，可以发挥比较好的作用。如在如在浆料浸渍工艺浆料浸渍工艺中，溶胶中，溶胶作为纤维作为纤维和陶瓷的和陶瓷的黏结剂，在随后除去黏结剂的工黏结剂
102、，在随后除去黏结剂的工艺中，艺中，溶胶溶胶经烧结后变成了经烧结后变成了与陶瓷基相同与陶瓷基相同的材料的材料，有效地减少了复合材料的孔隙率。，有效地减少了复合材料的孔隙率。226热解法热解法热解热解(Pyrolysis)法就是法就是使聚合物先驱体使聚合物先驱体热解热解形成陶瓷基复合材料的方法。形成陶瓷基复合材料的方法。227如由如由聚碳硅烷聚碳硅烷生产生产SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料中，聚合物一般中，聚合物一般在热解过程中在热解过程中有较高的陶有较高的陶瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时聚合物本身容易制备。聚合物本身容易制备。聚合物热解法可用来生产聚合
103、物热解法可用来生产SiCf/SiC和和Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。等陶瓷基复合材料。 228溶胶溶胶-凝胶法和热解法生产凝胶法和热解法生产CMC的优点：的优点：、容易控制复合材料的组分，无论是容易控制复合材料的组分，无论是溶胶溶胶还是还是聚合物先驱体聚合物先驱体都比较容易渗透到纤都比较容易渗透到纤维中；维中； 、最后成型时的温度较低。最后成型时的温度较低。229溶胶溶胶-凝胶法和热解法生产凝胶法和热解法生产CMC的缺点：的缺点：、在烧结时会产生在烧结时会产生较大的收缩较大的收缩；、收率较低收率较低。2305)自蔓燃高温合成法自蔓燃高温合成法自蔓燃高温合成自蔓燃高温合成(self-pr
104、opagation high temperature synthesis )法就是法就是利用高利用高效的热反应效的热反应使化学反应自发进行下去使化学反应自发进行下去，最，最后生成所需要的产品。后生成所需要的产品。231自蔓燃高温合成技术一般用于制造自蔓燃高温合成技术一般用于制造系列耐系列耐火材料火材料。该技术生产的产品中一般都有该技术生产的产品中一般都有较多的孔隙较多的孔隙。为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度还相当高的情况下，应立即置于较高压力。还相当高的情况下，应立即置于较高压力。232自蔓燃高温合成技术中自蔓燃高温合成技术中没有外加的热源没有外加的热源
105、，一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物通过通过急剧升温的高热反应急剧升温的高热反应被制造出来。被制造出来。如将钛粉和碳黑混合，冷压成型，点燃，如将钛粉和碳黑混合，冷压成型，点燃，迅速引燃后形成碳化钛。迅速引燃后形成碳化钛。233以自蔓燃高温合成法制造的耐火部件具以自蔓燃高温合成法制造的耐火部件具有以下特点：有以下特点：很高的燃烧温度很高的燃烧温度(最高可达最高可达4000以以上）上）简单、低成本的设备简单、低成本的设备； 能很好地能很好地控制化学组成控制化学组成，可以制造不，可以制造不同形状的产品。同形状的产品。 234许多陶瓷产品如许多陶瓷产品如SiC/Al2
106、O3 TiC/ Al2O3 BN/ Al2O3 TiB2/TiC等都可以用等都可以用自蔓燃高温合成法自蔓燃高温合成法制造；制造；另外一些另外一些金属基的材料金属基的材料也可以用此法生产，也可以用此法生产，因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自蔓燃因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自蔓燃高温合成法在不断研制新的产品和技术。高温合成法在不断研制新的产品和技术。235陶瓷基复合材料的制备工艺陶瓷基复合材料的制备工艺(1)纤维增强纤维增强陶瓷基复合材料的制备陶瓷基复合材料的制备纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素。于多种因素。2361、从、从基体基体方面看，与方面看
107、，与气孔气孔的尺寸及的尺寸及数量、数量、裂纹裂纹的大小以及一些其他缺陷有的大小以及一些其他缺陷有关；关；2、从、从纤维纤维方面来看，则与纤维中的方面来看，则与纤维中的杂质杂质、纤维的、纤维的氧化程度氧化程度、损伤损伤及其他及其他固固有缺陷有缺陷有关；有关；237从从基体与纤维的结合基体与纤维的结合情况看，则与情况看，则与界界面的结合效果面的结合效果、纤维在基体中的取向纤维在基体中的取向以及以及基体与纤维的热膨胀系数差基体与纤维的热膨胀系数差有关。有关。正因为有如此多的影响因素，所以在正因为有如此多的影响因素，所以在实际中针对不同的材料，实际中针对不同的材料，制作方法制作方法也会不也会不同。同。
108、238制备工艺主要有以下几种制备工艺主要有以下几种：1) 泥浆烧铸法泥浆烧铸法在在陶瓷泥浆陶瓷泥浆中把中把纤维分散纤维分散，然，然后浇铸在后浇铸在石膏模型石膏模型中。中。239泥浆烧铸法泥浆烧铸法比较比较古老古老，不受，不受制品形状制品形状的限制，但对的限制，但对提高产品性能的效果提高产品性能的效果不显著，不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。瓷基复合材料的制作。2402) 热压烧结法热压烧结法将将长纤维切短长纤维切短（3mm），然后），然后分散分散并并与基体粉未混合与基体粉未混合，再进行，再进行热压烧结热压烧结。2413) 浸渍法
109、浸渍法这种方法适用于长纤维。这种方法适用于长纤维。首先首先把纤维编织成所需形状把纤维编织成所需形状；然后然后用陶瓷泥浆浸渍用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。，干燥后进行焙烧。242浸渍法浸渍法的优点是的优点是纤维取向可自由纤维取向可自由调节调节；缺点是；缺点是不能制造大尺寸制品不能制造大尺寸制品，而，而且所得且所得制品的致密度较低制品的致密度较低。243纤维增强陶瓷基复合材料制作过程纤维增强陶瓷基复合材料制作过程 碳纤维增强氧化镁碳纤维增强氧化镁以以氧化镁为基体氧化镁为基体，碳纤维为增强体碳纤维为增强体（体积（体积含量为含量为10%左右），在左右），在1200进行进行热压成型热压成型获获得复合材
110、料，它的抗破坏能力比得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁纯氧化镁高出高出10倍以上。倍以上。244但由于碳纤维与氧化镁的但由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系热膨胀系数相差一个数量级数相差一个数量级，所以这种复合材料，所以这种复合材料具有具有较多裂纹较多裂纹，实用价值不大。，实用价值不大。245 石墨纤维增强石墨纤维增强Li2Al2O3nSiO2用用石墨纤维石墨纤维作增强体，以作增强体，以氧化锂、氧化铝氧化锂、氧化铝和石英和石英组成的复盐为基体。组成的复盐为基体。把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在纤维毡上，把这种毡片无规则地积
111、层，并在13751425热压热压5分钟，压力为分钟，压力为7MPa。所得复合材料与基体材料相比所得复合材料与基体材料相比耐力学冲击耐力学冲击和耐热冲击和耐热冲击。246 碳纤维增强无定型二氧化硅碳纤维增强无定型二氧化硅基体为基体为无定型二氧化硅无定型二氧化硅，增强体为，增强体为碳碳纤维纤维，碳纤维的含量约，碳纤维的含量约50%左右。左右。这种复合材料这种复合材料沿纤维方向的弯曲模量沿纤维方向的弯曲模量可达可达150GPa，而且在，而且在800时仍能保持在时仍能保持在100GPa，在室温和，在室温和800时的弯曲强度却时的弯曲强度却达到了达到了300MPa。247在冷水和在冷水和1200之间进行
112、之间进行热冲击实验热冲击实验，基体没有产生裂纹基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实。实验后测定的强度与实验前完相同。验前完相同。248(2) 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备晶须与颗料的尺寸均很小，用它们晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺制造工艺是基本相同的。是基本相同的。249晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备工艺只需备工艺只需将晶须或颗粒分散后将晶须或颗粒分散后并并与基体与基体粉末混合均匀粉末混合均匀，再用，再用热压烧结的方法热压烧结的方法即可即可制得高性能的复合材
113、料。制得高性能的复合材料。250晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的工艺过程晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的工艺过程把几种把几种原料粉末混合原料粉末混合配成坯料的方法配成坯料的方法可分为可分为干法和湿法干法和湿法两种。两种。 新型陶瓷领域混合处理加工的新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、微米级、亚微米级粉末方法亚微米级粉末方法由于效率和可靠性等原由于效率和可靠性等原因大多采用湿法。因大多采用湿法。1) 1) 配料配料配料配料251湿法湿法主要以主要以水水作溶剂，但在氮化硅、碳作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等化硅等非氧化物系原料非氧化物系原料混合时，为防止原料混合时，为防止原料的氧化则使用的氧化则使用有机溶剂
114、有机溶剂。混合装置一般采用混合装置一般采用专用球磨机专用球磨机。为防止球磨过程中为防止球磨过程中因磨球和内衬研磨下因磨球和内衬研磨下来的磨削作为杂质来的磨削作为杂质混入原料中，最妤采用与混入原料中，最妤采用与原料材质相同的陶瓷球和内衬。原料材质相同的陶瓷球和内衬。2522) 成型成型 混好后的料浆在成型时有三种不同的混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：情况： 经经一次干燥一次干燥制成制成粉末坯料粉末坯料后供给成型后供给成型工序；工序； 把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保持浆状保持浆状供给成型工序；供给成型工序； 用压滤机用压滤机将料浆状的粉将料浆状的粉脱水
115、后成坯料脱水后成坯料供给成型工序。供给成型工序。253把上述把上述干燥粉料干燥粉料充入型模内，加压后即充入型模内，加压后即可成型。可成型。通常有通常有金属模成型法金属模成型法和和橡皮模成型法橡皮模成型法。金属模成型法的装置简单，成型成本低廉，金属模成型法的装置简单，成型成本低廉，但它的加压方向是单向的，粉末与金属模壁但它的加压方向是单向的，粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。故易造成烧成后的生坯变形或开裂，只故易造成烧成后的生坯变形或开裂，只能适于形状比较简单的制件。能适于形状比较简单的制件。254橡皮模成型法橡皮模成型法是用静水压从各个方向均
116、是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密匀加压于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性等问题。度不均匀和具有方向性等问题。由于在成型过程中毛坏与橡皮模接触而由于在成型过程中毛坏与橡皮模接触而压成生坯，故难以制成精密形状，通常还要压成生坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对细节部分进行修整。用刚玉对细节部分进行修整。 另外还有另外还有注射成型法注射成型法、注浆成型法注浆成型法以及以及挤压成型法挤压成型法等等，它们各有其特点，但也有等等，它们各有其特点，但也有其局限性。其局限性。2553) 烧结烧结从生坯中从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯除去粘合剂后的陶瓷素坯烧烧结成致密制品的过程叫烧结。结成致密制品的过程叫烧结。烧结窑炉的种类繁多，按其功能可分烧结窑炉的种类繁多，按其功能可分为间歇式和连续式。为间歇式和连续式。2564) 精加工精加工烧结后的许多制品还需进行烧结后的许多制品还需进行精加工精加工。精加工的目的是为了提高烧成品的精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸尺寸精度精度和和表面平滑性表面平滑性，前者主要用，前者主要用金刚石砂轮金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用进行磨削加工，后者则用磨料磨料进行研磨加工。进行研磨加工。257结束结束
