顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

1、主要內(nèi)容常見(jiàn)制備方法及應(yīng)用2顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用3 3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)介3 1簡(jiǎn)介定義：為了改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，提高斷裂功、耐磨性、硬度等性能，向材料中添加高硬度、耐腐蝕、耐磨擦的顆粒材料。如SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、Mo S2、Si3N4、Ti B2、BN、C（石墨）等我們常見(jiàn)復(fù)合材料增強(qiáng)方式有：纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)，纖維增強(qiáng)方法由于纖維的排布方式不同對(duì)材料的各向性能具有較大的影響，在纖維伸展方向材料的力學(xué)性能顯著加強(qiáng)，而在垂直與該方向則沒(méi)有很大改變，另外纖維成本較高，相比纖維增強(qiáng)顆粒增前具有成本低，易于混勻，對(duì)材料性能改善較為均一。 彌散增強(qiáng)復(fù)合材料（粒徑0.010.

2、1um,間距0.010.3um）純顆粒復(fù)合材料（粒徑150m，間距125m）空心微球（球徑1030m，壁厚110m）按顆粒尺寸間距分類(lèi)分類(lèi) 顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷1顆粒增強(qiáng)聚合物32顆粒增強(qiáng)金屬 按基體分類(lèi)顆粒強(qiáng)化機(jī)制基體承受載荷，彌散分布的增強(qiáng)顆粒阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，如果位錯(cuò)能量較大則會(huì)切開(kāi)第二相，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，使其能量降低?；w承受載荷，彌散分布的增強(qiáng)顆粒阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，隨著外加應(yīng)力的逐漸增大位錯(cuò)越來(lái)越彎曲，最終形成位錯(cuò)環(huán)。常見(jiàn)的制備方法粉末冶金法制備復(fù)合材料流程顆粒金屬粉末混勻有機(jī)粘合劑混煉a壓制成型燒結(jié)機(jī)械加工、整形、熱處理成品校正、蒸汽處理粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合

3、材料多采用機(jī)械混合,較易制備顆粒均勻分布的復(fù)合材料,因而廣泛地應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究中。但粉末冶金法制備復(fù)合材料受初始基體合金的顯微組織、粉末尺寸和熱壓條件等因素的影響。而且其制備工藝成本高,而且復(fù)合材料的顯微組織無(wú)法改變,在實(shí)際生產(chǎn)中難以制造大尺寸和形狀復(fù)雜的零件。攪拌鑄造法攪拌鑄造法是將陶瓷增強(qiáng)顆粒直接加入到基體金屬熔體中，然后通過(guò)一定方式攪拌使增強(qiáng)顆粒分散在金屬熔體中，最后澆鑄得到工件，其工藝示意圖，如右圖所示。攪拌鑄造法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本較低，是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的技術(shù)。但攪拌鑄造法也有很多缺陷以及改善措施如下表壓力鑄造壓力鑄造簡(jiǎn)稱(chēng)壓鑄，是指將液態(tài)或半液態(tài)合

4、金澆入壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形和結(jié)晶而獲得鑄件的一種鑄造技術(shù)。壓鑄最大的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，鑄件質(zhì)量好。但只適合用于大批量生產(chǎn)有色合金中小鑄件。壓力鑄造法制備碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的過(guò)程主要包括顆粒預(yù)制塊的制備和液態(tài)鋁合金在一定壓力下滲入預(yù)制塊中2部分SiC顆粒在復(fù)合材料中分布的均勻性由預(yù)制塊中顆粒分布的均勻程度來(lái)決定,并取決于預(yù)制塊的制備工藝。復(fù)合材料的孔隙率和碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面結(jié)合狀態(tài)與壓鑄工藝參數(shù)密切相關(guān)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒的熱膨脹系數(shù)僅是鋁合金的1/6左右,復(fù)合材料從高溫到室溫的冷卻過(guò)程中,碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界

5、面處將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力高于基體合金的屈服強(qiáng)度時(shí),基體合金將發(fā)生塑性變形,使基體合金中產(chǎn)生較高的位錯(cuò)密度,基體合金中高密度位錯(cuò)使合金得到強(qiáng)化,從而進(jìn)一步提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。噴射沉積法 1-沉積室；2-基板；3-噴射流；4體霧化室；5-合金溶液；6-坩堝；7-霧化氣體；8-沉積體；9-運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；10-排氣 噴射沉積法的原理：合金熔液經(jīng)過(guò)噴射霧利后形成高速飛行的液滴。這些液滴在完成凝固之前沉積在激冷汗基板上快速凝固。通過(guò)連續(xù)沉積可獲得大尺寸的快速凝固制件。 1-圓柱沉積坯； 2-感應(yīng)加熱坩堝； 3-噴嘴； 4-沉積室；5-基棒；6-排氣管；7-循環(huán)分離器 在回轉(zhuǎn)體表面進(jìn)行噴射沉積的工藝原

6、理圖。通過(guò)維持圓柱基底（基棒）的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，在其表面噴射沉積具有快速凝固組織特征的材料。除了圓柱體外，還可以進(jìn)行圓錐、圓鼓等各種復(fù)雜形狀回轉(zhuǎn)體的沉積?；鸹ǖ入x子體燒結(jié) 等離子體燒結(jié)是利用等離子體所特有的高溫、高焓,快速燒成陶瓷的一種新工藝,其原理如右圖等離子體燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)1)可燒制難燒結(jié)的材料。等離子體可快速地獲得2 000以上的超高溫,因而可以燒制用一般方法難以燒結(jié)的物質(zhì),包括復(fù)相陶瓷的反應(yīng)燒結(jié); (2)燒結(jié)時(shí)間短。陶瓷坯體通過(guò)表面與高溫高焓等離子體的熱交換,可獲得極高的升溫速度；(3)燒結(jié)體純度高、致密度高、晶粒度小,性能優(yōu)越。由于燒結(jié)時(shí)間短,燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)混入雜質(zhì),可以阻止異常晶粒長(zhǎng)大,因

7、而得到的陶瓷晶粒度小而均勻,其力學(xué)性能也很高;(4)可以連續(xù)燒結(jié)長(zhǎng)形的陶瓷制品,如管、棒等;(5)其裝置相對(duì)較簡(jiǎn)單,能量利用率高,運(yùn)行費(fèi)用低,而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化微波燒結(jié)微波燒結(jié)是利用陶瓷及其復(fù)合材料在微波電磁場(chǎng)中的介電損耗,將整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)工藝。微波燒結(jié)的本質(zhì)是微波電磁場(chǎng)與材料的相互作用,由高頻交變電磁場(chǎng)引起陶瓷材料a內(nèi)部的自由束縛電荷,如偶極子、離子和電子等的反復(fù)極化和劇烈運(yùn)動(dòng),在分子間產(chǎn)生碰撞、摩擦和內(nèi)耗,將微波能轉(zhuǎn)變成熱能,從而產(chǎn)生高溫,達(dá)到燒結(jié)的目的。微波燒結(jié)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)極快的加熱和燒結(jié)速度,一般可達(dá)500/min,大大縮短了燒結(jié)時(shí)間;(2)降低燒結(jié)溫度

8、?？梢栽诘陀诔Ｒ?guī)燒結(jié)溫度幾百度的情況下,燒結(jié)出與常規(guī)方法同樣密度的制品;(3)改進(jìn)材料的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)性能。由于燒結(jié)速度快、時(shí)間短,從而避免了陶瓷材料燒結(jié)過(guò)程中晶粒的異常長(zhǎng)大,有希望獲得具有高強(qiáng)度、高韌性的超細(xì)晶粒的結(jié)構(gòu);(4)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便地獲得2 000以上的超高溫;(5)高效節(jié)能,節(jié)能效率可達(dá)50%左右。這是因?yàn)槲⒉ㄖ苯訛椴牧衔辙D(zhuǎn)化成熱能,燒結(jié)時(shí)間特別短;(6)無(wú)熱慣性,便于實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的瞬時(shí)升、降溫的自動(dòng)控制。滲透法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料主要過(guò)程：模子制備好后,將SiC顆粒加入模內(nèi);將助滲劑加入模內(nèi)與SiC顆粒均勻混合,或放入鋁液中;將鋁或者鋁合金液經(jīng)精煉后澆入模內(nèi)。將澆注鋁液后的模子放入普通空

9、氣加熱爐中,溫度控制在850 950范圍內(nèi),根據(jù)零件厚度保溫一段時(shí)間,以便獲得一定滲透厚度的試件,保溫結(jié)束后,爐冷至500 ,出爐脫模就可獲得一定外形的鋁基復(fù)合材料。自蔓延高溫合成技術(shù)* 自蔓延高溫合成技術(shù)是一種利用反應(yīng)物之間* 高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)過(guò)程,來(lái)合成材料的一種新技術(shù)。即利用外部熱源,將原料預(yù)先壓制成一定密度的坯件,進(jìn)行局部或整體加熱,當(dāng)溫度達(dá)到點(diǎn)燃溫度時(shí),撤掉外部熱源,利用原料顆粒發(fā)生的固體與固體反應(yīng),或者固體與氣體反應(yīng)放出的大量反應(yīng)熱(如鋁熱反應(yīng))使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,所有原料反應(yīng)結(jié)束后生成所需材料。一一、自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成 自蔓延高溫合成自蔓延高溫合成 (Self-

10、propagating High-temperature Synthesis(Self-propagating High-temperature Synthesis，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)SHS)SHS)利用化學(xué)反應(yīng)利用化學(xué)反應(yīng)放出的熱量放出的熱量使燃燒反應(yīng)使燃燒反應(yīng)自發(fā)的進(jìn)行自發(fā)的進(jìn)行下去，以獲下去，以獲得具有指定成分和結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物。得具有指定成分和結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物。 燃燒合成（燃燒合成（combustion synthesis)combustion synthesis)：任何具有化學(xué)特征、結(jié)果能生成有實(shí)用價(jià)值的凝聚物的任何具有化學(xué)特征、結(jié)果能生成有實(shí)用價(jià)值的凝聚物的放熱放熱反應(yīng)反應(yīng)都可稱(chēng)謂燃燒。都可稱(chēng)

11、謂燃燒。強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)反應(yīng)以反應(yīng)波反應(yīng)以反應(yīng)波的形式傳播的形式傳播實(shí)質(zhì)：就是一種高實(shí)質(zhì)：就是一種高放熱化學(xué)反應(yīng)放熱化學(xué)反應(yīng)！自蔓延合成的要求：自蔓延合成的要求：1 1、劇烈的放熱反應(yīng)、劇烈的放熱反應(yīng)2 2、絕熱燃燒溫度（、絕熱燃燒溫度（T Ta a） 1 1） 要使燃燒能夠自持，產(chǎn)物的要使燃燒能夠自持，產(chǎn)物的T Ta a大于大于1800K1800K； 2 2） T Ta a大于產(chǎn)物熔點(diǎn)，存在液相，反應(yīng)易進(jìn)行大于產(chǎn)物熔點(diǎn)，存在液相，反應(yīng)易進(jìn)行Ta-Ta-絕熱溫度絕熱溫度: :反應(yīng)過(guò)程中能達(dá)到的最高溫度反應(yīng)過(guò)程中能達(dá)到的最高溫度. .自蔓延工藝優(yōu)點(diǎn)* 此工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能,不需要高

12、溫設(shè)備,其反應(yīng)溫度可達(dá)2 500以上,反應(yīng)速度快、節(jié)能、方法簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等。與傳統(tǒng)方法相比,自蔓延高溫合成技術(shù)獲得的零件,有好的顆粒單晶性、高的純度和高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。熱等靜壓技術(shù)(hot isostatic pressing，簡(jiǎn)稱(chēng)HIP) 是一種在高溫和高壓同時(shí)作用下，使物料經(jīng)受等靜壓的工藝技術(shù)，它不僅用于粉末體的固結(jié)工藝成型與燒結(jié)兩步作業(yè)一并完成。而且還用于工件的擴(kuò)散粘結(jié)，鑄件缺陷的消除，復(fù)雜形狀零件的制作等。在熱等靜壓中，一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質(zhì)，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為10002200 ，工作壓力常為100200MPa。 熱等靜壓技術(shù)基本原理示意圖1.上蓋，2

13、.高壓缸，3.發(fā)熱體，4.工件，5.下蓋，6.泵等靜壓技術(shù)特點(diǎn)： 等靜壓成型的制品密度高，一般要比單向和雙向模壓成型高5 -15% 。熱等靜壓制品相對(duì)密度可達(dá)99.8-99.09 。 壓坯的密度均勻一致。在摸壓成型中，無(wú)論是單向、還是雙向壓制，都會(huì)出現(xiàn)壓坯密度分布不均現(xiàn)象。這種密度的變化在壓制復(fù)雜形狀制品時(shí)，往往可達(dá)到10% 以上。這是由于粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質(zhì)傳遞壓力，在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致，粉料與包套無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們之間的摩擦阻力很少，壓力只有輕微地下降，這種密度一般只有1% 以下，因此，可認(rèn)為坯體密度是均勻的。 因?yàn)槊芏染鶆?，所以制作長(zhǎng)徑比可不受

14、限制，這就有利于生產(chǎn)棒狀、管狀細(xì)而長(zhǎng)的產(chǎn)品。 等靜壓成型工藝，一般不需要在粉料中添加潤(rùn)滑劑，這樣既減少了對(duì)制品的污染，又簡(jiǎn)化了制造工序。 等靜壓成型的制品，性能優(yōu)異，生產(chǎn)周期短，應(yīng)用范圍廣。等靜壓成型工藝的缺點(diǎn)是，工藝效率較低，設(shè)備昴貴。熱壓成形法顆粒與a聚合物混勻一定的壓力和溫度保溫保壓一段時(shí)間成品這種方法不適用于熔點(diǎn)較高易分解的聚合物熔融共混法聚合物顆a粒處理過(guò)的粉末粘流態(tài)a加熱成型混煉將粉末表面處理后加入到處于玻璃化溫度以上的聚合物中共混，但此種方法得到的材料中顆粒分布不均勻且有明顯團(tuán)聚的現(xiàn)象。溶液共混法聚合物溶解于溶劑處理過(guò)的粉末除去溶a劑攪拌成型將粉末表面處理后加入到溶解有聚合物的溶劑中，攪拌均勻后除去溶劑。但此種方法得到的材料相對(duì)于熔融法性能稍差。原位共聚法顆粒與聚合物單體一定比例混勻成品加入引發(fā)a劑反應(yīng)并除水原位共聚法制得的 聚合物材料