10.【复合材料】材料复合新技术(1)

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气-液反应法
• 反应原理：将含有反应元素或本身就是反应元素 的气体通入高温金属熔体中，利用气体本身或气 体中分解的元素与金属熔体发生反应生成陶瓷粒 子对金属基体进行增强。 • 使用的气体可以是参加反应的气体和惰性载气组 成 • 该技术可以利用气体中含有碳、氮或氧，通入金 属熔体后，形成碳化物、氮化物或氧化物。
原位复合的原理
• 根据材料设计的要求选择适当的反应剂（气相、液相或固 相），在适合的温度下借助于基材之间的物理化学反应， 原位生成分布均匀的第二相（或称增强相）。
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原位复合材料优点
• 第二相与基体间界面无污染，两者之间界面结合状态明显 改善，使材料具有优良的热力学稳定性。 • 实现特殊的显微结构设计并获得特殊性能，避免第二相界 面结合不牢固、分散不均匀、因化学反应使组成物相丧失 以及像烧结法形成的降低材料高温性能的晶界玻璃相等问 题。
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原位复合技术
• 金属基复合材料原位复合技术 • 陶瓷基复合材料原位复合技术 • 聚合物基原位复合技术
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Cu-Fe-Cr-
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金属基原位复合技术
• 固相反应 • 液-固相反应 • 气-液反应法 • 反应喷射沉积成型技术
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SHS多孔体制备技术
• 金属或非金属－气体系统经燃烧直接合成所需几何尺寸和 形状以及孔隙率的材料，而无需经过预制粉末压坯和致密 化阶段。 • 可用于生产非氧化物陶瓷
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SHS焊接技术
• 在待焊接的两块材料之间填进合适的燃烧反应原料，以一 定的压力夹紧待焊材料，待中间原料的燃烧反应过程完成 后，即实现两块材料间的焊接。
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小结
• • • • • 原位复合技术 自蔓延高温合成技术 梯度复合技术 金属直接氧化技术 自组装技术
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共沉淀技术的优点
• 增强相微纤维生成于共沉淀过程中，微纤维表面 洁净，分散均匀。 • 微纤维直径仅为纳米级 • 微纤维不仅起到增强作用，还促进树脂基体的结 晶 • 适用于不相容两聚合物体系。
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原位聚合技术
• 原理：利用聚合物单体在外力作用下，如氧化、 光、电、热、辐射等，原位产生聚合或共聚，使 得某一种聚合物或其它物质均匀分散在聚合物基 体中，起到对复合材料改性的作用。
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三种反应模式
• 气体与合金液滴之间的气-液化 学反应
Fe-Al + + N2 N2/O2 Fe-Al Fe-Al Cu-Al + N2/O2 Cu-Al + + + Al2O3 AlN Al2O3
• 将含有反应剂元素的合金液混 合并雾化，或将含有反应剂元 素的合金液在雾化时共喷混合， 从而发生液-液的化学反应。 • 液滴和外加反应剂粒子之间的 固-液化学反应。
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熔融共混技术的优点
• 制备工艺简单 • 增强相种类多 • 由于增强相微纤维是在制备过程中产生的，其表面洁净均 匀 • 微纤维不仅起到增强剂的作用，还起到加工助剂和促进树 脂基体结晶的作用 • 可以近终形成型，制备形状复杂的产品
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熔融共沉淀技术
• 原理：在树脂基体中通过共溶液、共沉淀均匀分 散制备聚合物微纤维的技术。 • 解决了熔融共混技术中不相熔聚合物不能成纤的 问题。
• 通过金属间反应生成金属间化合物或陶瓷粒子均匀分布于 金属基体中。 • 增强物可以是硼化物、碳化物、氮化物等增强颗粒。 • 主要用来制备铝镍、铝钛等金属间化合物基复合材料 • 已经制备的TIB2/NiAl，TIB2/TiAl，SiC/MoSi2
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固相反应法技术优点
• 增强相种类多 • 增强相体积百分比可以通过控制反应剂的比例和 含量加以控制 • 增强相粒子的大小可以通过调节加热温度控制 • 可以制备金属基复合材料和金属间化合物等金属 基复合材料 • 熔融状态下反应一步成型
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液-固相反ห้องสมุดไป่ตู้法
• 原理：在基体金属熔液中加入能反应生成预期增 强颗粒的固态元素或化合物，在熔融的基体合金 中，在一定的反应温度下反应，生成细小、弥散、 稳定的陶瓷或金属间化合物的颗粒增强物，形成 自生增强金属基复合材料。
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液-固相反应法特点
• 该方法适用于铝基、镁基、铁基等复合材料 • 增强物与基体金属界面干净、结合良好，增强物 的性质稳定，增强颗粒大小、数量与工艺过程、 反应元素加入量关系密切。
SHS致密化技术
• 液相密实化技术 • 粉末烧结致密化技术 • 结合压力密实化技术 气压 液压 锻压 机械加压
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SHS熔铸技术
• 通过选择高放热性反应物形成超过产物熔点的燃 烧温度，从而获得难熔物质的液相，对该高温液 相进行传统的铸造处理，可以获得铸锭或铸件。 • 自蔓延熔铸工艺和利辛SHS复合工艺
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反应原理方程
CH4 M-X + [C]
[C]
+
2H2(g) M + XC(s)
•M不反应部分 不反应部分
X可反应部分 可反应部分
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气-液反应技术优点
• 生成粒子速度快、表面洁净、粒度细（0.1-2微米） • 工艺连续性好 • 反应后熔体可进一步近终形成型 • 成本低 • 不足：增强相种类有限，体积分数不高，需要处理的温度 高，某些增强相易偏析。
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原位复合技术
• 什么是原位复合？ 原位复合就是材料中的第二相或者复合材料中的增强相生 成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之前就有，而 是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金 属、陶瓷或者高分子等物相，它们能以颗粒、晶须、晶板 或纤维等显微组织形式存在于基体中。
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聚合物基复合材料原位复合技术
• 熔融共混技术 • 溶液共沉淀技术 • 原位聚合技术
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熔融共混技术
• 原理：通过热致液晶聚合物（TLCP）和热塑性树脂共混 物进行挤塑注塑等，在熔融共混加工过程中，使刚性棒状 分子的TLCP沿受力方向取向排列，在热塑性树脂基体中 原位形成足够长径比的纤维。 • 纤维直径小、比表面积大，与基体结合良好，可均匀的分 布在基体中形成骨架，起到承受应力和应力分散的作用， 从而达到增强基体的作用。
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反应喷射成型技术
• 在喷射沉积过程中，金属液流被雾化成粒径很小的液滴， 他们具有很大的比表面积，同时又具有一定的高温，为喷 射沉积过程中的化学反应提供驱动力。 • 依靠液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应，或在基 体上沉积凝结过程中与外加剂粒子之间的化学反应，生成 粒度细小的增强相陶瓷粒子或金属间化合物粒子，均匀分 散于金属基体中形成颗粒增强的金属基复合材料。
固相反应
• 把预期构成增强相的两种组分（元素）粉末与基体金属粉 末均匀混合，然后加热到基体熔点以上的温度，当达到两 种元素的反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升 高，并在基体金属熔液中生成陶瓷或金属间化合物的颗粒 增强物，颗粒分布均匀，颗粒与基体金属的界面干净，结 合力强。
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固相反应特点
Fe-Al
Cu-B MO +
+ X
Cu-Ti M
Cu/TiB2 + XO
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反应喷射成型技术优点
• 可近终成型 • 可在复合材料中获得分散的大体积分数增强相粒子 • 在液-固模式的反应中有大量的反应热产生，有利于促进 反应的进行并可节能。 • 原料成本低，工艺简单 • 不会产生铸造法中陶瓷相粒子分布不均的现象 • 粒子分布均匀，且粒径大小基本可控制
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Beijing Technology and Business University
材料复合新技术
材料复合技术概述
• 合成复合材料的原有方法 烧结法、熔体渗透、化学气相渗透、有机聚合物浸渍 • 新技术 原位复合技术、自蔓延高温合成（SHS）、金属直接氧化 技术、梯度复合技术、分子自组装技术
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SHS涂层技术
• 熔铸涂层和气相传输SHS涂层 • 熔铸涂层，在一定气体压力下，利用SHS反应在 金属工件表面形成高温熔体与金属基体反应，形 成有结合过渡区的金属陶瓷涂层。 • 气相传输SHS涂层，通过气相传输反应，可在金 属、陶瓷或石墨等表面形成10-250微米厚的金属 陶瓷涂层。
• （SHS）是利用配合的原料自身的燃烧反应放出的热量使 化学反应过程自发地持续地进行，进而获得具有指定成分 和结构产物的一种新型材料合成手段。 • 工艺设备简单、工艺周期短、生产效率高 • 无能耗 • 合成过程中极高的温度可对产物进行自纯化，同时极快的 升温和降温速率可获得非平衡结构的产物。
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形变铜基复合材料
• 形变铜基复合材料是指经过大量塑性变形在金属 基体内部原位形成增强纤维，其最大的特点是具 有超高的强度，同时保持较高的电导率，是制备 高强磁场导体材料最有希望的方法之一。
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提高铜基材料综合性能的途径
• 合金化 合金化法主要采用固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变 强化等 传统的材料强化方法 ,由于合金元素的加入不可避 免地降低了铜的电导率。 • 设法在铜基体中引入第二相 ,形成铜基复合材料 。 • 颗粒型和纤维型。
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原位聚合技术优点
• 制备工艺简单 • 能制备较多体系的复合材料 • 第二相或增强相种类多，体积分数高 • 第二相或增强相表面洁净，分散均匀 • 可以制备金属、陶瓷或聚合物第二相或增强相的 聚合物基复合材料
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自蔓延（SHS)高温合成技术