复合材料制备和加工
金属复合材料的制备与应用
金属复合材料的制备与应用随着科技的不断发展与创新，人类对于材料的研究和应用也越来越深入。
金属复合材料作为一种新型材料，具有优异的力学性能、导热性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子通讯、冶金等领域。
本文将介绍金属复合材料的制备与应用。
一、金属复合材料的制备金属复合材料制备的方式主要有物理法和化学法两种。
1. 物理法物理法的制备过程是通过热处理、轧制、拉拔等机械加工方式将两种或以上的金属材料制成一种复合材料。
其中较为常见的方法是粉末冶金法。
这种方法的基本过程就是将两种或以上的金属粉末通过压制、烧结等方式使之融合在一起，再进行加工，形成金属复合材料。
这种方法不但可以制备各种复杂形状的金属复合材料，而且能控制其微观结构，是目前较为常用的制备方法之一。
2. 化学法化学法的制备过程主要是通过化学反应的方式使不同种类的金属在反应过程中形成复合材料。
这种方法的基本过程就是将两种或以上的金属离子在溶液中进行化学反应，生成金属复合材料。
化学法制备的复合材料具有较高的强度和稳定性，但其复杂性较大，成本也较高。
二、金属复合材料的应用金属复合材料在工业生产和国民经济中有着广泛的应用。
1. 航空航天领域因为金属复合材料具有高强度、耐腐蚀、抗疲劳等特性，能够有效减轻飞行器的重量、提高其寿命和安全性能，所以在航空航天领域应用非常广泛。
常见的应用有飞机的机翼、起落架、加油管道等部件，还可以用于航天装备中的尾翼、燃气轮机叶片等。
2. 汽车制造金属复合材料可以大大提高汽车的性能，优化车辆结构。
例如，在发动机部件中使用金属复合材料可以提高发动机的功率和效率、延长使用寿命；在轮毂、车身等部件中使用金属复合材料可以减轻车辆重量，提升车辆加速性能和燃油经济性等。
3. 电子通讯金属复合材料在电子通讯领域也有着广泛的应用。
例如，在光纤通讯领域，可以使用金属复合材料制造光学器件；在半导体制造中使用金属复合材料可以改善电子的导电性和热传导性等。
复合材料与加工工艺
复合材料可以根据不同的分类标准进行分类，如按组成成分、结构特点、应用领域等。常见的分类包括金属复合 材料、非金属复合材料、陶瓷复合材料、树脂基复合材料等。
复合材料的特性
高强度与高刚度
复合材料具有较高的强度和刚 度，能够承受较大的载荷和压 力。
良好的抗疲劳性能
复合材料的抗疲劳性能较好， 能够承受反复变化的载荷。
芳纶纤维
具有高强度、高模量、低密度、耐高温等特点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。通过优 化芳纶纤维的制造工艺和表面处理技术，可以提高其与基体材料的界面结合强度，从而提高复合材料的 整体性能。
基体材料的优化
01 02
树脂基体
通过选择合适的树脂类型和配方，以及添加增强填料和改性剂，可以改 善基体材料的力学性能、耐热性、耐腐蚀性等，从而提高复合材料的整 体性能。
复合材料在航空航天领域的应用
应用案例
复合材料在飞机上的应用，如机翼、机身、尾翼等结构件，以及卫星上的太阳 能电池板等。
应用效果
复合材料的应用可显著减轻航空航天器的重量，提高其燃油经济性和飞行效率， 同时可降低制造成本和提高安全性。
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复合材料与加工工艺
contents
目录
• 复合材料概述 • 复合材料的加工工艺 • 复合材料的性能优化 • 复合材料的未来发展 • 复合材料加工工艺的挑战与解决方案 • 复合材料加工工艺案例研究
01 复合材料概述
定义与分类
定义
复合材料是由两种或多种材料组成的新材料，通过物理或化学方法组合在一起，形成具有特定性能和功能的材料。
注射成型工艺的优点在于能够快速、高效地生产出形状 复杂、尺寸精确的产品。
碳纤维复合材料加工工艺
碳纤维复合材料加工工艺
碳纤维复合材料加工工艺一般包括以下步骤：
1. 制备纤维预浸料：将碳纤维与树脂混合，形成纤维预浸料。
树脂可以是热固性树脂如环氧树脂、酚醛树脂，也可以是热塑性树脂如聚酰亚胺。
2. 成型：将纤维预浸料放置在模具中，并使用真空吸附或压力来排除空气和树脂预浸料之间的空隙。
根据不同的加工工艺，可以采用压缩成型、注塑成型、旋转成型等不同方法。
3. 固化：根据树脂的类型和加热条件，将模具中的纤维预浸料加热，使树脂固化为硬化状态。
这一步可以在常温下进行，也可以在高温下进行，需要根据树脂的固化特性和材料要求来确定最佳固化条件。
4. 切割和修整：将固化后的碳纤维复合材料切割成所需尺寸和形状，可以使用机器切割、喷砂或电火花加工等方式进行切割和修整。
5. 表面处理：对切割和修整后的碳纤维复合材料进行表面处理，以改善其表面性能和粘接性能。
常见的表面处理方法包括打磨、清洗、表面处理剂或涂层的涂覆等。
6. 组装和连接：将处理好的碳纤维复合材料组装到所需的产品中，并使用黏合剂、螺栓或其他连接件进行连接。
7. 检测和质量控制：对加工好的碳纤维复合材料进行检测和质量控制，包括外观检查、尺寸测量、力学性能测试等，以确保产品质量符合要求。
需要注意的是，以上所述的加工工艺只是一般的步骤，具体的加工工艺流程会根据具体的产品要求和材料性能而有所不同。
材料制备与加工工艺
材料制备与加工工艺对于材料的制备与加工工艺的研究，是现代科学技术领域的一项重要工作。
材料的选择、制备和加工工艺直接影响了产品的质量、性能和使用寿命。
本文将介绍一些常见的材料制备与加工工艺，并探讨其在不同领域中的应用。
一、金属材料制备与加工工艺金属材料是最常见的材料之一，广泛应用于机械、建筑、航空等各个领域。
金属材料的制备与加工工艺主要包括熔炼、铸造、锻造、热处理等。
熔炼是将金属原料加热至熔点，使其液化后借助重力或电磁力等方法进行分离和纯化的过程。
铸造是将液态金属倒入模具中，经过冷却凝固得到所需形状的工艺。
锻造是通过将金属材料置于锻机上，借助外力作用使其发生塑性变形得到所需形状。
热处理则是通过对金属材料进行加热、保温和冷却等过程，改变其结构和性能。
二、陶瓷材料制备与加工工艺陶瓷材料具有优异的耐高温、耐腐蚀和绝缘性能，广泛应用于电子、化工、建筑等领域。
陶瓷材料的制备与加工工艺主要包括研磨、成型、烧结等步骤。
研磨是将原料进行细磨，使其粒度均匀。
成型是将研磨后的陶瓷原料进行压制或注塑等工艺，得到所需形状。
烧结是将成型后的陶瓷材料进行高温加热，使其颗粒间发生结合，形成致密的材料。
三、聚合物材料制备与加工工艺聚合物材料具有很好的可塑性和耐磨性，广泛应用于塑料、纺织、医药等领域。
聚合物材料的制备与加工工艺主要包括聚合、挤出、注塑、模压等。
聚合是将单体分子进行化学反应，形成高分子链的过程。
挤出则是将聚合物料塑化后通过模具挤出成型。
注塑是将塑化的聚合物料注入到模具中，通过冷却凝固得到所需形状。
模压则是将聚合物加热塑化后放入模具中压制，形成所需形状。
四、复合材料制备与加工工艺复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的新材料，具有优异的特性和广泛的应用前景。
复合材料的制备与加工工艺主要包括预浸法、层叠法、注射法等。
预浸法是将纤维材料与树脂浸渍后固化，形成复合材料。
层叠法是将纤维和树脂分层叠加，经过压制和热处理形成复合材料。
复合材料的制备方法
树脂传递模塑成型—优缺点
• 优点 • 1） 制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少； • 2） 闭模成型，生产环境好； • 3） 劳动强度较低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成
型低； • 4） 制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高； • 5） 成型周期较短； • 6） 产品可大型化； • 7） 强度可按设计要求具有方向性； • 8） 可与芯材、嵌件一体成型 • 9） 相对注射设备与模具成本较低。 • 缺点 • 1） 不宜制作较小产品 • 2） 因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价
聚酯树脂 加热
固化
切
喷
引发剂 静态混合
割 喷
射 成
辊压
枪
型
促进剂
喷射成型工艺流程图
喷射工艺参数选择
• ①树脂含量 喷射成型的制品中，树脂含量 控制在60%左右。
• ②喷雾压力当树脂粘度为0.2Pa·s，树脂罐 压力为～时，雾化压力为～，方能保证组 分混合均匀
• ③喷枪夹角不同夹角喷出来的树脂混合交 距不同，一般选用20°夹角，喷枪与模具 的距离为350～400mm。改变距离，要高 速喷枪夹角，保证各组分在靠近模具表面 处交集混合，防止胶液飞失。
第二阶段-中间保温阶段
• 这一阶段的作用是使胶布在较低的反应速 度下进行固化。保温过程中应密切注意树 脂的流胶情况。当流出的树脂已经凝胶， 不能拉成细丝时，应立即加全压。
第三阶段-升温阶段
目的在于提高反应温度，加快固化速度。 此时，升温速度不能过快，否则会引起 暴聚，使固化反应放热过于集中，导致 材料层间分层。
复合材料的制备及其应用
复合材料的制备及其应用复合材料是指由两种或两种以上不同的材料组成的一种新型材料。
复合材料具有优异的性能和使用寿命，被广泛应用于航空、汽车、船舶、建筑等领域。
本文将从复合材料的制备和应用方面展开讨论。
一、复合材料的制备复合材料的制备过程可以分为层压法、注塑法、旋转浇铸法、挤压法等多种方法。
其中较为常见的是层压法和注塑法。
层压法是指在一定的温度和压力下，将两种或多种材料按一定比例粘结成片或条材。
层压法的步骤一般包括预加热、层压、固化三个阶段。
预加热是为了使各种材料达到一定温度和湿度，以使其在后续的层压和固化中更容易形成化学反应。
层压是指将不同材料以一定的压力叠加在一起，形成复合材料。
固化是使复合材料中的树脂和硬化剂进行化学反应，达到固化的目标。
注塑法是以树脂为基体材料，将不同的增强材料注入树脂中使其形成复合材料。
注塑法的步骤包括加入树脂、加入增强材料、搅拌、注入模具等。
注塑法的特点是生产效率高、生产工艺简单，可以生产复杂性形状的复合材料，极大地方便了工业生产和使用。
二、复合材料的应用1. 航空领域复合材料在航空中的应用范围十分广泛，主要体现在救援船、飞机机身、飞行器外壳等方面。
复合材料具有良好的刚度、强度、尺寸稳定性以及抗冲击和防腐蚀等性能，因此在航空领域有着广泛的应用。
2. 汽车领域汽车涉及到的零部件有很多都是用复合材料制成的，例如车身、发动机罩、雨刷、轮辋等。
复合材料在汽车领域的应用，不仅可以减轻汽车自身重量，而且可以提高汽车的安全性能。
3. 钢结构建筑在建筑领域，复合材料主要用作钢结构的补强材料。
传统的加固材料主要是钢材，但钢材易生锈、重量大，不能很好地满足建筑的特殊要求。
采用复合材料则可以实现加固效果良好、质量轻、维护成本低等优点。
4. 医疗领域复合材料在医疗领域主要应用于牙科、骨科等方面。
由于复合材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性能，因此可以用于人体内部的修复和替代。
以上是复合材料的制备和应用的简单介绍。
金属基复合材料
包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、 化学镀和电镀法、复合镀法等。
一、固态制备技术
1.1粉末冶金技术 粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强(非连续
增强型)金属基复合材料的传统固态工艺法。
工艺过程：
粉末冶金生产工艺
1.2热压技术
扩散黏结：在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊接 工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的 工艺方法。
常用的热喷涂的主要方法如下：
1)火焰喷涂 2)电弧喷涂 3)等离子喷涂(气体导电（或放电）所产生的等离
子电弧作为高温热源 )
讲完了~
性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。
化学气相沉积的装置如图,以在钢件表面沉积TiC涂层为 例，将反应气体TiCl4与气态或蒸发状态的碳氢化合物一 起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂， 就会发生化学反应生成TiC沉积在基体表面。
3.3热喷涂技术
指以某种热源，将基体材料加热到熔化或熔融状态后， 用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强材料上， 形成一层覆盖层的过程。
三阶段： ➢粘结表面之间最初接触 ➢增强材料与合金粉末发生界面扩散和体扩散→接触面 粘结 ➢结合界面最终消失，粘结过程完成
热压技术：
1.3热轧、热挤压和热拉拔技术（变形法）
形变法就是利用金属具
轧制
有塑性成型的工艺特点，
通过热轧、热拉、热挤压
等加工手段，使已复合好
的颗粒、晶须、短纤维增
强金属基复合材料进一步
加工成板材。
挤压 拉拔
1.4爆炸焊接技术
二、液态制备技术
2.1真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真
空和高压惰性气体的共同 作用下，使熔融金属浸渗 入预制件中制造金属基复 合材料的方法。
复合材料的制备方法与工艺
预烧结
维持形状 具有一定的强度
压 挤 渗 透 的 设 备
与压力铸造相比
压头连续移动
弥补收缩
移动速度慢
外加压力大
压力熔浸成形设备
压挤渗透双压头
保证熔体压力；避免孔隙；避免 不完全渗透
采用双重压头
PCAL* f
* fCL2 f 4
f 1 fCL
2 1 2
1/ 2
f为预成形体内纤维所占的体积分数，Φ和ξ分 别为平面间距与交叉连接纤维长度及与平面内 纤维间距之比
m/s）。 ▪ 得到的材料孔隙度小（2-3％）。 ▪ 优点，在对偶材料的非熔融状态下成形，缩短高温
下熔射的时间。 ▪ 孔隙的存在等能够通过热处理而得到改善。能够减
少或避免纤维与金属基体的反应。 ▪ 对纤维喷射熔融金属也有相当的难度。难以成形空
隙率为10％以下的复合材料。 ▪ 开发通过涂层而避免纤维的损伤。
金属基复合材料的制备成形
4.3.1主要的液相工艺
1）压挤铸造与压挤渗透(无压熔浸)
对液体状态的基体加压，使之进入由强化体材料组 成的预成形体。
预成形体的制备 ➢ 长纤维的编织 ➢ 短纤维的悬浮液体内沉积 ➢ 颗粒材料的成形与预烧结
压力熔浸(无压熔浸)
▪ 将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体（可 以由长纤维、短纤维或所颗粒构成）而成形。
▪ 利用半固态浆液的特性分散增强相，在压力 下充型凝固成形。
▪ 是一种两相工艺，局限于大结晶范围的合金。
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
▪ 纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维 树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。
▪ 改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴 顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改 变FRML的性能
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四、混合结合
在实际的分散强化复合材料中，界面的结合 往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或 三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘 结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘 结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机 械粘结与扩散）同时发挥作用。
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2.1.3 层状（接合型）复合材料的界面
（2）强化相与基体热性能匹配程度微裂纹，因而影响界面结合强度。
（3）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度 能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。
（4）制备与成形工艺的选择 制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应
复合材料制备与加工
复合材料制备与加工
第二章 复合材料的界面与设计
2.1 复合材料的界面
基体和增强相之间化学成分有显著变化、构 成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界 面。
在许多情况下，界面是具有层次的，即沿界面 的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组织和 性能不同于基体和强化相的区域，而不只是一个 简单的接触面。
数不同，或由于基体的固化收缩而引起附加应力。附加应力 可引起局部应力集中，形成微裂纹，降低复合材料的性能。 而对增强相进行某种处理后，复合材料的性能可以得到改善。 因而认为这是由于处理剂在强化相表面形成了一层塑性层， 可以松弛界面附近应力集中的缘故。 （4）扩散层理论
认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。
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二、溶解结合
溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产生一 定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。
但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导致 纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。
这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为许 多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚至 可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高温 条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。
结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。 强化相多为强度高而塑性差的材料，当界面结合强度过高
时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。
复合材料制备与加工
影响界面结合强度的因素
（1）强化相几何形状、表面形貌与质量 一般认为纤维状的强化相与基体之间的结合强度，比颗粒状 的强化相的要好；表面粗糙的强化相与基体之间的结合强度 较高。
2.2.1 概述 复合材料设计包括以下几个方面的内容。 (1) 性能设计 根据组元的性能、形状、分布与取向、组成比等 对复合材料性能的影响规律，设计出所需性能。 复合材料的性能包括三个方面：物理性能、力学 性能以及可加工性能。
复合材料制备与加工
物理性能包括密度、热容量、线膨胀系数、热传 导率以及电磁性能等，其中对于分散强化型复合 材料，以密度、热膨胀系数最受重视； 力学性能主要有弹性系数、强度、断裂韧性与耐 磨损性能等； 可加工性是指对所制得的复合材料进行二次加工 （赋予材料以所需形状或直接加工成制品的塑性 变形或机加工）的性能，并影响到后述的经济性。
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(2) 制备与加工工艺设计
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三、反应结合
基体与强化相发生化学反应，在界面形成反应 物的一种结合形式，称为反应结合。这类结合 尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。
形成反应结合的界面结合强度，取决于反应物 的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化合 物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例如 纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度的 降低。因此，对于反应结合型复合材料，反应 层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。
界面结合机理大致分为四种类型：纯机械结合（残 余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。
纯机械结合依靠残余应力实现，例如镶套、热装； 机械粘结是通过塑性变形等而实现的（如冷变形条件 下形成的结合），此时的界面结合形式主要为凹凸界 面的相互啮合和原子级金属键合。
复合材料制备与加工
当实现复合的塑性变形在一定温度下进行时，异质 金属在复合过程中伴随扩散作用，从而使界面结合成 为扩散结合形式，一般将其称为冶金结合或金属学结 合。
经冷加工复合的层状复合材料，为了获得较高的界 面质量，可以通过适当的热处理促进界面的扩散，获 得扩散结合界面。
当两种活性较高的金属在较高温度下进行变形复合， 或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。
通常采用低温复合、或冷变形复合后进行低温扩散 热处理等方法予以避免。
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2.2 复合材料设计
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（2）化学键理论 认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化相 表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成涂 层,它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成共价 键），以获得理想的界面粘结强度。
（3）可形变层理论 在复合材料在制备过程中，由于强化相与基体的热膨胀系
等作用的影响不同。
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2.1.2 界面结合形式
一、粘结结合 基体与增强相之间通过粘结作用而形成的一种界面结合形 式。
（1）表面润湿理论 界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，其
界面结合模式主要有两种：机械粘结与物理吸附。 机械粘结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的凹 凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成机 械铆钉式的结合作用。 物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强相 之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。
界面在复合材料中所占的比例很大，在复合材 料中有着极为重要的作用。
复合材料制备与加工
2.1.1 界面对复合材料性能的影响
具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应： （a）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性； （b）通过应力传递，使强化相承受较大的外载荷，提高复 合材料的承载能力； （c）分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加 冲击的能力； （d）使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用， 弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。