1、曹韩学曹韩学从广义上讲，复合材料是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的组分的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由由两种或两种以上不同两种或两种以上不同的组分的组分所组成的材料。所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。史上
2、最牛的钉子户史上最牛的钉子户我们住在复合材料里我们住在复合材料里复合材料无所不在！复合材料无所不在！木质素木质素纤维素纤维素树木也是一种复合材料树木也是一种复合材料燕子窝：泥土燕子窝：泥土草复合材料草复合材料进化的复合材料进化的复合材料-海胆牙齿海胆牙齿进化的复合材料进化的复合材料-贝壳贝壳玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强风机叶片玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢材料的汽车前保险杠玻璃钢游艇玻璃钢游艇1.1.机车导流罩机车导流罩2.2.司机室司机室3.3.外顶板外顶板4.4.上顶板和下层地板上顶板和下层地板5.5.内墙板内墙板6.6.通过台通过台
3、7.7.卫生间卫生间8.8.外部门板外部门板9.9.设备保护外壳设备保护外壳10.10.内板家具内板家具 和座椅和座椅11.11.行李箱行李箱12.12.内板隔板和门板内板隔板和门板玻璃钢玻璃钢/复合材料在轨道交通车辆中的应用复合材料在轨道交通车辆中的应用A380A380复合材料复合材料的使用比例为的使用比例为22%22%，A340-600A340-600的比例为的比例为12%12%。19971997年服役，目前年服役，目前世界世界的制的制空空战机之一战机之一机身采用机身采用的复的复合材料合材料美国美国F/A-18歼击机歼击机美美UH60A型直升飞机型直升飞机B-777B-777上用的先进材料
4、上用的先进材料 复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低低)温，独特温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。想材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。
5、现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如例如：火箭壳体材料对射程的影响，火箭壳体材料对射程的影响，飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材料发展预测如下航空发动机材料发展预测如下复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。复合材料复合材料性能高低性能高低常用复合材料常用复合材料先进复合材料先进复合材料用用 途途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料结构复合材料的分类：结构复合材料的分类：按按基基体体相相的的性性质质分分复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材
6、料复合材料性树脂基性树脂基性树脂基性树脂基基基基基基基基基基基基基基基按按增增强强体体的的形形态态分分复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料及其增强相的各种形态复合材料及其增强相的各种形态纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状相对于相对于传统的金属材料传统的金属材料来说，具有来说，具有较较高的高的与与。而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的与与。与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有和和。的这些的这些优良的性能优良的性能决定了它已决定了它已从诞生从诞生之日起之日起就成了新材料家族中的重要一员，它
7、已经在一些领就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既来进行、也可来进行、也可来进行。来进行。1.1.按用途分类按用途分类按用途按用途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料2.2.按基体分类按基体分类铝基复合材料铝基复合材料镍基复合树树镍基复合树树钛基复合材料钛基复合材料按基体按基体这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中的一种。由于的一种。由于为为结构，因此具有结构，因此具有良好的
8、良好的，再加之，再加之它所具有的它所具有的、及及等优点，为其等优点，为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性对复合材料的性能需要能需要来决定。来决定。这种复合材料是以这种复合材料是以制造的。由于镍的制造的。由于镍的，因此这种复合材料主要是用于制造，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工高温下工作的零部件作的零部件。人们研制人们研制的一个重要目的，
9、即是希望用它的一个重要目的，即是希望用它来制造来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而进一步，从而进一步提高燃汽轮机的工作温提高燃汽轮机的工作温度度。但目前由于但目前由于及及等问题尚未解决，所以还等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。未能取得满意的结果。比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超音超音速速时，时，。随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要，采用采用更细长的机冀更细长的机冀和和其它冀型其它冀型，为此需要，为此需要，而而
10、恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用的增强体是，这是由于，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。，如下表所示。3.3.按增强体分类按增强体分类纤维增强复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料层状复合材料层状复合材料按增强体按增强体金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维可分为可分为、和和，它们均属于，它们均属于。因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合材料均表现出明显的均表现出明显的特征。特征。当当用用增强时，增强时，和和是复合材料性能的主要特征，但纤维对复
11、合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料具有相当大的作用。具有相当大的作用。这里的这里的颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是指弥散的硬质是指弥散的硬质的复合材料，而不包括那种的复合材料，而不包括那种很低的很低的弥散强化金属。弥散强化金属。这种复合材料是指这种复合材料是指，含有，含有重复排列的重复排列的、片层状增强物片层状增强物的复合材的复合材料。料。层状复合材料的层状复合材料的和和比较接近，比较接近，而与而与晶须或纤维类晶须或纤维类差别较大。差别较大。因为因为相当于结构件的大小相当于结构件的大小，因此因此可以成为可以成为长度和构件相同的长度和构件相同的。由于由于不如不如纤维增强相高纤维增
12、强相高，因此，因此层状结构层状结构复合材料的强度复合材料的强度受到了限制。受到了限制。然而，在然而，在增强平面的各个方向增强平面的各个方向上，上，这与，这与纤维单向增强的复合材料相比纤维单向增强的复合材料相比具有具有明显的优越性。明显的优越性。复合材料是由复合材料是由多种组分多种组分的材料组的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。成，许多性能优于单一组分的材料。1.1.高比强度、高比模量（刚度）高比强度、高比模量（刚度）比强度比强度 =强度强度/密度密度 MPa/MPa/（g/cmg/cm3 3）比模量比模量 =模量模量/密度密度 GPa/GPa/（g/cmg/cm3 3）、增强体增强体或者或
13、者基体基体是比重小的是比重小的物质，或两者的比重都不高，且物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；都不是完全致密的；、增强体多是强度很高的纤维。、增强体多是强度很高的纤维。比强度比较比强度比较碳纤维碳纤维 树脂树脂硼纤维硼纤维 树脂树脂玻璃纤维玻璃纤维 树脂树脂钛钛钢钢铝铝例如，例如，的密度为的密度为7.8 g/cm7.8 g/cm3 3。复合材料的密度为复合材料的密度为1.51.52.0 g/cm2.0 g/cm3 3，只有普通碳钢的，只有普通碳钢的1/41/41/51/5，比铝合金还要轻，比铝合金还要轻1/1/左右，而左右，而却能超过普通碳却能超过普通碳钢的水平。钢的水平。若按若按计
14、算，计算，基复合材料不仅超基复合材料不仅超过过，而且可超过某些特殊，而且可超过某些特殊。复合材料、复合材料、复合材料具有比复合材料具有比复合复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在工作状态下产生共振。工作状态下产生共振。纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强复合材料具有复合材料具有。2.2.热膨胀系数小，尺寸稳定性好热膨胀系数小，尺寸稳定性好 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材
15、料的强度和刚加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。3.3.良好的高温性能良好的高温性能目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在35035011001100 C C范围范围内变动；内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达陶瓷基复合材料的使用温度可达14
16、001400 C C；碳碳/碳复合材料的使用温度最高可达碳复合材料的使用温度最高可达28002800 C C。不同不同SiCSiC纤维复合材纤维复合材料的使用温料的使用温度范围。度范围。4.4.良好的疲劳性能和断裂韧度良好的疲劳性能和断裂韧度 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。循环次数循环次数应力应力碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢玻璃钢铝合金铝合金 复合材料具有较高的疲劳复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：强度。实验表明：r
17、 r70708080b b，而钢的疲劳强度只有抗，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的拉强度的40405050。纤维复合材料平均几千到纤维复合材料平均几千到几万根纤维几万根纤维/cm/cm2 2，即使有少数纤，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。力，故破断安全性好。5.5.工艺性能优良工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有纤维增强的聚合物基复合材料具有，能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。复杂、数量少制品的制造。6.6.耐磨性好耐磨性好7.7.不吸潮、不
18、老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好 复合材料可以复合材料可以，灵活地进行产品，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。设计，具有很好的可设计性。设计人员可根据所需制品对力学及其设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。u力学（结构）设计力学（结构）设计给制品一定的强度和刚度给制品一定的强度和刚度u功能设计功能设计给制品除力学性能外的其他性能给制品除力学性能外的其他性能u工艺设计工艺设计对复合材料的制备工艺进行设计对复合材料的制备工艺进行设计 结构复合材料不仅可根据材料在使用中结构复合材料不仅可根据材料
19、在使用中受力的要求受力的要求进进行行，更重要的是还可进行，更重要的是还可进行，即，即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的合材料来说，是由能承受载荷的与能连接增强与能连接增强体又起传递力作用的体又起传递力作用的构成。由不同的增强体和不构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。对于对于来说，可以根据来说，可以根据合理布置增强材料，合理布置增强材料，达到达到节约材料节约材料、减轻质量减轻质量的目的。的目的。对于有对于有要求的产品，设计时可以选用耐腐
20、要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的蚀性能好的和和；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过都可以方便地通过来满足要求。来满足要求。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其、低等缺点。低等缺点。1.1.选择的基本原则选择的基本原则（1 1）根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料。）根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料。（2 2）根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体。）根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体。（3 3）选择的基体要求与增强体具有良好的相容性（
21、浸润）选择的基体要求与增强体具有良好的相容性（浸润性）。性）。在制备在制备时，时，液态金属对增强材料的浸液态金属对增强材料的浸润性润性，则直接影响到，则直接影响到。是表示是表示。意味着意味着液体液体(基体基体)将在增强材料上铺展开将在增强材料上铺展开来来，并，并覆盖整个增强材料表面覆盖整个增强材料表面。2.2.金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体 用于航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材用于航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材料要求具有高的料要求具有高的、，有高的，有高的，因此，因此大多选择大多选择和和作为基体金属。作为基体金属。在发动机、燃气轮机中所需的结构材料，是耐热结构在
22、发动机、燃气轮机中所需的结构材料，是耐热结构材料，工作温度为材料，工作温度为65065012001200。基体复合材料可基体复合材料可耐耐650650高温，而高温，而可在可在12001200下使用。下使用。（1 1）用于）用于450450以下的以下的轻金属基体轻金属基体-u连续纤维连续纤维增强金属复合材料增强金属复合材料选选或含合金元素或含合金元素少的少的为基体。为基体。u颗粒、晶须颗粒、晶须增强金属基复合材料增强金属基复合材料选择具有高强度选择具有高强度的的作为基体。作为基体。铝基复合材料活塞铝基复合材料活塞颗粒增强铝基原位复合材料颗粒增强铝基原位复合材料（2 2）用于）用于45045070
23、0700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体u钛合金钛合金可在可在450450650650使用，增强体为使用，增强体为等。等。SiC纤维纤维（3 3）用于）用于10001000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体u镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基、铁基耐热合金和金属间化合物较成熟的是较成熟的是镍基、铁基高温合金。镍基、铁基高温合金。3.3.金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体u用于用于电子封装电子封装的金属基复合材料的金属基复合材料-高碳化硅颗粒含高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模量、超高模量石墨纤量的铝基、铜基复合材料，高模量、超高模量石墨纤维增强铝基
24、、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝、铜基复合材料，硼石纤维增强铝、铜基复合材料，硼/铝复合材料等。铝复合材料等。u用于用于的金属基复合材料的金属基复合材料u用于用于集电和电触头集电和电触头的金属基复合材料的金属基复合材料u增强体应具有增强体应具有高比强度高比强度、高模量高模量、高温强度高温强度、高硬高硬度度、低热膨胀低热膨胀等等。u增强体应具有增强体应具有良好的化学稳定性良好的化学稳定性。u增强体与基体金属应具有良好的增强体与基体金属应具有良好的浸润性浸润性和和相容性相容性。（1 1）连续纤维）连续纤维（2 2）晶须）晶须（3 3）颗
25、粒）颗粒ZnO晶须晶须AlAl2 2O O3 3纤维纤维SiCSiC颗粒颗粒1.1.界面的特征与设计界面的特征与设计指指基体与增强物之间基体与增强物之间有显著变化的、有显著变化的、构构成成彼此结合的、能起彼此结合的、能起的微小区域。的微小区域。复合材料的界面虽然复合材料的界面虽然，但它是有尺寸的，约，但它是有尺寸的，约，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态不均匀分布状态。包含以下几个部分：包含以下几个部分：基体和增强物的部分基体和增强物的部分；基体与增强物相互作用基体与增强物相互作用，此，此的接触面；的接触面；基体和增强物基体和增强物的的
26、；增强物上的增强物上的；基体和增强物上基体和增强物上的的等。等。是是复合材料的特征复合材料的特征，可将，可将归纳为以下归纳为以下几种效应。几种效应。(1)(1)界面能传递力，即界面能传递力，即，起到基体和增强物之间的桥梁作用。起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)(2)结合适当的界面有结合适当的界面有、的作用。的作用。(3)(3)在界面上产生在界面上产生和和的现象，如的现象，如抗电性抗电性、电感应性电感应性、磁性磁性、耐热性耐热性、尺寸稳定性尺寸稳定性等。等。(4)(4)光波光波、声波声波、热弹性波热弹性波、冲击波冲击波等在界面等在界面，如，如透光性透光性、隔热性隔热性、隔音性隔音性、耐耐机械
27、冲击机械冲击及及耐热冲击耐热冲击性等。性等。(5)(5)一种一种(通常是增强物通常是增强物)使另一种使另一种(通常是聚合物基体通常是聚合物基体)与与之接触的物质的结构之接触的物质的结构，由此产生一些现象，如，由此产生一些现象，如强的弹性强的弹性、低的膨胀性低的膨胀性、耐冲击性耐冲击性和和耐热性耐热性等。等。并不是一个单纯的几何面，而是一并不是一个单纯的几何面，而是一个个，界面区是从，界面区是从与增强体内部性质不与增强体内部性质不同的某一点开始同的某一点开始，直到，直到与基体内整体性质相一致的点与基体内整体性质相一致的点间的间的区域。区域。，是，是任何一种单体材料所没有任何一种单体材料所没有的特
28、性的特性，它对复合材料具有重要作用。，它对复合材料具有重要作用。界面区域的界面区域的都不同于都不同于两相中的任一相两相中的任一相。从结构上来分，这一从结构上来分，这一由由组成组成(见下图见下图所示所示)：1 1一外力场；一外力场；2-2-基体；基体；3-3-基体表面区；基体表面区；4-4-相互渗透区；相互渗透区；5 5一增强体表面；一增强体表面；6-6-增强体增强体实验表明，实验表明，由于由于容易发生界面反应容易发生界面反应，生成生成，在低应力条件下在低应力条件下，界面就会，界面就会破坏，从而破坏，从而降低复合材料的整体性能降低复合材料的整体性能。若若基体为合金基体为合金，则还易出现则还易出现
29、。有关有关金属基复合材料的界面控制金属基复合材料的界面控制研究主要有以下两方研究主要有以下两方面：面：在增强材料组元上在增强材料组元上以改善增强材料与基体的以改善增强材料与基体的浸润性浸润性，同时涂层还应起到，同时涂层还应起到防止发生反应的防止发生反应的。镀镍碳纤维镀镍碳纤维改变基体的合金成分改变基体的合金成分，造成，造成形成阻挡层形成阻挡层来来。在在中，在碳纤维上涂中，在碳纤维上涂涂层；涂层；在在中采用中采用作涂层；在作涂层；在中用中用涂层等都是涂层等都是在增强材料表面预先涂层在增强材料表面预先涂层的的例子。例子。另外，在另外，在C/A1C/A1复合材料中，常用复合材料中，常用，由于，由于T
30、iTi的富集的富集形成一层形成一层，可大大，可大大提高复合提高复合材料的拉伸强度和抗冲击性材料的拉伸强度和抗冲击性。1.1.连续纤维增强复合材料的力学性能设计连续纤维增强复合材料的力学性能设计连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。续纤维增强复合材料。并联模型并联模型 纤维与基体有纤维与基体有相同的应变相同的应变；串联模型串联模型 纤维与基体有纤维与基体有相同的应力相同的应力。四个特征弹性常数：四个特征弹性常数：。五个特征强度值：五个特征强度值：。复合材料的强度和弹性模量由复合材料的复合材料的强度和弹性模量由复
31、合材料的组分、材组分、材料的特性、增强体的取向、体积分数料的特性、增强体的取向、体积分数决定。决定。AlAl2 2O O3 3/Al-1.5Mg/Al-1.5Mg复合材料棒材复合材料棒材(a)(a)纵向纵向 (b)(b)横向横向纤维增强复合材料纤维增强复合材料2.2.短纤维及颗粒增强金属基复合材料短纤维及颗粒增强金属基复合材料粉末增强剂发生团聚粉末增强剂发生团聚;改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料（不要求）（不要求）固态法：固态法：是指是指处于固态下制造金属基复合材料的方法。处于固态下制造金属基复合材料的方法。包括：粉末冶金法、
32、热压法、热等静压法、轧制法、挤压包括：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。和拉拔法、爆炸焊接法等。液态法：液态法：是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。方法。包括：真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态包括：真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法等。金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法等。包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、化学镀和电镀法、复合镀法等化学镀和电镀法、复合镀法等。1.1.粉末冶金技术粉末
33、冶金技术 是一种用于制备与成形是一种用于制备与成形颗粒增强颗粒增强(非连续增非连续增强型强型)金属基复合材料的传统固态工艺法。金属基复合材料的传统固态工艺法。粉末冶金生产工艺粉末冶金生产工艺2.2.热压技术热压技术扩散黏结：扩散黏结：在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一接工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。起的工艺方法。3.3.热轧、热挤压和热拉拔技术（变形法）热轧、热挤压和热拉拔技术（变形法）形变法就是利用金属形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点，具有塑性成型的工艺特点
34、，通过通过热轧热轧、热拉热拉、热挤压热挤压等加工手段，使已复合好等加工手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维增的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步强金属基复合材料进一步加工成板材。加工成板材。轧制轧制挤压挤压拉拔拉拔4.4.爆炸焊接技术爆炸焊接技术1.1.真空压力浸渍技术真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真空压力浸渍法是在真空真空和和高压惰性气体高压惰性气体的共的共同作用下，使熔融金属浸同作用下，使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基渗入预制件中制造金属基复合材料的方法。复合材料的方法。2.2.挤压铸造技术挤压铸造技术 挤压铸造是通过挤压铸造是通过压机压机将液态金属压入增强材料预制件将液态
35、金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。（中制造复合材料的方法。（见成形技术见成形技术）3.3.液态金属搅拌铸造技术液态金属搅拌铸造技术是将增强相颗粒直接加入金属熔体是将增强相颗粒直接加入金属熔体中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸浇铸成型制成复合材成型制成复合材料制品的方法料制品的方法。（见成形技术）。（见成形技术）4.4.共喷沉积技术共喷沉积技术金属液滴与颗粒的混合金属液滴与颗粒的混合沉积沉积凝固凝固5.5.原位自生成技术原位自生成技术1.1.物理气相沉积技术物理气相沉积技术 物理气相沉积是材料源的不断汽化，通过物理气相沉积是材料源的不断汽化，通过真空蒸
36、发真空蒸发、电离电离或或溅射溅射等过程，产生金属离子并沉积于基体表面形等过程，产生金属离子并沉积于基体表面形成金属涂层，或与反应气体化合形成化合物涂层的方法。成金属涂层，或与反应气体化合形成化合物涂层的方法。真空蒸镀：真空蒸镀：在高真空度的反应室中，将镀层材料加热在高真空度的反应室中，将镀层材料加热成蒸发原子，使其在真空条件下撞击工件表面而形成沉成蒸发原子，使其在真空条件下撞击工件表面而形成沉积层。积层。2.2.化学气相沉积技术化学气相沉积技术分解反应：分解反应：)()()(气固气nNmMaA)()()()(气固气气nNmMbBaA化合反应：化合反应：化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温
37、度下在化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温度下在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。常用化学气相沉积涂层材料为常用化学气相沉积涂层材料为碳化物碳化物、氮化物氮化物、氧化氧化物物，如，如TiCTiC、TiNTiN、AlAl2 2O O3 3等。涂层具有很高的硬度等。涂层具有很高的硬度200020004000HV4000HV，较低的摩擦系数、优异的耐磨性、良好的抗粘着，较低的摩擦系数、优异的耐磨性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。能力和优越的耐蚀性。化学气相沉积的装置如图化学气相沉积的装置如图,以在钢件表面沉积以在钢件表面沉
38、积TiCTiC涂层涂层为例，将反应气体为例，将反应气体TiClTiCl4 4与气态或蒸发状态的碳氢化合物与气态或蒸发状态的碳氢化合物一起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂，一起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂，就会发生化学反应生成就会发生化学反应生成TiCTiC沉积在基体表面。沉积在基体表面。3.3.热喷涂技术热喷涂技术 指以某种热源，将基体材料加热到熔化或熔融状态指以某种热源，将基体材料加热到熔化或熔融状态后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强材料上，形成一层覆盖层的过程。材料上，形成一层覆盖层的过程。1)1
39、)火焰喷涂火焰喷涂2)2)电弧喷涂电弧喷涂3)3)等离子喷涂等离子喷涂(气体导电（或放电）所产生的等离气体导电（或放电）所产生的等离子电弧作为高温热源子电弧作为高温热源 )氧乙炔火焰喷涂原理氧乙炔火焰喷涂原理1-1-进料口进料口 2-2-气体通道气体通道 3-3-喷嘴喷嘴 4-4-火焰火焰 5-5-喷涂层喷涂层 6-6-工件工件 7-7-氧乙炔入口氧乙炔入口 8-8-气体出口气体出口 它是把金属线（或它是把金属线（或粉末）以一定的速度送粉末）以一定的速度送进喷枪里，使端部在高进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的
40、走，沉积在预处理过的工件表面上。工件表面上。电弧喷涂示意图电弧喷涂示意图1-1-送丝轮送丝轮 2-2-金属丝金属丝 3-3-喷嘴喷嘴 4-4-涂层涂层 5-5-工件工件 在两根焊丝状在两根焊丝状的金属材料之间产的金属材料之间产生电弧，因电弧产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流分被压缩空气气流喷向基体表面而形喷向基体表面而形成涂层。成涂层。气体电离后，在空间不气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离由电子，这种状态就叫等离子体。等粒子喷涂是利用等子体。等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，
41、离子弧是压离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好高，能量集中，弧稳定性好等特点。等特点。等离子喷涂示意图等离子喷涂示意图1.1.铸造成形方法与特点铸造成形方法与特点是将增强相颗粒直接加入金属熔体是将增强相颗粒直接加入金属熔体中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材料制品的方法。料制品的方法。搅拌是在半固态金属熔体中进行，颗粒加入半固态金属中，搅拌是在半固态金属熔体中进行，颗粒加入
42、半固态金属中，在搅拌作用下通过其中的固相金属将颗粒带入熔体中。在搅拌作用下通过其中的固相金属将颗粒带入熔体中。挤压铸造是通挤压铸造是通过压机将液态金属过压机将液态金属压入增强材料预制压入增强材料预制件中制造复合材料件中制造复合材料的方法。的方法。离心铸造是在离心铸造是在离心力作用下将金离心力作用下将金属液体浸入增强材属液体浸入增强材料间隙形成复合材料间隙形成复合材料制品的一种方法。料制品的一种方法。将预制品放入铸型，将预制品放入铸型，将铸型一端浸入金属液将铸型一端浸入金属液体，铸型另一端接真空，体，铸型另一端接真空，使合金液体吸入预制体使合金液体吸入预制体的铸造方法。的铸造方法。借助预制体内毛
43、细管作用使金属液体引入增强体间借助预制体内毛细管作用使金属液体引入增强体间隙，制成复合材料的方法。隙，制成复合材料的方法。塑性成形方法适用范围：塑性成形方法适用范围：非连续增强金属基复合材料，非连续增强金属基复合材料，主要是铝基复合材料。主要是铝基复合材料。塑性成形的目的：塑性成形的目的：致密化（消除孔隙），改变增强颗粒致密化（消除孔隙），改变增强颗粒分布，获得指定形状。分布，获得指定形状。铝基复合材料塑性成形方法：铝基复合材料塑性成形方法：拉拔、压缩、挤压、轧制。拉拔、压缩、挤压、轧制。1.1.金属基复合材料的高温金属基复合材料的高温压缩压缩变形变形应变软化：应变软化：高温压缩变形的应力高温
44、压缩变形的应力-应变曲线上有明显的应变曲线上有明显的峰值，即当压缩变形量达到一定程度后出现应力减小的峰值，即当压缩变形量达到一定程度后出现应力减小的现象。现象。抗压强度：抗压强度：mniifmcnVdl12cos抗压强度的近似计算：抗压强度的近似计算：mmfcddfdlV2/020)(2sin晶须的转动：晶须的转动：G4/)2sin()2sin(75.0弹性阶段弹性阶段塑性阶段塑性阶段影响晶须转动的因素：影响晶须转动的因素：变形温度：变形温度：变形温度越高，复合材料中晶须转动变形温度越高，复合材料中晶须转动越容易。越容易。应变量：应变量：应变量越大，晶须转动程度越大。应变量越大，晶须转动程度越
45、大。避免晶须折断的措施：避免晶须折断的措施：提高变形温度。提高变形温度。采用有利于基体金属流动的变形方式。采用有利于基体金属流动的变形方式。复合材料高温压缩变形复合材料高温压缩变形三个三个阶段：阶段：变形速度增加变形速度增加曲线向上平移。曲线向上平移。晶须的加入晶须的加入抗压屈服强度、弹性模量、高温强度增加。抗压屈服强度、弹性模量、高温强度增加。复合材料高温压缩复合材料高温压缩变形机制变形机制：纯固相变形机制：纯固相变形机制：位错的运动协调晶界的变形。位错的运动协调晶界的变形。微量液相存在时：微量液相存在时：沿晶界和界面的位错运动协调的沿晶界和界面的位错运动协调的晶界滑移和界面滑移，同时伴随液
46、相的协调作用。晶界滑移和界面滑移，同时伴随液相的协调作用。2.2.金属基复合材料的轧制塑性金属基复合材料的轧制塑性热轧热轧轧制温度对致密度的影响轧制温度对致密度的影响变形量对致密度和抗拉强度变形量对致密度和抗拉强度的影响的影响预热温度对抗拉强度的影响预热温度对抗拉强度的影响3.3.铝基复合材料的挤压塑性铝基复合材料的挤压塑性金属基复合材料挤压变形特点：金属基复合材料挤压变形特点：金属基体中含有一定量的增强体金属基体中含有一定量的增强体（晶须、颗粒），大大降低了金（晶须、颗粒），大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具。难，坚硬的增强颗粒将
47、磨损模具。影响挤压变形的主要因素：影响挤压变形的主要因素：模具和坯料的模具和坯料的预热温度预热温度、挤压比挤压比、挤压变形速度挤压变形速度和和润滑剂润滑剂。润滑剂：润滑剂：改变挤压坯料与模具之间的摩擦力，主要有改变挤压坯料与模具之间的摩擦力，主要有石墨石墨、二硫化钼二硫化钼等。等。挤压温度：挤压温度：根据材料的塑性、强度、生产率和成本根据材料的塑性、强度、生产率和成本（设备）等综合因素考虑。（设备）等综合因素考虑。挤压比：挤压比：表示变形程度的方法。表示变形程度的方法。%100010AAA挤压速度：挤压速度：第一类裂纹：由第一类裂纹：由表面折叠表面折叠引起的裂纹。引起的裂纹。第二类裂纹：由第二
48、类裂纹：由夹杂物夹杂物引起的裂纹。引起的裂纹。第三类裂纹：由表第三类裂纹：由表皮下气泡皮下气泡引起的裂纹。引起的裂纹。速度过高速度过高速度过低速度过低体积分数：体积分数：SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数最大挤压力最大挤压力热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响：热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响：发生纤维断裂发生纤维断裂产生产生“陶瓷富集带陶瓷富集带”MMCsMMCs连接技术连接技术溶化焊接溶化焊接固相连接固相连接储能焊储能焊钎焊与胶粘钎焊与胶粘钨极惰性气体保护焊钨极惰性气体保护焊溶化极惰性气体保护焊溶化极惰性气体保护焊电子束焊电子束焊激光束焊激光束焊电阻焊电阻焊等离子弧焊
49、等离子弧焊扩散连接扩散连接摩擦焊摩擦焊磁励电弧对焊磁励电弧对焊1 1）溶化焊接）溶化焊接钨极惰性气体保护焊钨极惰性气体保护焊 在惰性气体保护下，在惰性气体保护下，钨电极与工件之间产生电钨电极与工件之间产生电弧使工件局部溶化而连接弧使工件局部溶化而连接在一起，必要时可添加焊在一起，必要时可添加焊丝（如铝基复合材料焊丝（如铝基复合材料焊接）。接）。溶化极惰性气体保护焊溶化极惰性气体保护焊 把小直径电极丝放在把小直径电极丝放在工件处，电极丝与工件之工件处，电极丝与工件之间产生电弧使工件局部溶间产生电弧使工件局部溶化，为了保护高温材料，化，为了保护高温材料，在电极丝周围通入惰性气在电极丝周围通入惰性气
50、体。体。电子束焊电子束焊 在真空条件下，将在真空条件下，将阴极发生的电子束通过阴极发生的电子束通过正电压加速后用磁透镜正电压加速后用磁透镜聚焦在工件表面，电子聚焦在工件表面，电子束撞击焊接材料表面产束撞击焊接材料表面产生热量使工件溶化焊接生热量使工件溶化焊接在一起。在一起。焊缝深度大宽焊缝深度大宽度小度小。激光束焊激光束焊 与电子束焊类似，与电子束焊类似，采用光学透镜聚焦，高采用光学透镜聚焦，高能量密度的激光束与工能量密度的激光束与工件表面相互作用产生耦件表面相互作用产生耦合效应使工件溶化而焊合效应使工件溶化而焊接在一起。接在一起。电阻焊电阻焊 利用焊接材料之间利用焊接材料之间的电阻，通过外接
