《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第21讲 7.1-7.3 复合材料的定义、分类和特点

第21讲37.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案第7章高性能复合材料87.1复合材料的定义、分类和特点【目的要求】通过本讲课程的学习，了解复合材料的定义和特点，掌握复合材料的结构、分类：掌握复合材料的复合原则和复合方法：掌握金属基复合材料的定义和分类，理解金属基复合材料的制造工艺。本讲课的教学强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养：并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用提高学生的学习兴趣。【重点】复合材料的结构，复合材料和传统材料的差别，金属基复合材料的定义和分类，金属基复合材料的制造工艺。【难点】复合材料的结构，金属基复合材料的定义和分类。【本讲课程的内容】7.1.1复合材料定义国际标准化组织：由两种或两种以上在物理和化学上性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。7.1.2复合材料的特点根据以上定义可知，复合材料应具有以下的特点：①复合材料是两种或两种以上不同性能的材料组元或相组成的混合物②复合材料的组元和相对含量是经人工选择和设计的：③组成复合材料的某些组元在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 第 7 章 高性能复合材料 §7.1 复合材料的定义、分类和特点 【目的要求】通过本讲课程的学习，了解复合材料的定义和特点，掌握复合材料的结构、分 类；掌握复合材料的复合原则和复合方法；掌握金属基复合材料的定义和分类，理解金属基 复合材料的制造工艺。本讲课的教学强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础 理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用， 提高学生的学习兴趣。 【重 点】复合材料的结构，复合材料和传统材料的差别，金属基复合材料的定义和分类， 金属基复合材料的制造工艺。 【难 点】复合材料的结构，金属基复合材料的定义和分类。 【本讲课程的内容】 7.1.1复合材料定义 国际标准化组织：由两种或两种以上在物理和化学上性质不同的物质组合起来而得到的 一种多相固体材料。 《材料科学技术百科全书》 ：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同 材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应 获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而 获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。 《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机 非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的 特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它 的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料 的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。 7.1.2复合材料的特点 根据以上定义可知，复合材料应具有以下的特点： ①复合材料是两种或两种以上不同性能的材料组元或相组成的混合物； ②复合材料的组元和相对含量是经人工选择和设计的； ③组成复合材料的某些组元在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案和合金）；④复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。③复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。7.1.3复合材料的结构与表示方法复合材料由三种相组成：增强相、基体相和界面相。增强相：在复合材料中主要承受外加载荷。主要有三类：纤维及其织物、晶须和颗粒。通常具有较高的强度、模量、硬度和脆性。在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围。也称分散相。基体相：也叫连续相。在复合材料中主要起支撑和保护增强相的作用。在复合材料承受外加载荷时，基体相以剪切变形的方式向增强相分配和传递载荷的作用。界面相：增强相与基体相之间的界面区域因其特殊的结构和组成被称为界面相。复合材料表示方法：增强相在前，基团材料名称在后，再加上复合材料四个字，为了书写简便也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线，再加上复合材料。增强相（名称、化学符号、专用代号）/基体相（名称、化学符号、专用代号）7.1.4复合材料的分类复合材料可以按照使用功能、增强体的几何形态或基体材料的性质分类。按照使用功能分：结构复合材料和功能复合材料。按照增强体几何形态分：（1）纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处：b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中（2）颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中：（3）板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体按照基体材料分类：（1）聚合物基复合材料：以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体：（2）金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 和合金）； ④复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特 性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。 ⑤ 复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。 7.1.3复合材料的结构与表示方法 复合材料由三种相组成：增强相、基体相和界面相。 增强相：在复合材料中主要承受外加载荷。主要有三类：纤维及其织物、晶须和颗粒。 通常具有较高的强度、模量、硬度和脆性。在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围。 也称分散相。 基体相：也叫连续相。在复合材料中主要起支撑和保护增强相的作用。在复合材料承受 外加载荷时，基体相以剪切变形的方式向增强相分配和传递载荷的作用。 界面相：增强相与基体相之间的界面区域因其特殊的结构和组成被称为界面相。 复合材料表示方法： 增强相在前，基团材料名称在后，再加上复合材料四个字，为了书写简便也可仅写增强 材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线，再加上复合材料。 增强相（名称、化学符号、专用代号）/基体相（名称、化学符号、专用代号） 7.1.4复合材料的分类 复合材料可以按照使用功能、增强体的几何形态或基体材料的性质分类。 按照使用功能分：结构复合材料和功能复合材料。 按照增强体几何形态分： （1）纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中； （2）颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； （3）板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 按照基体材料分类： （1）聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； （2）金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案（3）无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。7.1.5复合材料与传统材料的主要区别（一）复合材料的性能具有可设计性复合材料通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。发展成熟的均质材料的力学分析和力学原理，以及各向异性材料力学和弹性理论、层合板理论、有限元理论均可应用于复合材料设计中。（二）材料与构件制造的一致性复合材料与复合材料构件是同时成型的。即，采用某种方法把增强体掺入基体形成复合材料的同时，也形成了复合材料的构件。称为复合材料与构件制造的一致性。（三）叠加效应依靠增强体与基体性能的叠加（或互补）使复合材料获得一种新的、独特而优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是叠加效应。7.1.6复合材料的应用应用广泛。如运载火箭整流罩，广播卫星抛物面天线，轻型飞机，汽车外壳。A350复合材料的用量远远高于其他材料，A350飞机中采用碳纤维增强塑料等复合材料占飞机总质量52%的结构组件。87.2复合材料复合理论7.2.1.复合原则（一）、材料组元的选择首先，要明确哪种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料，而其它组元应起传递载荷及协同作用，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料；其次，除考虑性能要求外，应该考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。其三，应考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。（二）、制备方法的选择材料的组元选择后，就要考虑复合材料的具体制备方法

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 （3）无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。 7.1.5复合材料与传统材料的主要区别 （一）复合材料的性能具有可设计性 复合材料通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。发展成 熟的均质材料的力学分析和力学原理，以及各向异性材料力学和弹性理论、层合板理论、有 限元理论均可应用于复合材料设计中。 （二）材料与构件制造的一致性 复合材料与复合材料构件是同时成型的。即，采用某种方法把增强体掺入基体形成复合 材料的同时，也形成了复合材料的构件。称为复合材料与构件制造的一致性。 （三）叠加效应 依靠增强体与基体性能的叠加（或互补）使复合材料获得一种新的、独特而优于各单元 组分的简单混合物的性能，这就是叠加效应。 7.1.6复合材料的应用 应用广泛。如运载火箭整流罩，广播卫星抛物面天线，轻型飞机，汽车外壳。A350 复合 材料的用量远远高于其他材料，A350 飞机中采用碳纤维增强塑料等复合材料占飞机总质量 52%的结构组件。 §7.2 复合材料复合理论 7.2.1 复合原则 （一）、材料组元的选择 首先，要明确哪种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元 就是所要选择的增强材料，而其它组元应起传递载荷及协同作用，而且要把增强材料粘结在 一起，这类组元就是要选的基体材料； 其次，除考虑性能要求外，应该考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，包括物理、 化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。 其三，应考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具 有一定结合强度的界面。 （二）、制备方法的选择 材料的组元选择后，就要考虑复合材料的具体制备方法

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案第一，应该考虑所选的工艺方法对材料组元的损伤最小：第二，应考虑任何形式的增强材料均匀分布或按预设计要求规则排列：第三，应考虑最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，而且各组元保留固有的特性；第四，应考虑复合材料的性能/价格比，尽可能采用简便易行的工艺。根据以上复合原则，可以归纳复合材料制品的设计和研制步骤如下：1）通过论证明确对于复合材料的使用性能要求，确定设计目标；2）选择材料体系（增强体、基体)；3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置；4)确定制备工艺方法及工艺参数；5)依据市场供应情况采购原料，购置设备：6)按预定方案进行样品试制；7)测试样品性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标调整方案，组织生产。8)7.2.2复合材料复合方法（1)登层法（层合法）该方法包括利用胶黏剂的粘结层合、热压层合、挤压层合、电沉积、真空沉积、贴面、喷涂、表面聚合等多种方法形成表面层。(2)混合法指将不同组分通过机械混合、粉未混合烧结、溶液或乳液混合-聚合等微观结合制备新型复合材料的方法。(3）浸渍法这是一种多孔连续相与浸渍成分结合制备复合材料的方法。如陶瓷与塑料复合，纤维增强塑料等。87.3金属基复合材料7.3.1MMC的定义和分类(一)、定义:金属基复合材料（metalmatrixcomposite，MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 第一， 应该考虑所选的工艺方法对材料组元的损伤最小； 第二， 应考虑任何形式的增强材料均匀分布或按预设计要求规则排列； 第三，应考虑最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，而且各组元保 留固有的特性； 第四，应考虑复合材料的性能/价格比，尽可能采用简便易行的工艺。 根据以上复合原则，可以归纳复合材料制品的设计和研制步骤如下： 1) 通过论证明确对于复合材料的使用性能要求，确定设计目标； 2) 选择材料体系（增强体、基体）； 3) 确定组分比例、几何形态及增强体的配置； 4) 确定制备工艺方法及工艺参数； 5) 依据市场供应情况采购原料，购置设备； 6) 按预定方案进行样品试制； 7) 测试样品性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标； 8) 调整方案，组织生产。 7.2.2复合材料复合方法 (1)叠层法（层合法） 该方法包括利用胶黏剂的粘结层合、热压层合、挤压层合、电沉积、真空沉积、贴面、 喷涂、表面聚合等多种方法形成表面层。 (2)混合法 指将不同组分通过机械混合、粉末混合烧结、溶液或乳液混合-聚合等微观结合制备新型 复合材料的方法。 (3) 浸渍法 这是一种多孔连续相与浸渍成分结合制备复合材料的方法。如陶瓷与塑料复合，纤维增 强塑料等。 §7.3 金属基复合材料 7.3.1 MMC的定义和分类 （一）、定义: 金属基复合材料（metal matrix composite, MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或 几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。（二）、MMC的分类：金属基复合材料的增强材料的种类和形态多种多样，既可以是连续纤维和短纤维，亦可是颗粒、晶须等。首先按增强材料的形态来分：（1）纤维增强金属基复合材料包括有长的连续纤维（硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和碳与石墨纤维）和短纤维（如氧化铝纤维，氧化铝-氧化硅纤维，氮化硼纤维）和金属丝（如钨丝，钳丝，钢丝等），长纤维增强金属基复合材料亦称为连续增强型金属基复合材料。常用的基体材料有铝，镁，钛，铜，铅和高温合金，其中铝基复合材料发展最迅速。典型的复合材料有：硼纤维或碳纤维增强铝基或钛基复合材料。纤维增强金属基复合材料的特点：1）比强度，比模量高：如纤维增强的铝、镁复合材料的比强度比铝、钛、钢等金属高4倍以上，比模量高9~10倍。2）良好的高温性和耐疲劳性；3）低热膨胀系数和良好的尺寸稳定性：4）良好的导热和导电性：5）良好的化学稳定性和放老化性。纤维增强金属基复合材料主要制备方法：1）扩散粘结法（热压法）：2）液态金属浸渍法3）挤压铸造法；4）真空压力浸渍法。（2）晶须增强金属基复合材料这类材料以金属或合金为基体，以各种晶须为增强体（如SiN4晶须、碳化硼晶须等）。也称为非连续增强型金属基复合材料。典型的复合材料有：碳化硅晶须增强铝基、镁基和钛基复合材料特点：这类材料的增强材料的承载能力不如连续纤维：但复合材料的强度、高温性能往往超过基体金属，尤其是晶须增强情况下。由于金属基体在不少性能上仍然起着较大作用，通常选用强度较高的合金，一般均应进行相应的热处理；这类材料既可以作为结构材料，也可以作为结构件中的耐磨件使用。（3）颗粒增强复合材料以金属或合金为基体，以碳化物，氮化物，石墨等颗粒为增强体，如SiC，TiC，TiB2，石墨等

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。 （二）、MMC 的分类： 金属基复合材料的增强材料的种类和形态多种多样，既可以是连续纤维和短纤维，亦可 是颗粒、晶须等。 首先按增强材料的形态来分： （1）纤维增强金属基复合材料 包括有长的连续纤维（硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和碳与石墨纤维）和短纤维（如 氧化铝纤维，氧化铝-氧化硅纤维，氮化硼纤维）和金属丝（如钨丝，钼丝，钢丝等），长纤 维增强金属基复合材料亦称为连续增强型金属基复合材料。 常用的基体材料有铝，镁，钛，铜，铅和高温合金，其中铝基复合材料发展最迅速。 典型的复合材料有：硼纤维或碳纤维增强铝基或钛基复合材料。 纤维增强金属基复合材料的特点： 1）比强度，比模量高；如纤维增强的铝、镁复合材料的比强度比铝、钛、钢等金属高 4 倍以上，比模量高 9~10 倍。 2）良好的高温性和耐疲劳性； 3）低热膨胀系数和良好的尺寸稳定性； 4）良好的导热和导电性； 5）良好的化学稳定性和放老化性。 纤维增强金属基复合材料主要制备方法：1）扩散粘结法（热压法）；2）液态金属浸渍法； 3）挤压铸造法；4）真空压力浸渍法。 （2）晶须增强金属基复合材料 这类材料以金属或合金为基体，以各种晶须为增强体（如 Si3N4 晶须、碳化硼晶须等）。 也称为非连续增强型金属基复合材料。 典型的复合材料有：碳化硅晶须增强铝基、镁基和钛基复合材料 特点：这类材料的增强材料的承载能力不如连续纤维；但复合材料的强度、高温性能往 往超过基体金属，尤其是晶须增强情况下。 由于金属基体在不少性能上仍然起着较大作用，通常选用强度较高的合金，一般均应进 行相应的热处理；这类材料既可以作为结构材料，也可以作为结构件中的耐磨件使用。 （3）颗粒增强复合材料 以金属或合金为基体，以碳化物，氮化物，石墨等颗粒为增强体，如 SiC，TiC，TiB2， 石墨等

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案典型的颗粒增强复合材料有：SiC-Al，AhO3-Al，SiC-Mg，TiC-Ti，WC-Ni等。碳化硅颗粒增强铝基、镁基和钛基复合材料（SiCp/AlSiCp/Mg等）。其次，按金属基体分类：(1)铝基复合材料目前品种最多、规格最多、应用最广泛的一种复合材料。包括：硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维和氧化铝纤维增强铝；碳化硅颗粒和晶须增强铝等。应用：纤维增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度，在航空航天工业中可以代替中等温度下使用的昂贵的钛合金零件。(2)钛基复合材料材料的基体主要是：Ti-6AI-4V或塑性更好的β型合金（如Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI）主要有：硼纤维增强钛、碳化钛颗粒增强钛特点：以钛及其合金为基的复合材料具有高的比强度和比刚度，具有很好的抗氧化性能和高温力学性能，在航空工业中可以替代镍基耐热合金。(3)镁基复合材料镁基合金具有比铝更低的密度。大多数镁基复合材料为颗粒与晶须增强。但石墨纤维增强镁基复合材料，与碳纤维、石墨纤维增强铝基材料相比，密度和热膨胀系数更低，强度和模量也低，具有很高的导热/热膨胀比值，在温度变化的环境中，是一种尺寸稳定性极好的宇宙空间材料。镁基复合材料的基体主要有：AZ31(Mg-3AI-1Zn)，AZ61(Mg-6A-1Zn),ZK60(Mg-6Zn-Zr)等。(4)高温合金基复合材料主要包括：(a）难熔金属丝增强复合材料，主要采用钨、钼等难熔合金丝。较多的研究钨丝增强的复合材料；制备工艺一般采用热压扩散结合工艺，亦可采用粉未治金法。基体一般为高温合金。（b）定向凝固共晶复合材料，也称原位生成自增强型。选用合适的共晶成分高温合金，在定向凝固条件下使共晶两相以层片或纤维增强相与基体相按单向凝固结晶方向同时有规则的排列生长，以达到增强效果。7.3.2MMC制备工艺金属基复合材料的制备工艺方式、工艺过程以及工艺参数的控制对金属基复合材料的性能有很大影响

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 典型的颗粒增强复合材料有：SiC-Al，Al2O3-Al，SiC-Mg，TiC-Ti，WC-Ni等。 碳化硅颗粒增强铝基、镁基和钛基复合材料（SiCp/Al, SiCp/Mg 等）。 其次，按金属基体分类： (1)铝基复合材料 目前品种最多、规格最多、应用最广泛的一种复合材料。包括：硼纤维、碳化硅纤维、 碳纤维和氧化铝纤维增强铝；碳化硅颗粒和晶须增强铝等。 应用：纤维增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度，在航空航天工业中可以代替中等 温度下使用的昂贵的钛合金零件。 (2)钛基复合材料 材料的基体主要是: Ti-6Al-4V 或塑性更好的β 型合金（如 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al） 主要有：硼纤维增强钛、碳化钛颗粒增强钛 特点：以钛及其合金为基的复合材料具有高的比强度和比刚度，具有很好的抗氧化性能 和高温力学性能，在航空工业中可以替代镍基耐热合金。 (3)镁基复合材料 镁基合金具有比铝更低的密度。大多数镁基复合材料为颗粒与晶须增强。但石墨纤维增 强镁基复合材料，与碳纤维、石墨纤维增强铝基材料相比，密度和热膨胀系数更低，强度和 模量也低，具有很高的导热/热膨胀比值，在温度变化的环境中，是一种尺寸稳定性极好的宇 宙空间材料。 镁基复合材料的基体主要有：AZ31(Mg-3Al-1Zn), AZ61(Mg-6Al-1Zn), ZK60(Mg-6Zn-Zr) 等。 (4)高温合金基复合材料 主要包括: (a) 难熔金属丝增强复合材料，主要采用钨、钼等难熔合金丝。较多的研究钨丝增强的复 合材料；制备工艺一般采用热压扩散结合工艺，亦可采用粉末冶金法。基体一般为高温合金。 （b）定向凝固共晶复合材料，也称原位生成自增强型。 选用合适的共晶成分高温合金，在定向凝固条件下使共晶两相以层片或纤维增强相与基 体相按单向凝固结晶方向同时有规则的排列生长，以达到增强效果。 7.3.2 MMC制备工艺 金属基复合材料的制备工艺方式、工艺过程以及工艺参数的控制对金属基复合材料的性 能有很大影响

第21 讲$7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案金属基复合材料的工艺研究主要有以下五方面：（1）金属基体与增强材料的结合方式和结合性（2）金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制：（3）增强材料相在金属基体中的均匀分布：（4）防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤：（5）优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。金属基复合材料的制备工艺，按制备方法的基本特点，把制备工艺分为四大类：固态法、液态法、喷射与喷涂沉积法、原位复合法。（一）、固态法金属基复合材料的固态制备工艺主要为扩散结合、粉末未冶金两种方法。1.扩散结合（diffusionbonding）扩散结合是一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺。指在一定温度的压力下，把新鲜清洁表面的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。一般的工艺流程分为以下六步：主要分为三个关键步骤：（1）纤维的排布；（2）复合材料的叠合和真空封装；（3）热压。第一步骤：增强纤维的排布增强纤维的排布有以下几种方式第一，采用有机粘接剂，将增强纤维的单丝或多丝的条带分别浸渍加热后易挥发的有机粘接剂，按复合材料的设计要求排列在金属基体的薄板上，形成预制件。第二，采用带槽的薄板，将纤维排布在其中。第三，采用等离子喷涂，先在金属基体箔片上用缠绕法排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金属相相同的金属，这样便将增强纤维与基体金属粘结固定在一起。第四，将与基体润湿性差的增强纤维预先进行表面化学或物理处理，然后再通过基体金属熔池，使金属充分地浸渍到纤维表面或纤维束中，形成金属基复合丝。这种复合丝即可与金属基体箔片交互排布，也可直接排布成预制件，然后进行扩散结合。第二个关键步骤：叠合和封装叠合是将排布好纤维的幅片（单丝缠绕）后条带预制件经剪裁成一定形状，根据复合材料制品的要求叠合成一定厚度。为了防止复合材料在热压中的氧化，叠合好的复合材料环料应真空封装与金属模套中。第三个关键步骤：热压一般封装好的叠层在真空或保护气氛下直接放入热压模具或平板进行热压合。为了保证

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 金属基复合材料的工艺研究主要有以下五方面： （1）金属基体与增强材料的结合方式和结合性； （2）金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制； （3）增强材料相在金属基体中的均匀分布； （4）防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤； （5）优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。 金属基复合材料的制备工艺，按制备方法的基本特点，把制备工艺分为四大类： 固态法、液态法、喷射与喷涂沉积法、原位复合法。 （一）、固态法 金属基复合材料的固态制备工艺主要为扩散结合、粉末冶金两种方法。 1．扩散结合（diffusion bonding） 扩散结合是一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺。指在一定温度的压力下， 把新鲜清洁表面的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。 一般的工艺流程分为以下六步： 主要分为三个关键步骤：（1）纤维的排布；（2）复合材料的叠合和真空封装；（3）热压。 第一步骤：增强纤维的排布 增强纤维的排布有以下几种方式: 第一，采用有机粘接剂，将增强纤维的单丝或多丝的条带分别浸渍加热后易挥发的有机 粘接剂，按复合材料的设计要求排列在金属基体的薄板上，形成预制件。 第二，采用带槽的薄板，将纤维排布在其中。 第三，采用等离子喷涂，先在金属基体箔片上用缠绕法排布好一层纤维，然后再喷涂一 层与基体金属相相同的金属，这样便将增强纤维与基体金属粘结固定在一起。 第四，将与基体润湿性差的增强纤维预先进行表面化学或物理处理，然后再通过基体金 属熔池，使金属充分地浸渍到纤维表面或纤维束中，形成金属基复合丝。这种复合丝即可与 金属基体箔片交互排布，也可直接排布成预制件，然后进行扩散结合。 第二个关键步骤：叠合和封装 叠合是将排布好纤维的幅片（单丝缠绕）后条带预制件经剪裁成一定形状，根据复合材 料制品的要求叠合成一定厚度。为了防止复合材料在热压中的氧化，叠合好的复合材料坯料 应真空封装与金属模套中。 第三个关键步骤: 热压 一般封装好的叠层在真空或保护气氛下直接放入热压模具或平板进行热压合。为了保证

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案性能符合要求，热压过程中要控制好热压工艺参数。2.粉末冶金（powdermetallurgy）粉末冶金法既可适用于连续长纤维，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。粉末冶金制备过程长纤维增强MMC与短纤维、颗粒或晶须增强MMC略有不同。长纤维增强金属基复合材料是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。然后将预烧结体进行热等静压加工。其纤维的体积百分含量为40~50%，最高到75%。缺点是所制备的MMC材料中纤维分布不够均匀，导致性能稳定性差，需要进行二次加工如热挤压来改善其性能。短纤维、颗粒或晶须增强MMC工艺过程主要分为两部分：（一）将增强材料（短纤维、颗粒或晶须）与金属粉未混合均匀：可采用机械混合方式，然后是进行封装、除气或采用冷等静压，再进行热等静压或热压烧结法来提高复合材料致密性。（二）经过热等静压或烧结后的复合材料一般需要经过二次加工后才可获得所需制品。和其它金属基复合材料制备工艺相比，粉末冶金具有以下优点：（1）热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体界面反应少，减少了界面反应对复合材料性能的影响；（2）可根据所设计的MMC性能要求来调配增强材料与基体金属粉末比例：（3）可降低增强材料与基体相互润湿的要求，也可使颗粒或晶须均匀分布在金属基体中：（4）热等静压工艺可使MMC组织细化、致密、均匀，不会产生偏析、偏聚等缺陷，也可使孔隙和其它内部缺陷得到明显改善；（5）粉末冶治金制备的金属基复合材料也可以通过传统的金属加工方法加工，从而得到所需的复合材料部件的毛环。该工艺的缺点是：工艺过程比较复杂，特别是金属粉末必须制成金属粉体，增加了工艺的复杂性和成本。（二）、液态法液态法亦称熔铸法，其中包括压铸、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法。主要特点是金属基体在制备复合材料时处于液态。1：压铸压铸成型（squeezecasting）指在压力作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 性能符合要求，热压过程中要控制好热压工艺参数。 2. 粉末冶金（powder metallurgy） 粉末冶金法既可适用于连续长纤维，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材 料。粉末冶金制备过程长纤维增强 MMC 与短纤维、颗粒或晶须增强 MMC 略有不同。 长纤维增强金属基复合材料是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末 混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。然后将预烧结体进行热等静压加工。其纤维的 体积百分含量为 40~50%，最高到 75%。缺点是所制备的 MMC 材料中纤维分布不够均匀，导 致性能稳定性差，需要进行二次加工如热挤压来改善其性能。 短纤维、颗粒或晶须增强 MMC 工艺过程主要分为两部分：（一）将增强材料（短纤维、 颗粒或晶须）与金属粉末混合均匀；可采用机械混合方式，然后是进行封装、除气或采用冷 等静压，再进行热等静压或热压烧结法来提高复合材料致密性。（二）经过热等静压或烧结后 的复合材料一般需要经过二次加工后才可获得所需制品。 和其它金属基复合材料制备工艺相比，粉末冶金具有以下优点： （1）热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体界面反 应少，减少了界面反应对复合材料性能的影响； （2）可根据所设计的 MMC 性能要求来调配增强材料与基体金属粉末比例； （3）可降低增强材料与基体相互润湿的要求，也可使颗粒或晶须均匀分布在金属基体中； （4）热等静压工艺可使 MMC 组织细化、致密、均匀，不会产生偏析、偏聚等缺陷，也 可使孔隙和其它内部缺陷得到明显改善； （5）粉末冶金制备的金属基复合材料也可以通过传统的金属加工方法加工，从而得到所 需的复合材料部件的毛坯。 该工艺的缺点是：工艺过程比较复杂，特别是金属粉末必须制成金属粉体，增加了工艺 的复杂性和成本。 （二）、液态法 液态法亦称熔铸法，其中包括压铸、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透 法。主要特点是金属基体在制备复合材料时处于液态。 １．压铸 压铸成型（squeeze casting）指在压力作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以 一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基 复合材料的工艺方法

第21讲87.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案压铸工艺特点：压铸工艺设备简单、材料质量高且稳定，易于工业化生产。2.半固态复合铸造半固态铸造（compocasting）法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。特点：由于浇注时金属基复合材料处于半固态熔体，直接浇注成型或压铸成型所得铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。主要应用于颗粒增强金属基复合材料。不适合于短纤维、晶须增强MMC。3.无压渗透是一种能明显降低金属基复合材料制造成本的工艺。该工艺要求将增强材料制成预制体，预制体放置于由氧化铝制成的容器之内。再将基体金属坏料置于可渗透的增强材料预制体上部，氧化铝容器、预制体和基体金属坏料均装入一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发渗入网络状增强材料预制体中。缺点是复合材料的强度较低，但刚度显著高于基体金属。4液态浸渍法主要应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。原因：（1）碳纤维或石墨纤维与1000℃以下的温度铝液几乎是不润湿的；（2）碳或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。A4C3界面生成物是脆性化合物，过量生成的A4C3界面生成物会严重影响碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料性能。因此，为了增加碳纤维或石墨纤维与铝液的润湿性，要在碳纤维和石墨纤维表面进行涂层。用途：上述方法形成的复合丝可以采用扩散结合方式热压成型制备碳纤维增强铝基复合材料。（三）、喷涂与喷射沉积特点：喷涂沉积，主要应用于纤维增强金属基复合材料预制层制备。而喷射沉积则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。喷涂与喷射沉积工艺的最大特点是增强材料与基体金属的润湿性要求低，增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。1.喷涂沉积（spraydeposition）主要原理是以等离子体或电弧加热金属粉末或金属丝、线，甚至是增强材料粉末，通过喷涂气体喷涂沉积到沉积基材上。采用等离子或电弧喷涂方法已制备硼纤维增强铝和钨丝增强高温合金复合材料预制层。在采用扩散结合法制备成复合材料，其持久断裂强度、高周疲劳性能、蠕变性能以及导热性

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 压铸工艺特点：压铸工艺设备简单、材料质量高且稳定，易于工业化生产。 2．半固态复合铸造 半固态铸造（compo casting）法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗 粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入 模具进行压铸成型。 特点：由于浇注时金属基复合材料处于半固态熔体，直接浇注成型或压铸成型所得铸件 几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。主要应用于颗粒增强金属基复合材料。不适合于短 纤维、晶须增强 MMC。 3．无压渗透 是一种能明显降低金属基复合材料制造成本的工艺。该工艺要求将增强材料制成预制体， 预制体放置于由氧化铝制成的容器之内。再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上 部，氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热， 基体金属熔化，并自发渗入网络状增强材料预制体中。 缺点是复合材料的强度较低,但刚度显著高于基体金属。 4 液态浸渍法 主要应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。 原因：（1）碳纤维或石墨纤维与 1000℃以下的温度铝液几乎是不润湿的；（2）碳或石墨 纤维与铝液接触会反应生成 Al4C3 界面生成物。Al4C3 界面生成物是脆性化合物，过量生成的 Al4C3 界面生成物会严重影响碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料性能。因此，为了增加碳纤 维或石墨纤维与铝液的润湿性，要在碳纤维和石墨纤维表面进行涂层。 用途：上述方法形成的复合丝可以采用扩散结合方式热压成型制备碳纤维增强铝基复合 材料。 （三）、喷涂与喷射沉积 特点：喷涂沉积，主要应用于纤维增强金属基复合材料预制层制备。而喷射沉积则主要 用于制备颗粒增强金属基复合材料。喷涂与喷射沉积工艺的最大特点是增强材料与基体金属 的润湿性要求低，增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。 1．喷涂沉积（spray deposition） 主要原理是以等离子体或电弧加热金属粉末或金属丝、线，甚至是增强材料粉末，通过 喷涂气体喷涂沉积到沉积基材上。 采用等离子或电弧喷涂方法已制备硼纤维增强铝和钨丝增强高温合金复合材料预制层。 在采用扩散结合法制备成复合材料，其持久断裂强度、高周疲劳性能、蠕变性能以及导热性

第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案能都得到改善。复合材料工作温度提高110℃。2.喷射沉积（spraycodeposition）将治金工艺中混合和凝固两个过程相结合的新工艺。将基体金属在璃中经熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速情性气体射流作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成雾化锥，同时通过一个或多个喷嘴向雾化锥喷射增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。工艺特点：高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达理论密度的95~98%；属于快速凝固方法，冷却速度可达103~106K/S,因此，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀：增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；具有通用性和产品多样性，适合多种金属材料基体。工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高。（四）、原位复合原位增强方法主要有共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法（DIMOXTM）、反应生成法(XDTM)。1.共晶合金定向凝固特点：（1）是由单晶和定向凝固制备方法衍生而来。要求合金成分为共晶或接近共晶成分。（2）参与共晶反应的两相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成。(3）原位生长必须满足的三个条件：有温度梯度的加热方式；满足平面凝固条件：两相的成核和生长要协调进行。（4）定向凝固共晶复合材料的凝固组织是层片状或棒状取决于共晶中含量较少组元的体积分数。定向凝固共晶复合材料的主要制备方法有：精密铸造法、连续浇铸法、布里奇-斯托克布格尔法、区域熔炼和丘克拉斯基法等。主要应用于航空透平机叶片。2直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM法根据是否有预成型体，分为唯一基体法（matrix-only）和预成型体法。唯一基体法的特点是：制备金属基复合材料的原材料中没有填充物（增强材料预成型体和增强相，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。预成型体法的特点是：增强材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧化（氮化）形成基体。3.反应生成法（XDTM）

§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 能都得到改善。复合材料工作温度提高 110℃。 2．喷射沉积（spray code position） 将冶金工艺中混合和凝固两个过程相结合的新工艺。将基体金属在坩埚中经熔炼后，在 压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流作用下，液态金属被分散为细小的液 滴，形成雾化锥，同时通过一个或多个喷嘴向雾化锥喷射增强颗粒，使之与金属雾化液滴一 齐在一基板上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。 工艺特点：高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达理论密度的 95~98%；属于快速 凝固方法，冷却速度可达 103~106K/S,因此，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成 分均匀；增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；具有通用性和产品多样性， 适合多种金属材料基体。工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高。 （四）、原位复合 原位增强方法主要有共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法（DIMOXTM）、反应生成法 (XDTM)。 1．共晶合金定向凝固 特点： （1）是由单晶和定向凝固制备方法衍生而来。要求合金成分为共晶或接近共晶成分。 （2）参与共晶反应的两相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则 排列生成。 (3) 原位生长必须满足的三个条件：有温度梯度的加热方式；满足平面凝固条件；两相的 成核和生长要协调进行。 （4）定向凝固共晶复合材料的凝固组织是层片状或棒状取决于共晶中含量较少组元的体 积分数。 定向凝固共晶复合材料的主要制备方法有：精密铸造法、连续浇铸法、布里奇-斯托克布 格尔法、区域熔炼和丘克拉斯基法等。主要应用于航空透平机叶片。 2 直接金属氧化法（DIMOXTM） DIMOXTM 法根据是否有预成型体，分为唯一基体法（matrix-only）和预成型体法。 唯一基体法的特点是：制备金属基复合材料的原材料中没有填充物（增强材料预成型体） 和增强相，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。 预成型体法的特点是：增强材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺 序氧化（氮化）形成基体。 3．反应生成法（XDTM）