颗粒增强复合材料

碳化硅颗粒增强铝基复合材料中SiC颗 粒的热膨胀系数仅是铝合金的1/6左右, 复合材料从高温到室温的冷却过程中, 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的界面处 将产生较大的热应力,当热应力高于基 体合金的屈服强度时,基体合金将发生 塑性变形,使基体合金中产生较高的位 错密度,基体合金中高密度位错使合金 得到强化,从而进一步提高了复合材料 的强度。
成品
溶胶 - 凝胶法
粉末溶于分散剂中 形成溶胶
加入聚合物溶解
去除溶剂得成品
关键在于寻找一种能对纳米粉末 进行良好分散作用的溶剂， 使纳米 粉末加入后能形成溶胶。该法在聚合物基质与填充 物纳米晶体之间存在着紧密的相互作用，纳米晶体在聚合 物基质中的分散达到了显微水平的均匀复合。因此，复合 材料的强度和弹性模量得到较大的提高。
基体承受载荷， 弥散分布的增强 颗粒阻碍导致基 体塑性变形的位 错运动，如果位 错能量较大则会 切开第二相，继 续运动，使其能 量降低。
常见的制备方法
粉末冶金法制备复合材料流程
颗粒金属 粉末混匀
有机粘合 剂
混炼a
压制成型
成品
校正、蒸 汽处理
机械加工、 整形、热 处理
烧结
粉末冶金法制备颗粒增强复合材料多采用机械混 合,较易制备颗粒均匀分布的复合材料,因而广泛 地应用在实验室的基础研究中。但粉末冶金法制 备复合材料受初始基体合金的显微组织、粉末尺 寸和热压条件等因素的影响。而且其制备工艺成 本高,而且复合材料的显微组织无法改变,在实际 生产中难以制造大尺寸和形状复杂的零件。
一、自蔓延高温合成
● 自蔓延高温合成
实质：就是一种高 放热化学反应！
(Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS) 概念：利用化学反应放出的热量使燃烧反应自发的进行下去，以获 得具有指定成分和结构的燃烧产物。
强烈的放热反应
反应以反应波 的形式传播
热等静压技术基本原理示意图 1.上盖，2.高压缸，3.发热体， 4.工件，5.下盖，6.泵
作压力常为100~200MPa。
等静压技术特点：
• 等静压成型的制品密度高，一般要比单向和双向模压成型 高5 -15% 。热等静压制品相对密度可达99.8％-99.09％ 。
• 压坯的密度均匀一致。在摸压成型中，无论是单向、还是 双向压制，都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的 变化在压制复杂形状制品时，往往可达到10% 以上。这是 由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质 传递压力，在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致， 粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力 只有轻微地下降，这种密度一般只有1% 以下，因此，可认 为坯体密度是均匀的。
弥散增强复合材料（粒径0.01~0.1um, 间距0.01~0.3um）
纯颗粒复合材料（粒径1~50μm， 间距1~25μm）
空心微球（球径10~30μm，壁厚1~10μm）
按 基 体 分 类
1
颗粒弥散强化陶瓷
2
颗粒增强金属
3
颗粒增强聚合物
颗粒强化机制
基体承受载荷， 弥散分布的增 强颗粒阻碍导 致基体塑性变 形的位错运动， 随着外加应力 的逐渐增大位 错越来越弯曲， 最终形成位错 环。
搅拌铸造法
搅拌铸造法是将陶瓷增强 颗粒直接加入到基体金属 熔体中，然后通过一定方 式搅拌使增强颗粒 分散在金属熔体中，最后 浇铸得到工件，其工艺示 意图，如右图所示。搅拌 铸造法工艺相对简单，制 造成本较低，是一种适合 于工业规模生产颗粒增强 铁基复合材料的技术。
但搅拌铸造法也有很多缺陷以及改善措 施如下表
喷射沉积法
喷射沉积法的原理：合金熔液经 过喷射雾利后形成高速飞行的液 滴。这些液滴在完成凝固之前沉
积在激冷汗基板上快速凝固。通
过连续沉积可获得大尺寸的快速
1-沉积室；2-基板；3-喷射流；4体雾化室； 5-合金溶液；6-坩埚；7-雾化气体； 凝固制件。 8-沉积体；9-运动机构；10-排气
在回转体表面进行喷射沉 积的工艺原理图。通过维
持圆柱基底（基棒）的平
动与转动，在其表面喷射 沉积具有快速凝固组织特 征的材料。除了圆柱体外， 还可以进行圆锥、圆鼓等
1-圆柱沉积坯； 2-感应加热坩 埚； 3-喷嘴； 4-沉积室；5-基棒； 6-排气管；7-循环分离器
各种复杂形状回转体的沉 积。
火花等Байду номын сангаас子体烧结
• 等离子体烧结是利用 等离子体所特有的高 温、高焓,快速烧成陶 瓷的一种新工艺,其原 理如右图
• 因为密度均匀，所以制作长径比可不受限制，这 就有利于生产棒状、管状细而长的产品。
• 等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑
剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造
工序。 • 等静压成型的制品，性能优异，生产周期短，应 用范围广。等静压成型工艺的缺点是，工艺效率 较低，设备昴贵。
热压成形法
主要内容
3 1 2 3 颗粒增强复合材料简介 常见制备方法及应用 颗粒增强复合材料的应用
简介
定义：为了改善复合材料的力学性能，提 高断裂功、耐磨性、硬度等性能，向材料 中添加高硬度、耐腐蚀、耐磨擦的颗粒材 料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、 Mo S2、Si3N4、Ti B2、BN、C（石墨）等
乳化剂法
颗粒或聚合 物 除乳 化剂
乳化
微球体 混合
多孔复合材 料
加热 除致孔剂 模具成型
● 燃烧合成（combustion synthesis)：
燃烧：任何具有化学特征、结果能生成有实用价值的凝聚物的放热 反应都可称谓燃烧。
自蔓延合成的要求：
• 1、剧烈的放热反应
• 2、绝热燃烧温度（Ta）
1） 要使燃烧能够自持，产物的Ta大于1800K； 2） Ta大于产物熔点，存在液相，反应易进行
自蔓延高温合成技术
* 自蔓延高温合成技术是一种利用反应物之间 * 高化学反应热的自加热和自传导过程,来合 成材料的一种新技术。即利用外部热源,将 原料预先压制成一定密度的坯件,进行局部 或整体加热,当温度达到点燃温度时,撤掉外 部热源,利用原料颗粒发生的固体与固体反 应,或者固体与气体反应放出的大量反应热 (如铝热反应)使反应继续进行,所有原料反应 结束后生成所需材料。
等离子体烧结的优点
1)可烧制难烧结的材料。等离子体可快速地获得2 000℃以 上的超高温,因而可以烧制用一般方法难以烧结的物质,包 括复相陶瓷的反应烧结; (2)烧结时间短。陶瓷坯体通过表面与高温高焓等离子体 的热交换,可获得极高的升温速度； (3)烧结体纯度高、致密度高、晶粒度小,性能优越。由于 烧结时间短,烧结过程中不会混入杂质,可以阻止异常晶粒 长大,因而得到的陶瓷晶粒度小而均匀,其力学性能也很高; (4)可以连续烧结长形的陶瓷制品,如管、棒等; (5)其装置相对较简单,能量利用率高,运行费用低,而且容易 实现自动化
压力铸造
压力铸造简称压铸，是指将液态或半液态合金浇入压 铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在 高压下成形和结晶而获得铸件的一种铸造技术。
压铸最大的特点是生产效率高，铸件质量好。但只适合 用于大批量生产有色合金中小铸件。
压力铸造法制备碳化硅颗粒增强铝基复 合材料的过程主要包括颗粒预制块的制 备和液态铝合金在一定压力下渗入预制 块中2部分SiC颗粒在复合材料中分布的均 匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度来 决定,并取决于预制块的制备工艺。复合 材料的孔隙率和碳化硅颗粒增强铝基复 合材料界面结合状态与压铸工艺参数密 切相关
渗透法制备颗粒增强复合材料
主要过程：模子制备好后,将SiC颗 粒加入模内;将助渗剂加入模内与 SiC颗粒均匀混合,或放入铝液中; 将铝或者铝合金 液经精炼后浇入模内。将浇注铝 液后的模子放入普通空气加热炉 中,温度控制在850～ 950℃范围内, 根据零件厚度保温一段时间,以便 获得一定渗透厚度的试件,保温结 束后,炉冷至500℃ ,出炉脱模就可 获得一定外形的铝基复合材料。
搅拌
除去溶a剂
成型
处理过的粉 末
将粉末表面处理后加入到 溶解有聚合物的溶剂中， 搅拌均匀后除去溶剂。但 此种方法得到的材料相对 于熔融法性能稍差。
原位共聚法
颗粒与聚合物 单体一定比例 混匀
加入引发a剂
反应并除水
原位共聚法制得的 聚合物 材料中两类材料之间存在 化学结合力，复合材料有 较高的压缩强度和抗张强 度。
• 是一种在高温和高压同时作用 下，使物料经受等静压的工艺 技术，它不仅用于粉末体的固 结工艺成型与烧结两步作业一 并完成。而且还用于工件的扩 散粘结，铸件缺陷的消除，复 杂形状零件的制作等。在热等 静压中，一般采用氩、氨等惰 性气体作压力传递介质，包套 材料通常用金属或玻璃。工作 温度一般为1000~2200℃ ，工
颗粒与a聚合 物混匀
一定的压力和 温度
保温保压一段 时间
这种方法不适用于熔点较高易 分解的聚合物
成品
熔融共混法
加热 聚合物颗a粒 粘流态a
混炼 成型
将粉末表面处理后加入到 处于玻璃化温度以上的聚 合物中共混，但此种方法 得到的材料中颗粒分布不 均匀且有明显团聚的现象。
处理过的粉 末
溶液共混法
聚合物溶解 于溶剂
微波烧结
微波烧结是利用陶瓷及其复合材料在微波电 磁场中的介电损耗,将整体加热至烧结温度而 实现致密化的快速烧结工艺。微波烧结的本 质是微波电磁场与材料的相互作用,由高频交 变电磁场引起陶瓷材料a内部的自由束缚电荷, 如偶极子、离子和电子等的反复极化和剧烈 运动,在分子间产生碰撞、摩擦和内耗,将微波 能转变成热能,从而产生高温,达到烧结的目的。
Ta---绝热温度: 反应过程中能达到的最高温度.
自蔓延工艺优点
* 此工艺最大的优点是 节能,不需要高温设备, 其反应温度可达2 500℃以上,反应速度快、 节能、方法简便、经 济等。与传统方法相 比,自蔓延高温合成技 术获得的零件,有好的 颗粒单晶性、高的纯 度和高的结构稳定性。
热等静压技术(hot isostatic pressing，简称HIP)
我们常见复合材料增强方式有：纤维 增强和颗粒增强，纤维增强方法由于 纤维的排布方式不同对材料的各向性 能具有较大的影响，在纤维伸展方向 材料的力学性能显著加强，而在垂直 与该方向则没有很大改变，另外纤维 成本较高，相比纤维增强颗粒增前具 有成本低，易于混匀，对材料性能改 善较为均一。
分类
按 颗 粒 尺 寸 间 距 分 类
微波烧结具有以下优点
(1)极快的加热和烧结速度,一般可达500℃/min,大 大缩短了烧结时间; (2)降低烧结温度。可以在低于常规烧结温度几百 度的情况下,烧结出与常规方法同样密度的制品; (3)改进材料的显微结构和宏观性能。由于烧结速 度快、时间短,从而避免了陶瓷材料烧结过程中晶 粒的异常长大,有希望获得具有高强度、高韧性的 超细晶粒的结构; (4)经济简便地获得2 000℃以上的超高温; (5)高效节能,节能效率可达50%左右。这是因为微 波直接为材料吸收转化成热能,烧结时间特别短; (6)无热惯性,便于实现烧结的瞬时升、降温的 自动控制。