1、1第八章第八章 先进复合材料先进复合材料n8.3 功能复合材料8.3.1 功能复合材料的设计原则8.3.2 压电复合材料8.3.3 导电复合材料8.3.4 磁性复合材料8.3.5 其它功能复合材料n8.4 梯度功能复合材料2思考题思考题n1、请结合一种具体的功能复合材料阐述功能复合材料的设计原则。（各种复合效应、材料的选择、工艺选择）（各种复合效应、材料的选择、工艺选择）n2、请对导电复合材料开发中遇到的主要问题进行说明，并提出解决这些问题的建议。（体积分数与导电性的关系、导电增强体在聚合物基体（体积分数与导电性的关系、导电增强体在聚合物基体中的分散、复合材料的耐热特性）中的分散、复合材料的耐
2、热特性）3第九章第九章 材料复合新技术材料复合新技术n9.1 原位复合技术n9.2 自蔓延复合技术n9.3 梯度复合技术n9.4 其它复合新技术4n与其它材料相 比，复合材料有着更加广泛的结构可设计广泛的结构可设计性性，同时，结构形成过程和结构控制方法更加复杂。n要想得到具有指定性能和与之相应组织结构的复合材料，复合手段和制备技术的创新与发展至关重要。n从某种意义上讲，没有先进的复合技术先进的复合技术，新一代复合材料的出现将是不可能的。59.1 原位复合技术原位复合技术n原位复合来源于原位结晶原位结晶（in situ crystallization）和原位聚原位聚合合（in situ poly
3、merization）的概念。n材料中的第二相或增强相生成于材料的形成过程之中，它们不是在材料制备之前就有，而是在材料制备过程中原位就地原位就地产生产生。n原位生成可以是金属、陶瓷或高分子等物相，它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显微组织形式存在于基体中。6n原位复合的原理原位复合的原理是：根据材料设计的要求，选择适当的反应剂（气相、液相或固相），在适 当的温度下，借助于基体和它们之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相或称增强相。n原位复合技术具有以下优点：1）增强相在基体中通过形核长大生成，具有热力学稳定性热力学稳定性。2）工艺上可以利用传统大规模铸造和加工技术的优势，实现连续生产或近净
4、成形工艺连续生产或近净成形工艺。3）由于增强相原位生成，污染小、界面结合状况好污染小、界面结合状况好。79.1.1 金属基复合材料的原位复合金属基复合材料的原位复合n由于避免了外加颗粒造成的表面污染、与基体润湿性差、细小颗粒极难复合等问题，原位复合技术原位复合技术正逐渐成为制备颗粒增强金属基复合材料的一条重要途径。n根据增强体生成方式的不同，原位法可分为原位反应复合原位反应复合及原位结晶复合原位结晶复合两种。n原位反应复合是通过化学反应形成细小稳定的颗粒增强相的方法，有自蔓延法、直接氧化法、接触反应法、XD法、固-液反应法、无压力浸润法、混合盐反应法等多种方式。n原位结晶复合则是利用二元或多元
5、合金凝固过程中的相变，从合金液中析出增强体的方法。8a）Al-Zr-O体系b）Al-Zr-O-B体系铝基复合材料的扫描电镜照片及XRD图谱9铝基原位复合材料车轮生产线1011n研究控制反应过程的方法，以便能控制反应速度以及生成颗控制反应速度以及生成颗粒的大小、形状和分布粒的大小、形状和分布。n研究反应生成颗粒与基体材料的界面特征界面特征，以及反应生成颗颗粒在基体凝固过程中的行为粒在基体凝固过程中的行为，加深对含有颗粒的流体变学的理解。n进一步研究能抑制有害化合物抑制有害化合物，如 Ti3Al、Al4C3、Fe3C等的各种有效措施。n进一步完善各种工艺方法完善各种工艺方法，对所得材料的性能，特别
6、是断裂韧性、抗疲劳性能和切削加工性能进行全面的分析和研究。12原位结晶复合的主要体系原位结晶复合的主要体系13n从理论上讲，利用原位结晶法制作的增强体体积分数可以很高，但随着颗粒增强体体积分数的增大，合金液的结晶温度将大幅升高，复合工艺难度随之增加。n目前实际使用的增强体体积分数一般控制在体积分数一般控制在30%以下以下。n要获得更高体积分数的自生颗粒增强体，需改进熔体加热措施及降低增强体结晶温度，并控制颗粒增强体的分布以获得局部区域相对高体积分数局部区域相对高体积分数的增强体。n增强颗粒的分布形式主要包括均匀分布均匀分布和梯度分布梯度分布两种，相关工艺包括离心铸造、喷雾沉积、电磁分离及熔体温
7、度处理等多种方式。14Mg2Si颗粒增强镁基复合材料的光镜照片/XRD谱 15添加Ca、Sr和RE（80%Y）后对复合材料的铸态组织的影响 16不同功率超声作用下Mg2Si/AZ91D复合材料的光镜照片 (a)0.6kW (b)0.8kW (c)1.0kW(d)1.2kW17n由于原位结晶复合技术通常在常规熔炼温度下就可进行，因而特别适合于轻合金基自生复合材料轻合金基自生复合材料的制备。n有关增强颗粒分布的控制形式已较为丰富，包括外加力场、温度场、电脉冲、超声波等，因而深入分析每一种控制方式的作用机制及其影响规律作用机制及其影响规律十分必要。n增强颗粒尺寸与形态的优化是提高轻合金基复合材料性能
8、的一个重要途径，应综合使用多种细化方法综合使用多种细化方法。189.1.2 聚合物基复合材料的原位复合聚合物基复合材料的原位复合n原位复合是指起增强作用的微纤不是在加工之前就有的，而是在挤出或注塑等加工成型中“就地”形成的。n原位复合的增强相是在加工过程中形成的，不同于传统的纤维增强，因此加工过程中诸多参数如粘度等对其性能的影响更为显著和复杂。n与传统的纤维增强不同，原位形成的微纤原位形成的微纤可明显地降低熔体的粘度，从而降低能耗，提高效率，方便加工。n少量（一般小于30%）的微纤就能使复合材料力学性能得以明显改善。19n原位复合技术根据基体的不同可分为 3 类：单一基体型单一基体型、双基体原
9、位混杂型双基体原位混杂型、原位混杂增强型原位混杂增强型。n一般情况下，原位复合物的基体是单一的，因而在性能上不可避免地有一定的缺陷，为了弥补这种缺陷，才推出了较为完善的双基体原位混杂型和原位混杂增强型。n用作原位复合体系中增强相的有液晶、超高分子量聚乙烯等。20n液晶液晶是介于各向同性液体和完全有序晶体之间的一种热力学稳定的相态。n根据形成液晶形态的物理条件可分为：溶致性液晶高分子(LLCP)和热致液晶高分子(TLCP)两大类。nLLCP 采用溶液法缩聚，以芳香族聚酰胺为代表；而 TLCP则是通过熔融缩聚而得到，以芳香族聚酯及共聚酯为代表。21n由于原位复合体系优异的力学性能、加工性能以及常用
10、作原位复合体系增强相的液晶的价格昂贵，从而出现了以普通的热塑性塑料热塑性塑料为增强相的原位复合材料。n可用于原位复合成纤的普通热塑性树脂主要有尼龙(PA)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚甲醛(POM)等。229.1.3 陶瓷基复合材料的原位复合陶瓷基复合材料的原位复合n脆性是陶瓷材料致命的弱点，改善陶瓷材料的脆性是陶瓷材料研究的重要课题。n纤维补强、相变增韧及纳米复合材料是改善陶瓷脆性的有效途径。n采用原位生长晶须原位生长晶须，由于晶须是在粉体中均匀生长的，无须从外界引入，可均匀分散可均匀分散。n在一定的保护气氛下生成晶须和制备复合材料可防止外界的污染，而且晶须是在基体中高温条件下制备，
11、两者处于一定的高温热力学和相平衡状态高温热力学和相平衡状态，对高温下使用的复合材料非常有利。23n在基体相中预先引入晶须生长反应物均匀分散后，制成一定的坯体，在一定的条件下处理和致密化，可制备原位生长晶须强化复合材料。n碳热还原法、燃烧合成法、气-固反应法、液-固生成法、有机物热解还原法、分解反应合成法、化学混合法等。24n碳热还原法，n对于具体的生长机理，只是从显微结构和热力学分析推断，实际过程中晶须生长比较复杂，尤其碳热还原反应中涉及的反应多、条件多。n很难明确指明是通过哪种作用和哪个反应，所以原位生长晶须反应机理有待进一步深入研究。25n提高反应转化率提高反应转化率，使反应物的反应尽可能
12、趋向完全及剩余反应物的处理，这都是非常重要的问题。n原位生成法制备的复合材料存在致密化相对困难致密化相对困难的问题。n晶须生成的均匀性问题均匀性问题，首先要保证反应物相与基体相的混合均匀性问题，要尽可能采用使物料混合均匀的工艺。n晶须生长所需的触媒、催化剂和致密化过程中所需的烧结添加剂的选择、加入方式、均匀分散问题及对工艺过程和烧结过程的影响。269.2 自蔓延复合技术自蔓延复合技术n高温自蔓延合成法高温自蔓延合成法（Self-Propagating High Temperature Synthesis，SHS)是由前苏联学者 Merzhanov在上世纪 60 年代末期发明的。nSHS是利用放
13、热反应使混和体系的反应自发地持续进行自发地持续进行，而生成金属陶瓷或金属间化合物的一种方法。n一般有2种基本的燃烧反应形式：一是在压坯的一端进行强热点火，使反应以燃烧波的形式自动蔓延进行；二是以极快的加热速度将压坯加热至燃点，使其以整体热爆合成反应的形式快速进行。n前者主要用于强放热反应体系，如TiB2、TiC等的合 成，后者则用于弱放热体系，如 B4C、SiC等的合成。27n合成的材料包括：金属间化合物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、功能梯度材料等数百种，以单相化合物粉末居多。nSHS 法的优点优点是：过程简单，不需要复杂的设备，产品的纯高度，并能获得稳定相和亚稳定相。nSHS 法一个明显
14、的不足明显的不足在于所制备的材料多为疏松开裂状态。282930n表征 SHS法的参数有燃烧波速和燃烧温度。n影响自蔓延燃烧的因素有：1)预制试样的压紧实度，2)原始组分物料的颗粒尺寸，3)预热温度，4)预热速率，5)稀释剂。n为了提高产品的致密度，可采用致密化工艺：SHS+HIP、SHS+HP、SHS+HE、SHS+Costing、SHS+PHIP 等。n通过自蔓延高温合成结合准热等静压法(SHS+PHIP)制备出了致密度为 96.3%的 TiC-30wt%Fe 金属陶瓷。31自蔓延高温合成陶瓷内衬铜管自蔓延高温合成陶瓷内衬铜管329.3 梯度复合技术梯度复合技术n是制备梯度功能复合材料的工艺
15、技术，关键在于如何使材料组成和组织按照设计的要求形成梯度分布。n按照原料的状态，将制备方法分为气相、液相和固相方法。n最常用的有喷涂法喷涂法、化学气相沉积法化学气相沉积法、物理气相沉积法物理气相沉积法、泥浆法泥浆法、激光熔覆法激光熔覆法、自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法、扩散法等扩散法等。33n7075 是一种超强变形铝合金，用于制造飞机蒙皮等构件，6009 汽车板材用铝合金的强度虽没有 7075高，但其耐腐蚀性十分好。n若以 7075 为内层合金，6009为外层合金复合在一起，可以制备高强高耐腐蚀的铝合金，从而有可能满足汽车工业对成形板材性能的新要求。n用双流浇注半连续铸造技术可以制备 70
16、75/6009 铝合金梯度复合材料。3435369.4 其它复合新技术其它复合新技术n分子自组装技术（化学键、氢键或静电引力）、超分子复合技术等。n分子自组装膜分子自组装膜的基本原理是有机分子化学吸附在固体基片上形成二维有序、紧密排列的纳米超薄膜。n静电自组装静电自组装通过带相反电荷的聚离子或荷电微小粒子交替沉积，依靠静电引力吸附成膜，厚度和应力分布均匀，热稳定和长期稳定性较好。3738芳基硫醇在镀银碳纤维上的吸附取向示意图39n带不同末端官能团的芳基硫醇(ATP,HTP)均化学吸附在镀银碳纤维基底上，并形成了平躺取向和倾斜取向的吸附结构。n自组装分子改性碳纤维后其复合材料的界面剪切强度得到明显提高。4041第九章第九章 材料复合新技术材料复合新技术n9.1 原位复合技术n9.2 自蔓延复合技术n9.3 梯度复合技术n9.4 其它复合新技术42思考题思考题n1、请阐述原位复合技术的优缺点。n2、结合复合材料的开发，谈谈你认为具有发展前途的新型复合技术。43
