復合材料制備工藝ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ， 分解出陶瓷材料 并沉積在各種增強材料上形成 陶瓷基復合材料 的方法。 2022/2/1 109 ② CVI法 將化學氣相沉積技術運用在 將大量陶瓷材料滲透進增強材料預制坯件 的工藝就稱為 化學氣相滲透工藝 。 2022/2/1 110 從這兩種工藝技術來說， CVD法首先被開發并應用于一些陶瓷纖維的制造和 C/C復合材料的制備； CVI方法 在 CVD技術上發展起來 并被廣泛應用于各種陶瓷基復合材料。 2022/2/1 111 加熱元件 帶孔的擋環 水冷底座 源氣 纖維預成型體 滲透的復合材料 熱區 ,1200 ℃ 逸出的氣體 熱表面 冷表面 CVI工藝示意圖 2022/2/1 112 以 A12O3陶瓷基復合材料為例，反應性混合氣體 (AlCl3／ H2/CO2)在較低的沉積溫度(950~1000℃ )和壓力 (2~3kPa)下發生下列反應： 2022/2/1 113 2AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(g) ? Al2O3(s) + 3CO(g) +6HCl(g) 固態的 Al2O3沉積在纖維表面，最后形成陶瓷基復合材料。 H2(g) + CO2 (g) ?H2O(g) + CO(g) 2022/2/1 114 與 CVD工藝相比， CVI工藝實際上是一種 低溫和低壓工藝 ，這樣就可以避免一般陶瓷基復合材料工藝對增強材料的損傷。 CVI制造的產品，其實際密度可以達到理論密度的 93％ ~94％。 2022/2/1 115 CVI工藝生產 CMC的主要優點： ① 在高溫下有很好的機械性能； ②可以生產一些較大的、形狀復雜的產品； ③產品能較好地保持纖維和基體的抗彎性能。 2022/2/1 116 CVI工藝的主要缺點就是生產工藝時間較長，生產成本較大。 2022/2/1 117 4)溶膠 凝膠法和熱解法 ① 溶膠 凝膠法 溶膠 凝膠（ SolGel）法是運用膠體化學的方法，將含有 金屬化合物的溶液 ，與 增強材料 混合后反應形成 溶膠 ，溶膠在一定的條件下轉化成為 凝膠 ，然后燒結成 CMC的一種工藝。 2022/2/1 118 由于從 凝膠 轉變成 陶瓷 所需的反應溫度要低于傳統工藝中的 熔融和燒結溫度 ，因此，在制造一些 整體的陶瓷構件 時，溶膠 凝膠法有較大的優勢。 2022/2/1 119 ② 熱解法 熱解 (Pyrolysis)法就是 使聚合物先驅體熱解 形成陶瓷基復合材料的方法。 2022/2/1 120 如由 聚碳硅烷 生產 SiC陶瓷基復合材料中，聚合物一般 在熱解過程中 有較高的陶瓷產量、低的收縮、好的機械性能，同時聚合物本身容易制備。 聚合物熱解法可用來生產 SiCf/SiC和Si3N4f/SiC等陶瓷基復合材料。 2022/2/1 121 溶膠 凝膠法和熱解法生產 CMC的優點： ①、 容易控制復合材料的組分，無論是溶膠 還是 聚合物先驅體 都比較容易滲透到纖維中； ②、 最后成型時的溫度較低。 2022/2/1 122 溶膠 凝膠法和熱解法生產 CMC的缺點： ① 、 在燒結時會產生 較大的收縮 ； ②、 收率較低 。 2022/2/1 123 5)自蔓燃高溫合成法 自蔓燃高溫合成 (selfpropagation high temperature synthesis )法就是 利用高效的熱反應 使化學反應自發進行下去 ，最后生成所需要的產品。 2022/2/1 124 自蔓燃高溫合成技術一般用于制造 系列耐火材料 。 該技術生產的產品中一般都有 較多的孔隙 。 為了減少孔隙，在燃燒反應結束后，溫度還相當高的情況下，應立即置于較高壓力。 2022/2/1 125 自蔓燃高溫合成技術中 沒有外加的熱源 ，一些用傳統方法難以生產的陶瓷化合物 通過急劇升溫的高熱反應 被制造出來。 如將鈦粉和碳黑混合，冷壓成型，點燃，迅速引燃后形成碳化鈦。 2022/2/1 126 許多陶瓷產品如 SiC/Al2O3 TiC/ Al2O3 BN/ Al2O3 TiB2/TiC等都可以用 自蔓燃高溫合成法 制造； 另外一些 金屬基的材料 也可以用此法生產，因此在美國、俄羅斯等一些國家，圍繞自蔓燃高溫合成法在不斷研制新的產品和技術。 2022/2/1 127 陶瓷基復合材料的制備工藝 (1)纖維增強 陶瓷基復合材料的制備 纖維增強陶瓷基復合材料的性能取決于多種因素。 2022/2/1 128 從 基體 方面看，與 氣孔 的尺寸及數量、 裂紋 的大小以及一些其他缺陷有關； 從 纖維 方面來看，則與纖維中的雜質 、纖維的 氧化程度 、 損傷 及其他 固有缺陷 有關； 2022/2/1 129 從 基體與纖維的結合 情況看，則與 界面的結合效果 、 纖維在基體中的取向 以及基體與纖維的熱膨脹系數差 有關。 正因為有如此多的影響因素，所以在實際中針對不同的材料， 制作方法 也會不同。 2022/2/1 130 制備工藝主要有以下幾種 ： 1) 泥漿燒鑄法 在 陶瓷泥漿 中把 纖維分散 ，然后澆鑄在 石膏模型 中。 2022/2/1 131 泥漿燒鑄法 比較 古老 ，不受 制品形狀的限制，但對 提高產品性能的效果 不顯著，成本低，工藝簡單，適合于短纖維增強陶瓷基復合材料的制作。 2022/2/1 132 2) 熱壓燒結法 將 長纖維切短 （＜ 3mm），然后 分散 并 與基體粉未混合 ，再進行 熱壓燒結 。 2022/2/1 133 3) 浸漬法 這種方法適用于長纖維。 首先 把纖維編織成所需形狀 ； 然后 用陶瓷泥漿浸漬 ，干燥后進行焙燒。 2022/2/1 134 浸漬法 的優點是 纖維取向可自由調節 ；缺點是 不能制造大尺寸制品 ，而且所得 制品的致密度較低 。 2022/2/1 135 纖維增強陶瓷基復合材料制作過程 ① 碳纖維增強氧化鎂 以 氧化鎂為基體 ， 碳纖維為增強體 （體積含量為 10%左右），在 1200℃ 進行 熱壓成型 獲得復合材料，它的抗破壞能力比 純氧化鎂 高出10倍以上。 2022/2/1 136 但由于碳纖維與氧化鎂的 熱膨脹系數相差一個數量級 ，所以這種復合材料具有 較多裂紋 ，實用價值不大。 2022/2/1 137 ② 石墨纖維增強 Li2Ｏ Al2O3nSiO2 用 石墨纖維 作增強體，以 氧化鋰、氧化鋁和石英組成的復鹽為基體。 把復鹽先制成泥漿，然后使其附著在石墨纖維氈上，把這種氈片無規則地積層，并在 1375~1425℃ 熱壓 5分鐘，壓力為 7MPa。 所得復合材料與基體材料相比 耐力學沖擊和耐熱沖擊 。 2022/2/1 138 ③ 碳纖維增強無定型二氧化硅 基體為 無定型二氧化硅 ，增強體為 碳纖維 ，碳纖維的含量約 50%左右。 這種復合材料 沿纖維方向的彎曲模量 可達150GPa，而且在 800℃ 時仍能保持在 100GPa，在室溫和 800℃ 時的彎曲強度卻達到了 300MPa。 2022/2/1 139 在冷水和 1200℃ 之間進行 熱沖擊實驗 ，基體沒有產生裂紋 。實驗后測定的強度與實驗前完相同。 2022/2/1 140 (2) 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的制備 晶須與顆料的尺寸均很小，用它們進行增韌的陶瓷基復合材料的 制造工藝是基本相同的。 2022/2/1 141 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的制備工藝只需 將晶須或顆粒分散后 并 與基體粉末混合均勻 ，再用 熱壓燒結的方法 即可制得高性能的復合材料。 2022/2/1 142 晶須與顆粒增韌陶瓷基復合材料的工藝過程 把幾種 原料粉末混合 配成坯料的方法可分為 干法和濕法 兩種。 新型陶瓷領域混合處理加工的 微米級、亞微米級粉末方法 由于效率和可靠性等原因大多采用濕法。 1) 配料 2022/2/1 143 濕法 主要以 水 作溶劑，但在氮化硅、碳化硅等 非氧化物系原料 混合時，為防止原料的氧化則使用 有機溶劑 。 混合裝置一般采用 專用球磨機 。 為防止球磨過程中 因磨球和內襯研磨下來的磨削作為雜質 混入原料中，最妤采用與原料材質相同的陶瓷球和內襯。 2022/2/1 144 2) 成型 混好后的料漿在成型時有三種不同的情況： ① 經 一次干燥 制成 粉末坯料 后供給成型工序； ② 把結合劑添加于料漿中，不干燥坯料， 保持漿狀 供給成型工序； ③ 用壓濾機 將料漿狀的粉 脫水后成坯料供給成型工序。 2022/2/1 145 把上述 干燥粉料 充入型模內，加壓后即可成型。 通常有 金屬模成型法 和 橡皮模成型法 。金屬模成型法的裝置簡單，成型成本低廉，但它的加壓方向是單向的，粉末與金屬模壁的摩擦力大，粉末間傳遞壓力不太均勻。 故易造成燒成后的生坯變形或開裂，只能適于形狀比較簡單的制件。 2022/2/1 146 橡皮模成型法 是用靜水壓從各個方向均勻加壓于橡皮模來成型，故不會發生生坯密度不均勻和具有方向性等問題。 由于在成型過程中毛壞與橡皮模接觸而壓成生坯，故難以制成精密形狀，通常還要用剛玉對細節部分進行修整。 另外還有 注射成型法 、 注漿成型法 以及 擠壓成型法 等等，它們各有其特點，但也有其局限性。 2022/2/1 147 3) 燒結 從生坯中 除去粘合劑后的陶瓷素坯 燒結成致密制品的過程叫燒結。 燒結窯爐的種類繁多，按其功能可分為間歇式和連續式。 2022/2/1 148 4) 精加工 燒結后的許多制品還需進行 精加工 。 精加工的目的是為了提高燒成品的 尺寸精度 和 表面平滑性 ，前者主要用 金剛石砂輪進行磨削加工，后者則用 磨料 進行研磨加工。 2022/2/1 149 ? 金屬基復合材料的制備方法及工藝 2022/2/1 150 制備方法的分類 ? 固態法 ：是指基體處于固態制備金屬基復合材料的方法。 ? 將金屬粉末或金屬箔與增強物 (纖維、晶須、顆粒等 )按設計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經加熱、加壓，將金屬基體與增強物復合粘結在一起，形成復合材料。 2022/2/1 151 ? 整個工藝過程處于較低的溫度，金屬基體與增強物均處于固體狀態。 ? 由于溫度較低，金屬與增強物之間的界面反應不嚴重。 ? 粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法、拉拔法等等均屬于固態復合成型方法。 2022/2/1 152 固態法舉例 2022/2/1 153 ? 液態法 ：是指基體金屬處于 熔融狀態 下與固態的增強材料復合在一起的方法。 ? 金屬在熔融態流動性好，在一定的外界條件下容易進入增強物間隙中。 2022/2/1 154 ?為了改善液態金屬基體與固體增強材料之間的潤濕，以及控制高溫下的界面反應，可以采用 加壓浸滲 、 增強材料表面涂覆處理 、 基體中添加合金元素 等措施。 – 采用加壓浸滲：金屬液在超過某一臨界壓力時，金屬液能滲入微小的間隙，形成復合材料。 – 通過纖維、顆粒表面涂層處理使金屬液與增強物的自發浸潤，如制備碳 /鋁復合材料時用的 TiB涂層法。 2022/2/1 155 ? 液態法制造金屬基復合材料時， 制備溫度高 ，易發生 嚴重界面反應 ，有效控制界面反應，是液態法的關鍵。 ? 液態法可用來直接制造復合材料零件，也可用來制造復合絲、復合帶、錠胚等作為二次加工成零件的原料。 擠壓鑄造法、真空吸鑄、真空壓力浸漬法、攪拌復合法、共噴沉積法 等均屬于液態法。 2022/2/1 156 液態法舉例 2022/2/1 157 ? 自生成法（原位自生法）： ? 在基體金屬內部通過加入 反應元素 ，或通入 反應氣體 在液態金屬內部反應，產生微小的固態增強相。 – 一般是金屬化合物 TiC、 TiB A12O3等微粒起增強作用。 – 通過控制工藝參數獲得所需的增強物含量和分布。 ? 反應自生成法制備的復合材料中的增強物不是外加的，而是在高溫下金屬基體中不同元素反應生成的化合物，與金屬有好的 相容性 。 2022/2/1 158 ? 其他制備方法，如： – 物理氣相沉積法； – 化學氣相沉積法； – 化學鍍和電鍍法； – 復合鍍法等。 2022/2/1 159 （ 1）固態法 1）粉末冶金法 ? 是最早用來制備金屬基復合材料的方法。早在 1961年， K