现代材料加工方法课件

层状复合材料
金属／金属，如铝／钢复合板层(或多层管)、陶 瓷镀膜金属
金属／高分子，如树脂包覆板、管、棒、线材， 减振材料，夹层复合板，蜂窝板
陶瓷／陶瓷，如多层陶瓷
陶瓷／高分子，如夹层复合板
高分子／高分子，如多层高分子、人造革、夹层 复合板
图8-3层状复合材料的分类
只要采取适当的预处理，可以在一定的温度或压力的 作用下，或通过塑性变形将许多的金属或合金接合成一体， 并可使其界面达到金属学的接合(也称冶金接合)，各种金 属或合金相互之间的可能组合如表8-1所示。
(3) 梯度复合材料（梯度功能材料）
梯度复合材料中组元的含量沿着某一方向(例如厚度 方向)产生连续或非连续的变化，组元连续变化的称为连 续梯度复合材料，非连续变化的称为非连续梯度复合材料， 如图8-4所示。
若按强化材料的形态来分，又可分为颗粒(粒子)弥散强 化复合材料、晶须强化复合材料，纤维强化复合材料(FRM、 FRC、FRP)三类。
根据强化材料的尺寸，粒子强化复合材料可细分为纳米 复合材料(强化粒子的尺寸为纳米级)与颗粒复合材料(强化 粒子的尺寸在0.1m以上)；纤维强化复合材料可细分为连 续纤维复合材料与非连续纤维(包括长纤维和短纤维)复合材 料。
此外，按照强化材料(颗粒或纤维)是被直接加入基体 之中，还是在基体中通过反应(化学反应)生成的，分散型 复合材料又可分为掺入型与原生(In-situ)复合型。
原生复合材料也称为自生复合材料或原位复合材料。 例如，在粉末冶金成形过程中，利用高温下的内部反应来 生成Al2O3颗粒弥散强化铜基复合材料(称为内部氧化反应 法)：
增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基 体大，或具有其它特性。
增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
复合材料的突出优点之一就是性能的可设计性，它可 以综合各种材料的优点，按需要复合成为综合性能优异的 新型材料。这使得人们对材料的研究将逐步摆脱过去单纯 依靠经验的方法，向着按预定性能设计新材料的方向发展。
这一结果激发了世界规模的复合材料研究热潮， 形成了复合材料的专门学科，并使得复合材料能在 非常广泛的领域得以实际应用。
国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是： 两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而 成的一种多相固体材料。
F.L.Matthews 和 R.D.Rawlings 认为复合材 料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应 满足下面三个条件：
复合材料的种类按分类方法的不同而异。
结构材料； 按用途：
功能材料。
分散(掺和)强化型复合材料、 按组成： 层状复合材料(或称接合型复合材料)、
梯度复合材料(或称梯度功能材料)等。
（1）分散强化型复合材料
分散强化型复合材料是指一种或一种以上的材料(强 化相)分散在另一种材料(基体)之中的一类复合材料，如图 8-1所示。
① 组元含量大于 5 %； ② 复合材料的性能显著不同于各组元的性能；
③ 通过各种方法混合而成。
复合材料由基体和增强剂两个组分构成：
复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体； 而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分 散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显 著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。
现代复合材料的起源，一般公认为1942年， 即美国Pittsburgh Plate Glass公司将玻璃纤维织 网含浸于芳基酯系非饱和聚酯树脂之中，然后将含 浸网叠合起来，施以固化处理，意外地制得一种在 性能上从未有过的高弹性率、高强度的树脂板，俗 称玻璃钢。这一年中玻璃纤维增强聚酯树脂复合材 料首次被美国空军用于制造飞机构件。
2Cu-Al + 3CuO5Cu + Al2O3
（2） 层状复合材料
层状复合材料是各组元材料自成一个或数个整体，组 元之间以界面接合的方式复合成一体，因而也称为接合型 复合材料。传统的包覆材料，如铝包钢线、复合钢板(多 层复合板)以及减振板等是典型的层状复合材料，如图8-2 所示。
按照构成复合材料组元的类型不同，层状复合材料又 可细分为金属／金属复合材料，金属／陶瓷复合材料等多 种，如图8-3所示。
由于金属与陶瓷之间热膨胀系数通常相差很大， 直接将陶瓷与金属复合在一起的双层管，其耐热冲击、 热疲劳性能差，使用时陶瓷层容易产生裂纹、剥落等 问题。解决这一问题的理想方法是陶瓷与金属在成分 上实现梯度化，即沿着管材壁厚方向由内表面层百分 之百的陶瓷连续过渡到外表面层百分之百的金属。
按照基体材料的种类不同，分散强化型复合材料可分为 三大类：
① 金属基复合材料(metal matrix composites：MMC)； ② 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites：CMC)； ③ 高分子基复合材料(polymer matrix composites：PMC)。
第8章 塑性加工复合
§8.1 复合材料与复合方法
1. 复合材料 复合材料，顾名思义，就是由两种或两种以上的材料
经过一定的复合工艺制造出来的一种新型材料。自然界中 原本就存在着许多天然的复合材料。例如，树木和竹子是 纤维素和木质素的复合体，动物骨骼则是由无机磷酸盐和 蛋白质胶原复合而成的。人类很早就接触和使用了各种天 然的复合材料，并且仿效自然界制造复合材料。例如，早 在6000多年前，我国陕西半坡人就懂得将草梗合泥用以筑 墙；而我国著名的传统工艺品——漆器正是由麻纤维和土 漆制作的人工复合材料，至今已有4000多年的历史。
组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化， 赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。因 此，梯度复合材料也称梯度功能材料(functionally gradient materals，FGM)。
例如，金属具有良好的韧性、耐疲劳性与可加工 性(结构性)，而陶瓷材料则具有优良的耐高温、耐腐 蚀性能。内层为陶瓷、外层为金属的复合管可以满足 燃气涡轮机、航天与航空飞行器发动机燃烧器等部件 既需要耐高温、耐腐蚀。又需要作为结构材料的可加 工性这样的综合性能要求。