材料的特殊制备方法学习教案

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1、会计学1材料的特殊制备材料的特殊制备(zhbi)方法方法第一页，共51页。2Technology of Rapid Solidification在比常规工艺过程中快得多的冷却速度在比常规工艺过程中快得多的冷却速度(sd)下，金属或合金以极快的速度下，金属或合金以极快的速度(sd)从液态转变为固态的过程。从液态转变为固态的过程。第1页/共51页第二页，共51页。凝固凝固(nngg)与与结晶结晶铸件尺寸米、厘米铸件尺寸米、厘米液态金属凝固时间液态金属凝固时间:时、分时、分冷却冷却(lngqu)速度速度102 C /S尺寸尺寸(ch cun)毫米、微米毫米、微米液态金属凝固时间液态金属凝固时间:秒秒

2、冷却速度冷却速度104109 C /SRS第一节、快速凝固（第一节、快速凝固（RS）的技术特点）的技术特点大型砂型铸件大型砂型铸件/铸锭凝固冷速：铸锭凝固冷速：10-6 10-3 /S中等铸件中等铸件/铸锭冷速铸锭冷速:10-3100 /S薄壁铸件薄壁铸件/压铸件压铸件/普通雾化冷速普通雾化冷速:100102 /SNS第2页/共51页第三页，共51页。1960年美国加州理工学院年美国加州理工学院Duwez等人，一种特殊的熔体急冷技术，首等人，一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金次使液态合金107/S冷却凝固冷却凝固(nngg)发现：发现：原本共晶系的原本共晶系的Cu-Ag合金中出现了无限固溶

3、的连续固溶体合金中出现了无限固溶的连续固溶体Ag-Ge 合金系中出现了新的亚稳相；合金系中出现了新的亚稳相；共晶共晶Au-Si (XSi=25%)合金凝固合金凝固(nngg)为非晶态结构（金属玻璃）为非晶态结构（金属玻璃）4粗晶组织粗晶组织(zzh)偏析组织偏析组织(zzh)RS过程过程(guchng)得到得到均匀的均匀的金相组织金相组织时时/空条件空条件不具备不具备往往生成往往生成亚稳相亚稳相RS过程过程非平衡凝固过非平衡凝固过程程微晶微晶RS过程过程晶体合金晶体合金又称又称第3页/共51页第四页，共51页。1. 快速凝固能达到快速凝固能达到(d do)的冷却速度：的冷却速度： 快凝快凝10

4、4109 C/S 常规常规 102 C/S 2. 可以制备可以制备 非晶态合金材料非晶态合金材料超细合金（晶粒尺寸达超细合金（晶粒尺寸达 m nm 级级）3.制备出的材料优点（如非晶态材料）制备出的材料优点（如非晶态材料）4. 高强度、高硬度和刚度高强度、高硬度和刚度(n d)5. 好塑、韧性好塑、韧性6. 高耐蚀性高耐蚀性7. 高电阻率、高导磁率、低磁损高电阻率、高导磁率、低磁损 晶粒非常细小，晶粒非常细小，成分均匀，成分均匀，空位空位(kn wi)、位错密度大，形成位错密度大，形成新的亚稳相新的亚稳相因为因为5第4页/共51页第五页，共51页。4.实现实现(shxin)液态金属的快速凝固两

5、途径：液态金属的快速凝固两途径：5. （1）传统的急冷快速凝固过程；）传统的急冷快速凝固过程；6. （2）深过冷熔体的快速凝固。）深过冷熔体的快速凝固。7.两种不同的凝固机制：两种不同的凝固机制：8. （1）在急冷和深过冷条件下晶体大量形核并快速长大）在急冷和深过冷条件下晶体大量形核并快速长大， 而且一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出现而且一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出现 的亚稳相得以形成；的亚稳相得以形成；9. （2）当冷却足够快或过冷十分大时，通常情况下的晶）当冷却足够快或过冷十分大时，通常情况下的晶 体形核与长大受到抑制，从而形成非晶或准晶相。体形核与长大受到抑制，从而形成非晶或

6、准晶相。6第5页/共51页第六页，共51页。第二节、快速第二节、快速(kui s)凝固方法凝固方法气枪法气枪法旋铸法旋铸法表面表面(biomin)熔化与熔化与自淬火法。自淬火法。雾化法雾化法常用常用(chn yn)方法方法第6页/共51页第七页，共51页。81.1.气枪法气枪法(qingf) (gun (qingf) (gun technique)technique)将熔融的合金液滴在高压（将熔融的合金液滴在高压（50atm）惰气流的突发冲击）惰气流的突发冲击作用下，射向用高导热率材料作用下，射向用高导热率材料（常为纯铜）制成的急冷衬底（常为纯铜）制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬上，由

7、于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而可获得极高底紧密相贴，因而可获得极高的冷却速度（的冷却速度（107 C /S），这样得到，这样得到(d do)的是一块的是一块多孔的合金薄膜，其最薄厚度多孔的合金薄膜，其最薄厚度3050m/s）液态合金）液态合金的辊面上凝固成一条很薄的带子的辊面上凝固成一条很薄的带子（厚度可小至（厚度可小至1520 m），条），条带在凝固时与辊面紧密相贴，冷带在凝固时与辊面紧密相贴，冷速可达速可达106107 C/S 可获连续、致密可获连续、致密(zhm)的合金条的合金条带带 是制取非晶态合金条带普遍采用是制取非晶态合金条带普遍采用的一种方法。的一种方法。第8页/共51页第

8、九页，共51页。103.3.工件表面工件表面(biomin)(biomin)熔化与自淬火法熔化与自淬火法 (surface melting and self (surface melting and self quenching)quenching) 用激光或电子束扫描用激光或电子束扫描工件表面，使表面极工件表面，使表面极薄层的金属熔化，热薄层的金属熔化，热量由下面基底量由下面基底(j d)金金属迅速吸收，使表层属迅速吸收，使表层（10 m）在很高的）在很高的冷速下（冷速下（108 C /S）重新凝固。）重新凝固。 可在大尺寸工件表面可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，是获得快速凝固层，是一种具

9、有工业应用前一种具有工业应用前景的技术。景的技术。第9页/共51页第十页，共51页。114.4.雾化雾化(w hu)(w hu)法法 (atomization)(atomization)普通雾化法：普通雾化法：冷速冷速102103 C /S。为快。为快冷采取冷却介质强制对流，使冷采取冷却介质强制对流，使合金液在合金液在N2、Ar、He等气体等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒或的喷吹下，雾化凝固为细粒或使雾化后的合金在高速水流中使雾化后的合金在高速水流中凝固。凝固。另一种另一种(y zhn)雾化法：雾化法：将熔融的合金射向高速旋转（将熔融的合金射向高速旋转（表面线速度表面线速度100m/s）的铜制急

10、）的铜制急冷盘上，在离心力的作用下，冷盘上，在离心力的作用下，合金液雾化凝固成细粒向周围合金液雾化凝固成细粒向周围散开，通过安装在四周的气体散开，通过安装在四周的气体喷嘴喷吹惰性气体以加速冷却喷嘴喷吹惰性气体以加速冷却。该 法 制 得 合 金 颗 粒 尺 寸 一 般 为该 法 制 得 合 金 颗 粒 尺 寸 一 般 为10100 m，在理想条件，在理想条件(tiojin)下可达到下可达到106 C /S的冷速的冷速第10页/共51页第十一页，共51页。第三节、凝固第三节、凝固(nngg)理论的实际应用举例理论的实际应用举例细化铸态金属晶粒细化铸态金属晶粒Hall-Petch 公式公式(gngs

11、h)：21isKd s：材料的屈服：材料的屈服(qf)强强度度d: 晶粒直径晶粒直径i、K 是两个与材料有关的常数是两个与材料有关的常数d 降低，材料强度提高、塑韧性好。降低，材料强度提高、塑韧性好。第11页/共51页第十二页，共51页。13具体方法：具体方法：(1)增大过冷度增大过冷度抑制晶体生长速率抑制晶体生长速率(sl)，提高形核率更显著即：提高形核，提高形核率更显著即：提高形核率率/生长速率生长速率(sl)比值，从而晶粒细化。比值，从而晶粒细化。 细化结晶晶粒途径：细化结晶晶粒途径： (1)提高形核率提高形核率 (2)抑制晶体的长大抑制晶体的长大(chn d)速率。速率。(2)变质处理

12、变质处理 向金属液态向金属液态(yti)中加入一些细小的形核剂（孕育剂或变中加入一些细小的形核剂（孕育剂或变质剂），作为非均匀形核的基底，使晶核数大量增加，质剂），作为非均匀形核的基底，使晶核数大量增加，晶粒显著细化。晶粒显著细化。第12页/共51页第十三页，共51页。14（3 3）振动、搅拌（机械法、电磁法、超声波法）振动、搅拌（机械法、电磁法、超声波法）在浇铸和结晶过程中，可显著细化晶粒。在浇铸和结晶过程中，可显著细化晶粒。因为：因为： A. A.能向金属能向金属(jnsh)(jnsh)液体中输入额外能量，增大能量起伏，提液体中输入额外能量，增大能量起伏，提 供形核所需形核功。供形核所需形

13、核功。 B. B.可使枝晶碎断，增大晶粒数量。可使枝晶碎断，增大晶粒数量。如：如：Al或或Al合金合金(hjn)中加少量中加少量Ti、Zr； 钢中加钢中加Ti、Zr、V； 向金属或合金向金属或合金(hjn)液体中加入同种固体颗粒液体中加入同种固体颗粒可增加可增加(zngji)大量直接作为结晶核心的固相；大量直接作为结晶核心的固相；可提高冷却速度，增大过冷度。可提高冷却速度，增大过冷度。第13页/共51页第十四页，共51页。15Mechanical Alloying在冷态下，组成元素的金属粉末通过反复变形、冷焊、剥落并伴有扩散在冷态下，组成元素的金属粉末通过反复变形、冷焊、剥落并伴有扩散(kus

14、n)(kusn)，最终达到合金化的过程。是使人工加入的第二相高度均匀分散的先进粉末冶金工艺。，最终达到合金化的过程。是使人工加入的第二相高度均匀分散的先进粉末冶金工艺。第14页/共51页第十五页，共51页。第一节、第一节、MAMA的原理和机制的原理和机制两种以上的金属粉和中间合金，在高能球磨机中球磨一定时间后，便两种以上的金属粉和中间合金，在高能球磨机中球磨一定时间后，便可得到合金粉末。可得到合金粉末。1.1.冷焊：很早以前就发现，极平的、纯净的金属表面在冷态冷焊：很早以前就发现，极平的、纯净的金属表面在冷态 下加压可焊接在一起，此现象在焊接学上叫。下加压可焊接在一起，此现象在焊接学上叫。2.

15、MA2.MA过程的机制：过程的机制：塑性金属粉末在球的碾压、冲击下发生形变，并以十分纯净的表面彼塑性金属粉末在球的碾压、冲击下发生形变，并以十分纯净的表面彼此接近到原子作用力的距离，于是在球表面产生冷焊层。与此同时脆此接近到原子作用力的距离，于是在球表面产生冷焊层。与此同时脆性粉末被破碎，与反应产物质点一起被挤进冷焊层。一定厚度的冷焊性粉末被破碎，与反应产物质点一起被挤进冷焊层。一定厚度的冷焊层由于不断的加工硬化又从球表面脱落，接着被破碎、冷焊。如此反层由于不断的加工硬化又从球表面脱落，接着被破碎、冷焊。如此反复复(fnf)(fnf)并伴随扩散过程，最终达到合金化。并伴随扩散过程，最终达到合金

16、化。16第15页/共51页第十六页，共51页。第二节、机械第二节、机械(jxi)(jxi)合金化工艺要求和参数合金化工艺要求和参数1 1 、工艺要求、工艺要求（1 1）使氧化物达到最佳分布状态）使氧化物达到最佳分布状态（2 2）合金组元的基本合金化）合金组元的基本合金化（3 3）较高的出粉率）较高的出粉率2 2 、工艺参数、工艺参数（1 1）原料粉的性质）原料粉的性质原料原料(yunlio)冷焊性冷焊性塑性塑性(sxng)MA实现实现扩散激活能扩散激活能Q20Ts（ Q：激活能，：激活能，Ts：熔点）：熔点）D=Aoexp(-Q/RT) （D：扩散系数）：扩散系数） Q越小越易扩散，所以熔点高

17、而塑性低的金属冷焊性就差。越小越易扩散，所以熔点高而塑性低的金属冷焊性就差。17第16页/共51页第十七页，共51页。W 、 Mo 、 Cr 、 Fe 、 Ni 、 Cu的冷焊的冷焊(ln hn)性依次增强性依次增强。所以在所以在MA过程中使用的原料粉末中，必须有适当比例的塑性金过程中使用的原料粉末中，必须有适当比例的塑性金属粉，否则不能实现机械合金化。属粉，否则不能实现机械合金化。冷焊冷焊(ln hn)过于强烈并不可取，反而会产生严重的粘料现象过于强烈并不可取，反而会产生严重的粘料现象，一旦发生，一旦发生， MA过程也就终止。过程也就终止。（2）原料粉的粒度）原料粉的粒度尤其是脆性材料，不仅

18、会延长合金化时间，而且粉末粒度大于尤其是脆性材料，不仅会延长合金化时间，而且粉末粒度大于磨球咬合角时，将不能被破碎，就不能实现机械合金化。磨球咬合角时，将不能被破碎，就不能实现机械合金化。一般脆性粉的粒度控制在一般脆性粉的粒度控制在200目以下，对冷焊目以下，对冷焊(ln hn)性较差性较差的的W、Mo粉应控制在粉应控制在200300目之间。筛网目数是指筛网每平目之间。筛网目数是指筛网每平方英寸的孔数方英寸的孔数（3）高能球磨机中介质对冷焊）高能球磨机中介质对冷焊(ln hn)的作用的作用液体介质使塑性粉的冷焊液体介质使塑性粉的冷焊(ln hn)性丧失，因为液膜妨碍了原性丧失，因为液膜妨碍了原

19、子间的扩散。氧化性介质使不断露出的纯净表面氧化，严重的子间的扩散。氧化性介质使不断露出的纯净表面氧化，严重的阻止冷焊阻止冷焊(ln hn)。机械合金化应避免湿磨且常用氩气为介质。机械合金化应避免湿磨且常用氩气为介质。18第17页/共51页第十八页，共51页。（4）球料比和球磨时间）球料比和球磨时间 球料比和球磨时间的增加促进了合金化，前者更重要。球料比和球磨时间的增加促进了合金化，前者更重要。 球料比过大，冷焊会相当强烈，形成的永久性冷焊层很难球料比过大，冷焊会相当强烈，形成的永久性冷焊层很难 剥落。剥落。 所以要将合金化和出粉率适当地结合起来。所以要将合金化和出粉率适当地结合起来。 解决原则

20、：利用冷焊又要控制冷焊，特别是初期的冷焊。解决原则：利用冷焊又要控制冷焊，特别是初期的冷焊。（5）在不同高能球磨机上，工艺参数相同但冷焊程度）在不同高能球磨机上，工艺参数相同但冷焊程度(chngd)不同不同 球磨机转速高，温升大，导致冷焊严重；球磨机转速高，温升大，导致冷焊严重； 反之冷焊轻微不利于合金化。反之冷焊轻微不利于合金化。19第18页/共51页第十九页，共51页。第三节、机械合金化的重要设备第三节、机械合金化的重要设备1 、高能球磨机：又称搅拌球磨机。、高能球磨机：又称搅拌球磨机。 立、卧式立、卧式（1）带水冷套的圆柱形桶（或底椎形圆桶）带水冷套的圆柱形桶（或底椎形圆桶） 高度和直径

21、比约为高度和直径比约为2/1（2）搅拌棒（垂直搅拌棒带横臂，减速器，动密封，装料口）搅拌棒（垂直搅拌棒带横臂，减速器，动密封，装料口 和抽气口）。搅拌速度和抽气口）。搅拌速度80300r/min（3）磨球：粉料随球螺旋上升，在搅拌轴处下降，循环混合。）磨球：粉料随球螺旋上升，在搅拌轴处下降，循环混合。 桶、棒、球有冷焊层的保护，无需担心杂质污染，但用桶、棒、球有冷焊层的保护，无需担心杂质污染，但用于于 破碎时，必须考虑破碎时，必须考虑(kol)污染问题。污染问题。2 、破碎破碎(p su)效率效率球的位能球的位能(winng)单位时间内碰撞次数单位时间内碰撞次数20第19页/共51页第二十页，

22、共51页。第20页/共51页第二十一页，共51页。N=42.4/D1/2N：临界转速：临界转速(zhun s)D：滚筒直径：滚筒直径（1）使用大直径（）使用大直径（10100mm）磨球则急剧的减少碰撞）磨球则急剧的减少碰撞 点，因此破碎效率是有限的。点，因此破碎效率是有限的。 （2）而高能球磨机的破碎则依赖球的动能和挤压力，几）而高能球磨机的破碎则依赖球的动能和挤压力，几 乎没有临界乎没有临界(ln ji)转速的限制。转速的限制。（3）可采用小直径（）可采用小直径（610mm）磨球，碰撞点多，远远）磨球，碰撞点多，远远 超过普通球磨。超过普通球磨。22第21页/共51页第二十二页，共51页。P

23、reparation of composites23第22页/共51页第二十三页，共51页。1 、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同、基本概念：是由两种或两种以上的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。的物质组合而成的一种多相固体材料。2 、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能(xngnng)却不却不 是组分材料性能是组分材料性能(xngnng)的简单加和，而有重大的简单加和，而有重大改进。改进。3 、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为。、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为。 增强材料：以独立的

24、形态分布在整个连续相中的分散相。增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。 如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料 两相间存在相界面。两相间存在相界面。24第一节、复合材料的几个第一节、复合材料的几个(j )概念概念第23页/共51页第二十四页，共51页。1 、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同、基本概念：是由两种或两种以上的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。的物质组合而成的一种多相固体材料。2 、特点：其各组分材料虽然保持、特点：其各组分材料虽然保持(boch)相对独立，但其性能却不相对独立，但其性能却不 是组分材料性能的简

25、单加和，而有重大改进。是组分材料性能的简单加和，而有重大改进。3 、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为。、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为。 增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相。 如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料 两相间存在相界面。两相间存在相界面。25第一节、复合材料的几个第一节、复合材料的几个(j )概念概念第24页/共51页第二十五页，共51页。1 、命名、命名（1） 增强材料名称增强材料名称(mngchng)+基体材料名称基体材料名称(mngchng)+“复复合材料合材料”

26、 如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料 “玻璃纤维环氧树脂复合材料玻璃纤维环氧树脂复合材料” 简：增材简：增材/基材基材+“复合材料复合材料” 如：如：“玻璃玻璃/环氧复合材料环氧复合材料”第二节、复合材料第二节、复合材料(f h ci lio)的命名和分类的命名和分类（2）有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同）有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同 如：如：“玻璃纤维玻璃纤维(b lixinwi)复合材料复合材料”，“环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料” 碳纤维和金属基体构成的复合材料叫碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料金属基

27、复合材料” 或或“碳碳/金属复合材料金属复合材料” 碳纤维和碳构成的复合材料叫碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳碳/碳复合材料碳复合材料”第25页/共51页第二十六页，共51页。2、常见分类方法、常见分类方法 （1）按增强材料的形态分类：）按增强材料的形态分类： 连续纤维复合材料连续纤维复合材料 短纤维复合材料短纤维复合材料 粒状填料复合材料粒状填料复合材料 编织复合材料编织复合材料（2）按增强纤维种类）按增强纤维种类(zhngli)分：分： 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 有机纤维复合材料（如芳香族聚脂胺纤维）有机纤维复合材料（如芳香族聚脂胺纤维） 金属纤维（如钨

28、丝、不锈钢丝等）金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等） 陶瓷纤维（如陶瓷纤维（如Al2O3纤维、纤维、SiC纤维、纤维、 B纤维等）纤维等） 两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为 混杂复合材料。混杂复合材料。27第26页/共51页第二十七页，共51页。（3）按基体材料）按基体材料(cilio)分类：金属基复合材料分类：金属基复合材料(cilio) 无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料(cilio) 聚合物基复合材料聚合物基复合材料(cilio) （4）按材料）按材料(cilio)作用分类：结构复合材料作用分类：结构复合材料(cilio)

29、功能复合材料功能复合材料(cilio) 智能复合材料智能复合材料(cilio)（5）同质复合材料）同质复合材料(cilio)：增强材料：增强材料(cilio)和基体材料和基体材料(cilio)属于同种属于同种物质的复物质的复 合材料合材料(cilio)，如，如C/C复合材料复合材料(cilio)。 异质复合材料异质复合材料(cilio)：前述的多属此类。：前述的多属此类。 28第27页/共51页第二十八页，共51页。第三节、复合材料第三节、复合材料(f h ci lio)的性能的性能29复合材料是多相材料的复合，其共同特点：复合材料是多相材料的复合，其共同特点：（1）可综合发挥各种组合材料的优

30、点，使一种材料具多种性能）可综合发挥各种组合材料的优点，使一种材料具多种性能。 如：玻璃增强环氧树脂基复合材料，有类似钢材的强度如：玻璃增强环氧树脂基复合材料，有类似钢材的强度(qingd) 和塑料的介电性和耐腐蚀性。和塑料的介电性和耐腐蚀性。（2）可按性能的需要进行材料的设计和制造）可按性能的需要进行材料的设计和制造（3）可制备所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。）可制备所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。 如：可避免金属产品的铸造、切削、磨光等工序。如：可避免金属产品的铸造、切削、磨光等工序。第28页/共51页第二十九页，共51页。1 、聚合物基复合材料（、聚合物基复合材料（P

31、MC）的主要）的主要(zhyo)性能性能（1）比强度大，比模量大）比强度大，比模量大 （2）耐疲劳性能好。）耐疲劳性能好。30（3）减震性好。材料振动阻尼）减震性好。材料振动阻尼(zn)很高。很高。 （4）过载时安全性好。）过载时安全性好。 少数纤维断，载荷重新分配，构件在短期内不至于失去承载能力。少数纤维断，载荷重新分配，构件在短期内不至于失去承载能力。（5）具有多种功能性：）具有多种功能性： a.可制成具有较高比热、熔融热和汽化热的材料，以吸收高温烧可制成具有较高比热、熔融热和汽化热的材料，以吸收高温烧蚀蚀 时的大量热能；时的大量热能； b.有良好的摩擦性能；有良好的摩擦性能； c.高度的

32、电绝缘性能；高度的电绝缘性能； d.耐蚀性能；耐蚀性能； e.特殊的光、电、磁学性能。特殊的光、电、磁学性能。（6）有很好的加工工艺性）有很好的加工工艺性 金属材料金属材料疲疲劳劳(plo)突发突发聚合物基复材聚合物基复材疲疲劳劳界面能阻止裂纹扩展界面能阻止裂纹扩展第29页/共51页第三十页，共51页。2 、金属基复合材料的主要、金属基复合材料的主要(zhyo)性能性能（1）高比强度、比模量）高比强度、比模量 因：基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、因：基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等构件重量轻、刚性好、强度高（晶须、颗粒等构件重量轻、刚性好、强度高（B

33、纤维、纤维、C纤维纤维、SiC纤维等）。纤维等）。（2）导热导电性能）导热导电性能 金属基占高体积分数，仍保持金属的特性。金属基占高体积分数，仍保持金属的特性。31高集成度电子器件高集成度电子器件(din z q jin)散热散热（3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好）热膨胀系数小，尺寸稳定性好 调节增强物含量，获得不同的热膨胀系数。调节增强物含量，获得不同的热膨胀系数。如：石墨纤维如：石墨纤维/镁基，当纤维含镁基，当纤维含40%时，热膨胀系数为零。零时，热膨胀系数为零。零件不变形，对人造卫星件不变形，对人造卫星(rnzowixng)构件特别重要。构件特别重要。超高超高模量模量石墨纤维石墨纤维金刚石

34、纤维金刚石纤维金刚石颗粒金刚石颗粒铝基或铜基铝基或铜基 导热率比铝、铜还高导热率比铝、铜还高制成集成电路底板和封装件制成集成电路底板和封装件第30页/共51页第三十一页，共51页。（4）良好的高温性能）良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。（5）耐磨性能好）耐磨性能好陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的复合材料具有很好的耐磨性。陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的复合材料具有很好的耐磨性。（6）良好的疲劳性能和断裂韧性）良好的疲劳性能和断裂韧性取决于增强

35、物与金属基体的界面结合状态。有效传递载荷，阻取决于增强物与金属基体的界面结合状态。有效传递载荷，阻裂扩，裂扩，KIC（7）不吸潮、不老化，气密性好）不吸潮、不老化，气密性好金属性质稳定，组织致密金属性质稳定，组织致密(zhm)，不老化、不分解、不吸潮等，不老化、不分解、不吸潮等。聚合物基，分解低分子，污染仪器及环境聚合物基，分解低分子，污染仪器及环境32第31页/共51页第三十二页，共51页。3 、陶瓷基复合材料的主要性能、陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下陶瓷材料优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下 抗磨损性好，耐化学腐蚀，热膨胀系数小，抗磨

36、损性好，耐化学腐蚀，热膨胀系数小， 相对密度较小。相对密度较小。 陶瓷材料缺点：抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为陶瓷材料缺点：抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为(zuwi) 结构材料的使用。结构材料的使用。 用高强度、高模量的纤维和晶须增强后，其强、韧性大大提高；用高强度、高模量的纤维和晶须增强后，其强、韧性大大提高；欧洲动力公司欧洲动力公司(n s)航天飞机航天飞机C纤维增强纤维增强SiC基体基体(1700); SiC纤维增强纤维增强SiC基体基体(1200) (1) 保持保持20时的抗拉强度；时的抗拉强度；(2) 抗压性能较好；抗压性能较好；(3) 较高的层间剪切强度；较高的层间

37、剪切强度；(4) 断裂伸长率较一般陶瓷高；断裂伸长率较一般陶瓷高；(5) 耐辐射效率高；耐辐射效率高；(6) 可有效地降低可有效地降低(jingd)表面温度；表面温度；(7) 有极好的抗氧化、抗开裂性能。有极好的抗氧化、抗开裂性能。陶瓷基复材发展慢的原因陶瓷基复材发展慢的原因 (1)制备工艺复杂；制备工艺复杂； (2)缺少耐高温的纤维。缺少耐高温的纤维。第32页/共51页第三十三页，共51页。第四节、各种复合材料的制备方法第四节、各种复合材料的制备方法一、树脂基复合材料的制备方法一、树脂基复合材料的制备方法1. 手糊工艺手糊工艺（1）基体：）基体：a.能在室温下凝胶、能在室温下凝胶、 固化，且

38、固化过程中无低分子物产生；固化，且固化过程中无低分子物产生； b.能配置成粘度适当的胶液；能配置成粘度适当的胶液； c.无毒或低毒且价廉；无毒或低毒且价廉；（2）增强材料：采用玻璃纤维及其织物（布毡）增强材料：采用玻璃纤维及其织物（布毡/热处理热处理(chl)、化学处、化学处理理(chl)/浸润）浸润）（3）脱模剂：薄膜型：如聚脂薄膜，玻璃纸等。）脱模剂：薄膜型：如聚脂薄膜，玻璃纸等。 混合溶液型：如聚乙烯醇溶液混合溶液型：如聚乙烯醇溶液 蜡型：如多用脱模蜡（美）使用方便，省工省时。蜡型：如多用脱模蜡（美）使用方便，省工省时。模具模具(mj)准准备备涂脱模涂脱模剂剂树脂树脂(shzh)胶液配制

39、胶液配制手糊成型手糊成型固化固化脱模脱模后处理后处理检检验验制品制品增强材料铺在模中增强材料铺在模中浇、刷或喷法加树脂使增强材料浸渍浇、刷或喷法加树脂使增强材料浸渍橡皮辊或涂刷赶出空气橡皮辊或涂刷赶出空气反复反复 厚度厚度 第33页/共51页第三十四页，共51页。2 、模压成型工艺、模压成型工艺对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料(f h ci lio)成型方法。成型方法。35料的称料的称量量(chn lin)模具模具(mj)预热预热脱模剂涂刷脱模剂涂刷料预热和料预热和预成型预成型装装模模压压制制脱脱模模打底及打底及辅助加工辅助加工检验检验成

40、品成品后处后处理理压制前准备压制前准备压制压制混合物入模腔混合物入模腔闭模加入熔化闭模加入熔化压力充满模腔压力充满模腔第34页/共51页第三十五页，共51页。3 、连续缠绕成型工艺、连续缠绕成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布袋，按照将浸过树脂胶液的连续纤维或布袋，按照(nzho)一定规律缠绕在回转一定规律缠绕在回转芯模上，然后在室温常压下固化脱模成为增强塑料制品。芯模上，然后在室温常压下固化脱模成为增强塑料制品。承受一定内压的中空型容器承受一定内压的中空型容器(rngq)固体火箭发动机壳体固体火箭发动机壳体导弹放热层和发射筒导弹放热层和发射筒压力容器压力容器(rngq)、大型贮罐、大型贮罐近

41、年发展的异型缠绕技术近年发展的异型缠绕技术复杂截面形状的回转复杂截面形状的回转(huzhun)体体断面为矩形等不规则形容器断面为矩形等不规则形容器干法缠绕干法缠绕/湿法缠绕湿法缠绕芯模：石膏芯模：石膏/钢钢/铝铝/低熔点金属低熔点金属/低熔点盐低熔点盐/木材木材/水泥水泥/石蜡石蜡/聚乙烯醇聚乙烯醇/塑料等塑料等第35页/共51页第三十六页，共51页。二、金属基复合材料二、金属基复合材料(f h ci lio)(MMC)制备方法制备方法37 液态法：常用液态法：常用(chn yn)4种方法种方法 固态法：主要扩散法和粉末冶金法固态法：主要扩散法和粉末冶金法2种。种。 喷涂沉积法：喷雾共沉积法喷

42、涂沉积法：喷雾共沉积法金属基：铝、钛、镁、铜、钢等，金属基：铝、钛、镁、铜、钢等，增强材料：陶瓷增强材料：陶瓷(toc)、碳、硼、金属化合物等、碳、硼、金属化合物等关键：基体金属关键：基体金属/增强材料间良好浸润和合适的界面结合。增强材料间良好浸润和合适的界面结合。第36页/共51页第三十七页，共51页。（一）液态法（常用（一）液态法（常用4种）种）金属浸润法（金属浸润法（Molten Metal Infiltration)使基体金属呈熔融状态，与增强材料浸润结合，然后凝固成型使基体金属呈熔融状态，与增强材料浸润结合，然后凝固成型(chngxng)。 1、常压铸造法（、常压铸造法（conven

43、tional casting）纤维纤维(xinwi)整体或局部整体或局部(jb)形状的零件预制坯形状的零件预制坯浇注模浇注模预预热热预处理预处理液体金属液体金属浇入浇入金属液渗入纤维金属液渗入纤维预制坯并凝固预制坯并凝固靠重力靠重力38第37页/共51页第三十八页，共51页。搅拌直到搅拌直到(zhdo)在在熔体中均布熔体中均布2、液态金属搅拌法（、液态金属搅拌法（Molten Metal Stirring）主要主要(zhyo)用于陶瓷颗粒增强金属复合材料的制造。用于陶瓷颗粒增强金属复合材料的制造。（坩埚（坩埚(gngu)）基体基体金属金属旋叶片旋叶片逐渐加入弥逐渐加入弥散增强材料散增强材料复复

44、合合熔熔体体脱脱气气铸铸入入模模中中1）可采用壳模精密铸造直接生产零件。）可采用壳模精密铸造直接生产零件。2）也可先铸成铸坯，二次加工成型（生产板、管和各）也可先铸成铸坯，二次加工成型（生产板、管和各 种型材。种型材。对颗粒预处理，改善金属对它的浸润性和颗粒在熔体中分布状态。对颗粒预处理，改善金属对它的浸润性和颗粒在熔体中分布状态。界面状态好界面状态好39第38页/共51页第三十九页，共51页。3、真空加压铸造法（、真空加压铸造法（Vacuum Pressure Casting)真空环境可防止纤维和基体金属加热氧化，有利于纤维表面净化，真空环境可防止纤维和基体金属加热氧化，有利于纤维表面净化，

45、改善其浸润性，减少复合材料改善其浸润性，减少复合材料(cilio)和制品中的缺陷。和制品中的缺陷。4、挤压铸造、挤压铸造 (Squeeze Casting)该法建立在金属液态模锻基础上。该法建立在金属液态模锻基础上。1）增强材料）增强材料(cilio)预制坯制造过程预制坯制造过程2）挤压铸造过程）挤压铸造过程40压头压头(y tu)加热器加热器顶杆顶杆预制预制(y zh)坯坯液压机液压机复合复合材料材料金属液金属液加压使金属渗透加压使金属渗透预制坯预制坯高压下凝固高压下凝固第39页/共51页第四十页，共51页。（二）固态法（扩散法和粉末冶金法）（二）固态法（扩散法和粉末冶金法）扩散粘结法（扩散

46、粘结法（Diffusion Bonding）金属金属(jnsh)基体为固态，与增强材料的复合是在不大的塑性变基体为固态，与增强材料的复合是在不大的塑性变形情况下，靠较长时间、较高温度和压力，使组成材料之间接形情况下，靠较长时间、较高温度和压力，使组成材料之间接触界面原子间相互扩散粘结而成。触界面原子间相互扩散粘结而成。等离子喷涂法等离子喷涂法液态液态(yti)金属浸渍法金属浸渍法化学涂复法化学涂复法把纤维把纤维(xinwi)制成预制品制成预制品浸渍复合丝浸渍复合丝复合箔复合箔无纬带无纬带仔细处理清洗仔细处理清洗按一定形状剪裁按一定形状剪裁按一定比例按一定比例和排列方式和排列方式叠层封装叠层封装

47、 加热压制（模中）加热压制（模中）（真空、大气）（真空、大气）为使金属基体能完全充满纤维间所有间隙为使金属基体能完全充满纤维间所有间隙，适当提高温度，使金属有一定的塑性流，适当提高温度，使金属有一定的塑性流变。变。41第40页/共51页第四十一页，共51页。压制压制(yzh)方方法法热压法热压法（Hot Pressing)(Hot Isostatic Pressing)热轧热轧(r zh)法法 (Hot Rolling) 热等静压法热等静压法42第41页/共51页第四十二页，共51页。1）热压法热压法滚筒滚筒(gntng)缠绕法缠绕法把连续纤维预制把连续纤维预制(y zh)成带或复合丝成带或复

48、合丝按一定按一定(ydng)长度裁下长度裁下交替叠层铺在金属箔上交替叠层铺在金属箔上（层间垫入的金属箔的数量取决（层间垫入的金属箔的数量取决于材料中纤维体积含量的要求）于材料中纤维体积含量的要求）放入金属模中放入金属模中或封入真空不锈钢或封入真空不锈钢套内加热、套内加热、加压、保持加压、保持取出，冷却去封套取出，冷却去封套43第42页/共51页第四十三页，共51页。2）热等静压法）热等静压法 用于制造形状较为用于制造形状较为(jio wi)复杂的零件，但复杂的零件，但设备费用非设备费用非 常昂贵。常昂贵。以连续纤维增强铝管材为例。以连续纤维增强铝管材为例。纤维纤维(xinwi)预制带预制带或复

49、合丝或复合丝铺设并卷绕在铺设并卷绕在受热易变形的薄壁钢管受热易变形的薄壁钢管(gnggun)上上达需要的厚度达需要的厚度套入厚壁套入厚壁钢管中钢管中两端焊合抽真空后密封两端焊合抽真空后密封置于高压容器内置于高压容器内注入注入高压高压惰性惰性气体气体并加热并加热借助气体受热膨胀，均匀地对受压件施加很高的压力。借助气体受热膨胀，均匀地对受压件施加很高的压力。44第43页/共51页第四十四页，共51页。3）热轧）热轧(r zh)法法预处理的预处理的纤维纤维(xinwi)、复合丝或晶须、复合丝或晶须与铝箔交替排成坯料与铝箔交替排成坯料用不锈钢薄板用不锈钢薄板(bo bn)包裹包裹夹在两层不锈钢薄板间夹

50、在两层不锈钢薄板间或或或或加热或多次加热或多次反复轧制反复轧制制成制成板材板材或带材或带材若采用热辊轧制若采用热辊轧制（即对轧辊进行（即对轧辊进行加热）可提高加热）可提高轧制效果轧制效果45第44页/共51页第四十五页，共51页。粉末冶金法（粉末冶金法（Powder Metallurgy)是传统的粉末冶金工艺是传统的粉末冶金工艺(gngy)应用于制作复合材应用于制作复合材料。料。金属粉末金属粉末+陶瓷陶瓷(toc)颗粒（或晶须，或短纤维）颗粒（或晶须，或短纤维）均匀均匀(jnyn)混合混合入模，入模，高温高压成型高温高压成型易于氧化的金属易于氧化的金属在真空、惰气中在真空、惰气中直接制成构件和

51、型材直接制成构件和型材优点：优点：1）致密度高）致密度高2）增强材料）增强材料 分布均匀分布均匀3）增强材料的）增强材料的 含量可在较含量可在较 大范围内变大范围内变 动（动（15 40%体积百体积百 分数）。分数）。46第45页/共51页第四十六页，共51页。（三）喷雾共淀积法（三）喷雾共淀积法（Spray Co-deposition）将增强的纤维缠绕在已经包覆一层基体将增强的纤维缠绕在已经包覆一层基体(j t)金属并可以转金属并可以转动的滚筒上；动的滚筒上；基体基体(j t)金属粉末、线、丝通过电弧喷涂枪或等离子喷涂金属粉末、线、丝通过电弧喷涂枪或等离子喷涂枪加热形成液滴；枪加热形成液滴；

52、基体基体(j t)金属熔滴直接喷涂在沉积滚筒上与纤维相结合并金属熔滴直接喷涂在沉积滚筒上与纤维相结合并快速凝固。快速凝固。优点：优点：1）制得材料）制得材料(cilio)致密度可达致密度可达95%98%。 2）陶瓷颗粒分布均匀，生产率高。）陶瓷颗粒分布均匀，生产率高。用途：可直接用途：可直接(zhji)生产不同规格的空心管、板、锻坯可挤压锭等。生产不同规格的空心管、板、锻坯可挤压锭等。47 用于生产陶瓷颗粒增强金属基复合材料的一种新工艺。用于生产陶瓷颗粒增强金属基复合材料的一种新工艺。 可以根据材料性能的要求，在较大范围内调节增强材料的可以根据材料性能的要求，在较大范围内调节增强材料的 加入量

53、。加入量。第46页/共51页第四十七页，共51页。三、陶瓷基复合材料（三、陶瓷基复合材料（CMC）的制备方法）的制备方法1 、气、气-液反应工艺：将熔融液反应工艺：将熔融(rngrng)金属直接氧化。金属直接氧化。反应产物最初在金属与气相界面形成，随后通过氧化层通道反应产物最初在金属与气相界面形成，随后通过氧化层通道不断提供金属和连续氧化，最终材料形成为相互贯穿的三维不断提供金属和连续氧化，最终材料形成为相互贯穿的三维网络，其中包含一部分残余金属（含量网络，其中包含一部分残余金属（含量5%30%）。补强）。补强材料可以采用晶须、纤维以及异相颗粒。材料可以采用晶须、纤维以及异相颗粒。缺点：残余金

54、属缺点：残余金属(jnsh)存在，使高温强度显著下降。存在，使高温强度显著下降。2、化学蒸气、化学蒸气(zhn q)浸渍（浸渍（Chemical Vapor Infiltration,CVI）分为：等温分为：等温CVI；强化；强化CVI；脉冲；脉冲CVI法。法。缺点：工艺过程长，壁厚大于缺点：工艺过程长，壁厚大于3mm后密度不均匀。后密度不均匀。优点：断裂韧性高优点：断裂韧性高优点：常温性能优越，成本较低，工艺简单。优点：常温性能优越，成本较低，工艺简单。48第47页/共51页第四十八页，共51页。3、纳米复合技术、纳米复合技术 虽然用虽然用CVD方法容易获得方法容易获得(hud)微细异相颗粒

55、作为第二微细异相颗粒作为第二相的纳米复合材料，但用此工艺制造复杂形状或大尺寸构件均相的纳米复合材料，但用此工艺制造复杂形状或大尺寸构件均有困难。有困难。日本用常压烧结与热等静压或仅用常压烧结，可制得纳米复合日本用常压烧结与热等静压或仅用常压烧结，可制得纳米复合材料。其性能大为改善。材料。其性能大为改善。复合体系复合体系断裂强度断裂强度(MPa)断裂韧性断裂韧性(MPa.m1/2)最高使用温最高使用温度度()Al2O3/SiC(p)350 1540 3.5 4.8 800 1100Al2O3/Si3N4(p)350 850 3.5 4.7 800 1200MgO/SiC(p)340 700 1.2 4.5 800 1400莫来石莫来石/SiC(p)200 530 1.5 4.0 1000 1200Si3N4/SiC(p)850 1550 4.5 7.51200 1400 49第48页/共51页第四十九页，共51页。第49页/共51页第五十页，共51页。第50页/共51页第五十一页，共51页。