颗粒增强复合材料

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
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。
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
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。
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。
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
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
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。
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。
火花等离子体烧结
• 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
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。
原位源自文库聚法
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。
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。
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
• 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
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。
● 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
• 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
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。
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。
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)
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
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
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