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复合材料的制备复合材料的制备徐波，李长青，冯玉立1 复合材料概况2 几种重要的复合材料3 复合材料的制备工艺一 复合材料概论v 复合材料复合材料(composite material)是有机高是有机高分子、无机非金属或金属等几种不同材料，分子、无机非金属或金属等几种不同材料，通过复合工艺组合而成的新型材料通过复合工艺组合而成的新型材料或者说是由两种或两种以上化学性质或组织结构不是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料同的材料组合而成的多相固体材料 复合材料由两部分组成：复合材料由两部分组成：基体相基体相(连续相连续相)和和增强相增强相(分散相分散相) 基体相是连续相材料，把改善性基体相是连续相材料，把改善性能的增强相材料粘结在一起，起粘结能的增强相材料粘结在一起，起粘结剂的作用剂的作用 增强相大部分是高强物质，起增强相大部分是高强物质，起提高强度或韧性的作用提高强度或韧性的作用 v复合材料按增强复合材料按增强相形状可分为三类：相形状可分为三类： 1 纤维增强复合纤维增强复合材料材料 2 层合增强复合层合增强复合材料材料 3 颗粒增强复合颗粒增强复合材料材料v按基体相材料类型可分按基体相材料类型可分为三类：为三类： 1 树脂基复合材料树脂基复合材料 2 金属基复合材料金属基复合材料 3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)层叠复合层叠复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)细粒复合细粒复合 d)短切纤短切纤维复合维复合复合材料的技术性能复合材料的技术性能 1. 比强度和比模量高比强度和比模量高 比强度（比强度（抗拉强度抗拉强度与密度之比）和与密度之比）和比模量比模量(弹性模量弹性模量与密度之比与密度之比)高，说明高，说明材料轻而且刚性大。

材料轻而且刚性大 2. 良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能 疲劳疲劳是材料在循环应力作用下的性是材料在循环应力作用下的性质质复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展 3. 减振性能好减振性能好 在工作过程中在工作过程中振动振动问题十分突出，复问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用且自振动频率高，不有反射吸收作用且自振动频率高，不易产生共振易产生共振 4. 高温性能好高温性能好 复合材料在高温下强度和模量基本不复合材料在高温下强度和模量基本不变变二 重要的复合材料重要的复合材料2.1 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 (1) 玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料 以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成的复合材料的复合材料 玻璃纤维是由熔融玻璃纤维是由熔融 的玻璃经快速拉伸的玻璃经快速拉伸, 冷却所形成的纤维冷却所形成的纤维 增强工程塑料即增强工程塑料即 玻璃钢。

玻璃钢(2) 碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料v 碳纤维增强材料碳纤维增强材料与与树脂基体树脂基体组成的材料组成的材料称为碳纤维增强复合材料称为碳纤维增强复合材料 这类材料保持了这类材料保持了玻璃钢的许多优点，而且玻璃钢的许多优点，而且性能优于玻璃钢性能优于玻璃钢因此 可作宇宙飞行器的外层可作宇宙飞行器的外层 材料，人造卫星和火箭材料，人造卫星和火箭 的机架、壳体等的机架、壳体等(3) 硼纤维增强复合材料硼纤维增强复合材料 硼纤维是一种强度、刚度均比碳纤维高硼纤维是一种强度、刚度均比碳纤维高的纤维硼纤维增强复合材料是的纤维硼纤维增强复合材料是硼纤维增强硼纤维增强材料与材料与树脂基体树脂基体组成的复合材料组成的复合材料用作高温用作高温材料，但因为价格昂贵，应用受到限制主材料，但因为价格昂贵，应用受到限制主要用于航空工业要用于航空工业2 .2 层合增强复合材料层合增强复合材料(1) 双层金属复合材料双层金属复合材料 双层金属复合材料是将特性双层金属复合材料是将特性不同的两种不同的两种金属，用胶合或者熔合铸造、热压、焊接、金属，用胶合或者熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求以满足某种性能要求的材料。

的材料2) 夹层复合材料夹层复合材料 夹层复合材料是性质完全不同的夹层复合材料是性质完全不同的表面材表面材料料与与芯材芯材复合而成的一种材料复合而成的一种材料2.3 颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料匀分散在基体材料内所组成的材料 尼龙尼龙6/粘土纳米复合材料粘土纳米复合材料三 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 　　 2、金属基复合材料的成型工艺、金属基复合材料的成型工艺　　 3、陶瓷基复合材料的成型工艺、陶瓷基复合材料的成型工艺3.1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： 一是一是成型成型，即将，即将预浸料预浸料按产品的要按产品的要求，求，铺置成一定的形状铺置成一定的形状，一般就是产品，一般就是产品的形状的形状; ;　　　　 二是二是固化固化，即把已，即把已铺置成一定形状铺置成一定形状的的叠层预浸料叠层预浸料，在，在温度、时间和压力等温度、时间和压力等因素影响下因素影响下使使形状固定形状固定下来，并能达到下来，并能达到预期的性能要求。

预期的性能要求vv生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺 (1) 手糊手糊成型成型 　　　　(2)注射注射成型成型 (3)真空袋压法真空袋压法成型　　成型　　(4)挤出挤出成型成型 (5)压力袋压力袋成型　成型　 　　　　 (6)纤维缠绕纤维缠绕成型成型 (7)树脂注射树脂注射和和树脂传递树脂传递成型　成型　 (8)真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射成型成型 (9)连续板材连续板材成型　　成型　　 (10)拉挤拉挤成型成型 　　　　(11)离心浇铸离心浇铸成型成型 　　　　(12)层压或卷制层压或卷制成型成型 　　(13)夹层结构夹层结构成型　　成型　　(14)模压模压成型成型　　(15)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　　　(16)喷射喷射成型成型模具模具模具模具准备准备准备准备涂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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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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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复合材料的成型＿树脂基复合材料成型手糊成型层压成型热压罐成型喷射成型对模模压成型缠绕成型3.2金属基复合材料的成型工艺金属基复合材料的成型工艺 根据各种根据各种方法的基本特点方法的基本特点，，把把金属基复金属基复合材料的制备工艺合材料的制备工艺分为四大类：分为四大类：　　　　(1) 固态固态法；法；　　　　(2) 液态液态法；法；　　　　(3) 喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积法；法；　　　　(4) 原位复合原位复合法。

法（（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结合和和粉末治粉末治金金两种方法两种方法 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，通过表面表面原子的互相扩散原子的互相扩散而连接在一起而连接在一起 粉末冶金粉末冶金既可用于既可用于连续长纤维连续长纤维增强，又可增强，又可用于用于短纤维短纤维、、颗粒颗粒或或晶须晶须增强的增强的金属基复合金属基复合材料材料（（2）液态法）液态法　　　　液态法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（3）喷射与喷涂沉积法喷射与喷涂沉积法v首先，将首先，将基体金属基体金属在坩埚中熔化后，在坩埚中熔化后，在压力在压力作用下作用下通过喷咀送入通过喷咀送入雾化器雾化器，在，在高速惰性气高速惰性气体射流体射流的作用下，的作用下，液态金属被分散为细小的液态金属被分散为细小的液滴液滴，形成所谓，形成所谓“雾化锥雾化锥” ；然后，通过一；然后，通过一个或多个个或多个喷咀喷咀向向“雾化锥雾化锥”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滴金属雾化液滴一齐一齐在基板（收集器）在基板（收集器）上沉积上沉积，并快速凝固形成，并快速凝固形成颗粒增强金属基复颗粒增强金属基复合材料合材料，如下图所示。

如下图所示雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图(4) 原位复合原位复合法 　　　　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称作原位自生成法自生成法 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））3.3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）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(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（（2）新的制备技术）新的制备技术 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年代年代开开始发展起来的技术它包括始发展起来的技术它包括渗透渗透，，直接氧化直接氧化，，以化学反应为基础的以化学反应为基础的CVD、、CVI，，溶胶溶胶--凝凝胶胶，，聚合物热解聚合物热解，，白蔓燃高温合成白蔓燃高温合成(SHS)等技等技术。

术渗透法渗透法 渗透法就是渗透法就是在在预制的预制的增强材料坯件增强材料坯件中中使使基体基体基体基体材料材料材料材料以以固态、液态或气固态、液态或气态的形式态的形式渗透制成复合渗透制成复合材料其中，比较常用材料其中，比较常用的是的是液相渗透液相渗透液相渗透液相渗透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CVI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将大量陶瓷材料陶瓷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的工艺就称为工艺就称为化学气相渗透工艺化学气相渗透工艺 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如图；如图；如图；如图； 2AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(g) 2AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(g)  Al2O3(s) + 3CO(g) + 6HCl(g ) Al2O3(s) + 3CO(g) + 6HCl(g )，，，，固态的固态的Al2O3沉积在纤维表面，最后形成陶瓷基复合材料沉积在纤维表面，最后形成陶瓷基复合材料谢谢。