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1、复合材料工艺及设备,主讲人：董抒华,目 录,1 绪论2 手糊成型工艺及设备3 夹层结构成型工艺及设备4 模压成型工艺5 模压成型模具与液压机6 层压工艺及设备,7 缠绕成型工艺8 缠绕设备9 无机非金属基成型工艺及设备,目 录,9.1 概述9.2 水泥基复合材料9.3 陶瓷基复合材料,9 无机非金属基复合材料成型工艺及设备,9.1 概述,9.1.1 发展概况,无机非金属基复合材料，通常是指各种类型的纤维（或晶须）为增强材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体，通过不同的成型方法复合而成的一类新型的多相固态材料。,传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，如抗
2、腐蚀、耐高温等。这使得许多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它也有质脆、经不起热冲击的弱点，又使它的应用范围受到了一定的限制。,无机非金属材料复合材料,特性：,1、能承受高温，强度高,2、具有电学特性,3、具有光学特性,4、具有生物功能,F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。,1 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite）发展概况,陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等十分突出的优秀性能，但它又有脆性的缺点，这限制了它的更广泛应用。工艺上采
3、取陶瓷纤维加入陶瓷基质的办法，来增大它的韧性，取得有效的结果，既达到增韧又不降低强度。现在已经可以满足12001900高温范围内使用的要求。,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。其复合材料的类型如图所示。,不同增强材料的陶瓷基复合材料,连续纤维,片状或层状纤维,陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。,炭纤维和陶瓷纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料有较高的韧性。但炭纤维和陶瓷基体之间相容性较差，且其成本高。所以重点研究和开发陶瓷纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料。,所用的陶瓷纤维（或晶须）有SiC、Si3N4和Al
4、2O3等。,陶瓷基复合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC系列；Si3N4系列；SiC-Si3N4系列。其成型方法有：烧结法、热压法、反应烧结法、化学气相沉积法和浸渍法等。,氧化锆陶瓷刀具,氧化锆陶瓷刀具,2.水泥基复合材料（Glassfiber Reinforced Cement）发展概况,1964年，丹麦Krenchel博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料的机理。1967年英国的Majumdar试制成功含锆的抗碱玻璃纤维，并研究了抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆，取得了专利。1971年此种复合材料开始小规模生产。,我国在50年代曾探索用中碱玻璃纤维增强
5、普通硅酸盐水泥砂浆。进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥。,纤维增强水泥基复合材料的纤维种类有：石棉纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、炭纤维、Kevlar纤维和植物纤维等。,成型工艺方法：喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法、离心法、抄取法和流浆法。,二、陶瓷基和水泥基复合材料性能及其应用,1.陶瓷基复合材料性能及应用,稀土离子掺杂YAG透明陶瓷的显微结构,无压烧结氮化硅陶瓷材料的显微结构,碳化物陶瓷制品（SiC密封件、SiC轴承球、SiC燃烧室）,Si3N4及陶瓷制品,2.水泥基复合材料性能及应用,特点：轻质高强、具有良好的断裂韧性。,增强材料：石棉纤维、玻璃纤维和
6、有机合成纤维等。,（1）玻璃纤维增强水泥的性能及应用,广泛用于建筑物中。,（2）石棉水泥基复合材料性能及应用,由于石棉粉尘的危害性，使其应用受到了限制。主要应用：石棉瓦、石棉水泥管。,（3）钢纤维水泥复合材料性能及应用,钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。通常称为“钢纤维增强混凝土”（Steel Fiber Reinforced Concrete）。,主要应用领域：隧道、巷道、机场跑道、桥梁、高速公路等。,（4）聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用,是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。统称为聚丙烯纤维增强混凝土（Polypropylene Fiber Reinforced C
7、oncrete）。,特点：抗冲击强度增大、韧性增高。,主要应用领域：可做半承重的预制品，还可用于现场浇注、地板和复合楼板等。,9.3 陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料发展现状陶瓷基复合材料所用原材料陶瓷基复合材料成型工艺及设备连续纤维增强陶瓷基复合材料生产工艺,重点：陶瓷基复合材料纤维（晶须）与基体间的相容性；低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则；陶瓷基复合材料成型方法及烧结原理。,难点：低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则；陶瓷基复合材料烧结过程及原理。,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基
8、体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。,我国在20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料研究，取得了一系列创新性成果。纤维补强陶瓷基复合材料在我国独创性地应用于战略导弹上，被列入为定型产品，并另被应用于各类卫星天线窗的保护框上。,假如一辆普通的汽车在沙漠中行驶，在零部件不坏的前提下最怕遇到什么问题？,近十年来，我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，研制成功一系列新的陶瓷材料，并带出许多应用。,广州本田新雅阁发动机,“枭龙”战斗机,发动机,2004年3月我国国防科技工业领域惟一的女院士、西北工业大学教授张立同率领的科技创新团队，以“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术
9、研究”荣获国家技术发明一等奖。,氮化硅与碳化硅基陶瓷材料应用于机械密封、金属加工切削和金属冶炼工业中。氧化铝、氧化锆基增韧陶瓷部件应用于集成电路基片、光纤连接器关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域。,不足：与其他复合材料相比，陶瓷基复合材料的发展较慢。,原因：制备工艺复杂；缺少耐高温的纤维。,研究方向：主要集中于纤维与基体之间的相容性；低温制备技术；纤维表面处理技术。,(1)要大力提高陶瓷纤维或晶须的性能。,1.纤维（晶须）与晶体间的相容性,(2)必须考虑纤维或晶须与基体在化学上和物理上的相容性。,低温制备技术的研究，近年来十分活跃。,2.低温制备技术,目的：主要改善纤维（晶须）与基体在物理
10、上和化学上的相容性，提高纤维（晶须）与基体的结合强度，减少或避免纤维与基体之间的有害化学反应的发生，从而提高复合材料的性能。,3.纤维（晶须）表面处理技术,常用的表面处理方法有：化学气相沉淀、化学气相浸渍、化学反应沉积、熔态浸渍、等离子喷涂、电镀和化学镀等。,原材料如何？,1.增强材料,陶瓷基复合材料所用增强材料 有：Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2等氧化物晶须和Si3N4、SiC、TaC和BN等非氧化物晶须。所用纤维有C纤维、B纤维、SiC纤维、BN纤维和Al2O3纤维等。,9.3.2 陶瓷基复合材料所用原材料,晶须放大照片,碳化硅晶须样品,2.基体材料,常用的有SiC、Si
11、3N4、Al2O3、C、BN、ZrO2、MgO和SiO2等。,碳化硅（SiC）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。,2.基体材料,碳化硅陶瓷的特点高温强度高，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，而其它陶瓷材料到12001400 时强度水平显著降低。具有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性能。,碳化硅,强度高，反应烧结氮化硅室温抗弯强度为200 MPa，到1200-1350仍保持较高强度。热压氮化硅室温抗弯强度可达500 MPa。抗热震性能和抗高温蠕变性能比其它陶瓷材料好；硬度高，摩擦系数低
12、，为，是一种极其优良的耐磨材料；具有自润滑性，可在无润滑的磨损条件下工作；,氮化硅陶瓷的特点,具有良好的耐腐蚀性能，除HF外，可耐所有无机酸和某些碱性溶液的腐蚀；可抵抗熔融有色金属的侵蚀；抗氧化温度高达1000；良好的电绝缘性能。,3.陶瓷纤维（晶须）与陶瓷基体复合过程中的匹配原则,（1）增强材料弹性模量要高。（2）增强材料和基体材料热膨胀系数相近。（3）在制造过程中，应避免纤维或晶须与基体在高温处理时两者发生化学反应。（4）确保增强材料与基体材料界面之间的结合强度。,工艺如何？,9.3.3 陶瓷基复合材料成型工艺及设备,陶瓷基复合材料的成型方法主要有：注浆法、浸渍法、气相沉积法和热压法等。,
13、陶瓷和粉末冶金工艺通常包括粉末制备、坯块成型和烧结工艺三个工序。,1.注浆成型（Slip Casting）,注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低；此法易于成型大尺寸、外形复杂的薄壁部件。,注浆成型包括石膏模制做、粉浆制备和粉浆浇注。注浆成型的关键是浆料的制备。在制备浆料时，需要加入分散悬浮剂、粘结剂、除气剂和滴定剂。,成型过程：将物料和水经研磨后制成一定浓度的悬浮粉浆，注入具有所需形状的石膏模具，空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出；拆开模具取注件，干燥，烧结。,注浆成型工艺过程,注浆成型研究论文,为缩短吸浆时间，提高注件质量，可采用压力注浆、离
14、心注浆和真空注浆。,离心成型（Centrifugal casting）也称为离心注浆成型。是将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成型，较适合于空心柱状部件，不足之处是坯体的密度沿离心方向变化。,2.压力渗滤工艺(Pressure filtration)和离心成形(Centrifugal casting),压力渗滤工艺综合了注浆和注射工艺的优点，可得到异形的复合材料制品，可避免超细粉或晶须在整个制备过程中发生团聚和再团聚现象。特别适合于晶须增韧陶瓷基复合材料的成型。,压力渗滤法生产过程：首先将晶须(短切纤维)预成型为坯件，然后经表面处理，置于石膏模具中，在压力作用下使料浆充
15、满晶须(短切纤维)预成型坯件的缝隙。料浆中的液体经过过滤器排入过滤腔，而留在模具内的经加压烧结形成晶须(短切纤维)补强陶瓷基复合材料。,压力渗滤工艺示意图,1-加压器；2-压头活塞；3-泥浆及预成型坯件；4-过滤器；5-过滤腔；6-石膏模具,将晶须或短切纤维进行预处理，然后采用分散技术分布于陶瓷基体料浆中，再利用上图所示的装置直接加压渗滤，经过烧结后也可以获得晶须(短团纤维)补强陶瓷基复合材料。,特点：可避免粉料团聚和重团聚现象，坯体密度高，非常适合于晶须和纤维补强复合材料的成型。,3.流延法成型（Tape Casting/Doctor Blade）,流延法成形与注浆成形类似，不同之处在于所成
16、型的制品形状、尺寸及溶剂排除方式不同，要获得膜厚度在10微米以下的陶瓷膜必须用流延法。,它是将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过固定的流延嘴及依靠料浆本身的自重将浆料刮成薄片状流在一条平移转动的环形钢带上。经过上下烘干道，钢带又回到初始位置时就得到所需的薄膜坯体。,工艺过程：,特点：是可以进行材料的微观结构和宏观结构设计；比干压成型获得的坯体密度高；可制得厚度为0.05mm以下的薄膜；机械化和自动化程度较高。,烧结是陶瓷工艺中最重要的工序。所谓烧结就是指在高温作用下，瓷料发生一系列物理化学变化并由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。,(1)烧结过程及原理,4.烧结工艺,一
17、般烧结的驱动力为体系的表面能和缺陷能。粉末烧结从热力学角度分析是系统自由能降低的过程，即由不稳定的高能状态向稳定的低能状态转化的过程。,烧结过程及原理,根据烧结时是否存在明显的液相，烧结过程可分为固相烧结和液相烧结。,固相烧结过程，在升温阶段发生水分和有机物的蒸发和挥发，成型剂和吸附气体的排除，颗粒内应力的消除，再结晶等过程。,固相烧结,球形颗粒的烧结模型,中期变化,烧结前,烧结后期孔隙球化,坯体烧结过程示意图,在高温保温时，液相烧结过程的三个阶段：形成液相和颗粒重排；固相在液相中的溶解和析出；固相骨架的形成。在冷却阶段，液相凝固。,液相烧结,烧结三阶段,小结,陶瓷基复合材料发展现状；陶瓷基复
18、合材料所用原材料；注浆成型、压力渗滤成型、流延成型；烧结过程及原理。,回顾与思考,1.通过哪些途径可提高陶瓷基复合材料韧性？2.查阅资料，综述陶瓷基复合材料的发展前沿及应用。,为了加速瓷料的烧结、提高瓷件的致密度，还常常通过给瓷料加高温的同时施加外力的方式进行瓷料的烧结，尤其对一些难于烧结的材料，加压烧结具有无可比拟的优越性。这就是所谓的热压烧结和热等静压烧结。前者是一维单向施加压力；后者是三维方向加压。,（2）烧结方法及设备,1）热压法加压成型和加热烧结同时进行的工艺。,优点：所需成型压力小；降低烧结温度、缩短烧结时间；容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体；容易得到细晶粒的组织和实现
19、晶体的取向效应、可获得具有良好机械性能、电性能的制品；,缺点：生产效率低、成本高。,可生产形状复杂、尺寸较精确的制品。,2）干压成形(Dry Pressing),干压成形又称为模压成形，是将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加压，将粉料压成所需形状。这种方法操作简便，生产效率高，易于自动化，是常用的方法之一。但干压成形时粉料容易团聚，坯体厚度大时内部密度不均匀、制品形状可控精度差，且对模具质量要求高，复杂形状的部件模具设计较困难。,干压成形的粉料含水量应严格控制，一般应干燥至含水量不超过12(质量分数）为宜。,加压方式对坯体密度的影响,此外，干压时压模下落速度缓慢些为好，加压速度过快会导致坯
20、体分层、坯体内夹杂气泡、表面致密而中间松散等缺陷。批量生产时加压应均匀一致，否则会引起瓷件薄厚不均匀造成废品。,自本世纪30年代开始采用等静压成型。一般等静压指的是湿袋式等静压(wetbag isostatic pressing,也叫湿法等静压)，就是将粉料装入橡胶等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的坯体。这种工艺最大的优点是粉料不需要加粘合剂、坯体密度均匀性好、所成形制品的大小和材质几乎不受限制并具有良好的烧结体性能。,等静压成形(Isostatic Pressing),等静压成形原理示意图,但此法仅适用于简单形状制品，形状和尺寸控制性差，而且生产效率低、难于实
21、现自动化批量生产。因而出现了干袋式等静压的方法(干式等静压)。,这种成形方法是将加压橡胶袋封紧在高压容器中，加料后的弹性模具送入压力室中，加压成形后退出来脱模。也可将模具固定在高压容器中，加料后封紧模具加压成形，这时模具不和加压液体直接接触，可以减少模具的移动，不用调整容器中的液面和排除多余的空气，因而能加速取出压好的坯体，可实现连续等静压。,但是这种方法只是在粉料周围受压，粉体的顶部和底部都无法受到压力。而且这种方法只适用于大量压制同一类型的产品，特别是几何形状简单的产品，如管子、圆柱等。,等静压成形设备示意图,湿袋式等静压,干袋式等静压,热等静压烧结法,等静压成型是使粉料在各向同时均匀受压
22、的一种成型工艺，有干袋法和湿袋法两种。传递压力的介质为液体时，称为液等静压成型；传递压力介质为气体或弹性体，称为均衡压制成型。,在制备一些陶瓷时(如SiC、Si3N4和莫来石等)，人们还常常利用反应烧结的方法使材料合成和烧结同时完成。这种方法是先将原材料(如制备Si3N4时使用Si粉)粉末以适当方式成形后，在一定气氛中(如氮气)加热发生原位反应合成所要的材料并同时发生烧结。它的最大优点是能够很精确地控制制品的尺寸变化，但烧成致密度不高一般低于90。,3）活化烧结法（反应烧结或强化烧结）,它是指能提高烧结效率、使陶瓷材料性能发生显著改善的一种烧结工艺。,原理：在烧结前或在烧结过程中，采用某些物理
23、或化学方法，使反应物的原子或分子处于高能状态，利用这种高能状态的不稳定性，容易释放出能量而变成低能态，作为强化烧结的新的驱动力。,反应烧结与其他烧结工艺相比，其主要特点：,反应烧结时，质量增加；烧结坯件不收缩，尺寸不变；物质迁移过程发生在长距离范围内，反应速度取决于传质和传热过程；液相反应烧结液相和固相间发生化学反应。,9.3.4 连续纤维增强陶瓷基复合材料生产工艺,1.概述,优点：耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度、韧性高、可机械加工等。,连续纤维增强陶瓷基复合材料所用的增强纤维主要有Al2O3纤维、SiC纤维、Si3N4纤维和碳纤维等，所用基体材料主要有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷和 Si3N4
24、陶瓷等。,2.连续纤维增强陶瓷基复合材料生产工艺,使用最多的工艺方法有：化学气相沉积法（CVD法）、化学气相渗透法（CVI法）、直接熔融氧化法(LANXIDE法）和溶胶凝胶与有机聚合物先驱转化法（有机聚合物高温裂解法）。,（1）化学气相沉积法CVD(Chemical Vapor Depositon),C纤/SiC气相沉积原理图示,它是将连续纤维（或晶须）制成预成型坯体，而后置于化学气相沉积炉内，通过高温条件下的气相反应形成复合材料基体物质沉积，填充于骨架纤维中，从而直接获得陶瓷基复合材料制品。,（2）化学气相浸渍法(Chemical Vapor Impregnation,CVI)CVI法是在C
25、VD法基础上发展起来的；CVI法主要有六种，最具代表性的为等温CVI法（ICVI）和热梯度强制对流CVI法（FCVI）,原理：利用CVD的原理，设法使气相物质在加热的纤维表面或附近发生化学反应，形成基体物质沉积于骨架纤维中，从而获得陶瓷基复合材料制品。,化学气相浸渍法(Chemical Vapor Impregnation,CVI)以在1200-1400 K的温度下制备SiC陶瓷基复合材料为例：CH3Cl3Si(g)+H2(g)SiC(s)+3HCl(g)+H2(g)有的时候还可以用原料气，如氧化铝基体复合材料的制备，在 950-1000 和 23 kPa 的压力下:H2(g)+CO2(g)H
26、2O(g)+CO(g)2AlCl3(g)+H2O(g)Al2O3(s)+6 HCl(g)2AlCl3(g)+3H2(g)+3CO2(g)Al2O3(s)+3CO(g)+6HCl(g),ICVI工艺又称静态法，是将被浸渍的预制件放在等温室中，反应物气体通过扩散渗透到多孔预制件中，发生化学反应并沉积，反应副产物气体也通过扩散逸出；由于传质过程主要通过气体扩散进行，沉积过程缓慢，且只限于薄壁部件；为了提高复合材料的致密度，沉积过程中要对部件进行表面加工，以恢复沉积速度。,(热梯度强制对流CVI)FCVI法的原理是通过迫使气体流动和建立温度梯度来避免浸渍孔隙的堵塞。具体实现为:在预制件内施加一个温度梯
27、度，同时施加一个反向的气体压力梯度，迫使反应气体强行通过预制件。在低温区不发生反应，在高温区发生反应并沉积。可以制作厚壁部件，但由于设备和模具的限制，不适于制作形状复杂的部件。,利用气体与基体的反应合成制备陶瓷基复合材料的方法有CVD(Chemical Vapor Depositon)和CVI(chemical vapor infiltration或chemical vapor impegnation)。二者的主要差异在于前者的析出的场所是基体的表面，而后者的析出的场所是基体(预成形体)的内侧。,气相的化学反应,CVD和CVI,CVI 工艺的优点：适用于很多种类的陶瓷基体与增强纤维，可制备硅化
28、物、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等多种陶瓷基复合材料；可以在较低温度下制备复合材料，材料内部残余应力低，纤维几乎不受损伤；可制备大尺寸、复杂形状和近净形的部件；制备的复合材料在高温下仍有好的机械性能。缺点：速度慢、成本高、材料致密度低（孔隙率1015）,3.溶胶-凝胶法(Sol-Gel)工艺步骤：制备陶瓷基体组元溶胶；加入增强相（颗粒、晶须、纤维等）并使其均匀分布于溶胶中；得到稳定均匀分布有增强相的陶瓷基体组元凝胶；干燥，压制，烧结后即可形成复合材料。,溶胶-凝胶法(Sol-Gel)连续纤维增强陶瓷基复合材料示意图。,溶胶-凝胶法(Sol-Gel)真空浸渍增强陶瓷基复合材料示意图。,溶胶-凝胶法(Sol-Gel)优点：陶瓷基体成分容易控制，纯度高；加工温度较低；得到的复合材料的均匀性好。缺点：较大的收缩率，基体容易开裂；生产效率低。,http:/=2%7C9%7C1,
