第8章金属基复合材料制备中的凝固问题.ppt

第8章 金属基复合材料 制备中的凝固问题 复合材料的发展 长纤维增强金属基复合材料液相法制备 颗粒增强复合材料的液相法制备 自生复合材料的凝固 第1节 复合材料的发展概述 一、基本概念 1、定义 复合材料：是由两种或者多种不同类型、 不同性质、不同相的材料，运用适当的方 法，将其组合成具有整体结构、性能优异 的一类新型材料体系。 或者也可以这样表述：将两种或两种以上 的材料在显微尺度内复合，使得各组成相的 性能互补，而获得的一种性能优异的新材料。 木材、骨骼和牙齿等都是自然界中存在的 复合材料。图17-1就是几种常见复合材料的显微组织。 复合材料可以按照人们的意愿设计成为韧性、强度、重量、高温性能、腐蚀性 能、硬度、或者传导性的优异结合体。复合材料设计的重点就是如何使不同的材 料能够发挥最佳协调作用。 2、复合材料的分类 （1）按基体材料分，复合材料可以分为五类： 树脂基复合材料 碳/碳（C/C）复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 纳米复合材料 （2）按增强材料分，可分为四类： 纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 混杂增强复合材料 纳米改性复合材料 （3）按增强材料形态分，可分为四类： 连续纤维增强复合材料 短切纤维（晶须）增强复合材料 颗粒或填料填充复合材料 纳米改性复合材料 （4）按用途分类，可分为两类： 功能复合材料 结构复合材料 一般较为常用的分类方法是采用按基体分类方法。基体材料在复合材 料显微结构中被称为连续相，增强材料被称为分散相。 结构复合材料的主要优势之一在于其优异的高温力学性能，随基体材料的不 同，复合材料使用温度范围如图8-2所示。 目前，树脂基复合材料已从研究阶段 步入应用阶段，其成型工艺手段较多， 应用范围最广，用量最大。C/C复合材料 则已在航空、航天和热防护中取得了较 为广泛的应用，其制造工艺也日趋成熟， 属于发展前景十分光明的高级复合材 料。纳米复合材料则是近期发展起来的 高新材料，纳米复合材料仍处于研究阶段。 0-3类复合材料（纳米粉体改性传统材料）已从实验室进入初步应用阶段，某些 品类已批量生产。陶瓷基复合材料经过添加增强材料有效地解决了陶瓷脆性大的 弱点，尽管处于研发阶段，但目前已解决了一些关键技术和问题，正处于工程化 应用的前期。金属基复合材料目前仍处于研发阶段，其制造工艺如气相法、液相 法和固相法与金属材料制造工艺大致相同。 3、复合材料的基本原理 对于给定的使用条件，每一种材料都有各自的优点和缺点。在形成复合材料时，这些 优缺点被重新组合。如图8-1所示，材料A和材料B单独使用时，各自的优缺点同时存在，材 料的性能分别为状态II 和VI。但将两种材料组合获得的复合材料其性能可是他们各自优点 的组合(状态I)，或各自缺点的组合(状态V)，或他们优缺点的交叉组合(状态III及状态IV)。 实际上复合材料的性能并不仅仅取决于其组成相的性能，还与他们的界面特性密切相关。 因此，复合材料的性能并不是组成相性能的简单叠加。 通常结构复合材料的部分综合性能(密度、弹性模量、强度等)近似表现为为两种组成相 的性能的平均，即 (8-1) 式中 K、K1、K2 ? 分别为复合材料及组成相1 和2的性能；? 1、? 2 ? 分别为复合材料中组成 相1和2 的体积分数。 功能复合材料的性能则往往表现为乘积效应， 如书中表8-1所示。 需要注意的是，式8-1在外加应力过大的情况下，此时由于复合材料的基体会开始变形，所以复合材料的应力-应变关系不再呈线性变化。图17-8就展示了这种变化关系。 4、复合材料制造技术 复合材料制造技术是将 上述两种或者多种不同类 型、不同性质、不同相的 材料合成为一性能优异的 整体结构的“适当方法或 者技术”。 （1）根据增强方式不同， 其成形方法也有所区别。 常见成形方法包括—— 长纤维及编织体增强： 液态合金浸渗法(加压 及不加压) 机械复合热压成形法 颗粒及短纤维增强： 粉末冶金法 液态混合铸造法 半固态铸造法 液态合金浸渗法共喷射沉积法 自生复合材料方法 （2）按照复合过程基体材料 的状态分，成形技术可分为： 固相法 液相法 固-液相法 二、复合材料的发展状况 自20世纪40年代，第二次世界大战期间，美国用碎布增强酚醛模树脂压制成 型出大口径弹带、步枪枪托和护木以来，揭开了复合材料制造技术发展的帷幕。 历经60多年 ，在发展速度和规模、应用范围和产量，对现代技术与生产进步的 推动与影响，以及本身的科学研究与深度和广度等诸多方面，复合材料尤其是先 进复