材料合成与制备第四章复合材料的制备

为物理结合。 ❖ 金属基部分以物理方式结合。 ❖ 陶瓷基几乎不以这种方式结合。
2. 扩散融合
❖ 两相成分不同，经扩散或熔融形成过渡层，性质介于两 相之间，结合力较强。
❖ 金属与陶瓷基复合温度较高，小分子和原子易于扩散， 较常见。
3. 化学结合
❖ 化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学 反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。
发展纳米复合材料 发展仿生复合材料
4.2 基体材料
❖ 基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。
❖ 选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。
玻璃纤维
4.3 增强材料
低档 20～40元/Kg
芳纶纤维 中档 200～400元/ Kg
• 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级； • 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。
因密度低～2.5，比模量高。 • 断裂延伸率：低～3%
(2).热学性能 • 导热系数：比块玻璃低1～2个数量级 • 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 < 500℃; 耐热玻纤(石英，高硅氧) <1200℃
(3). 电性能 碱玻璃电绝缘性差，随湿度↗，绝缘性↘。 无碱玻璃电绝缘性好。
四、复合材料发展史
几乎所有的生物材料都是复合材料－ 竹子、骨骼、贝壳等等
古代人们用草梗和泥造墙，用稻草和 泥做屋顶
五、复合材料的命名与分类 命名方法：
（1） 基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常 用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料 的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加上 “复合材料”
很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要 求，不能满足现代科学技术发展的需要。
二、复合材料的定义
（各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一 的说法）
广义的定义：
复 合 材 料 是指由两种或两种以上的不同材料，通 过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多 相固体材料。
注意：所研究的复合材料与化合物材料、混合材料的区别。 ❖ 主要体现在： ❖ 多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”
2、信息电子、生物方面的应用
光导纤维，电子设备的电路板，磁带磁盘， 机壳和屏蔽
修复和更换脏器、人造骨
3、人类生活方面的应用
铝木复合门窗
汽车保险杠和底板、发动机 罩等，甚至全复合材料汽车
杆跳 高 撑
4、节约能源、开发能源方面应用
5、环境方面应用
复合地板
玻璃钢管道
十、复合材料的发展趋势
发展功能、多功能、机敏、智能复合 材料
金属基、树脂基、陶瓷基
按材料作用分类
结构复合材料、功能复合材料
六、 复合材料的性能
共同的特点：
取长补短，协同作用 性能的可设计性 可制成所需的任意形状的产品，
可避免多次加工工序
七、 复合材料的性能比较
性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是 它们的结合界面、成型工艺等。
1、取决于增强相的性能 ⑴.比强度比刚度高 ⑵.冲击韧性和断裂韧性高 ⑶.耐疲劳性好 ⑷.减震性 ⑸.热膨胀系数小
60 ～ 250℃ 400 ～ 800℃ 1000 ～ 1500℃
⑶、耐自然老化 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑷、导热导电性 金属基 > 陶瓷基 > 树脂基
⑸、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 > 金属基
⑹、工艺性及生产成本 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
八、复合材料设计
1、设计的三个层次： 单层设计 --- 微观力学方法 层合体设计 --- 宏观力学方法 产品结构设计 --- 结构力学方法
碳纤维
高档 600～1000元/ Kg
SiC纤维
陶瓷颗粒
金属和陶瓷基
Al2O3纤维 金属丝
一. 玻璃纤维GF
1. 品种 有碱玻璃纤维
Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）
中碱玻璃纤维 Na2O (10.5～12.5%) 用量少
无碱玻璃纤维 Ca-Al-B-Si系
用量大
高强玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维 Mg-Al-Si系 或B2O3系中加入BeO
（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤 维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强 复合材料等。
（3）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合 材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
复合材料分类：
按增强材料形态分类
颗粒、纤维、层片
按增强纤维种类分类
长纤维、短纤维、晶须
按基体材料分类
碳纤维
碳纤维板
碳纤维编织环
碳纤维编织布
碳管
1．制备方法
⑴．碳化法 —— 生产长纤维 ❖ 拉丝： 制有机长纤维 ❖ 牵伸： 规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。 ❖ 预氧化：低温，～400℃ ，防止热塑化。 ❖ 碳化： 1000～2000℃，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，
得乱层环状石墨。 ❖ 石墨化： 2000～3000℃，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成
定义：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型， 室温（或加热）、无压（或低压）条件下固化，脱模成 制品的工艺方法。
模具 准备
树脂胶 液配制
增强材 料准备
涂脱 模剂
手糊成 型
固 脱 后处 检 制 化模 理 验品
手糊成型工艺流程
1. 原材料选择 聚合物基体： 能在室温下凝胶、固化，且无低分子物产生 能配制成粘度适当的胶液（0.2百度文库0.5 Pa·S） 无毒或低毒，价格便宜
❖ 液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。 ❖ 粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。 ❖ 极性树脂如：酚醛、聚酰胺、环氧等，与极性纤维
具有良好的润湿性，并可形成次价键结合。 ❖ 非极性树脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，
结合力弱，复合效果差。
总之：
❖ 物理结合是一种比较弱的结合方式。 ❖ 树脂基复合材料若不经特殊处理，多
⑶．物理性能 导热、导电、自润滑。
⑷．化学性能 耐酸碱性强，高温抗氧化性差。与金
属复合易引起界面反应。
三. 芳纶纤维KF(高强度有机纤维)
芳纶纤维
芳纶编织布
芳纶复合防弹衣
航空、航天器
防弹头盔
自行车链轮
性能 ⑴．力学性能 • 纵向拉伸强度与CF相当； 密度低1.44，比强度
大。 • 横向强度低。 • 弹性模量CF > KF > GF • 抗冲击性能很好。 ⑵．热学性能
2. 模具的设计与制造 模具类型：单模（阳模、阴模），对模
2. GF的制备
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。
粗纱 初级纱 中级纱 高级纱
30μm 20μm 10～20μm 3～10μm
浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有： 石蜡乳液 复合前须清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有机硅类 不必清除
3.GF的性能 (1).力学性能
4.5 树脂基复合材料的制备方法
成型固化工艺：
成型：将预浸料铺置成一定的形状
固化：在温度、时间和压力等因素影响下使形
成型方法：
状固定下来，并达到预定性能要求
手糊成型，压力袋成型，树脂注射和树脂传递成型，
喷射成型，模压成型，注射成型，挤出成型，纤维
缠绕成型，连续板材成型，离心浇注成型
4.5.1 手糊工艺
❖ 树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通 常采用偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂直接加到液 态树脂中，以便形成化学键结合。
❖ 金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数情况在界面 上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是 高温使用的材料，应防止反应发生。
二. 增强材料的表面处理
❖ 为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维 进行的预处理 —— 表面改性。
聚合碳结晶。 ⑵．气相法 —— 生产短纤维
高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。
2.CF 性能
⑴．力学性能 • 强度约为GF的2倍 • 模量约为GF的3～5倍 • 密度低1.7～2，所以比强度、比模量高。 • 断裂延伸率0.5～2%
⑵．热学性能 升华温度高达3800℃，耐高温性好。热膨胀系数
小，纵向为负。
和“化合材料”的两大特征。 ❖ 举例：砂子与石子混合，合金或高分子聚合物 ❖ 狭义定义： ❖ （通常研究的内容：）用纤维、颗粒增强树脂、金属、无
机非金属材料所得的多相固体材料。 ❖ 由此可以得出：
复合材料 = 增强材料 ＋ 基体材料
例如：
❖ 天然木材 ---- 纤维素纤维 + 木质素 ❖ 钢筋混凝土---- 砂、石、钢筋 + 水泥 ❖ 玻璃钢 ---- 玻璃纤维 + 热固性树脂
层合体设计
2、特点：
• 性能可设计性强 （可调因素多）
• 材料设计与结构设计相关联
• 性能预测性差
如: 加和法
f A A fB B
没有考虑界面结合的影响，预测性很差。
九、复合材料的应用
战车
陶
导弹
瓷
刀
具
1、航空航天、武器方面的应用
波音787“梦幻客 机”半成机身材 料为轻型复合材 料，而波音777 型客机机身轻型 复合材料比例仅 为12％。由此， “梦幻客机”更 轻更省油。
常用：不饱和聚酯树脂（约占80%），环氧树脂 航空材料：双马来酰亚胺（湿热型，断裂韧性高）； 聚酰亚胺（耐高温、辐射，良导电性）
增强材料：
常用玻璃纤维及其织物（无碱纤维、中 碱纤维、有碱纤维、玻璃纤维细布）， 少量碳纤维、芳伦纤维。
常用外脱模剂：
薄膜型：聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃纸 混合溶液型：聚乙烯醇溶液 蜡型脱模剂：
4. 与金属基复合的纤维
目的： 提高浸润性，抑制化学反应。 • CF、BF与金属反应活性高，化学相容性差； • 氮化物、碳化物纤维反应活性较低； • Al2O3反应活性最低。
措施： • 降低复合温度，减少高温停留时间。 • 涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。
• 镀覆金属层，改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。
裂纹扩展示意图
各种材料的比强度和比模量
材料
密度 抗拉强度 弹性模量 比强度 比模量 g/cm3 103MPa 105MPa 107cm 109cm
钢
7.8
1.03
2.1
0.13 0.27
铝合金
2.8
0.47
0.75
0.17 0.26
钛合金
4.5
0.96
1.14
0.21 0.25
玻璃钢
2.0
1.06
0.4
0.53 0.20
碳纤维/环氧 1.45
1.50
1.4
1.03 0.97
有机纤维/环氧 1.4
1.4
0.8
1.0 0.57
硼纤维/环氧
2.1
1.38
2.1
0.66 1.0
硼纤维/铝
2.65
1.0
2.0
0.38 0.57
2、取决于基体相的性能
⑴、硬度 陶瓷基 > 金属基 > 树脂基
⑵、耐热性 树脂基: 金属基: 陶瓷基:
❖ 要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。
树脂基 —— 提高化学结合 金属及陶瓷基 —— 抑制化学反应
1．玻璃纤维 ❖ 引入偶联剂。 2. 碳纤维
• 氧化法 ---- 提高表面粗造度和极性。 • 沉积法 ---- CVD沉积碳晶须。 • 电聚合法 ---- 接枝高分子支链 3．芳纶等有机纤维
等离子处理，使苯环氧化成 -COOH、 -OH ；或 接枝聚合生成高分子支链。
长期使用 < 200℃ ⑶．化学性能
耐中性化学品腐蚀，吸水率高。
四.其它纤维 SiC纤维 B纤维 Al2O3纤维 晶须
4.4 复合界面
❖ 复合过程中，材料通过润湿、渗透、 扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区——界面。
❖ 基体－扩散层－化合物层
基体
－扩散层－纤维
纤维
一．典型界面结合 1. 物理结合 （机械咬合 + 次价键结合）
(4). 耐蚀性 纤维比表面积大，化学稳定性差。
二、碳纤维CF
❖ 由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石 墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。
❖ 具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系 数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。
❖ 由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构 件，如航天航空、高档体育器材中。
《材料合成与制备》
材料合成与制备
第一章 单晶材料的制备 第二章 非晶态材料的制备 第三章 薄膜的制备 第四章 复合材料的制备 第五章 功能陶瓷及结构陶瓷的合成与制备 第六章 常见材料生产制备工艺介绍 第七章 功能高分子材料的制备
第四章 复合材料的制备
4.1 概述
一、复合材料出现的必然性
现代高科技的发展对材料提出了更高、更苛刻 的要求。航空、航天和海洋开发领域的发展、现 代武器系统，要求材料质轻、高强、高韧、耐热、 抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀、吸波、隐身等特点。