先进复合材料及其发展应用

目录
摘要： (I)
Abstract：. (I)
1先进复合材料及其特点 (1)
1.1先进复合材料的定义 (1)
1.2先进复合材料的分类 (1)
1.2.1 聚合物基复合材料（PMC） (1)
1.2.2金属基复合材料（MMC） (1)
1.2.3 陶瓷基复合材料（CMC） (2)
1.2.4 碳基复合材料（C/C） (2)
2先进复合材料的制备工艺 (3)
2.1 聚合物基复合材料的制备工艺 (3)
2.1.1 手糊成型 (3)
2.1.2 喷射成型 (3)
2.1.3 袋压成型 (4)
2.1.4 模压成型 (4)
2.1.5 缠绕成型 (5)
2.1.6 拉挤成型 (6)
2.2 金属基复合材料的制备工艺 (6)
2.2.1 固态法 (6)
2.2.2 液态法 (6)
2.2.3 自生成法及其他制备法 (7)
2.3陶瓷基复合材料的制备工艺 (7)
2.3.1 粉末冶金法 (7)
2.3.2 浆体法（湿态法） (7)
2.3.3 热压法 (7)
2.3.4 冷压烧结法 (8)
2.3.5 反应烧结法 (8)
2.3.6 液态浸渍法 (8)
2.3.7 直接氧化法 (9)
2.3.8 溶胶-凝胶法（Sol-Gel） (9)
2.3.9 化学气相沉积法（CVD） (9)
2.3.10 化学气相渗透法（CVI） (9)
2.3.11 聚合物先驱体热解法（Pyrolysis） (10)
2.3.12 原位复合法 (10)
2.4 碳基复合材料的制备工艺 (10)
2.4.1 液态浸渍法 (10)
2.4.2 化学气相沉积法（CVD） (10)
3 先进复合材料的应用领域 (11)
3.1先进复合材料在能源技术中的应用 (11)
3.2先进复合材料在信息技术中的应用 (11)
3.3先进复合材料在生物工程方面的应用 (11)
3.4 先进复合材料在航空航天工业中的应用 (11)
3.5 先进复合材料在汽车工业中的应用 (12)
3.6 先进复合材料在其它方面应用 (12)
4 先进复合材料的发展趋势 (13)
5 结束语 (13)
先进复合材料及其发展应用
摘要：本文简要分析了先进复合材料的特点，详细论述了聚合物基、金属基、陶瓷基和碳基复合材料的制备工艺及在各领域的应用；并指出了先进复合材料在未来的发展趋势。

关键词：先进复合材料制备工艺应用发展趋势
Abstract：The characteristics of advanced composite are analyzed, the preparation process of
advanced composite and its application in all fields are presented in detail. And the development trends of advanced composite in the future are pointed out.
Key words：Advanced composite Preparation process Application Development trend
20世纪60年代以来，科学技术的发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能要求越来越高，在许多方面，传统的单相材料的性能已不能满足实际的需求。

这就促进人们研究制备出性能更加优良的新材料。

而复合材料,特别是先进复合材料在新材料技术领域占有重要的地位, 其发展和应用是现代产业活动中成长最快的部分，对促进世界各国的军用和民用领域起到了至关重要的作用,因此近年来倍受重视。

本文简要介绍了先进复合材料及其特点、先进复合材料的制备工艺、应用领域以及发展趋势。

1先进复合材料及其特点
复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。

该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。

在复合材料中，所有组成材料相互依赖，处于不可分割的状态，同时发挥着各自的作用。

高性能碳纤维与硼纤维的产生导致了以它们为增强体的先进复合材料的出现。

1.1先进复合材料的定义
先进复合材料(ACM)是指由特殊的基体(聚合物、金属和陶瓷等)包裹特珠的纤维材料(高弹性模量纤维)而成，刚度的大幅度提高使复合材料具备了在许多领域取代金属材料的能力。

1.2先进复合材料的分类
在先进复合材料中，高性能的基体必不可少。

基体的作用是将分散存在的增强体连接成为整体并在增强体之间以剪应力方式传递载荷。

基体决定复合材料的使用温度与抗湿、热能力，对复合材料的制造方法、成形工艺也产生十分重要的影响。

基体种类有高分子合成树脂、金属、陶瓷，碳。

因此根据基体种类可相应地把先进复合材料分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料。

1.2.1 聚合物基复合材料（PMC）
PMC是发展最早、也是目前最成熟的复合材料。

聚合物基复合材料是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的复合材料。

聚合物基复合材料体系的分类具有多种不同的划分标准，如按增强纤维的种类可分为：玻璃纤维增强聚合物基复合材料、碳纤维增强聚合物基复合材料、硼纤维增强聚合物基复合材料、芳纶纤维增强聚合物基复合材料及其他纤维增强聚合物基复合材料。

如按基体材料的性能可分成通用型聚合物基复合材料、耐化学介质腐蚀聚合物基复合材料、耐高温型聚合物基复合材料、阻燃型聚合物基复合材料。

但最能反映聚合物基复合材料本质的则是按聚合物基体的结构形式来分类，聚合物基复合材料可分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料及橡胶基复合材料。

PMC主要具有以下性能特点：高比强度、高比模量、低膨胀系数和工艺性好，以及优异的减震性、耐烧蚀性和抗疲劳性能。

PMC目前存在的主要间题，一是PMC的横向力学性能较差，层间剪切强度低，这除了树脂基体本身的局限性外，纤维-树脂间的界面也是一个非常重要的因素，目前除玻璃纤维表面采用偶联剂处理比较成熟之外，碳纤维和芳纶的表面处理仍然是研究的热门课题；二是由于聚合物本身的不足，PMC还存在着易吸潮、老化、蠕变、燃烧等一系列缺点，PMC的最高使用温度目前达350℃，争取达到425℃，但要达到更高的使用温度，PMC已无能为力，只有依靠MMC、CMC和C/C复合材料。

1.2.2金属基复合材料（MMC）
MMC较PMC的发展更晚，研究的重点在连续纤维增强的MMC。

金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。

金属基复合材料品种繁多，
有各种分类方式。

如按增强体类型分为：颗粒增强复合材料、层状复合材料和纤维增强复合材料。

如按基体类型可分为：铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。

目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟。

如按用途可分为：结构复合材料和功能复合材料。

MMC主要具有以下性能特点：高比强度、高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定性好，以及优良的韧性、抗冲击性和抗热震性、表面耐久性好、耐热性高、横向力学性能好，它还具有导电、导热、不吸潮、不老化、气密性好等一系列优点。

MMC目前存在的问题，除了工艺复杂，成本较高外，其强度距理论值尚有较大距离，甚至不如PMC，主要原因是MMC的界面极易发生化学反应，形成易造成低应力破坏的脆性界而层。

因此，目前MMC的研究主要集中在：质优价廉的增强材料的开发或改良、纤维表面涂层处理、基体合金化以及成型工艺条件的优化等方面。

1.2.3 陶瓷基复合材料（CMC）
陶瓷材料本身具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀、超硬度等优点，因而，在高温结构材料方面人们寄予很大的期望。

但陶瓷材料的致命弱点——脆性，阻碍了它的发展，于是，人们不得不将研究由单一陶瓷转向陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

与PMC和MMC不同，将纤维引入陶瓷基体的主要目的是增韧，利用纤维从基体拔出，以及裂纹在纤维-基体界面的偏转、分枝等机理来吸收能量，提高韧性，而补强的目的则是次要的。

CMC主要包括相变增韧、颗粒弥散增韧和纤维补强增韧三大类。

CMC的分类方法有很多，如按材料作用可分为：结构陶瓷复合材料和功能陶瓷复合材料；如按增强材料形态可分为：颗粒增强、纤维（晶须）增强和片材增强陶瓷复合材料；如按基体材料可分为：氧化物基、非氧化物基陶瓷复合材料和微晶玻璃基复合材料。

CMC主要具有以下性能特点：除了具有普通陶瓷的优异力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，同时其强度、比模量和在非氧化性气氛中的高温强度都有了提高，尤其是抗弯强度和断裂韧性大大改善。

CMC制造条件和使用条件由纤维和基体共同决定，而PMC、MMC通常是由树脂或金属基体决定。

因此，对CMC的增强材料要求更高。

碳化硅纤维是研究最广泛的CMC增强材料，但这种纤维的不足是直径太粗，不利于陶瓷基复合材料的成型且高温氧化性差。

目前陶瓷基复合材料的研究重点是，除了发展2000℃高温的陶瓷纤维之外，开发合适的成型工艺，优化纤维-基体间界面以及陶瓷基复合材料的性能表征、环境效应和长期耐久性等。

1.2.4 碳基复合材料（C/C）
碳基复合材料也称C/C复合材料，是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。

这种复合材料的研制始于20世纪60年代，早期用作烧蚀防热材料，80年代用作高温结构材料。

该材料的主要优点是，即使温度升高到2500℃，其强度也不降低，这是目前任何树脂基、金属基和陶瓷基复合材料无法比拟的C/C的高比强、高比模、优异的尺寸稳定性、耐烧蚀、耐磨、抗粒子云侵蚀、抗核爆及抗x射线冲击等性能有可能使其成为优良的结构/功能材料。

C/C的最致命的弱点是高温(>350℃)氧化，限制了其应用。

因此，七十年代初期，人们就着手进行C/C抗氧化的研究，并且取得了不错的结果，例如采用硅基陶瓷涂层(SiC，Si3N4)基本解决了1600℃以下C/C的氧化防护问题。

总之，先进复合材料的主要特点可归结为一下几点：(1)高的比强度和比模量；(2)各向异性和可设计性；(3)良好的抗疲劳特性；(4)易于大面积整体成形；(5)赋予新的功能。

2先进复合材料的制备工艺
先进复合材料的制备是一个比较复杂的过程。

随着各种新工艺、新技术的涌现，复合材料制备工艺已成为复合材料加工制造的关键，涵盖的技术面广、技术含量高，涉及的成本份额占总成本的80%以上。

2.1 聚合物基复合材料的制备工艺
聚合物基复合材料的性能有许多独到之处，其制备、成型工艺与其他材料相比也有其特点。

首先，聚合物基复合材料的合成与制品的成型是同时完成的，该材料的制备过程也就是其制品的生产过程。

其次，聚合物基复合材料的成型比较方便。

聚合物基复合材料的制造大体包括如下过程：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等。

聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。

成型工艺主要包括以下两方面：
一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状；
二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。

生产中常用的成型工艺包括：手糊成型、喷射成型、袋压成型、模压成型、缠绕成型和拉挤成型等。

2.1.1 手糊成型
手糊成型工艺（Hand Lay-up）是聚合物基复合材料中最早采用和最简单的方法。

其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀挤压织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。

然后热压或者冷压成型，最后脱模得到复合材料制品。

其工艺流程如下图所示：
手糊成型工艺流程图
该工艺具有操作简单、设备投资少、产品尺寸不受限制、制品可设计性好等优点，适于多品种和小批量生产。

同时也存在着生产效率低、产品质量不易控制、操作条件差、生产周期长、制品性能较低等缺点。

2.1.2 喷射成型
喷射成型工艺（Spray-up）是用喷枪将混有促进剂和引发剂的雾化聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将纤维用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。

当聚酯树脂与纤维混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。

其具体工艺流程如下图所示：
喷射成型工艺流程图
喷射成型对所用的原材料有一定的要求，例如树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和润湿纤维以及不带静电等。

最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。

喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率却可以提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。

用该方法虽可以成型比较复杂的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。

利用喷射法可以制作浴盆、汽车壳体、船身、舞台道具、储藏箱、
建筑构件、机器外罩、容器、安全帽等。

2.1.3 袋压成型
袋压成型工艺（Bag-molding ）是最早及最广泛用于预浸料成型的工艺之一。

将纤维预制件铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固化，经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构的构件。

袋压成型可分为3种：真空袋压成型、压力袋压成型和热压罐成型。

其工艺流程图如下：
袋压成型工艺流程图
真空袋压成型法产生的压力小，只适于强度和密度受压力影响小的树脂体系如环氧树脂等。

如果向真空袋内通入压缩空气或氮气等对预制件进行加压固化，则真空袋压法就成为压力袋压法。

热压罐法相当于将真空袋压法的抽气、加热及加压固化放在压力罐中进行。

用热压罐法制成的纤维复合材料制品，具有孔隙率低，增强纤维填充量大，致密性好，尺寸稳定、准确、性能优异，适应性强等优点，但该方法也存在着生产周期长、效率低、袋材料昂贵、制件尺寸受热压罐体积限制等缺点。

因而该法主要用于制造航空、航天领域的高性能复合材料构件。

2.1.4 模压成型
模压成型工艺（Compression molding ）是在封闭的模腔内，借助加热和压力固化成型复合材料制品的方法；具体的讲，就是将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞
开的金属模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成于模腔相同形状的模具制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。

模压成型是对热固性树脂和热塑性树脂都适用于的纤维增强复合材料的成型方法。

模压成型工艺流程图如下：
模压成型工艺流程图
模压成型工艺特别适用于制造大批量以及精度和重复性要求较高的制品，广泛用于生产家用制品、机壳、电子设备和办公设备的外壳、卡车门和轿车仪表板等汽车部件，也可用于制造连续纤维增强制品。

2.1.5 缠绕成型
缠绕成型（filament winding）是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺，在一种制备各种尺寸回转体的简单方法。

按基体浸渍状态，缠绕工艺分为湿法和干法两种。

具体工艺流程如下：
缠绕成型工艺流程图
缠绕成型的主要特点是能按性能要求配置增强材料，结构效率高；自动化成型，产品质量稳定，生产效率高。

主要用于固体火箭发动机及其他航空、航天结构，压力容器、管道
及管状结构、电绝缘制品、汽车、飞机、快船、轮船和机床传动轴、储罐及风力发电机叶片等。

2.1.6 拉挤成型
拉挤成型（pultrusion）是将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料的方法。

一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化在加热箱中完成。

按工艺工程的连续性，分为间断拉挤成型和连续拉挤成型两种。

具体工艺流程如下：
拉挤成型工艺流程图
拉挤成型的最大特点是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本较低，自动化程度高，制品性能稳定。

主要用作工字型、角型、槽型、异型截面管材，实芯棒以及上述断面构成的组合截面型材。

主要用于电气、电子、化工防腐、文体用品、土木工程和陆上运输等领域。

总之，先进复合材料可以用多种方法成型，在选择成型方法时，应根据制品结构、用途、产量、成本以及生产条件综合考虑，选择最简单和最经济的成型方法。

2.2 金属基复合材料的制备工艺
金属基复合材料在多数制备过程是将复合过程与成型过程合为一体，同时完成复合和成型。

由于基体金属熔点、物理和化学性质不同，增强物的几何形状、化学、物理性质不同，应选用不同的制造工艺。

现有的制造工艺有：粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、反应自生法等。

归纳起来可分为以下几大类：固态法、液态法和自生成法及其他制备法。

2.2.1 固态法
将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒等）按设计要求以一定的含量、分布、方向混合或排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合在一起，形成复合材料。

整个工艺工程处于较低的温度，金属基体和增强物都处于固态。

金属基体与增强物之间的界面反应不严重。

粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法等均属于固态复合成型方法。

2.2.2 液态法
液态法是金属基体处于熔融状态下与固态增强物复合成材料的方法。

金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙。

为了克服液态金属基体与增强物浸润性差的问题，可用加压浸渗。

金属液在超过某一临界压力时，能渗入增强物的微小间隙，而形成复合材料。

也可通过在增强物表面涂层处理使金属液与增强物自发浸润。

液态法制备金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重的界面反应，有效控制界面反应是液态法的关键。

液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、
锭坯等作为二次加工成零件的原料。

挤压铸造法、真空吸铸、共喷沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、真空压力浸渍法等属于液态法。

2.2.3 自生成法及其他制备法
在基体金属内部通过加入反应物质，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相，如金属化合物TiC、TiB2、Al2O3等微粒起增强作用。

通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。

其他方法还有复合涂（镀）法，将增强物（主要是细颗粒）悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面，形成复合材料层。

也可用等离子、热喷镀法将金属与增强物同时喷镀在底板上形成复合材料。

2.3陶瓷基复合材料的制备工艺
陶瓷基复合材料主要包括：颗粒增强陶瓷复合材料、纤维（晶须）增强陶瓷复合材料和陶瓷层状复合材料，这3种材料的制备工艺不尽相同。

陶瓷基复合材料的制备方法分传统的制备技术和新的制备技术。

新技术主要指在20世纪70年代开始发展起来的技术，如熔体渗透，直接氧化，以化学反应为基础的CVD、CVI，溶胶-凝胶，聚合物热解，自蔓延高温合成等。

陶瓷基复合材料的制备分为两个步骤：第一步是将增强材料掺入未固结（或粉末状）的基体材料中，排列整齐或混合均匀；第二步是运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下制成复合材料制品。

2.3.1 粉末冶金法
工艺流程：
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂等）→均匀混合（球磨、超声等）→冷压成型→（热压）烧结
该方法适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。

2.3.2 浆体法（湿态法）
浆体法是将基体、增强体等混合成浆态，再浇铸成型的制备工艺。

其混合体为浆体形式，混合体中各组元在浆体中呈弥散分布，从而克服了粉末冶金法中个组元混合不均匀的问题。

浆体法制备陶瓷基复合材料的工艺流程图
该方法适用于制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。

2.3.3 热压法
热压法是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常用的方法，一般又把它称为浆料浸渍工艺。

该工艺主要包括以下两个步骤：①增强相渗入没有固化的基体中；②固化的复合材料被热压成型。

热压法的工艺流程如下：
热压法工艺流程图
其中，浆料池中的浆料由陶瓷粉末、溶剂和有机粘结剂组成；另外，再加入一些润湿剂，有助于提高纤维在浆料中的润湿性。

热压法主要用在连续纤维增强玻璃和纤维增强陶瓷复合材料中，该工艺非常适合玻璃或玻璃陶瓷基复合材料，可以制得纤维定向排列、低孔隙率、高强度的陶瓷基复合材料。

但要求基体有较高的熔点或软化点。

2.3.4 冷压烧结法
冷压烧结法是指将陶瓷粉末和纤维冷压，然后烧结。

该方法是借鉴了聚合物生产工艺中的挤压、吹塑、注射等成型工艺，为了快速生产的需要，可以在一定条件下将陶瓷粉体和有机载体混合后，压制成型，除去有机粘结剂，然后烧结成制品。

采用冷压烧结法制备陶瓷基复合材料主要存在以下缺点：1）烧结过程中制品容易收缩，同时最终产品中会有许多裂纹；2）对纤维和晶须增强陶瓷基复合材料进行烧结时，除了会产生陶瓷基体收缩的问题外，由于增强材料具有的长径比高、基体陶瓷热膨胀系数不同、增强材料在基体中排列的方式不同等特性，使得烧结材料在烧结和冷却时易产生缺陷或内应力。

2.3.5 反应烧结法
反应烧结法是通过化学反应直接形成陶瓷基复合材料的方法。

反应烧结可以是固-固、固-液，也可以是气-固反应。

反应烧结法制备Si3N4/SiC基复合材料的工艺流程图如下：
反应烧结法的特点是：（1）基体材料在烧结过程中尺寸基本不变，可制得尺寸精确的构件；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷烧结温度，因此可避免纤维损伤；（4）工艺简单、经济，适于大批量生产。

缺点是合成的材料常常不致密，造成材料力学性能不高。

目前反应烧结法仅限于少量几个体系：反应烧结氮化硅（Si3N4）、氧氮化硅（Si2ON2）和碳化硅（SiC）等。

2.3.6 液态浸渍法
液态浸渍法是通过将陶瓷熔体通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙固化形成复合材料的方法。

用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。

施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。

其工艺流程如下：。