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BeijingTechnologyandBusinessUniversity北京工商大学材料复合新技术•北京工商大学材料复合技术概述•合成复合材料的原有方法烧结法、熔体渗透、化学气相渗透、有机聚合物浸渍•新技术原位复合技术、自蔓延高温合成（SHS）、金属直接氧化技术、梯度复合技术、分子自组装技术•北京工商大学原位复合技术•什么是原位复合？原位复合就是材料中的第二相或者复合材料中的增强相生成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之前就有，而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或者高分子等物相，它们能以颗粒、晶须、晶板或纤维等显微组织形式存在于基体中。•北京工商大学原位复合的原理•根据材料设计的要求选择适当的反应剂（气相、液相或固相），在适合的温度下借助于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相（或称增强相）。•北京工商大学原位复合材料优点•第二相与基体间界面无污染，两者之间界面结合状态明显改善，使材料具有优良的热力学稳定性。•实现特殊的显微结构设计并获得特殊性能，避免第二相界面结合不牢固、分散不均匀、因化学反应使组成物相丧失以及像烧结法形成的降低材料高温性能的晶界玻璃相等问题。•北京工商大学原位复合技术•金属基复合材料原位复合技术•陶瓷基复合材料原位复合技术•聚合物基原位复合技术•北京工商大学Cu-Fe-Cr-•北京工商大学•北京工商大学•北京工商大学金属基原位复合技术•固相反应•液-固相反应•气-液反应法•反应喷射沉积成型技术•北京工商大学固相反应•把预期构成增强相的两种组分（元素）粉末与基体金属粉末均匀混合，然后加热到基体熔点以上的温度，当达到两种元素的反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升高，并在基体金属熔液中生成陶瓷或金属间化合物的颗粒增强物，颗粒分布均匀，颗粒与基体金属的界面干净，结合力强。•北京工商大学固相反应特点•通过金属间反应生成金属间化合物或陶瓷粒子均匀分布于金属基体中。•增强物可以是硼化物、碳化物、氮化物等增强颗粒。•主要用来制备铝镍、铝钛等金属间化合物基复合材料•已经制备的TIB2/NiAl，TIB2/TiAl，SiC/MoSi2•北京工商大学固相反应法技术优点•增强相种类多•增强相体积百分比可以通过控制反应剂的比例和含量加以控制•增强相粒子的大小可以通过调节加热温度控制•可以制备金属基复合材料和金属间化合物等金属基复合材料•熔融状态下反应一步成型•北京工商大学液-固相反应法•原理：在基体金属熔液中加入能反应生成预期增强颗粒的固态元素或化合物，在熔融的基体合金中，在一定的反应温度下反应，生成细小、弥散、稳定的陶瓷或金属间化合物的颗粒增强物，形成自生增强金属基复合材料。•北京工商大学液-固相反应法特点•该方法适用于铝基、镁基、铁基等复合材料•增强物与基体金属界面干净、结合良好，增强物的性质稳定，增强颗粒大小、数量与工艺过程、反应元素加入量关系密切。•北京工商大学气-液反应法•反应原理：将含有反应元素或本身就是反应元素的气体通入高温金属熔体中，利用气体本身或气体中分解的元素与金属熔体发生反应生成陶瓷粒子对金属基体进行增强。•使用的气体可以是参加反应的气体和惰性载气组成•该技术可以利用气体中含有碳、氮或氧，通入金属熔体后，形成碳化物、氮化物或氧化物。•北京工商大学反应原理方程CH4[C]+2H2(g)M-X+[C]M+XC(s)•M不反应部分X可反应部分•北京工商大学气-液反应技术优点•生成粒子速度快、表面洁净、粒度细（0.1-2微米）•工艺连续性好•反应后熔体可进一步近终形成型•成本低•不足：增强相种类有限，体积分数不高，需要处理的温度高，某些增强相易偏析。•北京工商大学反应喷射成型技术•在喷射沉积过程中，金属液流被雾化成粒径很小的液滴，他们具有很大的比表面积，同时又具有一定的高温，为喷射沉积过程中的化学反应提供驱动力。•依靠液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应，或在基体上沉积凝结过程中与外加剂粒子之间的化学反应，生成粒度细小的增强相陶瓷粒子或金属间化合物粒子，均匀分散于金属基体中形成颗粒增强的金属基复合材料。•北京工商大学三种反应模式•气体与合金液滴之间的气-液化学反应•将含有反应剂元素的合金液混合并雾化，或将含有反应剂元素的合金液在雾化时共喷混合，从而发生液-液的化学反应。•液滴和外加反应剂粒子之间的固-液化学反应。Cu-Al+N2/O2Cu-Al+Al2O3Fe-Al+N2Fe-Al+AlNFe-Al+N2/O2Fe-Al+Al2O3Cu-B+Cu-TiCu/TiB2MO+XM+XO•北京工商大学反应喷射成型技术优点•可近终成型•可在复合材料中获得分散的大体积分数增强相粒子•在液-固模式的反应中有大量的反应热产生，有利于促进反应的进行并可节能。•原料成本低，工艺简单•不会产生铸造法中陶瓷相粒子分布不均的现象•粒子分布均匀，且粒径大小基本可控制•北京工商大学•北京工商大学形变铜基复合材料•形变铜基复合材料是指经过大量塑性变形在金属基体内部原位形成增强纤维，其最大的特点是具有超高的强度，同时保持较高的电导率，是制备高强磁场导体材料最有希望的方法之一。•北京工商大学提高铜基材料综合性能的途径•合金化合金化法主要采用固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等传统的材料强化方法,由于合金元素的加入不可避免地降低了铜的电导率。•设法在铜基体中引入第二相,形成铜基复合材料。•颗粒型和纤维型。•北京工商大学•北京工商大学•北京工商大学聚合物基复合材料原位复合技术•熔融共混技术•溶液共沉淀技术•原位聚合技术•北京工商大学熔融共混技术•原理：通过热致液晶聚合物（TLCP）和热塑性树脂共混物进行挤塑注塑等，在熔融共混加工过程中，使刚性棒状分子的TLCP沿受力方向取向排列，在热塑性树脂基体中原位形成足够长径比的纤维。•纤维直径小、比表面积大，与基体结合良好，可均匀的分布在基体中形成骨架，起到承受应力和应力分散的作用，从而达到增强基体的作用。•北京工商大学熔融共混技术的优点•制备工艺简单•增强相种类多•由于增强相微纤维是在制备过程中产生的，其表面洁净均匀•微纤维不仅起到增强剂的作用，还起到加工助剂和促进树脂基体结晶的作用•可以近终形成型，制备形状复杂的产品•北京工商大学熔融共沉淀技术•原理：在树脂基体中通过共溶液、共沉淀均匀分散制备聚合物微纤维的技术。•解决了熔融共混技术中不相熔聚合物不能成纤的问题。•北京工商大学共沉淀技术的优点•增强相微纤维生成于共沉淀过程中，微纤维表面洁净，分散均匀。•微纤维直径仅为纳米级•微纤维不仅起到增强作用，还促进树脂基体的结晶•适用于不相容两聚合物体系。•北京工商大学原位聚合技术•原理：利用聚合物单体在外力作用下，如氧化、光、电、热、辐射等，原位产生聚合或共聚，使得某一种聚合物或其它物质均匀分散在聚合物基体中，起到对复合材料改性的作用。•北京工商大学原位聚合技术优点•制备工艺简单•能制备较多体系的复合材料•第二相或增强相种类多，体积分数高•第二相或增强相表面洁净，分散均匀•可以制备金属、陶瓷或聚合物第二相或增强相的聚合物基复合材料•北京工商大学•北京工商大学•北京工商大学•北京工商大学•北京工商大学自蔓延（SHS)高温合成技术•（SHS）是利用配合的原料自身的燃烧反应放出的热量使化学反应过程自发地持续地进行，进而获得具有指定成分和结构产物的一种新型材料合成手段。•工艺设备简单、工艺周期短、生产效率高•无能耗•合成过程中极高的温度可对产物进行自纯化，同时极快的升温和降温速率可获得非平衡结构的产物。•北京工商大学SHS致密化技术•液相密实化技术•粉末烧结致密化技术•结合压力密实化技术气压液压锻压机械加压•北京工商大学SHS熔铸技术•通过选择高放热性反应物形成超过产物熔点的燃烧温度，从而获得难熔物质的液相，对该高温液相进行传统的铸造处理，可以获得铸锭或铸件。•自蔓延熔铸工艺和利辛SHS复合工艺•北京工商大学SHS涂层技术•熔铸涂层和气相传输SHS涂层•熔铸涂层，在一定气体压力下，利用SHS反应在金属工件表面形成高温熔体与金属基体反应，形成有结合过渡区的金属陶瓷涂层。•气相传输SHS涂层，通过气相传输反应，可在金属、陶瓷或石墨等表面形成10-250微米厚的金属陶瓷涂层。•北京工商大学SHS多孔体制备技术•金属或非金属－气体系统经燃烧直接合成所需几何尺寸和形状以及孔隙率的材料，而无需经过预制粉末压坯和致密化阶段。•可用于生产非氧化物陶瓷•北京工商大学SHS焊接技术•在待焊接的两块材料之间填进合适的燃烧反应原料，以一定的压力夹紧待焊材料，待中间原料的燃烧反应过程完成后，即实现两块材料间的焊接。•北京工商大学小结•原位复合技术•自蔓延高温合成技术•梯度复合技术•金属直接氧化技术•自组装技术