《复合材料制备》课件

复合材料制备复合材料制备是现代材料科学与工程的重要分支，它涉及将两种或多种不同性质的材料有机结合，创造出性能优异的新型材料本课程将系统介绍复合材料制备的基础理论、工艺流程和实际应用，为学生提供从理论到实践的全面知识体系课程介绍1复合材料制备基础知识2个课时的系统学习50涵盖复合材料的基本概念、分按照循序渐进的原则，从基础类方法、发展历史和应用前概念到具体制备工艺，确保学景，建立系统的理论基础生全面掌握复合材料制备技术3理论与实践结合理论学习与实验操作相结合，培养学生的实际动手能力和工程实践素养课程目标掌握基本概念和分类深入理解复合材料的定义、组成、分类标准和基本特性，建立完整的知识框架理解制备方法原理系统学习各种复合材料制备方法的工艺原理、技术特点和适用范围了解应用与发展趋势掌握复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域的应用现状和未来发展方向具备实验技能通过实验操作训练，掌握复合材料制备的基本技能和检测方法第一部分复合材料基础基础理论材料分类复合材料的基本概念、组成原理按照不同标准对复合材料进行系和性能特点，为后续学习奠定理统分类，明确各类材料的特点和论基础应用发展历程回顾复合材料的发展历史，展望未来发展趋势和技术方向复合材料的定义多元组成由两种或两种以上不同性质材料组合而成，各组分保持相对独立性明显界面各组分间存在明显的物理或化学界面，界面性质决定复合材料整体性能优异性能通过合理的复合设计，获得优于单一组分的综合性能和功能特性复合材料的发展历史1古代起源早期的天然复合材料如竹子、木材等，为现代复合材料发展提供了启示2工业革命钢筋混凝土的发明标志着人工复合材料时代的开始，奠定了现代复合材料基础3现代发展玻璃纤维增强塑料的出现，开启了高性能复合材料的新纪元4未来展望纳米复合材料、智能复合材料等新型材料将推动复合材料技术持续发展复合材料的特点高比强度和比模量优异的耐腐蚀性能在保持较轻重量的同时，具有优异的强在恶劣环境条件下保持稳定的化学和物度和刚度性能理性能可定制的物理化学性能良好的设计灵活性通过调整组分比例和制备工艺实现性能可根据具体应用需求定制材料的结构和的精确控制性能参数复合材料的分类（按组成）金属与金属复合材料非金属与金属复合材料非金属与非金属复合材料由不同金属组合而成的复合材料，如钢-金属基体中加入非金属增强相，如碳纤完全由非金属材料组成，如玻璃纤维增铝复合板材具有良好的导电导热性能维增强铝基复合材料结合了金属的韧强塑料具有轻质、耐腐蚀、易加工等和机械强度，广泛应用于电子器件和结性和非金属的轻质高强特性特点，是应用最广泛的复合材料类型构件制造复合材料的分类（按结构特点）骨架复合材料夹层复合材料以三维网状结构作为骨架，具有颗粒复合材料由高强度面材和轻质芯材组成的独特的多孔结构和功能特性，适纤维复合材料以颗粒状材料作为增强相，性能三明治结构，具有优异的弯曲刚用于特殊应用领域以纤维作为增强相的复合材料，各向同性，制备工艺相对简单，度和轻质特性具有明显的方向性和优异的力学成本较低性能，是最重要的复合材料类型纤维复合材料纤维增强陶瓷高温应用的先进材料纤维增强金属航空航天结构材料纤维增强塑料应用最广泛的复合材料纤维复合材料是将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成的材料纤维增强塑料因其优异的性能价格比而应用最为广泛，纤维增强金属主要用于航空航天等高端领域，而纤维增强陶瓷则适用于极端高温环境夹层复合材料表面材料强度高、薄而致密芯材结构质轻、具有一定刚度整体结构优异的弯曲性能夹层复合材料由性质不同的表面材料和芯材组合而成面材特点是强度高、厚度薄，主要承受拉伸和压缩应力芯材特点是质轻、强度相对较低但具有一定刚度和厚度，主要承受剪切应力这种结构设计实现了轻质高强的完美结合基体材料的类型与特点370%1500°C主要类型高分子基占比陶瓷基耐温金属基、高分子基、陶瓷基应用最广泛的基体类型最高使用温度范围基体材料是复合材料的连续相，起到传递载荷、保护增强体和赋予复合材料成型能力的作用金属基体包括铝、镁、钛等，具有良好的导电导热性能高分子基体主要包括环氧树脂、酚醛树脂等，具有密度低、易加工的特点陶瓷基体如氧化铝、碳化硅等，具有优异的高温性能和化学稳定性增强材料的类型与特点颗粒类增强体碳化硅、氧化铝等颗粒状材料，能够提高基体的硬度和耐磨性纤维类增强体玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，具有高强度、高模量的特性，是最重要的增强材料晶须类增强体碳化硅晶须、氧化铝晶须等单晶材料，具有接近理论强度的优异性能第二部分复合材料制备原理制备理论基础界面科学深入理解复合材料制备的基本研究基体与增强体之间的界面原理、热力学和动力学过程，现象，理解界面对复合材料性掌握材料设计的科学方法能的决定性作用工艺控制掌握制备过程中的关键工艺参数控制方法，确保复合材料质量的稳定性和可重复性复合材料制备的基本原则合理选择材料根据使用要求选择合适的基体和增强体均匀分布确保增强体在基体中均匀分散界面控制优化界面结合强度和稳定性缺陷控制避免制备过程中产生内部缺陷界面问题界面结合强度界面改性方法界面分析技术界面结合强度直接影响复合材料的力学性通过表面处理、偶联剂处理、等离子体处采用扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能能和使用寿命强界面结合有利于载荷传理等方法改善界面性能这些方法能够增谱等技术分析界面结构和化学成分这些递，但可能导致脆性破坏；弱界面结合虽强基体与增强体之间的化学键合，提高界分析技术为理解界面现象和优化界面性能然影响强度，但能提高韧性和抗冲击性面结合强度和稳定性提供了重要的科学依据能第三部分高分子基复合材料制备高分子基复合材料是应用最广泛的复合材料类型，具有密度低、耐腐蚀、易加工成型等优点本部分将详细介绍各种高分子基复合材料的制备工艺，包括手糊成型、喷射成型、模压成型、RTM工艺等主要制备方法高分子基复合材料概述特点优势应用领域密度低减重效果显著汽车工业耐腐蚀使用寿命长海洋工程易成型设计自由度大建筑装饰成本适中商业化程度高体育用品高分子基复合材料市场需求持续增长，预计未来十年年均增长率将达到8-10%随着制备工艺的不断完善和成本的进一步降低，这类材料在更多领域的应用前景十分广阔手糊成型法工艺流程简单适用于大型制品成本相对较低在模具表面逐层铺放增特别适合制造船体、储设备简单，模具成本强材料，手工涂布树罐等大型复合材料制低，适合小批量和原型脂，操作简便，设备投品，尺寸限制小制品生产资少生产效率有限主要依靠人工操作，生产效率相对较低，产品质量受操作者技能影响较大喷射成型法工艺原理设备与控制应用特点使用专用喷枪将切短的纤维和催化的树主要设备包括纤维切断机、树脂喷射系生产效率高于手糊成型，适合中等复杂脂同时喷射到模具表面，形成复合材料统和压实辊关键控制参数包括喷射距程度的制品广泛应用于汽车零部件、层喷射过程中纤维被切断并与树脂混离、移动速度、纤维含量和树脂粘度建筑材料和卫浴用品的制造合，在模具表面堆积固化等模压成型法工艺SMC片状模塑料压制成型工艺BMC团状模塑料压制成型压制固化高温高压下快速固化模压成型法采用预制的SMC或BMC材料，在闭合模具中进行热压固化该工艺具有生产效率高、产品质量稳定、适合大批量生产等优点压力控制在5-15MPa，温度控制在140-160°C，固化时间通常为2-8分钟广泛应用于汽车外壳、电器外壳等产品制造工艺（树脂传递模塑）RTM模具准备树脂注入在闭合模具中预先放置干燥的纤维预制通过压力或真空将低粘度树脂注入模具件，确保纤维分布均匀合理腔体，充分浸润纤维预制件脱模检验固化成型固化完成后开模取出制品，进行质量检控制温度和时间进行固化反应，获得高验和后处理加工质量的复合材料制品拉挤成型法纤维供给连续纤维从纱架引出，经过张力控制装置保持适当张力树脂浸渍纤维通过树脂浸渍槽，充分浸润树脂并控制含胶量模具成型浸渍后的纤维进入加热模具，在高温下发生固化反应牵引切割固化后的制品被牵引装置连续拉出并按需要长度切割缠绕成型法缠绕角度控制精确控制纤维缠绕角度纤维张力控制保持适当的纤维张力芯模旋转控制芯模稳定旋转确保均匀缠绕缠绕成型法特别适合制造回转体制品，如压力容器、管道、储罐等通过控制缠绕角度可以实现性能的优化设计环向缠绕提高抗内压能力，纵向缠绕提高轴向强度现代缠绕设备采用数控技术，可以实现复杂缠绕路径的精确控制真空袋成型法工艺优势制备过程应用领域利用大气压力进行压实，可以制造大在模具上铺放纤维预制件和树脂，覆广泛应用于航空航天、风电叶片、游型复杂制品，设备投资相对较少，产盖真空袋材料，抽真空后利用大气压艇制造等领域，特别适合高性能复合品质量稳定力压实并固化材料制品的生产预浸料工艺1预浸料制备将纤维与部分固化的树脂结合，形成半成品材料，便于储存和使用2铺层设计根据设计要求进行多层预浸料的铺放，控制纤维方向和层数3真空装袋将铺层后的制品用真空袋密封，去除空气和挥发物4热压固化在热压罐中进行高温高压固化，获得高质量制品第四部分金属基复合材料制备2000°C40%处理温度强度提升制备过程的高温要求相比纯金属的性能改善50%15减重效果主要合金系密度降低程度常用基体材料种类金属基复合材料结合了金属的韧性和陶瓷或纤维的高强度，在航空航天、汽车、电子等高端领域具有重要应用价值制备过程需要控制高温条件下的界面反应，防止增强相与基体发生有害的化学反应金属基复合材料概述航空航天汽车工业30%应用比例40%应用比例•发动机部件•活塞•结构件•制动盘•散热组件•传动轴其他应用电子封装10%应用比例20%应用比例•切削工具•散热基板•耐磨件•电子外壳•结构材料•导热组件粉末冶金法粉末混合将金属基体粉末与增强相粉末按设计比例均匀混合，确保分散均匀性和组分准确性压制成型在专用模具中对混合粉末施加压力，形成具有一定形状和密度的压坯，为后续烧结做准备烧结固化在保护气氛下进行高温烧结，使粉末颗粒结合形成致密的复合材料，获得最终产品熔体浸渗法预制件准备制备多孔陶瓷预制件金属熔化将基体金属加热至熔融状态浸渗过程熔融金属渗入预制件孔隙冷却凝固控制冷却获得复合材料喷射沉积法工艺原理设备要求应用特点将熔融金属雾化成细小液滴，与增强相需要精密的雾化装置、颗粒供给系统和能够制备组织均匀、密度高的复合材颗粒混合后喷射到基板上液滴在飞行沉积控制系统关键参数包括雾化压料，特别适合制造大尺寸或复杂形状的过程中快速冷却，在基板表面堆积形成力、喷射距离、基板温度和移动速度制品冷却速度快，可以获得细小的晶复合材料层粒组织原位合成法反应物配制原位反应精确配制反应前驱体，确保化学计量比在金属基体中进行化学反应，直接生成准确，为后续反应创造条件增强相，实现良好的界面结合组织稳定相形成控制通过适当的热处理稳定组织结构，消除控制反应条件，获得所需的增强相类内应力，优化性能型、尺寸和分布状态第五部分陶瓷基复合材料制备超高温应用优异的抗氧化性轻质高强特性陶瓷基复合材料能在1600°C以上高在高温氧化环境中保持结构稳定，密度仅为高温合金的1/3，而强度温环境中稳定工作，是航空发动机抗热震性能优异，使用寿命长和刚度相当，实现显著的减重效果热端部件的理想材料陶瓷基复合材料概述性能指标陶瓷基复合材高温合金优势对比料使用温度1600°C1100°C高500°C密度

2.5g/cm³

8.0g/cm³减重70%热膨胀系数4×10⁻⁶/K14×10⁻⁶/K热稳定性好抗氧化性优异良好长期稳定陶瓷基复合材料代表了高温结构材料的发展方向，在下一代航空发动机、燃气轮机、高超声速飞行器等领域具有不可替代的重要作用浸渗法纤维预制件制备制备具有所需形状和纤维分布的多孔预制件前驱体浸渗将液态前驱体渗入纤维预制件的孔隙中热解转化高温下前驱体发生热解反应形成陶瓷基体多次循环重复浸渗-热解过程，逐步提高致密度热压法高压环境高温条件时间控制气氛保护施加20-50MPa的机械在1400-1800°C高温下精确控制保温时间，通在惰性气体或真空环境压力，促进致密化过程进行烧结，激活扩散机常为30分钟至4小时中进行，防止氧化和污和消除孔隙制染化学气相渗透法气相前驱体引入含陶瓷元素的气体表面化学反应在纤维表面发生分解反应陶瓷沉积形成均匀的陶瓷基体层化学气相渗透法是制备高质量陶瓷基复合材料的先进工艺该方法能够在相对较低的温度（900-1100°C）下进行，避免了纤维的热降解，保持了纤维的高强度沉积的陶瓷基体组织致密、纯度高，与纤维结合良好，是制备航空发动机叶片等关键部件的首选工艺第六部分碳碳复合材料制备碳碳复合材料是由碳纤维增强碳基体组成的特殊复合材料，具有优异的高温性能、低密度和良好的导热导电性能在航空航天、核能和高温工业领域具有独特的应用价值，特别适用于极端高温环境下的结构部件制造碳碳复合材料概述2000°C

1.8使用温度密度值惰性气氛下最高工作温度g/cm³，远低于金属材料90%300碳含量导热系数材料的总碳元素含量W/m·K，优异的导热性能碳碳复合材料在高温下强度不降反升，具有负热膨胀系数，优异的抗热震性能使其成为航天飞机前缘、火箭喷管、高性能刹车盘等关键部件的首选材料随着制备工艺的不断完善，其应用领域正在向更多高端工业领域扩展液相浸渍炭化法-碳纤维预制件制备具有设计纤维分布的多孔碳纤维预制件，为后续浸渍提供骨架结构有机前驱体浸渍将酚醛树脂、沥青等有机前驱体渗入预制件孔隙中，确保充分浸润高温炭化处理在1000-1500°C惰性气氛下进行炭化，有机物分解形成碳基体多次循环工艺重复浸渍-炭化过程5-8次，逐步提高材料密度和性能气相沉积法碳氢气体供给高温分解反应甲烷、丙烷等碳氢化合物作为碳源气在900-1100°C温度下，碳氢气体在纤维体，在高温下分解提供碳原子表面分解沉积形成碳层渗透扩散过程碳基体生长气体分子向预制件内部扩散，实现基体碳原子在纤维表面成核生长，逐层形成的均匀分布和致密化致密的碳基体结构第七部分复合材料的模具制作模具重要性设计原则技术发展模具质量直接决定复合材料制品的形状模具设计需要考虑制品的几何形状、尺现代模具制造采用数控加工、3D打印、精度、表面质量和生产效率精密的模寸精度、脱模角度、排气通道等因素激光加工等先进技术，显著提高了模具具设计和制造是保证产品质量稳定性的同时要兼顾制造成本、使用寿命和维修精度和制造效率，缩短了开发周期关键因素便利性模具的类型主模用于制造生产模的原始模具生产模直接用于产品生产的工作模具工装模具辅助生产过程的专用工装主模是模具制造的起点，通常采用高精度的机械加工或手工制作方法制造，要求表面质量极高生产模是主模的复制品，用于大批量生产，需要具备良好的耐用性和稳定性工装模具包括各种夹具、定位工具和辅助设备，确保生产过程的标准化和高效性模具材料选择金属模具复合材料模具采用铝合金、钢材等金属材料制以环氧树脂或聚酯树脂为基体的造，具有优异的导热性和机械强复合材料模具，重量轻，热膨胀度适用于大批量生产和高温固系数与制品匹配，制造周期短，化工艺，使用寿命长，维修方成本适中，特别适合原型制作和便，但制造成本相对较高小批量生产其他材料模具包括石膏、硅橡胶、陶瓷等特殊材料模具，各具特色石膏模具成本低但精度有限，硅橡胶模具柔性好适合复杂形状，陶瓷模具耐高温但易碎生产模的翻制工艺1主模准备清洁主模表面，检查缺陷，涂刷脱模剂，确保表面状态良好2凝胶涂层喷涂或刷涂凝胶涂层，形成光滑的模具表面，厚度控制在

0.3-

0.5mm3结构层制作铺放玻璃纤维毡和树脂，建立模具的结构强度，厚度根据模具尺寸确定4固化脱模室温或加温固化后小心脱模，检查模具质量并进行必要的修整第八部分复合材料的检测与表征物理性能检测通过标准化测试方法评估复合材料的基本物理性能，包括密度、孔隙率、含胶量等关键指标，为质量控制提供依据力学性能测试采用拉伸、弯曲、冲击、疲劳等测试方法全面评估材料的机械性能，确保产品满足设计要求和使用安全微观结构分析运用先进的显微分析技术深入了解材料的内部结构，为工艺优化和性能改进提供科学指导物理性能检测密度测定力学性能测试热物理性能测试含胶量测定采用水浸法或气体置换进行拉伸、压缩、弯测定热膨胀系数、导热通过燃烧法或溶剂萃取法精确测定材料密度，曲、剪切等标准化力学系数、耐热性等热性能法确定纤维与基体的含评估材料的致密程度和性能测试，获得强度和指标，评估高温使用适量比例，验证工艺控制孔隙率模量数据应性效果微观结构表征光学显微镜观察射线衍射分析扫描电镜分析X使用光学显微镜观察材料的宏观组织结通过X射线衍射技术分析材料的晶体结构和利用扫描电子显微镜进行高分辨率的微观构，包括纤维分布、孔隙形态、裂纹等缺相组成，确定基体和增强相的晶体学特结构观察，分析纤维-基体界面、断口形貌陷放大倍数通常为50-1000倍，能够快征该技术对于陶瓷基复合材料和金属基和破坏机制放大倍数可达数万倍，提供速评估材料的整体质量状况复合材料的相分析尤为重要详细的微观信息。