,第四章復合材料的制備四川大學材料科學與工程學院周大利,.,2,復合材料(Composite),復合材料是由兩種或多種性質不同的材料通過物理和化學復合，組成具有兩個或兩個以上相態結構的材料。該類材料不僅性能優于組成中的任意一個單獨的材料，而且還可具有組分單獨不具有的獨特性能。,.,3,復合材料的組成,基體Matrix,增強體Reinforcement,界面Interface,.,4,復合材料分類,1.復合材料按用途分為：結構復合材料：通過復合，顯著改善材料的機械性能，主要用于結構零件。功能復合材料：通過復合，顯著改善材料的其他性能，形成多功能材料。,2.按基體類型分為樹脂基復合材料RMC（如玻璃鋼，ResinMatrixComposite）,也稱纖維增強塑料（FiberReinforcedPlastics）；橡膠基復合材料（如輪胎）,.,5,金屬基復合材料MMC（如纖維增強金屬，MetalMatrixComposite）陶瓷基復合材料CMC（如鋼筋混凝土、纖維增強陶瓷，CeramicMatrixComposite）,.,6,按增強材料分類：纖維增強復合材料（連續纖維增強復合材料、短纖維或晶須增強纖維）：纖維增強橡膠（輪胎）、纖維增強塑料（玻璃鋼、碳纖維增強塑料）、纖維增強陶瓷、纖維增強金屬（碳纖維/鋁錫合金）等。顆粒增強復合材料：陶瓷顆粒-金屬基（硬質合金），金屬顆粒-塑料基等。,.,7,疊層復合材料：如雙金屬板，夾層玻璃，多層板等。夾層結構復合材料：如多孔性鐵基和青銅基自潤滑襯套。,.,8,復合材料特點,(l)可綜合發揮各種組成材料的優點，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。例如，玻璃纖維增強環氧基復合材料，既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。(2)可按對材料性能的需要進行材料的設計和制造，例如，針對方向性材料強度的設計，針對某種介質耐腐蝕性能的設計等。(3)可制成所需的任意形狀的產品，可避免多次加工工序，例如，可避免金屬產品的鑄模、切削、磨光等工序。,.,9,金屬基復合材料的主要性能,(1)高比強度、比模量(2)導熱、導電性能(3)熱膨脹系數小、尺寸穩定性好(4)良好的高溫性能(5)耐磨性好(6)良好的疲勞性能和斷裂韌性(7)不吸潮、不老化、氣密性好,.,10,陶瓷基復合材料的主要性能,陶瓷材料強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性好、耐化學腐蝕性優良，熱膨脹系數和相對密度較小，這些優異的性能是一般常用金屬材料、高分子材料及其復合材料所不具備的優異性能，但陶瓷材料抗彎強度不高，斷裂韌性低，限制了其作為結構材料使用。當用高強度、高模量的纖維或晶須增強后，其高溫強度和韌性可大幅度提高。,.,11,復合材料的復合原則與性能,基體材料和增強相的類型和性質及兩者之間的結合力，決定其性能，增強相的形狀、數量、分布及制備過程等也影響其性能。,.,12,一、增強機制,(1)顆粒增強復合材料(2)纖維增強復合材料(3)晶須增強復合材料,.,13,二、復合原則,纖維增強復合原則1.纖維增強相是承載體，要求高的強度、彈性模量、熱穩定性。2.基體起粘結劑作用，要求潤濕性(對纖維)、塑性和韌性及保護不損傷表面性。3.纖維和基體之間高而適合的結合強度。過低的結合強度易裂，過高易脆斷。4.纖維增強相有合理的含量、尺寸和分布。5.纖維和基體間不能有化學反應。,.,14,細粒增強復合原則1.顆粒應高度均勻彌散分布在基體中。2.顆粒大小應適當。一般幾微米到幾十微米，過大易裂，過小起不到強化作用。3.顆粒的體積含量應在20以上，否則達不到強化效果。4.顆粒與基體之間有一定的結合強度。,.,15,由能承受載荷的增強體組元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等）與能聯結增強體成為整體材料同時又起傳力作用的基體組元（如樹脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）構成。,結構復合材料主要作為承力結構使用的材料,.,16,結構材料通常按基體的不同分為聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳基復合材料和水泥基復合材料等。,.,17,包括壓電、導電、雷達隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復合材料，具有廣闊的發展前途。未來的功能復合材料比重將超過結構復合材料，成為復合材料發展的主流。,功能材料是指除力學性能以外還提供其它物理、化學、生物等性能的復合材料。,.,18,未來復合材料的研究方向主要集中在納米復合材料、仿生復合材料和發展多功能、機敏、天然復合材料等領域。,.,19,a、是玻纖增強PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片,（a）是加入MPP相容劑的玻纖增強體系，(a）中玻璃纖維與基體的結合較好，纖維拔出較少.,.,20,b是未加相容劑的玻纖增強體系。,從中可以看出，而（b）中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較差，因而體系的力學性能不高。,.,21,FigureMicrostructureofanaluminumcastingalloyreinforcedwithsiliconcarbideparticles.Inthiscase,thereinforcingparticleshavesegregatedtointerdendriticregionsofthecasting(125).(CourtesyofDavidKennedy,LesterB.KnightCostMetalsInc.),.,22,試樣的沖擊試樣的斷口掃描電鏡的背散射電子圖像,1250目CaCO3粒子/PP,2500目CaCO3粒子/PP,.,23,GF/CF不同的纖維種類,.,24,CompositematerialsconfigurationsMaterials:Glass/carbon/aramidfibreswiththermoset/thermoplasticresinsArchitecture:Unidirectionaltapes,woven,braided,choppedstrandmat,pultruded,filamentwound,RTM,injectionmoulded/www.merl-ltd.co.uk/./composites01.shtml,.,25,.,26,.,27,復合材料的特點,1.可設計性2.各相異性3.一次成型4.可制成各種形狀5.能綜合發揮各組分的優點，并具有多種性能。,.,28,樹脂基復合材料的性能特點樹脂基復合材料作為一種復合材料，是由兩個或兩個以上的獨立物理相，包含基體材料（樹脂）和增強材料所組成的一種固體產物。樹脂基復合材料具有如下的特點：（1）各向異性（短切纖維復合材料等顯各向同性）；表征其復合后材料的性能。,.,29,（2）不均質（或結構組織質地的不連續性）；（3）呈粘彈性行為；（4）纖維（或樹脂）體積含量不同，材料的物理性能差異；（5）影響質量因素多，材料性能多呈分散性。,.,30,聚合物基復合材料的主要性能,優點：1.比強度、比模量高2.耐疲勞性好3.減震性好4.過載時安全性好5.具有多種功能性耐燒蝕性、耐腐蝕性好，高度的電絕緣，良好的摩擦性，特殊的光學、電性能6.良好的可加工性能,缺點：1.使用溫度低，耐高溫性能差（300度以下）2.材料強度一致性差3.耐老化性能差,.,31,增強體的性能,增強體的種類繁多，下頁表列出了主要增強體的主要參數。增強體的特點是高強度、高模量。增強體直徑較小，含有缺陷的機率少，所以保持了高強度、高模量的特性。用于航天、航天結構的復合材料的增強體密度一般都低。,.,32,.,33,基體材料的性能,.,34,復合效應,復合效應實質上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結果。復合材料具有特殊的復合效應，使得復合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。它表現為樹脂基復合材料的性能在其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。復合效應有正有負，性能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復合之后某些方面的性能出現抵消甚至降低的現象是不可避免的。,.,35,線性效應非線性效應界面效應尺寸效應各向異性效應,復合效應,線性效應可細分為平均效應、平行效應、相補效應、相抵效應。非線性效應可細分為乘積效應、系統效應、誘導效應、共振效應。,.,36,1、線性效應（1）平均效應（混合效應）復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數之加和。可用混合物定律描述：Kc=Kii（串聯模型）1/Kc=i/Ki（并聯模型）（2）平行效應復合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能基本相當。KcKi,.,37,（3）相補效應復合材料各組分復合后相互補充，彌補各自的弱點，產生優異的綜合性能。C=AB（4）相抵效應復合材料各組分之間出現性能相互制約，使其性能低于混合物定律預測值。KcKii,.,38,以下舉例對其中的重要效應簡單作一說明平均效應又可稱為加和效應(MeanProperties)，反映在復合材料的混合定則(RuleofMixture)中。該定則通常用來計算增強材料和基體復合后對某一性質產生的效果，即,式中p某一性質，例如強度、模量、泊松比、熱導等Pc復合材料的某一性質；Pi原始i材料的某一性質；體積分數；iN種原始材料中第i種材料體積分數n由實驗確定，其范圍為-1n1,.,39,例題：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=35001=0.7,2=0.3n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51(MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91(MPa),.,40,相補效應和相抵相應,.,41,非線性效應中，乘積效應(ProductProPcnMs）又叫傳遞特性，交叉耦合效應。,例如對材料X輸入時輸出為Y，即一種轉換功能材料Y/X(如磁場壓力的換能材料)；而Y又作為另一種材料的第二次輸入，產生輸出Z，即為另一種換能材料ZY(如電阻磁場轉換材料)。兩種材料復合得出一新的機能材料，即YXZYZX(即電阻壓力轉換材料)。乘積效應對開發新型功能材料指出了方向，因為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚至還可利用它創造出任何單一材料都不存在的新的功能效應。,.,42,2、非線性效應相乘效應（X/Y）（Y/Z）=X/Z,.,43,當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。反之施加電壓，則產生機械應力，稱為逆壓電效應。,.,44,原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉換的正、逆壓電效應，既在壓電陶瓷加一電信號，便產生機械振動而發射超聲波，當超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時，則會有電信號輸出，通過數據處理時間差測距，計算顯示車與障礙物的距離及危險相撞時報警，可準確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區的微小障礙物，實用性相當強。,超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報警器裝置，也被稱為超聲波倒車雷達或倒車聲納系統，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。,.,45,由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發生變化，可發生位移而做功或在交變磁場作用可發生反復伸張與縮短，從而產生振動或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉換成機械能或聲能（或機械位移信息或聲信息），相反也可以將機械能（或機械位移與信息）轉換成電磁能（或電磁信息）。它是重要的能量與信息轉換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術，電聲換能器技術、海洋探測與開發技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統、智能機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動采油等高技術領域有廣泛的應用前景。,.,46,復合材料的界面效應,(1)阻斷效應(2)不連續效應(3)散射和吸收效應(4)感應效應(5)界面結晶效應(6)界面化學效應,.,47,復合材料的界面效應,(1)阻斷效應起到阻止裂紋擴展，中斷材料破壞，減緩應力集中等。(2)不連續效應在界面上引起的物理性質的不連續性和界面摩擦出現的現象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩定性等(3)散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等。,.,48,(4)感應效應在界面產生的感應效應，特別是應變、內部應力和由此而引起的現象，如彈性、熱膨脹性、抗沖擊性和耐熱性的改變等。感應(或誘導)可以是一種物質(通常是增強物)的表面結構使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質的結構出了誘導作用而改變。(5)界面結晶效應基體結晶時易在界面上形核，界面形核誘發了基體結晶。(6)界面化學效應基體與增強材料間的化學反應，官能團、原子分子之間的作用。,.,49,阻止裂紋的擴展,.,50,不連續效應,電阻R1,電阻R1,電阻R2,.,51,散射和吸收效應,.,52,界面化學效應,R,O,M,H,O,H,O,H,M,H,O,O,H,Si,R,Si,H2O,R,M,H,O,O,H,Si,無機表面,聚合物表面,.,53,丁達爾效應和光散射1869年，英國科學家丁達爾發現了丁達爾效應。光射到粒子上可以發生兩種情況，一是當粒子直徑大于入射光波長很多倍時，發生光的反射；二是當粒子直徑小于入射光的波長時，發生光的散射，散射出來的光稱為乳光。散射光的強度，隨著顆粒半徑增加而變化。懸（乳）濁液分散質粒子直徑太大，對于入射光只有反射而不散射；溶液里溶質粒子太小，對于入射光散射很微弱，觀察不到丁達爾效應；只有溶膠才有比較明顯的乳光，這時粒子好像一個發光體，無數發光體散射的結果就形成了光的通路。散射光的強度還隨著粒子濃度的增大而增加，因此，進行實驗時，溶膠濃度不要太小。,.,54,丁達爾效應,.,55,界面化學、擴散效應,無機介質,擴散界面層,化學鍵連接界面,.,56,從復合材料結構單元和尺度上講，把增強顆粒尺度為1-50m的叫顆粒增強復合材料，把0.01-1m尺度增強的叫分散強化(彌散強化)復合材料。而把亞微米至納米級叫精細復合材料，其強化原理各不相同。,復合材料尺寸效應,.,57,功能材料有時要在微米至納米尺度上進行復合。首先因為在電、磁、聲、光等領域中，功能材料的使用頻率越來越高。電磁波和彈性波在媒質中傳播時的波長非常小，僅為500-5000nm。如果復合單元本身及其間隔大于激勵波長時，那么波在材料中傳播時特產生嚴重的散射或反常諧振，嚴重影響波的傳播。在這種情況下，復合材料的優點難以發揮。,.,58,只有當尺度遠小于激勵波長時才能發揮復合結構所提供的優越性能。也就是說，材料的復合尺度應該在5-500nm左右，實際上就是微米復合材料或納米復合材料，二者都可統稱為精細復合材料。,.,59,式中F()-L長纖維在應力不超過時的破壞概率;尺度參數；形狀參數,和均可由實驗測出。,用于增強的纖維強度離散性多為韋布爾(Weibull)分布形式Weibull分布為,從以上公式可知，纖維破壞概率和纖維平均強度都與纖維的長度L有關。用纖維增強的復合材料的性能不僅與纖維的長度有關，與纖維的長徑比L/d也有關，還與復合材料板的厚度有關。這些都是復合材料尺寸效應的體現。,.,60,常見復合材料,一.玻璃纖維復合材料-玻璃鋼,增強劑：玻璃纖維（SiO2+其它氧化物）,比強度和比模量高，耐高溫，化學穩定性好，電絕緣性較好。,熱塑性玻璃鋼粘結劑：熱塑性樹脂尼龍、聚烯烴類、聚苯乙烯類、(熱塑性聚脂，聚碳酸脂)機械性能、介電性能、耐熱性和抗衰老性能較好,.,61,(2)熱固性玻璃鋼粘結劑:熱固性樹脂-酚醛樹脂，環氧樹脂（不飽和聚酯樹脂，有機硅樹脂）性能：輕，比強度高(高于銅合金和鋁合金，有的高于合金鋼)，耐蝕性好,介電性能優越，成型性能良好,剛度較差，易老化，易蠕變。用途：玻璃纖維/尼龍軸承，軸承架，齒輪；玻璃纖維/聚苯乙烯汽車內裝飾制品，機殼。,.,62,二.碳纖維復合材料,增強劑：碳纖維（石墨）高強度、高彈性模量且2000以上保持不變；-180不變脆。,(1)碳纖維樹脂復合材料基體-環氧樹脂，酚醛樹脂，聚四氟乙烯性能普遍優于玻璃鋼；用途：航天材料-飛行器，火箭外層材料，天線支架，殼體，機架,齒輪，軸承，活塞，密封圈，化工容器,.,63,(2)碳纖維金屬復合材料基體-金屬(主要為熔點較低的金屬或合金，如碳纖/鋁錫合金)性能特點：接近于金屬熔點仍有很好的強度和彈性模量用途：碳纖/鋁錫合金高強度高級軸承,其減磨性能優于鋁錫合金。,.,64,2.硼纖維復合材料,增強劑：硼纖維-硼纖維沉積于鎢絲,(1)硼纖維樹脂復合材料基體環氧樹脂，聚苯并咪唑，聚酰亞胺樹脂性能：抗壓強度為碳纖維復合材料的22.5倍，剪切強度高，蠕變小，硬度和彈性模量高，高疲勞強度（340390MN/m2），耐輻射，化學穩定（水，有機溶劑，燃料，潤滑劑），導熱性能和導電性能好，硼纖維是半導體。應用：航空和宇航材料，如：翼面，儀表盤，轉子，葉片，直升機螺旋槳葉的傳動軸等,.,65,(2)硼纖維金屬復合材料基體鋁鎂及其合金，鈦及其合金應用：航空、火箭性能：如鋁基復合材料的強度、彈性模量、疲勞極限高于高強鋁合金和耐熱鋁合金，比強度高于鋼和鈦合金。,.,66,三.金屬基復合材料,金屬和陶瓷組成的復合材料，屬顆粒增強復合材料，又稱金屬陶瓷。,硬質合金,性能及應用：具有高硬度，高耐磨性，高的熱穩定性和抗氧化性。適用于各種高速切削刀具，各種高溫下工作的耐磨件，如熱拉絲模等。,.,67,1.鎢鈷類硬質合金由鈷Co和碳化鎢WC壓制燒結而成,牌號：YG+Co的百分含量，如：YG3、YG6、YG8。Co的含量越高，其韌性越好。性能特點高硬度，高耐磨性，韌性較好。用途制作切削鑄鐵、有色金屬和非金屬材料等脆性材料的刀具。如：YG8刀具適合粗加工鑄鐵，YG3適合精加工鑄鐵，YG6適合半精加工鑄鐵。,.,68,2.鎢鈦鈷類硬質合金由鈷Co和碳化鎢WCTiC壓制燒結而成,牌號：YT+TiC的百分含量，如：YT5、YT15、YYT30。TiC含量越高，其韌性越好。性能特點硬度高于YG類，韌性，強度略低于YG類。用途制作切削各種鋼的刀具。如：YT5刀具適合粗加工鋼，YT15適合精加工鋼，YT適合半精加工鋼。,.,69,3.鎢鈦鉭鈷類硬質合金由鈷CoWCTiCTaC壓制燒結而成,牌號：YW如：YW1和YW2性能特點兼具YG，YT優點，又稱通用硬質合金及萬能硬質合金。用途制作切削耐熱鋼及合金等難加工材料的刀具。,.,70,樹脂基復合材料的制備方法,復合材料及其制件的成型方法，是根據產品的外形、結構與使用要求，結合材料的工藝性來確定的。已在生產中采用的成型方法有：手糊成型濕法鋪層成型；真空袋壓法成型；壓力袋成型；樹脂注射和樹脂傳遞成型；噴射成型；真空輔助樹脂注射成型；夾層結構成型；模壓成型；注射成型；擠出成型；纖維纏繞成型；拉擠成型；連續板材成型；層壓或卷制成型；熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型；離心澆鑄成型等。,.,71,手糊工藝,手糊工藝是聚合物基復合材料制造中最早采用和最簡單的方法。其工藝過程如下：,.,72,手糊工藝優缺點,優點：(1)手糊成型不受產品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復雜產品的生產。(2)設備簡單、投資少、設備折舊費低。(3)工藝簡便。(4)易于滿足產品設計要求，可以在產品不同部位任意增補增強材料。(5)制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。缺點：生產效率低，勞動強度大，勞動衛生條件差；產品質量不易控制，性能穩定性不高；產品力學性能較低。,.,73,原料的選擇,(l)聚合物基體的選擇：能在室溫下凝膠、固化。并在固化過程中無低分子物產生。能配制成粘度適當的膠液，適宜手糊成型的膠液粘度為0.2-0.5Pa.s。無毒或低毒。價格便宜。(2)增強材料的選擇：手糊成型工藝用量最多的增強材料是玻璃纖維及其織物，如無堿纖維、中堿纖維、有堿纖維、玻璃纖維無捻粗紗、短切纖維氈、無捻粗紗布、玻璃纖維細布和單向織物等。少量有碳纖維、芳倫纖維和其他纖維。,.,74,(3)脫模劑的選擇：手糊成型用的是外脫模劑，常用的外脫模劑有：a薄膜型脫模劑：主要有聚醋薄膜，聚乙烯醇薄膜，玻璃紙等，其中聚醇薄膜用量較大b混合溶液型脫模劑：此類脫模劑中聚乙烯醇溶液應用最多。c蠟型脫模劑：蠟型脫模劑使用方便，省工省時省料，脫模效果好，價格也不高，因此得到最廣泛的應用。,.,75,手糊成型模具的設計與制造,是手糊成型工藝中唯一的重要設備，合理設計和制造模具是保證產品質量和降低成本的關鍵。手糊成型模具分單模和對模兩類。單模又分陽模和陰模兩種，如圖所示。,.,76,原材料準備,(1)膠液準備膠液的工藝性主要指膠液粘度和凝膠時間：膠液粘度表征流動特性，對手糊作業影響大；凝膠時間指在一定溫度條件下，樹脂中加入定量的引發劑、促進劑或固化劑，從粘流態失去流動性，變成軟膠狀態的凝膠所需的時間。(2)增強材料準備,.,77,(3)膠衣糊準備(4)手糊制品厚度與層數計算：糊制品厚度與層數計算主要是根據材料質量、單位面積增強纖維硬基體樹脂的厚度（厚度常數）和單位面積增強纖維的質量等參數來粗略估計。樹脂基體的材料厚度常數k值見下表：,.,78,.,79,糊制,(l)刷膠衣膠衣層不宜太厚或太薄，厚度一般控制在0.25-0.5mm。膠衣層通常采用涂刷和噴涂兩種方法。(2)結構層的糊制(3)鋪層控制，下圖給出了兩種接縫的處理方法。,.,80,固化,不飽和聚酯樹脂固化過程分為三個階段：凝膠階段、定型閉階段（硬化階段）、熟化階段（完全固化階段）。,脫模、修整與裝配,當制品固化到脫模強度時，便可進行脫模。脫模最好用木制工具（或銅、鋁工具），避免將模具或制品劃傷。大型制品可借助千斤頂、吊車等脫模。脫模后的制品要進行機械加工，除去毛邊、飛刺，修補表面和內部缺陷。,.,81,模壓成型工藝,模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復合材料成型方法。將定量的模塑料或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品，再經加熱使樹脂進一步發生交聯反應而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復合材料制品。,.,82,模壓料,(1)片狀模塑料(即SMC)SMC是用不飽和聚酯樹脂、增稠劑、引發劑、交聯劑、低收縮添加荊、填料、內脫模劑、著色劑等混合成樹脂糊浸漬短切玻璃纖維粗紗或玻璃纖維氈，并在兩面用聚乙烯或薄膜包覆起來形成的片狀模壓成型材料。,.,83,(2)團狀模塑料(DMC)和散狀模塑料(BMC）團狀模塑料(DMC)及散狀模塑料(BMC)為預混模塑料。這類預混料主要是以聚醋為基體，因此又可稱為“聚酯料團”。通過增稠處理的聚酯料團稱做“散狀模塑料”。在成型方法上主要采用壓制法，此外還可采用壓鑄法和注射法。在此類預混料中，一般含有樹脂系統（包括引發劑）、填科、增稠劑和增強材料等四種主要成分。,.,84,模壓工藝,模壓工藝流程圖如圖所示,.,85,(l)壓制前準備,模壓料預熱和預成型裝料量的估算脫模機的選用,.,86,(2)壓制,在模壓過程中，物料宏觀上歷經粘流、疑膠和硬固三個階段。微觀上分子鏈由線型變成了網狀體型結構。這種變化是以一定的溫度、壓力和時間為條件的。溫度制度包括裝模溫度、升溫速度、最高溫度、恒溫、降溫及后固化溫度等。成型溫度取決于樹脂糊的固化體系、制品厚薄、生產效率和制品結構的復雜程度。,.,87,壓力制度主要包括成型壓力、加壓時機、放氣等。成型壓力隨物料的增稠程度、加料面積、制品結構、形狀、尺寸的不同而異。固化時間（即保溫時間）一般按40s/mm計算。,.,88,連續纏繞成型工藝,工藝流程圖如下所示：,.,89,芯模的結構形式,(l)實心或空心整體式芯模。用可溶或易熔鹽類、低熔點金屬、由可溶或易熔粘結劑粘起來的集合體等制成。(2)組合裝配式芯模。有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架裝配式等。如下圖所示。,.,90,(3)石膏隔板組合式芯模。由芯軸、預制石膏板、鋁管及石膏面層等部分構成。適用于生產大型制品。(4)管道芯模。通常分為整體式或開縮式兩種。,.,91,纏繞規律,纏繞線型必須滿足如下兩點要求：纖維既不重疊又不離縫，均勻連續布滿芯模表面。纖維在芯模表面位置穩定，不打滑。纏繞線型可分為環向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞三類，如圖所示。,.,92,螺旋纏繞線型,線型：線型是連續纖維纏繞在芯模表面上的排布形式。完整循環：螺旋纏繞時，纖維自芯模上某點開始，導絲頭經過若干次往復運動后，又纏回到原來的起始點上，這一段纏繞稱為一個完整循環。轉速比：指單位時間內，芯模轉效與導絲頭往返次數之比。,.,93,纏繞工藝過程,纏繞工藝過程一般由下列各工序組成：芯模或內襯制造、膠液配制、纖維烘干和熱處理、浸膠、膠紗烘干、纏繞、固化、檢測等。,纖維纏繞機,纖維纏繞機的種類很多，新老并存，主要有機械控制式纏繞機、數字程序控制纏繞機、微機控制的纖維纏繞機等。,.,94,金屬基復合材料制備方法,金屬基復合材料是以金屬為基體，以高強度的第二相為增強體而制得的復合材料。按基體來分類：鋁基復合材料、鎳基復合材料、鈦基復合材料等；按增強體來分類：顆粒增強復合材料、層狀復合材料、纖維增強復合材料等。,.,95,鋁基復合材料的制備,鋁基復合材料的特點：航空、航天工業中需要大型的、重量輕的結構材料。硼一鋁復合材料的研究主要包括以下幾個方面的內容：(1)研制強度高、剛性大、重量輕的構件。這在航空航天領域中顯得尤為重要。(2)改進大型構件的制造技術，研制可靠耐用的材料及構件。(3)改進硼一鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可能降低。,.,96,鋁基復合材料的制造,常用的工藝有兩種：一種是纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進行；第二種方法是先加工成復合材料的預制品，然后再將預制品制成最終形狀的零件。制造過程可分為三個階段：纖維排列、復合材料組分的組裝壓合和零件層壓。,.,97,揮發性粘合劑工藝,所用的纖維排列方法有兩種：單絲滾筒纏繞（如下圖）和從纖維盤的線架用多絲排列成連續條帶。,.,98,等離子噴涂工藝,這種工藝的優點是：纖維在纏繞簡上就被基體固定住，因而纖維間距好控制，噴涂條帶的耐久性和強度好于復合粘結。硼一鋁的壓合中有下述一些必要的限制：(l)纖維損傷問題限制了時間一溫度參數；(2)為保證鋁的結合并消除孔隙度，時間一溫度一壓力參數必須低于極限值，因為這是一個受蠕變和擴散限制的過程；(3)高壓力會增加纖維的斷裂；(4)為防止硼氧化，要求仔細控制氣氛。,.,99,鋁基復合材料的二次加工,二次加工是指對基本的復合材料如平板、粱和管等所進行的加工，包括成型、連接機械加工和熱處理等工藝過程。,.,100,鎳基復合材料,高溫合金大多數是鎳基的，因此在研制高溫復合材料時，鎳也是優先考慮的基體。所介紹的材料大多數都是用純鎳或簡單鎳鉻合金作為基體的。而增強物則以單晶氧化鋁（Al2O3藍寶石）為主，它的突出優點是：高彈性模量、低密度、纖維形態的高強度、高熔點、良好的高溫強度和抗氧化性。,.,101,1藍寶石晶須和藍寶石桿藍寶石晶須仍然屬于迄今所發現的強度最高的固體形態。它的強度是截面積的函數。下圖表示可獲得的最大體積分數和晶須直徑、涂層厚度的函數關系。,.,102,限制Al2O3藍寶石晶須增強復合材料的缺點對細晶須來說，為達到實用的體積比，涂層厚度要小于0.5m，這樣薄的金屬涂層，在液態鎳或鎳鉻合金中幾秒鐘就熔解了，從而使得晶須表面不潤濕，還造成纖維強度下降。這種晶須的制造成本太高，而且還沒有研制出經濟可靠的方法把有缺陷的晶須同其它生長碎片淘汰掉。,.,103,鎳基復合材料的制造和性能,制造鎳基復合單晶藍寶石纖維復合材料的主要方法是將纖維夾在金屬板之間進行加熱。這種方法通常稱為擴散結合。從目前的情況來看，尋找有用的藍寶石纖維增強的鎳基復合材料實際上沒有取得成功。雖然不能說這種基體的復合材料沒有希望了，但顯然要達到按混合定則預測的性能還將遇到很多困難。這其中很多困難對脆性陶瓷纖維增強的所有金屬基復合材料系來說是共同的。,.,104,鈦基復合材料,鈦基復合材料的使用溫度超過塑料基體的溫度極限，同時在一般的結構材料中鈦合金的比強度最高活性的鈦與硼發生嚴重的反應使得早期在這方面的研究沒能取得成功。,.,105,相容性問題,解決相容性問題的六種方法：1）最大限度減小反應的高速工藝；2）最大限度減少反應的低溫工藝；3）研制低活性的基體；4)研制最大限度減少反應的涂層；5）選擇具有較大反應容限的系列；6）設計上盡量減少強度降低的影響。,.,106,鈦基復合材料的研制,下圖為解決相容性問題的工藝示意圖：,.,107,鈦一硼復合材料的進一步研究得出以下的幾條主要結論：1)使用制造連續帶材的方法能獲得非常均勻的性能。這種結果是否和帶材的小尺寸有關尚不清楚，但有一點可以肯定，即均勻的間隔和均勻的殘余應力分布對性能的均勻性有顯著的有利影響。2)對纖維和基體之間的相互作用應加以控制以便制造出符合混合定則性能的復合材料。,.,108,3)控制纖維和基體之間的反應，使其在550時有效壽命能達幾千小時。4)雖然分離出來的纖維具有明顯降低了的強度，但鈦一硼復合材料仍能獲得符合混合定則的性能。,.,109,鈦基復合材料的發展前景,鈦基復合材料的主要優點：工作溫度較高；不需交叉疊層就可獲得較高的非軸向強度；高的抗腐蝕性和抗損傷性；較小的殘余應力以及強度和模量的各向異性較小等。缺點：相對密度較高，制造困難和成本高。,.,110,石墨纖維增強金屬基復合材料,由于碳纖維和石墨纖維的強度高、剛度高、密度低以及大規模生產時具有降低成本的潛力，因此作為金屬基復合材料的增強物頗為人們所注意。這種強度高、重量較輕的復合材料會有很多結構用途。,.,111,石墨纖維與許多金屬元素缺乏化學相容性，同時在制備時還存在一些問題，這些因素妨礙了石墨增強金屬的發展。就目前的情況看，鋁、鎂、鎳和鈷同石墨的相容性較好，而鈦由于易形成碳化物，因此不能與石墨纖維復合，除非在復合材料的基體和纖維之間加上一層穩定的擴散阻擋層將鈦和石墨隔開。,.,112,石墨纖維由于碳可分為不同的形式，從很硬、很脆而剛性很大的類似金剛石的結構到軟的、無剛性的、但牢固而且耐熱的石墨，因此這類碳質原絲纖維中，有些能通過改變原始成分和熱處理而達到特殊的性能。,.,113,石墨一鋁復合材料,下表列出了目前獲得應用的一些石墨纖維增強復合材料的制造方法。,.,114,Sara和Wincer等人采用如下圖所示的裝置，對石墨纖維的外部加壓滲鋁進行了研究。,.,115,連續鑄造法，下圖為這種工藝的裝置示意圖。,.,116,下圖則給出了這種復合材料抗拉強度同纖維體積含量的關系。,.,117,碳一鋁復合材料的研究現狀可得出如下幾點認識：1)這種石墨鋁復合尚沒有單一的或綜合的制造方法能得到穩定的符合混合定則的增強作用。2)對這種石墨纖維的表面性質尚未給予足夠的重視，也尚未進行細致的研究。3)嘗試過的許多制造方法都忽視了孔隙度，纖維損傷、碳化物構成等所造成的明顯的最終影響。,.,118,4)由于化學氣相沉積和電鍍能使纖維免于機械損傷，故可作為涂層制造工藝。5)對固態復合材料進行熱加工會破壞復合材料的完整性，從而使纖維增強原理失去作用。6)纖維的金屬鍍層和非金屬涂層有希望成為Al+CAl4C3反應的擴散阻擋層。7)為了達到預期的目標，液態滲透是最有希望的一種工藝方法。,.,119,陶瓷基復合材料,現代陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及重量輕等許多優良的性能。但它同時也具有致命的弱點，即脆性，這一弱點正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此，陶瓷材料的韌化問題便成了近年來陶瓷工作者們研究的一個重點問題。,.,120,陶瓷基復合材料的基體與增強體,陶瓷基復合材料的基體為陶瓷。結構復雜。目前被人們研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們普遍具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、輕重量和價格低等優點。陶瓷復合材料的增強體及其制備陶瓷基復合材料中的增強體通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維（長、短纖維）、晶須和顆粒三類。,.,121,常用的纖維：碳纖維：高模量，拉伸模量約為400GPa拉伸強度約為1.7GPa；低模量，拉伸模量約為24OGPa，拉伸強度約為2.5GPa玻璃纖維硼纖維：它屬于多相的，又是無定形的，因為它是用化學沉積法將無定形硼沉積在鎢絲或者碳纖維上形成的。,.,122,.,123,晶須增強體：晶須為具有一定長徑比(直徑0.3一1m，長30100m)的小單晶體。特點：沒有微裂紋、位錯、孔洞和表面損傷等一類缺陷顆粒增強體：幾何尺寸上看，它在各個方向上的長度是大致相同的，一般為幾個微米。通常用得較多的顆粒也是SiC、Si3N4等,.,124,纖維增強陶瓷基復合材料的成型與加工,1纖維增強陶瓷基復合材料的制備方法(l)泥漿澆鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。(2)熱壓燒結法將長纖維切短(3mm)，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結的方法即可制得高性能的復合材料。(3)浸潰法這種方法適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進行燒結。,.,125,2纖維增強陶瓷基復合材料的制備過程(l)碳纖維增強氧化鎂(2)石墨纖維增強LiO-Al2O3.nSi2O3(3)碳纖維增強無定型二氧化硅(4)碳化硅連續纖維增強氮化硅(5)氧化鋯纖維增強氧化鋯,.,126,晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的加工與制備,1配料干法和濕法2成型三種不同的情況：(l)經一次干燥制成粉末坯料后供給成型工序；(2)把結合劑添加于料漿中，不干燥坯料，保持漿狀供給成型工序；(3)用壓濾機將料漿狀的粉脫水后成坯料供給成型工序。,.