复合材料制备工艺.ppt

复合材料的制造技术,1、聚合物基复合材料的成型工艺,聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺主要包括以下两个方面：,一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。,生产中采用的成型工艺(1)手糊成型(2)注射成型(3)真空袋压法成型(4)挤出成型(5)压力袋成型(6)纤维缠绕成型(7)树脂注射和树脂传递成型(8)真空辅助树脂注射成型,(9)连续板材成型(10)拉挤成型(11)离心浇铸成型(12)层压或卷制成型(13)夹层结构成型(14)模压成型(15)热塑性片状模塑料热冲压成型(16)喷射成型,(1)手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：,首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。,然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：,模具准备,涂脱模剂,手糊成型,树脂胶液配制,增强材料准备,固化,脱模,后处理,检验,制品,手糊成型工艺流程图,为了得到良好的脱模效果和理想的制品，同时使用几种脱模剂，可以发挥多种脱模剂的综合性能。,手糊成型工艺优点不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；设备简单、投资少、设备折旧费低。,工艺简单；易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。,手糊成型工艺缺点 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。,2模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。,模压成型工艺过程将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。,金属对模准备,涂脱模剂,膜压成型,模塑料、颗粒树脂,短纤维,固化,脱模,后处理,检验,制品,加热、加压,加热,冷却,膜压成型工艺流程图,模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。,模压成型工艺缺点模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。,模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。,模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。,3.层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。,层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等。复合材料层压板的生产工艺流程如下,层压板的生产工艺流程,增强材料,热固性树脂,浸胶,胶布,裁剪叠合,热压,脱模,切边,产品,层压成型工艺的优点是制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。层压成型工艺的缺点是只能生产板材，且产品的尺寸大小受设备的限制。,4喷射成型工艺将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。,当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。其具体工艺流程图如下：,玻璃纤维无捻粗纱,聚酯树脂,加热,引发剂,促进剂,静态混合,切割喷枪,模具,喷射成型,辊压,固化,脱模,喷射成型工艺流程图,喷射成型对所用原材料有一定要求，例如树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和浸润纤维以及不带静电等。最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。,喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。,用喷射成型方法虽然可以制成复杂形状的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。,5.连续缠绕成型工艺,将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如下图所示：,缠绕工艺流程图,纱团,胶液配制,浸胶,烘干,络纱,胶纱纱绽,张力控制,纵、环向缠绕,芯模,纵、环向缠绕,张力控制,加热粘流,固化,脱模,打模喷漆,成品,湿法缠绕成型工艺,干法缠绕成型工艺,利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。,缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。为改善工艺性能和避免损伤纤维，可预先在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者直接使用预浸料。,纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。缠绕达到要求厚度后，根据所选用的树脂类型，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材料制品。,利用纤维缠绕工艺制造压力容器时，一般要求纤维具有较高的强度和模量，容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以及缠绕时不起毛、不断头等。,常用的芯模材料有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用水溶性高分材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。,连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点，,其次，用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。,连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。,连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。,6.拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；,其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。,一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。,卧式拉挤成型过程原理图,制品,切割,纤维,树脂槽,挤胶器,预成型,拉拢,热模,拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。,用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。,在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法。热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂，浸渍树脂后在成型模中冷却定型；,混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形状的织物；然后，利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后成为产品。,拉挤成型的优点生产效率高，易于实现自动化；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，制品性能稳定可靠；,不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。,拉挤制品的主要应用领域(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零部件等。,(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域。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、船舶甲板、电气火车轨道护板等。,(5)运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)能源开发领域。主要用于太阳能收集器、支架、风力发电机叶片和抽油杆等。(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件等。,目前，随着科学和技术的不断发展，正向着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。,7.注射成型工艺注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。,注射成型工艺原理注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。,注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。,在加工过程中，由于熔体混合物的流动会使纤维在树脂基体中的分布有一定的各向异性。如果制品形状比较复杂，则容易出现局部纤维分布不均匀或大量树脂富集区，影响材料的性能。,因此，注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，一般在30-40左右。,注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。,陶瓷基复合材料的制备方法与工艺,陶瓷基复合材料的制造分为两个步骤：第一步是将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基体材料中，排列整齐或混合均匀；第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下，制成复合材料制品。,纤维和基体的相容性因素：化学相容性、热性能相容性(主要是高温状态)、同环境的相容性(包括内部和外部，而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发)。,针对不同的增强材料，已经开发了多种加工技术。例如，对于以连续纤维增强的陶瓷基复合材料的加工通常采用下面三类方法：首先采用料浆浸渍工艺，然后再热压烧结；,将连续纤维编织制成预成型坯件，再进行化学气相沉积(CVD)，化学气相渗透(CVI)，直接氧化沉积(Lanxide)；利用浸渍-热解循环的有机聚合物裂解法制成陶瓷基复合材料。,对于颗粒弥散型陶瓷基复合材料，主要采用传统的烧结工艺，包括常压烧结、热压烧结或热等静压烧结。,此外，一些新开发的工艺如固相反应烧结、高聚物先驱体热解、CV、溶胶凝胶、直接氧化沉积等也可用于颗粒弥散型陶瓷基复合材料的制备。,晶须补强陶瓷基复合材料的制备方法：将晶须在液体介质中经机械或超声分散，再与陶瓷基体粉末均匀混合，制成一定形状的坯件，烘干后热压或热等静压烧结。,此外，原位生长工艺、CVD、CAI、固相反应烧结、直接氧化沉积等工艺也适合于制备晶须补强陶瓷基复合材料。,陶瓷基复合材料的加工制造方法,传统的制备技术(2)新的制备技术,(1)传统的制备技术,1)冷压和烧结法2)热压法,1)冷压和烧结法传统的陶瓷生产工艺，是将粉末和纤维冷压，然后烧结。,借鉴聚合物生产工艺中的挤压、吹塑、注射等成型工艺，为了快速生产的需要，可以在一定的条件下将陶瓷粉体和有机载体混合后，压制成型，除去有机黏结剂，然后烧结成制品。,在冷压和烧结法的生产过程中，通常会遇到烧结过程中制品收缩，同时最终产品中有许多裂纹的问题。,在用纤维和晶须增强陶瓷基材料进行烧结时，除了会遇到陶瓷基收缩的问题外，还会使烧结材料在烧结和冷却时产生缺陷或内应力。这主要是由增强材料的特性决定的。,例如增强材料的特性主要有：增强材料具有较高的长径比；增强材料和基体不同的热膨胀系数；增强材料在基体中排列方式的不同等。,2)热压法热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)最常用的方法，一般把它称为浆料浸渍工艺。主要用在纤维增强玻璃和纤维增强陶瓷复合材料中。,浆料浸渍工艺主要包括以下两个步骤：增强相渗入没有固化的基体中；固化的复合材料被热压成型。,下图显示了浆料浸渍工艺流程图：,纤维,浸渍浆料,纤维缠绕在辊筒上,纤维裁剪铺层,压力,纤维/玻璃陶瓷复合材料,热压，800925,脱黏结剂，500,热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线,此工艺流程图主要包括以下四个过程：纤维首先通过浆料池；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层状排列；固化并加热成型。,其中，浆料池中的浆料由陶瓷粉末、溶剂和有机黏结剂组成；另外，再加入一些润湿剂，有助于提高纤维在浆料中的浸润性。,下图显示了在热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合材料时，温度和压力随时间的变化曲线。,热压各向同性氧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,浆料浸渍工艺非常适合玻璃或玻璃陶瓷基复合材料，因为它的热压温度低于这些晶体基体材料的熔点。但热压过程中，除了要考虑制品的形状外，还要考虑的因素包括：,在整个操作过程中，纤维必须经仔细处理，避免损伤纤维表面。拉力影响浆料浸渍纤维的能力，太强的拉力会导致纤维破坏。,在加工过程中，要尽量减少纤维的破坏。因为结晶陶瓷的耐火颗粒在与纤维的机械接触中会损伤纤维，太高的压力也会损伤纤维，还要避免纤维在高温中与基体的反应。,浆料的组成是一个重要方面，包括粉体的含量、粉体粒子的大小、黏结剂的种类和含量、溶剂等，它们都对最终复合材料制品的性能有所影响。,为了减少最终制品的孔隙率，在热压之前，要设法完全除去挥发性黏结剂，使用比纤维直径更小的颗粒状陶瓷基体。,热压操作非常关键，通常是在一个非常窄的操作温度范围，缩短操作时间可以减少纤维的损坏。,浆料浸渍工艺可以制得纤维定向排列、低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。它可以用在C、Al2O3、SiC和Al2O3.SiO2纤维增强玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制造工艺中。这种工艺的主要缺点是要求基体有较高的熔点或软化点。,新的制备技术主要指在20世纪70年代开始发展起来的技术。它包括渗透，直接氧化，以化学反应为基础的CVD、CVI，溶胶-凝胶，聚合物热解，白蔓燃高温合成(SHS)等技术。,(2)新的制备技术,1)渗透法渗透法就是在预制的增强材料坯件中使基体材料以固态、液态或气态的形式渗透制成复合材料。其中，比较常用的是液相渗透。,渗透法类似于聚合物基复合材料制造技术中，纤维布被液相的树脂渗透后，热压固化。二者的差别就是所用的基体是陶瓷，渗透的温度要高得多。下图是液相渗透工艺示意图。,液相渗透工艺示意图,由于熔融的陶瓷具有较高的黏度，为了提高陶瓷对预制增强材料坯件的渗透，通过对增强材料的表面处理，来提高其浸渍性，这种提高渗透主要采用化学反应的方式。,另外，加压和抽真空这两种物理方法也可以被用来提高渗透性。以这种方法生产陶瓷基复合材料的主要优点是制造工艺是一个简单的一步生产过程，可以获得一个均匀的制品。,渗透法的主要缺点如果使用高熔点的陶瓷，就可能在陶瓷和增强材料之间发生化学反应；陶瓷具有比金属更高的熔融黏度，因此对增强材料的渗透相当困难；,增强材料和基体在冷却后，由于不同的热膨胀系数会引起收缩产生裂纹。因此，为了避免这种情况，要尽量选用热膨胀系数相近的增强材料和基体。,2)直接氧化法(Lanxide法)直接氧化法就是利用熔融金属直接与氧化剂发生氧化反应而制备陶瓷基复合材料的工艺方法。由于它是由Lanxide公司发明的，所以又称为Lanxide法。,直接氧化法的生产工艺将增强纤维或纤维预成型件置于熔融金属的下面，并处于空气或其他气氛中，熔融金属中含有镁、硅等一些添加剂。,在纤维不断被金属渗透的过程中，渗透到纤维中的金属与空气或其他气体在不断发生氧化反应，这种反应始终在液相金属和气相氧化剂的界面处进行，反应生成的氧化物沉积在纤维周围，形成含有少量金属、致密的陶瓷基复合材料。,Al+N2,以金属铝为例，在空气或氮气气氛中，主要发生下列反应：,2Al2O3,AlN,4Al+3O2,一般在这种陶瓷基复合材料制品中，未发生氧化反应的残余金属量约占 5 30。可以用来这种方法制造高温热能量交换器的管道等部件，具有较好的机械性能(强度、韧性等)。,直接氧化法工艺的缺点以这种方法生产的产品中，残余的金属很难完全被氧化或除去。这种方法难于用来生产一些较大的和比较复杂的部件，比如航天工业的一些部件。,原位化学反应技术已经被广泛用于制造整体陶瓷件，同样该技术也可以用于制造陶瓷基复合材料，已广泛应用的有CVD和CVI工艺。,3)原位化学反应法,CVD法CVD法就是利用化学气相沉积技术，通过一些反应性混合气体在高温状态下反应，分解出陶瓷材料并沉积在各种增强材料上形成陶瓷基复合材料的方法。,CVI法将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷材料渗透进增强材料预制坯件的工艺就称为化学气相渗透工艺。,从这两种工艺技术来说，CVD法首先被开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和C/C复合材料的制备；CVI方法在CVD技术上发展起来并被广泛应用于各种陶瓷基复合材料。,CVI工艺示意图,以A12O3陶瓷基复合材料为例，反应性混合气体(AlCl3H2/CO2)在较低的沉积温度(9501000)和压力(23kPa)下发生下列反应：,2AlCl3(g)+3H2(g)+3CO2(g)Al2O3(s)+3CO(g)+6HCl(g),固态的Al2O3沉积在纤维表面，最后形成陶瓷基复合材料。,H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g),与CVD工艺相比，CVI工艺实际上是一种低温和低压工艺，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。CVI制造的产品，其实际密度可以达到理论密度的9394。,CVI工艺生产CMC的主要优点：在高温下有很好的机械性能；可以生产一些较大的、形状复杂的产品；产品能较好地保持纤维和基体的抗弯性能。,CVI工艺的主要缺点就是生产工艺时间较长，生产成本较大。,4)溶胶-凝胶法和热解法溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法是运用胶体化学的方法，将含有金属化合物的溶液，与增强材料混合后反应形成溶胶，溶胶在一定的条件下转化成为凝胶，然后烧结成CMC的一种工艺。,由于从凝胶转变成陶瓷所需的反应温度要低于传统工艺中的熔融和烧结温度，因此，在制造一些整体的陶瓷构件时，溶胶-凝胶法有较大的优势。,热解法热解(Pyrolysis)法就是使聚合物先驱体热解形成陶瓷基复合材料的方法。,如由聚碳硅烷生产SiC陶瓷基复合材料中，聚合物一般在热解过程中有较高的陶瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时聚合物本身容易制备。聚合物热解法可用来生产SiCf/SiC和Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。,溶胶-凝胶法和热解法生产CMC的优点：、容易控制复合材料的组分，无论是溶胶还是聚合物先驱体都比较容易渗透到纤维中；、最后成型时的温度较低。,溶胶-凝胶法和热解法生产CMC的缺点：,、在烧结时会产生较大的收缩；、收率较低。,5)自蔓燃高温合成法自蔓燃高温合成(self-propagation high temperature synthesis)法就是利用高效的热反应使化学反应自发进行下去，最后生成所需要的产品。,自蔓燃高温合成技术一般用于制造系列耐火材料。该技术生产的产品中一般都有较多的孔隙。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。,自蔓燃高温合成技术中没有外加的热源，一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物通过急剧升温的高热反应被制造出来。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。,许多陶瓷产品如SiC/Al2O3 TiC/Al2O3 BN/Al2O3 TiB2/TiC等都可以用自蔓燃高温合成法制造；另外一些金属基的材料也可以用此法生产，因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自蔓燃高温合成法在不断研制新的产品和技术。,陶瓷基复合材料的制备工艺(1)纤维增强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于多种因素。,1、从基体方面看，与气孔的尺寸及数量、裂纹的大小以及一些其他缺陷有关；2、从纤维方面来看，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关；,从基体与纤维的结合情况看，则与界面的结合效果、纤维在基体中的取向以及基体与纤维的热膨胀系数差有关。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，制作方法也会不同。,制备工艺主要有以下几种：,1)泥浆烧铸法在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。,泥浆烧铸法比较古老，不受制品形状的限制，但对提高产品性能的效果不显著，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。,2)热压烧结法将长纤维切短（3mm），然后分散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。,3)浸渍法这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状；然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。,浸渍法的优点是纤维取向可自由调节；缺点是不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度较低。,纤维增强陶瓷基复合材料制作过程 碳纤维增强氧化镁以氧化镁为基体，碳纤维为增强体（体积含量为10%左右），在1200进行热压成型获得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁高出10倍以上。,但由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系数相差一个数量级，所以这种复合材料具有较多裂纹，实用价值不大。,石墨纤维增强Li2Al2O3nSiO2用石墨纤维作增强体，以氧化锂、氧化铝和石英组成的复盐为基体。把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在13751425热压5分钟，压力为7MPa。所得复合材料与基体材料相比耐力学冲击和耐热冲击。,碳纤维增强无定型二氧化硅基体为无定型二氧化硅，增强体为碳纤维，碳纤维的含量约50%左右。这种复合材料沿纤维方向的弯曲模量可达150GPa，而且在800时仍能保持在100GPa，在室温和800时的弯曲强度却达到了300MPa。,在冷水和1200之间进行热冲击实验，基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实验前完相同。,(2)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，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。,晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备工艺只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。,晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的工艺过程,把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为干法和湿法两种。新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、亚微米级粉末方法由于效率和可靠性等原因大多采用湿法。,1)配料,湿法主要以水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂。混合装置一般采用专用球磨机。为防止球磨过程中因磨球和内衬研磨下来的磨削作为杂质混入原料中，最妤采用与原料材质相同的陶瓷球和内衬。,2)成型 混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保持浆状供给成型工序；用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。,把上述干燥粉料充入型模内，加压后即可成型。通常有金属模成型法和橡皮模成型法。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，只能适于形状比较简单的制件。,橡皮模成型法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。另外还有注射成型法、注浆成型法以及挤压成型法等等，它们各有其特点，但也有其局限性。,3)烧结从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯烧结成致密制品的过程叫烧结。烧结窑炉的种类繁多，按其功能可分为间歇式和连续式。,4)精加工烧结后的许多制品还需进行精加工。精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削加工，后者则用磨料进行研磨加工。,金属基复合材料的制备方法及工艺,制备方法的分类,固态法：是指基体处于固态制备金属基复合材料的方法。将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一起，形成复合材料。,整个工艺过程处于较低的温度，金属基体与增强物均处于固体状态。由于温度较低，金属与增强物之间的界面反应不严重。粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、拉拔法等等均属于固态复合成型方法。,固态法举例,液态法：是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中。,为了改善液态金属基体与固体增强材料之间的润湿，以及控制高温下的界面反应，可以采用加压浸渗、增强材料表面涂覆处理、基体中添加合金元素等措施。采用加压浸渗：金属液在超过某一临界压力时，金属液能渗入微小的间隙，形成复合材料。通过纤维、颗粒表面涂层处理使金属液与增强物的自发浸润，如制备碳/铝复合材料时用的Ti-B涂层法。,液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、锭胚等作为二次加工成零件的原料。挤压铸造法、真空吸铸、真空压力浸渍法、搅拌复合法、共喷沉积法等均属于液态法。,液态法举例,自生成法（原位自生法）：在基体金属内部通过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相。一般是金属化合物TiC、TiB2、A12O3等微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。反应自生成法制备的复合材料中的增强物不是外加的，而是在高温下金属基体中不同元素反应生成的化合物，与金属有好的相容性。,其他制备方法，如：物理气相沉积法；化学气相沉积法；化学镀和电镀法；复合镀法等。,（1）固态法,1）粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的方法。早在1961年，Kopenal等人就利用粉末冶金法制备了碳纤维增强的铝基复合材料。但由于性能较差，这种方法已经不用来制备长纤维增强的复合材料，而主要用于颗粒或晶须增强的金属基复合材料。,粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法、加工成形法等。适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。,颗粒（晶须）,合金粉末,混合,热压,冷压-烧结,封装除氧,挤压,坯或零件,粉末冶金法的工艺流程,粉末冶金法的优缺点,粉末冶金复合法的工艺主要优点：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。,粉末冶金方法的主要缺点：材料的成本较高，制备大尺寸的零件和坯料有一定困难，而且粉末混合和防止氧化是工艺的关键，必须采取有效措施加以控制，以及微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。,烧结工艺,2）热压法,也可称为扩散粘结法，或扩散焊接法。是在较长时间的高温及不大的塑性变性作用下，依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。,热压工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制件，然后按照要求裁剪成形，再叠层，将叠层放入模具内，进行加热加压，最终得到复合材料或零件。,复合材料预制片的来源：等离子喷涂法制得的粗直径纤维/金属预制片；液态金属浸渍法制得直径细的一束多丝纤维-金属预制片；离子喷涂法制得的预制片；将纤维用易挥发的胶粘剂粘在金属箔上得到的预制片生片。,热压固结法(也称扩散粘结法),扩散粘结过程分为三个阶段：粘结表面的最初接触，由于加热、加压，使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜）破坏；随着时间的进行，发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘结；由于热扩散结合界面最终消失，粘结过程完成。,影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。,3）热等静压法,也是热压法的一种。采用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。工艺过程：将金属基体（粉或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按照一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后，放入金属包套（或玻璃包套）中，抽气密封后装入热等静压装置中，进行加热加压，复合成金属基复合材料。,三种热等静压工艺,先升压后升温：其特点是无需将工作压力开到最高压力，随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高，直至达到需要压力，适用于金属包套的工艺制备；先升温后升压：适用于玻璃包套制备复合材料；同时升温升压：适合于低压成形、装入量大、保温时间长的工件制备。,热等静压工艺优缺点,材质致密、尺寸精度高；但设备投资大，工艺周期长，成本高。,4）热轧法、热挤压法和热拉法,都是塑性成形热加工方法。热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷较少、性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向抗拉强度提高显著。,5）爆炸焊接法,是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。,6）叠层复合法,叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法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。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。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、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。,（2）液态法,1）液态金属搅拌铸造法原理：将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒均匀地分散在金属熔体中，并与之复合，然后浇铸成锭坯、铸件等。包括：漩涡法、Duralcon法、半固态复合铸造法缺点：颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，产生团聚；强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量的吸入空气。,改善缺点的方法,在金属熔体中添加合金元素改善浸润性；为了降低铝熔液的表面张力，改善与陶瓷颗粒的浸润性，在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可有效的减小熔体表面张力和增加与陶瓷颗粒的浸润性，有利于颗粒与铝熔体的复合。,颗粒表面处理；增强颗粒表面在使用前往往被各种有机物污染或吸附了水分，及有害于复合过程的混合、浸润的气体，为此在复合前必须对颗粒进行处理，去除有害吸附物以改善与金属液的浸润。比较简单有效的方法是将颗粒进行加热处理，在高温下使有害物质挥发去除，同时在表面形成极薄的氧化层。如SiC颗粒经高温氧化，在表面上形成一层SiO2层，在复合过程中与铝液反应改善了SiO2颗粒与铝熔体的浸润。也有在颗粒表面涂覆Ni、Cu等金属涂层以改善浸润性，但不经济。,复合过程的气氛控制；为了防止液体金属的氧化和吸气，对复合过程的气氛控制十分重要。液体金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和浸润，大量气体的吸入又会造成大量的气孔，使复合材料的质量大大下降。一般采用真空、惰性气体保护以及其他有效措施来防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化。,有效的机械搅拌在液态金属搅拌铸造法中有效的搅拌是使颗粒与金属液均匀混合和复合的关键措施之一。强烈的搅拌和液体金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效地改善金属与颗粒之间的浸润。在复合过程中可以通过高速旋转机械搅拌或超声波搅拌来完成有效的搅拌复合。,漩涡法,用高速旋转的搅拌器桨叶搅动熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为轴心的漩涡，将颗粒加到漩涡中，依靠漩涡的强烈负压抽吸作用，使颗粒进入金属熔体中，经过一定时间搅拌，颗粒逐渐均匀分布在金属熔体中，并与之复合。主要工序：金属融化-除气-精炼-搅拌复合-浇铸。,涡旋搅拌法工艺简单、成本低，主要用来制造含较粗颗粒(50100 m)的耐磨复合材料。,Duralcon法,将熔炼好的基体金属熔体注入可抽真空或通惰性气体保护、并能保温的搅拌炉中，加入颗粒增强物，搅拌器在真空或充氩气条件下进行高速搅拌。优点：由于在真空和氩气中搅拌，可以有效防止氧化和气体吸入。,半固态复合铸造法,半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。也是采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中，但其特点是搅拌不在完全液态的金属中进行，而在半固态的金属中进行。颗粒加入半固态金属中，通过这种熔体中固相的金属粒子将颗粒带入熔体中。,优点：可制颗粒细小、含量高的复合材料；也可用来制备晶须、短纤维材料；促进了颗粒与液态金属的润湿复合，材料均匀。缺点：基体选择受限，必须选择在某温度下能够析出大量初晶相的合金体系。,通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%0.6%仍具有一定的流变性。,液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。,加入的增强颗粒在半固态的金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进了与液态金属的浸润复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态熔体中，形成均匀分布的复合材料。在搅拌复合后，再加热升温到浇铸温度，将复合好的金属基复合材料熔体浇铸成锭或零件。这种方法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可用来制造晶须、短纤维增强金属基复合材料。,基体金属与强化颗粒的组合受限制，原因有二方面：强化颗粒与熔体基体金属之间容易产生化学反应，如4Al+3SiCAl4C3+3Si；强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差。另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。,2）液态金属浸渍法,指用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法。核心工艺：是将经过涂覆处理的连续长纤维通过熔体，得到复合丝或带。如碳纤维增强铝基、镁基复合材料。表面涂覆：一般采用化学气相沉积法（CVD）。缺点：工艺比较复杂；成本很高，应用受限。,液态金属浸渍法的原理是通过对碳(或石墨)纤维表面进行活化处理，经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝，以后再进行二次复合成零件。,3）共喷沉积法,液态金属基体通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下，雾化成细小的液态金属流，喷向衬底，同时将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起，并沉积在衬底上，凝固形成复合材料。,优点：适用面广：一般基体、增强材料都可采用；生产工艺简单、效率高；冷却速度快、成分均匀、防偏析、晶粒细小