导图社区 复材及工艺
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复材及工艺
复合原理
复合效应
线性复合效应
性能-组元线性对应
平均/混合效应
混合定律
平行效应
互补效应（正效应）
相抵效应（负效应）
非线性复合效应
相乘效应
诱导效应
系统效应
共振效应
适用前提
通式
Xc=Xmfm+Xf1f1
X性能 f 体积分量
应用
连续纤维单向增强复合材料
理想
非理想
短纤维增强复合材料
Lc=σfu*d/2T
σfu纤维断裂强度
T界面的剪切强度
d纤维直径
临界纤维长度Lc
L＜Lc 纤维被拔出
L＞Lc 纤维断裂
界面理论
界面
简介
定义：载荷传递的微小区域
Xnm-Xμm
作用
传递载荷
阻断断裂
最佳/“最差”界面强度
强到足以传递载荷并有高的横向强度
增强
弱到足以沿界面发生轴向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出
增韧
不利于应力传递
界面润湿性
固液发生接触←良好粘接
好的浸润性 接触并结合
优化
形成？
基体与增强体接触和润湿
生成界面反应物
改善？
基体改性
增强体表面处理
玻纤
偶联剂（含O、N基团）
碳纤维
阳极电解氧化
等离子体法
增强表面极性
芳纶Kevlar纤维
UHMWPE纤维
制备工艺选择 及 参数优化
表征
看粘合好不好
形态表征
透射电镜TEM
扫描电镜SEM
断裂形貌
界面结合强
脆断，齐平
碳纤 玻纤
界面结合差
脱粘（局部）
拔出
吸收能量过程/增韧
芳纶
界面结合强度
ILSS
层间剪切强度
层压板间
IFSS
界面剪切强度
复合材料性能与表征
PMC
分类-按结构形式/热加工特性
热固性PMC
非交联→交联
热塑性PMC
流体→固体
优缺点
优
抗疲劳性能好
缺
抗冲击强度差
力学性能
预浸料性能
纤维浸渍树脂
预混料
不连续纤维
预浸料
连续纤维单向排布
影响因素
树脂含量
树脂流动度
粘性
挥发分含量
凝胶时间：预浸料使用周期
层合板性能
夹芯板性能
界面区域⑤
5个亚层
基体
基体表面区
相互渗透区
增强相表面区
增强相
工艺
手糊成型
缠绕成型
回转体（曲率为正）
将浸渍树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上，常压，室温/高温下，固化成型
拉挤成型
【连续】【恒定】截面
模压成型
恒定截面
RTM树脂传递模型/树脂迁移法
闭模操作系统，污染少
将增强体置于模具中形成一定形状，再将树脂注入模具，浸渍纤维并固化
喷射成型
CMC
整体陶瓷和陶瓷基复合材料的 力/位移 曲线
整体陶瓷
脆断
颗粒增强
脆断-面积↑ 吸收能量↑
纤维增强
制备工艺
粉末冶金法（颗粒）
MMC
反应烧结法RS
非氧化物陶瓷
e.g. SiC/SiN复合材料
硅布
Sol-gel
化学气相渗透法CVI
致密化？
陶瓷气体孔隙内沉积
ICVI 等温等压CVI
扩散
FCVI 温度-压力梯度CVI
迫使气体流动、建立温度梯度避免空隙堵塞
致密化程度高
有机前驱体热解法
陶瓷化
反应过程中有气体产生，易在CMC形成气孔
增韧机理
颗粒增韧
裂纹偏转
裂纹桥连
相变增韧
纤维、晶须增韧
纤维脱粘
纤维拔出
纤维桥接
概述
基体-金属
增强体-无机纤维/金属
有机纤维×
制备工艺（根据增强体的产生方式分）
内生型
无压渗透法
外生型
粉末冶金法PM
增强体+金属基体粉末→预烧结+静压
特点
优点
缺点
粉末基体
成本增加
安全性降低
与扩散结合法相比，纤维分布不够均匀
可通过二次加工（热挤压法）加以改善
扩散结合法（固态焊接技术/固态热压法）
适用于长纤维
材料铺层按按要求排布（唯一可行）
压铸成型法SC
将液态金属注入增强材料预制体的孔隙中
类RTM
简化版-无压渗透
成本低，强度低
半固态复合铸造CC
颗粒
喷涂与喷射沉积
原位法
直接金属氧化物法
唯一基体法
原材料中没有填充物和增强相，只是通过基体金属的氧化和氮化来制得复合材料
e.g. 氮化铝/铝 氧化铝/铝
预制体法
界面类型
Ⅰ.界面平整型
Ⅱ.界面凹凸型
Ⅲ.界面反应型
↓温度升高
C/Al 反应属于Ⅲ
界面改善？
增强体表面涂层处理
CVD/镀层
金属基体合金化
优化制备工艺和参数
混杂复合材料
增强体/基体-使用2种及以上材料
金属基混杂复合材料：芳纶/环氧+铝-ARALL芳纶增强铝薄板
C/C
按基体成碳工艺
液相法
浸渍-碳化法
浸渍-碳化-石墨化多次循环
浸渍剂选用原则
粘度适中
碳化收率高（残碳率高）
固化/碳化条件适宜
成碳后的微观结构与性能
气相法
CVD
等温工艺
装入若干预制体，速度缓慢
压力梯度工艺
局限于单件，沉积速率大
CVI
抗氧化防护
873K以上 表面进行耐高温材料涂层
机理-抗氧化涂层法
物质：氧化物陶瓷
考虑2因素
涂层的氧扩散渗透性
越小越安全
涂层与C/C复合材料的热膨胀系数匹配
873K以下 在基体中加入氧化抑制剂
机理-抑制剂法
抑制剂：硼及硼化物（硼化物密封剂）
机理：硼氧化后形成氧化物，熔点、粘度较低，易填充进C/C空隙中，起内部涂层作用，既阻断氧继续入侵，又减少氧化发生部位
更高温度 复合涂层法
外/内
里：考虑相容性
外：考虑抗氧化性
Si2O3/SiC
保护C/C
力学性能为假塑性
非脆性破坏
化学惰性
制备成本高
怎么减少成本？
减少浸渍-碳化循环次数
易氧化
水泥基
分类
钢筋混凝土
功能性复合材料
预应力混凝土：预先向混凝土硬化体系施加压缩力，储藏应变能
纤维增强水泥基复合材料
增强体和基体
增强体：无机、有机、陶瓷纤维（短切）
添加纤维比例低的原因？
纤维以粒子形式存在，点接触高
基体：混凝土/水泥
成型工艺
喷射法2
直接喷射法
喷射脱水法
预混料浇铸法
耐碱短切玻璃纤维
聚合物改性混凝土
聚合物以乳液形式加入到混凝土中
改善界面
减少水膜层厚度
降低水灰比
用聚合物作增强剂
改进纤维的外形
特色复合材料
纳米
定义
某一维度在100nm以下
增强相必须是纳米级（颗粒，晶须，纤维）
性能提升
微米陶瓷很脆 → 纳米陶瓷具有超塑性
纳米粉体的合成
物理-高能机械球磨法
容易带进杂质
只适用于金属材料
化学-微乳液法
乳液的粒径限制粉体粒径
化学气相法
纳米粉体→纳米复合材料
简单烧结×
纳米粉末活性大，烧结过程中晶界扩散快，高致密的同时晶粒快速增长，不易控制纳米尺寸
陶瓷基纳米
sol-gel
CVD和CVI
原位复合法
金属基纳米
半固态复合铸造法CC
聚合物基纳米
挤压成型
压延成型
注射成型
浇铸成型
OINC 有机-无机纳米复合材料
有机-无机杂化材料
在有机材料中加入无机材料
无机材料的断裂伸长率低
制备
Sol-gel法
插层法
插层复合法
聚合物/层状硅酸盐PLS
近程有序-各向异性
无规-强韧性
智能
机敏复合材料
③功能
自诊断功能
自适应功能
自修复/自愈合功能
组成
传感功能材料
执行功能材料
智能复合材料
④功能
自决策功能
仿生设计
碳化硅晶须 和 仿生碳化硅晶须
强度和韧性均提高
普通增强体，只强无韧
自愈合抗氧化
陶瓷/C
遗态
模板-保持天然结构
模板的选择
基于木材
绿色
负载
使用环境负载
环境负载
生态型复合材料
传统PMC
热塑性PMC再生后，机械强度下降
液晶PMC
机械强度不变
废弃物的循环再生
纤维磨损：平均长度减小，冲击性能下降
界面性能下降
聚合物降解
应用：多级回收法
直接热处理为油和填料
绿色复合材料
性能满足要求
在自然环境中降解进入自然循环
复合材料进展
液体复合材料技术
RTM 树脂传递模型
RFI 树脂膜渗透
RTM和RFI的优点
不需要制备预浸料，材料成本低
电子束固化技术
固化温度低，能耗少，成本低
低温固化工艺
固化温度小于100℃/373K
GMT热塑性片材
整理
有机前驱体法
CF
SiC · F
BF
增强体
GF
UHMWPE
氧化铝纤维
晶须
复合材料
纤维的哪些特性会影响增强效果？
种类
长度
体积含量
形状
排布（取向）
用什么做头盔？
要求：强度高+轻
有机纤维增强-可以承受形变的基体
可以碳板增强
加入无机非，提高耐热性
选用复合材料·成型工艺的时候考虑哪些因素
增强体，基体，界面
基体和增强体的相容性
工艺成本
应用性能的要求
产品的回收再利用
设计功能复合材料
导弹大面积放热材料
高硅氧玻纤/酚醛树脂
高硅氧玻纤
高钙硼硅酸盐GF在酸中溶去金属氧化物得到SiO2骨架，再经过清洗和热处理得到
96%SiO2
热固性树脂
FP
良好的工艺性（液→固）
时效性→存贮期
韧性差→固化后较脆
增韧剂-缓解
界面提高性能
玻纤？
偶联剂
优化成型工艺和参数
材料成型工艺
复合材料特性
耐热性好
热膨胀系数低
化学稳定性好
回收利用
直接处理为油和填料
复合材料基体的选择原则
自身物性突出
与增强体有良好相容性
固定纤维并使其粘合成整体
在纤维间传递载荷并使其均匀分布
基体选择？
聚合物材料
质轻、高比强、高比模
金属材料
耐温
陶瓷材料
耐温、抗氧化
比金属熔点高、硬度高
断裂能
金属＞聚合物＞陶瓷
聚合物基体
类型
不饱和聚酯UP
环氧树脂EP
酚醛树脂PF
呋喃树脂
乙烯基酯树脂
聚酰亚胺PI
热塑性树脂
高断裂韧性
工艺条件要求高-温度高
聚醚醚酮PEEK
聚砜PS/聚醚砜PES
金属基体
纤维选择？
连续纤维增强
纤维是主要承载物
非连续纤维增强
基体是主要承载物
结构/功能材料
结构材料
考虑使用温度
功能材料
除力学性能
Ti 比强最高
Mg Al Ti Fe Ni 金属间化合物
使用温度升高（从左往右）
一般由使用温度决定
陶瓷基体
为什么脆？
共价键具有方向性
介于共价键与离子键之间
工程陶瓷
氧化物陶瓷
结构：单晶多相结构+少量气孔
Al2O3陶瓷（高铝陶瓷）
硬度4强：金刚石＞氮化硼＞碳化硅＞氧化铝
Si3N4
SiC
微晶陶瓷/玻璃陶瓷
结构：取向杂乱的微晶+玻璃相
制备：反玻璃化
非晶态→晶态
成核剂TiO2
LAS
锂铝硅玻璃陶瓷
MAS
玻璃
水泥基体
典型：混凝土
基体和增强体
基体-水泥净浆
水
水泥
增强体-水泥砂浆
砂子
石子
配合比
水灰比
水和水泥→水泥浆
满足要求：强度、耐久性
砂石比
砂率-砂子/石子→集料
满足要求：和易性
浆集比
用水量-水泥浆和集料→优质混凝土
满足要求：和易性、经济性
钢筋
水泥/混凝土
碳质基体
树脂碳
结构：各向同性玻璃碳
制备：浸渍成碳
沥青碳
结构：中间相沥青-各向异性（高度取向）
怎么观察？偏光显微镜
制备：沥青热处理
沉积碳/CVD-C
制备：低分子量碳氢化合物裂解
影响：扩散/沉积速度
沉积＞扩散---封闭空隙
制备低密度材料
沉积＜扩散---利于增密
平滑层片状组织SL
粗糙层片状组织RL
TOG切向平行（竖着切） POG 轴向平行（横着切）
纤维
纤维的优势？
高比强、高比模，与基体相容性好
同一纤维，越短越细，强度越高
纺丝工艺/成纤工艺
纺丝工艺
溶液法
干法
湿法
干湿法
有机纤维
绝对不会是CF，GF
熔融法
静电法
成纤工艺
纤维分类
玻璃纤维GF
坩埚法拉丝工艺
池窑漏板法
溶胶-凝胶法 sol-gel
均相的溶液→溶胶→溶胶凝胶化→加热（烧结）
结构：与玻璃相同，各向同性
性能
强度高，弹性模量高（比模小于ACM）
耐高温
高硅氧玻纤/酚醛树脂→防热材料
延伸率小
粘结性max
长期放置强度降低
易磨损
E玻纤
无碱玻纤
碳纤维CF
核心：先成型，后碳化
有机前驱体法/有机纤维法
干法，湿法，干湿法，熔融法，静电法
沥青纤维只能用熔融法
产生：碳纤维原丝（有机纤维）
PAN纤维
沥青纤维PITCH
粘胶基纤维RAYON
过程
合成→成纤→稳定化/预氧化→碳化→石墨化→表面处理和上胶
前驱体→原丝→预氧丝→碳丝
高强高模
高强？碳化及之前
高模？石墨化及之前
说明
1.纺丝过程，分子排列取向
2.稳定化过程，PAN纤维形成梯形结构（氧桥结构）
热固→热塑
气相生长法
结构
各向异性-轴向有序性
模量＞玻纤
PPTA聚对苯二甲酰对苯二胺
Kevlar
29
49
模量不同
干喷-湿纺工艺
各向异性
纤维轴方向：共价键
横截面方向：氢键
比强接近CF
压缩性能不好
剪切强度不高
易光降解
芳香族聚酯纤维
超高分子量聚乙烯纤维 UHMW-PE纤维
熔融PE+高速牵伸
溶胶凝胶法Sol-gel
强度、模量比芳纶低
熔点低
粘结性差，需表面处理
其他纤维
碳化硅纤维（SiC）
N2保护下
CVD法（单丝）
气相化学反应在基体表面上沉积固体薄膜
有机前驱体法（束丝）
芯材：钨丝/碳丝
成本高
特点：纤维粗，柔韧性差
更倾向于耐热性好的基体，如金属基、陶瓷基
耐氧化性好
吸波性能好
硼纤维
硼烷的热分解
卤化硼的还原
心：钨
反应区：W2B5+WB4
外：硼
耐中子辐射
价高
氧化铝纤维（Al2O3）
密度max=3.95g/cm3
拉强高温保持率高
金属纤维
抽丝工艺
原位生长法
长径比＞10
单晶纤维材料
不好分散→表面处理
增强材料（体积分数＜35%）
原料
组元2及以上
数量比
成型
人工复合
产物
多相
明显界面
特殊性能
按增强体分
金属、陶瓷、聚合物
形态
颗粒/粉体
按基体分
无机非
C/C基
CeMC水泥基
GFRP（玻璃纤维增强塑料）是不是ACM（先进复合材料）？
不是
ACM的增强体：CF，芳纶
ACM
ACM比模、比强高
比模4*10^6cm
比强4*10^8cm
高温性能好
GFRP，俗称玻璃钢
CFRP 碳纤维增强塑料
FRP 纤维增强塑料（热固性）
FRTP 纤维增强塑料（热塑性）
复材三要素
增强体、基体、界面
