導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇復(fù)合材料論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

2木塑復(fù)合材料的設(shè)計屬性

2.1外觀屬性

材料的外觀屬性通常包括形態(tài)、色彩、肌理等方面。木塑復(fù)合材料大部分是擠出成型的，因此可以制造出凹凸的肌理，使其富有特殊的裝飾效果（圖4），但大多數(shù)情況下只能呈現(xiàn)直線狀態(tài)[4]。木塑型材的通孔設(shè)計（圖5）一方面可以豐富木塑復(fù)合材料的形態(tài)特征，使其呈現(xiàn)多變的斷面形態(tài)，同時可以減輕重量，從而節(jié)約成本。在木塑復(fù)合材料中加入著色劑[5]，不僅能使木塑制品顯示出各種各樣的色彩外觀（圖6），而且也可以改善其耐候性。隨著對木塑復(fù)合材料的深入探究以及技術(shù)的突破，木塑產(chǎn)品表面還可以制成類似木材的紋理和色澤，營造溫暖親近的感覺。此外，木塑復(fù)合材料還可以覆蓋塑料表層[6]，增加材料顏色的多樣性和耐潮濕性。

2.2加工性能

目前，木塑復(fù)合材料的成型工藝主要有三種：擠出、熱壓和模壓。擠出成型憑著工藝簡單，而且加工周期短、效率高，與其他加工方法相比，更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。木塑復(fù)合材料采用的主要連接方式有以下三種：膠接、焊接和機(jī)械連接。機(jī)械連接有連接件連接、鋼釘連接和復(fù)合材料專用螺釘連接，相關(guān)實驗表明，螺釘連接的木塑構(gòu)件可以進(jìn)行多達(dá)十次的拆裝[7]。

2.3其它性能

木塑復(fù)合材料同時具有耐磨、耐腐蝕、防水和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在制造過程中加入阻燃劑，可使木塑復(fù)合材料具有一定的阻燃性，因此，可將其應(yīng)用在具防火要求的公共家具設(shè)計中。此外，木塑制品本身同時具有可回收性、良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。比如在北京奧運(yùn)會的工程建設(shè)中[8]，就大量利用了這種環(huán)保的木塑復(fù)合材料（圖7）。

3木塑公共家具設(shè)計實踐

3.1木塑露天桌椅

在加工過程中添加了阻燃劑的木塑復(fù)合材料具有優(yōu)良的阻燃性能，適用于公共場所。這里把木塑復(fù)合材料設(shè)計成長短不一的條狀板，以點、線、面的概念，構(gòu)成木塑露天桌椅（圖8）。整套桌椅統(tǒng)一采用金屬作為底架，條狀木塑板作為面板材料，營造出空間環(huán)境的整體感。在材料上，木塑復(fù)合材料的凹凸肌理與金屬的精致肌理形成對比，木塑復(fù)合材料的溫暖感與金屬的冷峻感形成視覺感受上的對比。同時，不同色彩的金屬與木塑復(fù)合材料的組合也可呈現(xiàn)出不同的視覺效果（圖9），為人們的公共場所營造出溫暖、清新、自然的現(xiàn)代感。在結(jié)構(gòu)上，零件之間采用可拆裝的螺釘連接，既方便安裝，又可以降低運(yùn)輸成本。另外，玻璃下層可置菜單或廣告單（圖10），便于現(xiàn)代商業(yè)化宣傳。

3.2木塑書架

這款供圖書館使用的六層雙柱雙面木塑書架（圖11），在外觀造型上，立柱部分處理成深色，旁板和層板處理成淺色，進(jìn)行深淺色彩搭配，以塑造書架的平衡感。立柱設(shè)計成四面均帶凹槽的結(jié)構(gòu)，用于旁板的嵌入，既方便使用時的安裝，同時使凹凸肌理成為一種裝飾。立柱頂部的裝飾件采用模壓技術(shù)制成，可標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)。在加工工藝上，書架的立柱、旁板和層板均采用擠出成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)，利用木塑復(fù)合材料的凹凸肌理完成立柱與旁板、旁板與擱板的搭接（圖12），減少了五金連接件的使用。在功能上，結(jié)合人體工效學(xué)原理，考慮到旁板橫向凹凸肌理的需要和擠出成型工藝中幅面的限制，將旁板設(shè)計成多段拼搭結(jié)構(gòu)，根據(jù)書籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例進(jìn)行合理設(shè)計，利于層板的高度調(diào)節(jié)，方便圖書館中不同尺寸大小的圖書擺放。此外，旁板的雙面凹凸肌理設(shè)計，使相鄰兩書柜柜體共用同一塊旁板，一方面可根據(jù)室內(nèi)空間的大小對書架數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，滿足其在功能上的延伸，同時可充分利用空間資源，有效降低生產(chǎn)成本。

3.3等候椅與花壇

據(jù)調(diào)查，生活中等候場所（如火車站候車廳）的候車椅大部分為金屬材質(zhì)，這種材質(zhì)雖強(qiáng)度較高，但因候車場所一般人流量比較大，對家具的耐久性自然要求比較高，金屬表面掉漆以及生銹等后期維護(hù)工作并不易進(jìn)行。并且金屬制等候椅常給人冰冷的視覺感受，其舒適性也有待提高。相比較而言，木塑復(fù)合材料繼承了木材和塑料的雙重性質(zhì)，具有溫和自然的視覺和觸覺感受，且它的強(qiáng)度并不遜于金屬。因此可將其運(yùn)用于人流量比較大的公共場所，進(jìn)行如下設(shè)計。這款木塑休息椅（圖13）刪繁就簡，沒有多余的裝飾，造型簡潔。等候椅底部為金屬支架，椅面為木塑材料組成的等腰梯形。等腰梯形的座面設(shè)計是為了便于使用者根據(jù)空間大小來調(diào)節(jié)休息椅的長度（圖14），利用等腰梯形的特性，休息椅的長度延伸可以更顯自然。在色彩上，木塑復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中通過增加著色劑可以造出各種色彩的產(chǎn)品，這款公共場所的休息椅正是運(yùn)用這一特性，設(shè)計出彩虹般色彩的椅子，為等候場所增添幾分色彩和樂趣。結(jié)構(gòu)上采用螺釘連接。此外，設(shè)計的配套花壇（圖15），既可以給等候場所帶來幾分自然的氣息，還保護(hù)了座椅的端面。花壇的數(shù)量可根據(jù)場所需要自由調(diào)整（圖16）。

篇2

2高職復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)課程體系的構(gòu)建

高職復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)應(yīng)該依據(jù)產(chǎn)業(yè)背景調(diào)研和人才需求調(diào)研，按照職業(yè)崗位和培養(yǎng)規(guī)格的要求構(gòu)建課程體系和課程標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)復(fù)合材料企業(yè)調(diào)研結(jié)論，首先對工作崗位的典型任務(wù)進(jìn)行分析，提煉出崗位職業(yè)能力，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建出復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)的課程體系，課程體系應(yīng)該圍繞著三大職業(yè)崗位構(gòu)建：復(fù)合材料成型操作崗位：以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型工藝、成型設(shè)備為基礎(chǔ)，具備復(fù)合材料制造技術(shù)操作能力。復(fù)合材料膠接操作能力：以復(fù)合材料樹脂基體、膠接工藝為基礎(chǔ)，具備復(fù)合材料連接操作能力。復(fù)合材料檢測與修補(bǔ)技術(shù)能力：以復(fù)合材料檢測技術(shù)、修補(bǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，具有復(fù)合材料檢測與修補(bǔ)的能力。

3高職復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)建設(shè)的實施與保障條件

3.1專任教師應(yīng)具備條件專任專業(yè)教師一方面具備本專業(yè)或相近專業(yè)大學(xué)本科以上學(xué)歷（含本科）；另一方面必須有一定的企業(yè)經(jīng)歷，具有“雙師”素質(zhì)；專任實訓(xùn)教師要具備專業(yè)高級工以上的資格證書（含高級工）或工程師及其以上職稱。專業(yè)帶頭人必須是雙師型教師，職稱應(yīng)在副高職稱以上，接受過職業(yè)教育教學(xué)方法論的培訓(xùn)，具有開發(fā)職業(yè)課程的能力；校外兼職教師應(yīng)具備高級工或工程師以上職稱，具備豐富的實踐經(jīng)驗和較強(qiáng)的專業(yè)技能；其中企業(yè)兼職教師占教師總數(shù)的比例不低于50%。

3.2實踐教學(xué)條件高職復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)基地必須滿足復(fù)合材料成型技術(shù)、復(fù)合材料模具設(shè)計與制造、熱壓罐操作及復(fù)合材料成品檢測的基本實踐教學(xué)條件，讓學(xué)生在一個真實的職業(yè)環(huán)境下按照未來專業(yè)崗位（群）對基本技能的要求，得到實際操作訓(xùn)練和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。復(fù)合材料成型技術(shù)是教學(xué)研究的重點，也是培養(yǎng)學(xué)生的主要途徑。實訓(xùn)基地應(yīng)該包括小型熱壓罐、烘箱、清潔操作間、復(fù)合材料加工設(shè)備、復(fù)合材料檢測儀器等基本實踐教學(xué)設(shè)備，一方面能滿足生產(chǎn)的要求，又能完全滿足教學(xué)任務(wù)，而且能夠開展材料性能試驗、制作試驗件。同時高職院校發(fā)展復(fù)合材料工程技術(shù)專業(yè)，還必須加強(qiáng)校企合作，加大校外實訓(xùn)基地合作的深度和廣度。通過校外實訓(xùn)基地的建設(shè)，安排學(xué)生在企業(yè)進(jìn)行專業(yè)對口頂崗實習(xí)，以利于學(xué)生掌握崗位技能，提高實踐能力，縮短他們的工作適應(yīng)期，提高學(xué)生的社會競爭力。

篇3

2模具設(shè)計要求

復(fù)合材料成型模具直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，在設(shè)計時應(yīng)滿足:①模具要有足夠的剛度、強(qiáng)度，以保證模具型面基準(zhǔn)不變;②熱容量小，熱膨脹小，熱穩(wěn)定性好;③加工精度高，表面光度高，模具自身協(xié)調(diào)性好;④施工便捷，操作安全可靠;重量輕，運(yùn)輸方便;⑤可維護(hù)性好，制造成本低;⑥具有良好氣密性。根據(jù)復(fù)合材料U形梁的結(jié)構(gòu)特點，在設(shè)計中需要解決以下技術(shù)難點:成型模具的結(jié)構(gòu)形式如何保證構(gòu)件的型面公差，如何滿足脫模要求并解決U形梁的回彈問題。

3模具選材

3.1模具材料

復(fù)合材料成型模具用料要求熱變形小、熱膨脹系數(shù)小以及導(dǎo)熱系數(shù)高，大多采用普通鋼、INVAR鋼、碳/環(huán)氧復(fù)合材料和鋁合金。普通碳鋼適用于型面曲率不大的模具，當(dāng)產(chǎn)品批量生產(chǎn)、尺寸精度要求較高時，選擇鋼制模具最為經(jīng)濟(jì)、實用;鋁合金適用于平板類、尺寸精度要求不高的模具;INVAR鋼適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲率大、尺寸大的模具。不同模具材料對復(fù)合材料構(gòu)件變形的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是不同的材料熱導(dǎo)率會影響與其直接接觸的復(fù)合材料構(gòu)件固化溫度場的分布，從而影響最終構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的大小及分布，引起不同的構(gòu)件變形;另一方面就是不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，模具與構(gòu)件之間的相互作用程度不一樣，因此導(dǎo)致構(gòu)件的變形不同。在固化過程中，模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)不匹配會引起模具與構(gòu)件接觸處的層間應(yīng)力，包括層間剪切應(yīng)力和沿構(gòu)件厚度方向的力，這主要是由于模具與構(gòu)件在固化壓力的作用下始終粘貼在一起，隨著模具受熱膨脹，靠近模具的構(gòu)件層比遠(yuǎn)離模具的構(gòu)件層受到的約束張力要大，因此沿構(gòu)件厚度方向形成一定的應(yīng)力梯度，在固化過程中這部分應(yīng)力被“凍結(jié)”在構(gòu)件中，在脫模以前都沒有得到釋放，固化完成后冷卻至室溫脫模，這部分應(yīng)力將被釋放，脫模后的復(fù)合材料構(gòu)件必須通過變形來維持應(yīng)力的平衡。

3.2模具型面補(bǔ)償修正

模具設(shè)計時要考慮復(fù)合材料與模具熱膨脹系數(shù)的差異，INVAR鋼和復(fù)合材料模具受熱膨脹的影響很小，可忽略不計;但對于普通碳鋼和鋁合金模具影響比較大，對于大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件需要采取補(bǔ)償措施，根據(jù)計算公式和生產(chǎn)經(jīng)驗?？紤]到制造成本和構(gòu)件精度要求，本文設(shè)計的模具選用Q235鋼制造，根據(jù)上述公式計算縮尺KS為－0.65‰，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗和復(fù)合材料梁的結(jié)構(gòu)形式，提取整個構(gòu)件的理論型面并按適當(dāng)縮尺進(jìn)行縮小，模具設(shè)計時按照縮小后構(gòu)件提取的型面作為模具的設(shè)計型面，以減小構(gòu)件的變形或抵消變形的影響作用。

4模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1模具回彈角的補(bǔ)償

復(fù)合材料在熱固化成型過程中由于材料本身的各向異性、鋪層方向引起的力學(xué)性能差異、結(jié)構(gòu)的不對稱性和基體的固化收縮效應(yīng)等因素，在構(gòu)件內(nèi)經(jīng)應(yīng)力梯度和溫度梯度耦合作用導(dǎo)致固化時的內(nèi)應(yīng)力積聚，一部分應(yīng)力在構(gòu)件中以殘余應(yīng)力的形式長久存在，另一部分應(yīng)力在構(gòu)件脫模后釋放，這兩部分應(yīng)力存在的形式共同導(dǎo)致回彈變形。對于梁、長桁類有大夾角的構(gòu)件，固化成型過程中在拐角處的回彈變形會導(dǎo)致夾角變化，即構(gòu)件在固化脫模后，夾角因收縮而小于模具角度，此差值為回彈角。這將給制件間的裝配帶來容差、超差等問題，翼梁緣條回彈使其外形偏離了設(shè)計要求而導(dǎo)致蒙皮與翼梁間螺栓連接裝配孔錯位，若對裝配件進(jìn)行強(qiáng)制裝配將會引起殘余應(yīng)力、密封不好等問題，這樣會降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。在模具設(shè)計時，通過調(diào)整模具型面來補(bǔ)償構(gòu)件回彈，即構(gòu)件夾角加上回彈角等于模具夾角，使構(gòu)件在脫?；貜椇蠓瞎こ虜?shù)模要求。國內(nèi)外專家學(xué)者都在積極研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化變形的預(yù)測及控制方法。GFG公司在復(fù)合材料工形梁的成型模具設(shè)計時，考慮工形梁緣條的回彈，采用經(jīng)驗的方法在模具的緣條型面上加入修正值(約1°)以抵消構(gòu)件回彈。國內(nèi)賈麗杰等人針對復(fù)合材料典型C形結(jié)構(gòu)的回彈變形進(jìn)行研究，通過對回彈角的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，確定C形梁回彈角度在1°左右。本文涉及的復(fù)合材料U形梁為閉角結(jié)構(gòu)，成型模具設(shè)計時需要進(jìn)行回彈補(bǔ)償，結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗和國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果，在兩側(cè)緣條各設(shè)置1°回彈補(bǔ)償角，提取補(bǔ)償后的兩側(cè)緣條型面為模具的型面。

4.2模具結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料梁一般為細(xì)長結(jié)構(gòu)，常用模具結(jié)構(gòu)形式為陰模、陽模和陰陽模組合，分析構(gòu)件是否有氣動面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面。根據(jù)U形梁的結(jié)構(gòu)特點，采用CATIAV5R18建模，模具為框架式陽模結(jié)構(gòu)，采用Q235鋼焊接制造，模具包括模胎、支撐框架(支板組件和框架)、蓋板、工具球套。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計部門所提供的產(chǎn)品零件數(shù)模提取成型曲面作為模胎的理論型面，將該曲面偏移10mm切割實體，獲得“Ω”型模胎;創(chuàng)建支板組件，輸入單個支板尺寸創(chuàng)建實體并設(shè)計散熱孔，通過陣列命令創(chuàng)建其他支板;框架為長方體結(jié)構(gòu)，采用的方鋼管為標(biāo)準(zhǔn)型材，根據(jù)彼此之間的位置約束關(guān)系通過陣列偏移命令進(jìn)行設(shè)置。這種框架式模具結(jié)構(gòu)厚度均勻，通風(fēng)好，升溫快，有利于模具各點溫度均勻，可以減少模具在升溫和降溫過程中因各部位溫度不一樣而引起的模具變形。(1)模胎模胎是“Ω”型一體式結(jié)構(gòu)，采用10mm等厚的鋼板，在保證氣密性前提下允許拼接焊接。在模胎上需要留有一定距離用于打真空袋，通常手工鋪貼模具的余量區(qū)在100～200mm。模胎的型面輪廓度公差小于0.2mm，數(shù)控加工后按數(shù)模中模胎線數(shù)據(jù)集劃線，深0.5mm、寬0.3mm，并在余量線外打出標(biāo)記，所有劃線位置的偏差不大于0.2mm。構(gòu)件輪廓線用于非數(shù)控切邊時使用，決定構(gòu)件外形尺寸的精度，設(shè)計時應(yīng)考慮模具材料的膨脹因素作適當(dāng)縮放處理。鋪貼線用于無激光投影時手工鋪貼定位，以控制鋪貼余量，防止由于鋪貼不完全齊整、流膠、擋膠條等因素導(dǎo)致固化后產(chǎn)品邊緣質(zhì)量不高，通常鋪貼線到產(chǎn)品輪廓線可留20mm余量。(2)支撐框架框架與支板組件主要起支撐作用，保證整個模具的強(qiáng)度和剛度?？蚣苋∠藗鹘y(tǒng)的薄板格柵結(jié)構(gòu)，采用方鋼管焊接，具有成本低、加工周期短的優(yōu)點，有效實現(xiàn)模具減重，又使得空氣流在模具體上下表面任意流動，加熱更均勻。在支板組件上設(shè)計散熱孔，盡量在同一直線上保證成型過程中空氣的流通性，有利于整個成型的復(fù)合材料構(gòu)件溫度均勻，保證成型產(chǎn)品的質(zhì)量。同時在支板兩端設(shè)計80×50×10mm的加強(qiáng)塊，防止模具在吊裝時沿長度方向產(chǎn)生變形。(3)蓋板和工具球梁腹板平面處采用2mm鋁蓋板與陽模配套使用，使構(gòu)件表面加熱均勻，同時在抽真空的過程中傳力均勻，保證構(gòu)件外表面的平面度。工具球用于定位找正，在設(shè)計時要覆蓋構(gòu)件的最高點和最低點，長度方向間隔不超過1m。各工具球孔按數(shù)模制造，并在模胎上打出所有工具球?qū)嶋H坐標(biāo)值及孔位序號，用于手動鋪貼時放置激光投影的靶標(biāo)，以定位鋪層區(qū)域。(4)后續(xù)處理模具焊接完成后進(jìn)行2～3次退火，消除焊接和機(jī)加應(yīng)力，減少模具的變形;對模具型面進(jìn)行激光測量，型面精度符合圖紙要求;加工完畢做氣密試驗，保證模具氣密性。

4.3工藝驗證

在復(fù)合材料U形梁的熱壓罐成型工藝中，采用本文設(shè)計的成型模具進(jìn)行鋪疊成型，生產(chǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件易于脫模，表面光滑平整，型面公差符合要求，U形梁兩側(cè)緣條的角度變形控制在技術(shù)要求范圍以內(nèi)，滿足了后續(xù)與壁板及其他組件的裝配要求。

篇4

隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價值產(chǎn)品計入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球范圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國尤其是中國內(nèi)地的市場發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬噸。與此同時，美國復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代年均增長率約為美國GDP增長率的2倍，達(dá)到4%~6%。2000年，美國復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速增加使得美國汽車在全球市場上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國的占有率變化很大。總體而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長，2000年的總產(chǎn)量約為145萬噸，預(yù)計2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬噸。

從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計可達(dá)10.5萬噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬噸，汽車等領(lǐng)域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。

另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

樹脂基復(fù)合材料采用的增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。

1、玻璃纖維

目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強(qiáng)酚醛樹脂可制成各種結(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復(fù)合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維三大增強(qiáng)纖維中，只有高強(qiáng)度玻璃纖維已達(dá)到國際先進(jìn)水平，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達(dá)500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運(yùn)動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達(dá)到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達(dá)20年左右。國產(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

20世紀(jì)80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動器材等。

4、超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達(dá)國家的極大興趣和重視。

5、熱固性樹脂基復(fù)合材料

熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬噸，1996年遞增到143萬噸，1997年為148萬噸，1999年150萬噸，2003年達(dá)到180萬噸左右。我國從1975年開始研究環(huán)氧樹脂，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50多萬噸，設(shè)備利用率為80%左右。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬噸，其中美國為164萬噸。我國的產(chǎn)量為18萬噸，進(jìn)口4萬噸。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點是耐腐蝕性好，耐溶劑性好，機(jī)械強(qiáng)度高，延伸率大，與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好，耐疲勞性能好，電性能佳，耐熱老化，固化收縮率低，可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭Atlac系列強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京聚隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。

1971年以前我國的熱固性樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。從1987年起，各地大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)組、樹脂傳遞模塑(RTM)成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國熱固性樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑方面，有內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及貯罐；在交通運(yùn)輸方面，汽車上主要有車身、引擎蓋、保險杠等配件，火車上有車廂板、門窗、座椅等，船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等；在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模；在航空航天及軍事領(lǐng)域，輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破。

熱塑性樹脂基復(fù)合材料

熱塑性樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年展起來的，主要有長纖維增強(qiáng)粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強(qiáng)型熱塑性復(fù)合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷成熟以及可回收利用的優(yōu)勢，該品種的復(fù)合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達(dá)國家熱塑性樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)占到樹脂基復(fù)合材料總量的30%以上。

高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產(chǎn)品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型管道、GMT模壓制品（如吉普車座椅支架）、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯在汽車中的應(yīng)用包括通風(fēng)和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護(hù)罩等。

滑石粉填充的PP具有高剛性、高強(qiáng)度、極好的耐熱老化性能及耐寒性?；墼鰪?qiáng)PP在車內(nèi)裝飾方面有著重要的應(yīng)用，如用作通風(fēng)系統(tǒng)零部件，儀表盤和自動剎車控制杠等，例如美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。

云母復(fù)合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲性、尺寸穩(wěn)定以及低密度、低價格等特點，利用云母/聚丙烯復(fù)合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護(hù)圈、擋板罩、車門護(hù)欄、電機(jī)風(fēng)扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。

我國的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究開始于20世紀(jì)80年代末期，近十年來取得了快速發(fā)展，2000年產(chǎn)量達(dá)到12萬噸，約占樹脂基復(fù)合材料總產(chǎn)量的17%，，所用的基體材料仍以PP、PA為主，增強(qiáng)材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復(fù)合材料方面未能有重大突破，與發(fā)達(dá)國家尚有差距。

我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c

我國復(fù)合材料發(fā)展?jié)摿艽?，但須處理好以下熱點問題。

1、復(fù)合材料創(chuàng)新

復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。到2007年，亞洲占世界復(fù)合材料總銷售量的比例將從18%增加到25%，目前亞洲人均消費(fèi)量僅為0.29kg，而美國為6.8kg，亞洲地區(qū)具有極大的增長潛力。

2、聚丙烯腈基纖維發(fā)展

我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關(guān)情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。

3、玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

我國玻璃纖維70%以上用于增強(qiáng)基材，在國際市場上具有成本優(yōu)勢，但在品種規(guī)格和質(zhì)量上與先進(jìn)國家尚有差距，必須改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。

4、開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場

一是清潔、可再生能源用復(fù)合材料，包括風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料、煙氣脫硫裝置用復(fù)合材料、輸變電設(shè)備用復(fù)合材料和天然氣、氫氣高壓容器；二是汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料，包括汽車車身、構(gòu)架和車體外覆蓋件，軌道交通車體、車門、座椅、電纜槽、電纜架、格柵、電器箱等；三是民航客機(jī)用復(fù)合材料，主要為碳纖維復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料約占10%，主要產(chǎn)品為機(jī)翼部件、垂直尾翼、機(jī)頭罩等。我國未來20年間需新增支線飛機(jī)661架，將形成民航客機(jī)的大產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料可建成新產(chǎn)業(yè)與之相配套；四是船艇用復(fù)合材料，主要為游艇和漁船，游艇作為高級娛樂耐用消費(fèi)品在歐美有很大市場，由于我國魚類資源的減少、漁船雖發(fā)展緩慢，但復(fù)合材料特有的優(yōu)點仍有發(fā)展的空間。

5、纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特別是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲倉修補(bǔ)和加固中市場廣闊。

篇5

針對金屬基復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用中的關(guān)鍵問題??成本和性能，本文開發(fā)設(shè)計了新型的鈦基復(fù)合材料的制備工藝，可以低成本高效制備性能優(yōu)異的鈦基復(fù)合材料。即可利用鈦與碳化硼、硼及石墨之間的自蔓燃高溫合成反應(yīng)，采用普通的鈦合金冶煉工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強(qiáng)或TiB晶須和TiC粒子混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。為了拓展鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為制備高性能的鈦基復(fù)合材料打下堅實的基礎(chǔ)，本文的研究主要包括以下幾個方面工作：

1、研究了利用鈦與石墨、硼及碳化硼之間的反應(yīng)制備TiB和TiC增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成機(jī)理。利用熱力學(xué)理論計算了鈦與石墨、硼、碳化硼反應(yīng)的Gi自由能DG和反應(yīng)生成焓DH，結(jié)果表明：各個反應(yīng)的Gi自由能DG值都為負(fù)值，說明在熱力學(xué)上上述反應(yīng)是可行的。雖然在熱力學(xué)上可以利用鈦與碳化硼之間的化學(xué)反應(yīng)合成TiB2和TiC增強(qiáng)體，但從化學(xué)平衡考慮，TiB2不能穩(wěn)定存在于過量鈦中，因此能夠穩(wěn)定存在于普通鈦合金中的增強(qiáng)體為TiB和TiC。上述反應(yīng)都為高放熱的反應(yīng)，從理論上講絕熱溫度都大于自蔓燃高溫合成的判據(jù)，表明反應(yīng)能自發(fā)維持。

2、利用非自耗電弧爐和自耗電弧爐經(jīng)普通的鈦合金鑄造工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強(qiáng)或TiB晶須和TiC粒子混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。X射線衍射分析結(jié)果表明：原位合成的增強(qiáng)體為TiB、TiC。這些增強(qiáng)體分布非常均勻，主要呈現(xiàn)為短纖維狀、樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀。電子探針和帶能譜的掃描電鏡分析結(jié)果表明：短纖維狀增強(qiáng)體為TiB，而樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀增強(qiáng)體為TiC。實驗結(jié)果與理論分析一致，這為原位自生鈦基復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。

3、研究了原位合成鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體的生長機(jī)制，結(jié)果表明：增強(qiáng)體的生長機(jī)制與凝固過程及增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。原位合成的增強(qiáng)體以形核與長大的方式從熔體中析出而長大。對于原位合成TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，經(jīng)歷了析出初晶、二元共晶和三元共晶三個階段。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體TiB與TiC形成不同的生長形態(tài)。TiB具有B27晶體結(jié)構(gòu)，易于沿[010]方向生長長成短纖維狀，而且TiB橫截面的形狀呈多邊形，其晶面主要由(100)、(10)和(101)組成。同時，在TiB的(100)面上容易形成層錯。而TiC具有NaCl型對稱結(jié)構(gòu)，容易長成樹枝晶狀、等軸狀和近似等軸狀。發(fā)現(xiàn)原位合成的增強(qiáng)體TiB容易在（100）面上形成高密度的層錯，層錯的形成與增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)、生長機(jī)制有關(guān)，同時也有利于降低增強(qiáng)體與基體合金界面的晶格畸變。而原位合成增強(qiáng)體TiC的晶格比較完整，偶爾在(111)面上形成孿晶，該孿晶結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)體形核與長大的過程中形成。

4、研究了合金元素鋁的加入對原位合成鈦基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。合金元素鋁的加入，并不改變復(fù)合材料的物相組成，也不改變復(fù)合材料的凝固過程，但由于合金元素的存在，阻礙了增強(qiáng)體的形核與長大過程，導(dǎo)致形成的TiB和TiC初晶更為細(xì)小，尤其是使TiC增強(qiáng)體易于形成等軸狀。合金元素鋁不僅固溶強(qiáng)化了基體合金，而且細(xì)化增強(qiáng)體也有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

5、利用透射電鏡、高分辨透射電鏡對原位合成(TiB TiC)/Ti復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，發(fā)現(xiàn)兩種增強(qiáng)體與基體的界面均為清潔界面，為直接的原子結(jié)合、界面結(jié)合狀況良好。TiC增強(qiáng)體與基體合金沒有確定的位相關(guān)系，而TiB增強(qiáng)體與基體合金存在以下位相關(guān)系：、、(0002)Ti//(001)TiB和以及、(0002)Ti//(200)TiB和。該位相關(guān)系在凝固過程中形成，與增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)及基體合金的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，形成該位相關(guān)系有利于降低增強(qiáng)體與基體合金界面的晶格畸變能。

6、研究了鑄態(tài)鈦基復(fù)合材料和熱鍛后高溫鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于原位合成增強(qiáng)體的加入，鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能與相應(yīng)基體合金比較有了明顯的提高，在增強(qiáng)體含量為8％時，其彈性模量E、屈服強(qiáng)度s0.2和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到131.2GPa，1243.7MPa和1329.8MPa，與基體合金Ti6242比較分別提高了19.3，47.4和45.5。其強(qiáng)化機(jī)理主要來源于增強(qiáng)體承載、晶粒細(xì)化及高密度位錯的形成。石墨的加入，形成更多等軸狀、近似等軸狀TiC粒子有利于提高復(fù)合材料的室溫性能，這與短纖維狀TiB的存在導(dǎo)致復(fù)合材料低應(yīng)力斷裂有關(guān)。

7、研究了原位合成鈦基復(fù)合材料的高溫瞬時拉伸性能。在600oC、650oC和700oC的抗拉強(qiáng)度分別超過800MPa，750MPa和650MPa，與高溫性能較好的IMI834合金比較，在600oC的抗拉強(qiáng)度提高幅度超過25。隨著溫度的提高，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低，塑性提高，但與基體合金比較高溫強(qiáng)度有了明顯的提高。斷口分析表明：低溫時，裂紋由增強(qiáng)體斷裂引起，而在高溫時裂紋最先在短纖維晶須TiB的端面上形核，然后裂紋擴(kuò)展到基體合金中，最后導(dǎo)致材料失效。說明低溫時，增強(qiáng)體承載對提高復(fù)合材料的力學(xué)性能非常有利，而在高溫時，其強(qiáng)化作用主要由增強(qiáng)體與位錯的交互作用引起。位錯容易在短纖維狀晶須TiB的端面處塞積，形成裂紋源導(dǎo)致材料失效。因此與等軸狀及近似等軸狀增強(qiáng)體TiC比較，短纖維狀增強(qiáng)體TiB對復(fù)合材料高溫力學(xué)性能的強(qiáng)化效果要低一些。這也是石墨的加入形成等摩爾的TiB和TiC增強(qiáng)體有利于提高復(fù)合材料高溫性能的主要原因。

8、研究了原位合成鈦基復(fù)合材料的高溫蠕變性能和持久斷裂性能。原位合成鈦基復(fù)合材料的高溫蠕變經(jīng)歷了典型的蠕變變形的三個階段。蠕變持久強(qiáng)度與基體合金比較有了明顯的提高。持久強(qiáng)度與溫度及載荷密切相關(guān)，溫度和載荷的提高都降低復(fù)合材料的高溫蠕變和高溫持久性能。石墨的加入形成更多的TiC粒子，同樣有利于提高鈦基材料的持久強(qiáng)度。在高溫、持久載荷作用下，材料的失效仍然主要由短纖維端面處形成裂紋而導(dǎo)致材料失效引起。

本研究首先從理論上分析了原位合成TiB、TiC及TiB和TiC混雜增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出了一種新型鈦基復(fù)合材料加工工藝。利用該工藝鈦合金生產(chǎn)廠家可以在不改變設(shè)備和工藝的條件下，低成本高效制備高性能的鈦基復(fù)合材料。而采用該原位合成工藝制備復(fù)合材料的性能是可設(shè)計和可控制的，針對不同的應(yīng)用條件，可以設(shè)計不同成分的基體合金及不同含量、不同配比增強(qiáng)體的復(fù)合材料以滿足不同的需求。從合金相圖、增強(qiáng)體晶體結(jié)構(gòu)及凝固理論相結(jié)合分析了原位合成增強(qiáng)體的生長機(jī)制、生長形態(tài)、分布狀態(tài)以及界面微區(qū)特征。研究了鈦基復(fù)合材料的微觀組織對鈦基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。這些研究為以后制備高性能的鈦基復(fù)合材料和拓展 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域打下了堅實的理論基礎(chǔ)和為批量生成提供了實用途徑。近兩年來，研究成果引起了國家航空航天部門的關(guān)注，國家“十五”軍工重點課題和航天支撐基金、航天創(chuàng)新基金課題獲得了批準(zhǔn)。并將用于我國的先進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈XX－2改，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈XX－19及新一代洲際導(dǎo)彈和潛地導(dǎo)彈的構(gòu)件。鑒于該技術(shù)在國防軍工方面具有的戰(zhàn)略意義以及在民用領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，與國內(nèi)大型鈦合金加工企業(yè)—寶鋼集團(tuán)五鋼有限公司開展產(chǎn)業(yè)化研究，完成了該材料的中試過程，實現(xiàn)了新型鈦基復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)。研制開發(fā)的材料近期將在國家戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器、宇宙飛船等方面得到驗證和應(yīng)用。并將逐漸推廣應(yīng)用于民用領(lǐng)域，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，原位合成，生長機(jī)制，凝固，晶體結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能，位向關(guān)系，界面結(jié)構(gòu)

Fabrication,MicrostructureandMechanicalPropertiesofinsituSynthesizedTitaniumMatrixComposites

ATRACT

Duetoincreasingrequirementfortitaniumalloywithhighpropertiesinhightechnologyera,discontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositesownthefollowingadvantages:highecificstrength,highecificmodulus,highelevatedtemperatureproperty,wearresistanceandlowfabricatingcost,sotheyhavebecometheresearchhotot.Theproceingtechnique,microstructureandmechanicalpropertieshavebeenexteivelystudied.However,themainaimisdiscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositepreparedbytraditionaltechniquesuchaspowdertechnologyandliquidmetallurgy,wheretheceramicparticlesaredirectlyincorporatedintosolidorliquidmatricesreectively.Inthispaper,paredwithtraditionaltechnique,insitutechniqueownthefollowingadvantages:thetechniqueisverysimpleandthepropertiesareexcellent,soitiseasiertofabricatetitaniummatrixcompositesintechnologyandeconomic.Theinsitusynthesisofceramicparticleavoidsthepollutionofreinforcementsandwettabilityexistingincastingtechnique,soitisvaluabletofabricatetitaniummatrixcompositeswithbetterproperties.However,therearestillquitealotofproblemstoberesolvedinordertofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.Therefore,theresearchontheseproblemsintheoryandexperimentisveryimportant.

Itiswellknownthatthekeyproblemindevelopmentandalicationofmetalmatrixcompositesiscostandproperty.Anewtechniquehasbeendesignedtoproducetitaniummatrixcomposites,inwhichitispoibletofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCparticle,wereproducedbycommontitaniumalloycastingtechniqueutilizingtheself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4C.Inordertodeveloptheutilizationareaoftitaniummatrixcompositesandmakebasisforproducingtitaniummatrixcompositeswithhighproperties,thefollowingworkshavebeendeveloped.

1.InsitusynthesismechanismoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiB,TiCorTiBandTiCutilizingthereactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Chavebeeninvestigated.GifreeenergyDGandformationenthalpyDHofreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Cwerecalculatedbythermodynamictheory.TheGifreeenergyDGofabovereactioisnegative,whichindicatesthattheabovereactioallcantakeplace.ItispoibletosynthesizeTiB2andTiCutilizingthereactionbetweentitaniumandB4C.However,coideringfromchemicalbalance,TiB2cannotexistintitaniummatrixalloystably.Theabovereactioreleasequitealotofheat.Moreover,theadiabatictemperatureisgreaterthanthetheoreticalcriterion,whichindicatesthatthereactioncanbesustainedbyitself,namelyself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactioncanoccur.

2.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCpart iclehavebeenproducedbynon-coumablevacuumarcremeltingfurnaceandcoumablevacuumarcremeltingfurnace.TheresultsofX-raydiffractionshowthattheinsitusynthesizedreinforcementsareTiBandTiC.Thereinforcementsweredistributeduniformlyinmatrixalloy.Theshapesofreinforcementsareshort-fibreshape,dendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshape.Thereinforcementwithshort-fibreshapeisTiB,thereinforcementwithdendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshapeisTiC.Theexperimentalresultisingoodagreementwiththeoreticalresult,whichprovidesgistforcommercialproductionofinsitusynthesizedtitaniummatrixcomposites.

3.Thegrowthmechanismsofreinforcementsininsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Thegrowthmechanismsarecloselyrelatedtosolidificationpathsandcrystalstructures.Thereinforcementsdiersefrommeltandgrowinthewayofnucleationandgrowth.FortheinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlereinforcedtitaniummatrixcomposites,thereinforcementsundertakethefollowingthreestages:primarycrystal,binaryeutecticandternaryeutectic.Duetothedifferentcrystalstructures,TiBandTiCgrowindifferentshapes.TiBisliabletogrowalong[010]directionandformshort-fibreshapeduetoit’sB27crystalstructure.TheshapeofTiBatcrosectionispolygon,thecrystalfacesarecomposedwith(100),(101)and(10).Moreover,thereisstackingfaultinTiBandthestackingfaultislikelytoformat(100)crystalface.TiCwithNaClcrystalstructuregrowsindendritic,equiaxedornear-equiaxedshape.

4.Theeffectsofaluminumadditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Theadditionofalloyingelementaluminumdoe’tchangephasesandadjustthesolidificationpath.However,thealloyingelementhindersthenucleationandgrowthofreinforcementsthatresultinmorefineTiBandTiCreinforcementsandmakeTiCreinforcementsgrowwithequiaxedparticleseasily.Aluminumnotonlystrengthethematrixalloybysolidsolutionstrengthening,butalsoimprovesthemechanicalpropertiesbyrefiningthereinforcements.

5.TheinterfacialmicrostructuresofinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlesreinforcedtitaniummatrixcompositeshavebeenoervedbymeaoftramiionelectronicmicroscopyandhigh-resolutiontramiionelectronicmicroscopy.Theresultsshowthattheinterfacesareveryclean.Theyarebondedwell.ThereisnocoistentcrystallographicrelatiohipbetweenTiCandtitanium.However,therearefollowingcoistentcrystallographicrelatiohibetweenTiBandtitanium:,,(0002)Ti//(001)TiB,and,,(0002)Ti//(200)TiB.Moreover,itiscloselyrelatedtothecrystalstructuresofreinforcementandmatrixalloy.Theformationofabovecrystallographicrelatiohiisvaluabletodecreasetheenergyoflatticestrainbetweenreinforcementandmatrixalloy.

6.Themechanicalpropertiesofcast-titaniummatrixcompositesandhigh-temperaturetitaniummatrixcompositesafterhot-forginghavebeeninvestigated.Duetotheincorporationofinsitusynthesizedreinforcements,themechanicalpropertiesimproveobviouslycomparedwithmatrixalloy.Whenthevolumeofreinforcementsis8,theYoung’smodulusE,yieldstrengths0.2andteilestrengthare131.2GPa,1243.7MPaand1329.8MPa,reectively.Theyimprove19.3,47.4and45.5,reectively.Thestrengtheningmechanismsincludethefollowingfactors:undertakingloadofreinforcements,refinementofgrainsizeandformationofhigh-deitydislocatio.TheadditionofgraphiteformsmoreTiCparticleswithequiaxedornear-equiaxedshapethatisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatroomtemperature.ThisisrelatedtoexistingofTiBthatresultfractureofcompositesatlowlevelofaliedstrain.

篇6

RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在不同濃度的硫酸、鹽酸、磷酸和氯化鐵等溶液中的腐蝕試驗結(jié)果表明，以Ni-W-P合金為基體的復(fù)合材料鍍層在鍍態(tài)或熱處理條件下在硫酸,磷酸,鹽酸和氯化鐵溶液中具有較好的耐蝕性,其耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優(yōu)于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優(yōu)于Ni-W->:請記住我站域名/

復(fù)合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗結(jié)果表明，隨著加熱溫度的提高，復(fù)合材料鍍層的硬度增加，在400℃時達(dá)峰值，加熱溫度繼續(xù)升高，鍍層硬度呈下降趨勢；此外，陰陽極相互垂直所得復(fù)合鍍層的硬度高于陰陽極相互平行的硬度；鍍態(tài)時復(fù)合鍍層的磨損率均最高，隨著熱處理溫度的提高，磨損率呈下降趨勢，在400℃時磨損率最低，耐磨性最好。繼續(xù)升高溫度，磨損率有所上升。另外，隨著鍍層中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃熱處理條件下，隨著熱處理時間的延長，復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性增加，當(dāng)熱處理時間達(dá)到3小時時，鍍層硬度和耐磨性達(dá)到最佳值；若繼續(xù)延長時間，鍍層的硬度和耐磨性將降低。隨著鍍液中SiC濃度的增加，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的硬度增加，同時鍍層的耐磨性能也增強(qiáng)。鍍液中鎢酸鈉濃度對RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律與鍍液中SiC濃度對RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性均提高。隨著鍍液中次亞磷酸鈉濃度的升高，鍍層的硬度和耐磨性均降低。

RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的組織與結(jié)構(gòu)分析表明，復(fù)合鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)，當(dāng)熱處理溫度升到200℃時，鍍層開始晶化并析出Ni3P相；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時，鍍層晶化完畢，產(chǎn)生新相g-(FeNi)。因此，整個鍍層的顯微結(jié)構(gòu)隨溫度的變化過程是：非晶態(tài)混晶態(tài)晶態(tài)；稀土元素對復(fù)合鍍層的顯微組織無影響，但可以提高復(fù)合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復(fù)合材料鍍層的結(jié)構(gòu)影響不大，復(fù)合材料中的磷含量是鍍層非晶化的主要決定因素；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復(fù)合材料鍍層的表面形貌影響較大，當(dāng)鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時，復(fù)合材料鍍層表面顆粒細(xì)小，而且平整光滑。

復(fù)合材料鍍層的抗高溫氧化試驗結(jié)果表明，在高溫氧化過程中,純鎳鍍層、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的氧化膜重量和氧化時間的關(guān)系,在氧化時間小于60min時，氧化膜的增長規(guī)律近似于直線方程；而在氧化時間大于60min后,它的增長規(guī)律可以用冪函數(shù)方程表示。四種鍍層氧化速率的大小順序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高溫氧化過程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三種鍍層的氧化膜重量隨著氧化溫度的升高而呈指數(shù)型增加。RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與Ni-W-P合金層相比,它的高溫抗氧化性能可以提高2-3倍。鍍層的截面形貌表明,經(jīng)500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴(kuò)散,與基體之間沒有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經(jīng)800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體有明顯分界線外,其它兩種鍍層均無分界線。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三種鍍層經(jīng)800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。

對電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料進(jìn)行了日處理5平方米的中試試驗，結(jié)果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業(yè)中應(yīng)用，其壽命明顯高于國產(chǎn)零部件，接近或超過進(jìn)口件的水平，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結(jié)構(gòu)，應(yīng)用。

Atract

ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：

E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.

ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.

CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.

CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.

Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.

MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.

篇7

 

0引言

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上組分材料組成的新材料, 根據(jù)不同的需要，可以選取不同的組分材料和細(xì)觀結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料的性能，在航空航天、建筑、交通等領(lǐng)域得到越來越廣的應(yīng)用。為了預(yù)測復(fù)合材料的宏觀力學(xué)屬性，人們提出了許多的方法。早期主要以解析模型為主，如Eshelby等效夾雜法[1]、微分法[2]、Mori-Tanaka法[3]等，這些方法只考慮了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一些基本信息，而忽略了復(fù)合材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，計算精度和適用范圍有限。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值法得到了廣泛的應(yīng)用，如通用元胞法[4-5]和有限元方法[6-8]，其方法通常是對復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的“代表性體積元”（RVE）進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)而獲得其宏、細(xì)觀力學(xué)性能。數(shù)值法很好地考慮了復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，預(yù)測精度較高。

對于高填充比和填充顆粒尺寸跨度大的復(fù)合材料，如固體推進(jìn)劑[9]，建模時為了使RVE具有代表性，模型中通常包含數(shù)百個顆粒，數(shù)值法預(yù)測這類材料的有效屬性時前處理變得異常困難。畢業(yè)論文，有效屬性。為了解決這一問題，B. Banerjee[10]利用一種遞歸算法預(yù)測了復(fù)合材料PBX9501的有效彈性屬性，但是該算法所采用的正交化網(wǎng)格并不能很好的反映顆粒的邊界。畢業(yè)論文，有效屬性。K. Matous[11]在進(jìn)行固體推進(jìn)劑損傷分析時，通過Mori-Tanaka方法將基體與小尺寸顆粒均質(zhì)化為一種混合物。畢業(yè)論文，有效屬性。

本文將不同尺寸類型的顆粒分別與基體進(jìn)行均質(zhì)化，提出一種預(yù)測復(fù)合材料有效彈性模量的多步驟方法。利用多步法計算了不同填充分?jǐn)?shù)和組分模量比復(fù)合材料的有效彈性屬性，并與全尺寸有限元計算結(jié)果進(jìn)行了對比。

1多步驟法

高填充分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸跨度大的復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)RVE通常很大，如圖1所示。多步法將預(yù)測有效彈性屬性的過程分為幾個步驟，首先將小顆粒與基體視為一種混合物，利用有限元或細(xì)觀力學(xué)等均質(zhì)化方法計算出其有效屬性后，再把它當(dāng)成一種新的基體，如此反復(fù)，直至計算出整個代表性體積元的有效屬性，過程如圖2所示。在每一步計算過程中，與基體相混合的顆粒種類越多，計算精度也越高，同時計算模型也越大。多步法計算過程中，參與混合的顆粒體積分?jǐn)?shù)通過下式計算得到：

（1）

其中，為顆粒在“混合物”中的體積分?jǐn)?shù)，，為參與均質(zhì)化的顆粒和基體體積分?jǐn)?shù)。

圖1 復(fù)合材料“代表性體積元”

Fig .1 RVE of composite

圖2 多步法預(yù)測復(fù)合材料宏觀有效屬性過程

Fig.2 Progression of propertyprediction of multi-step method for composite

2均質(zhì)化方法

2.1有限元法

利用有限元方法預(yù)測復(fù)合材料有效屬性時，首先在將“代表性體積單元”進(jìn)行網(wǎng)格剖分，再施加周期性邊界條件模擬均勻介質(zhì)的力學(xué)行為。周期邊界條件表示為

(2)

其中，為RVE的邊長，，為施加于邊界上的位移載荷。假定平面應(yīng)變情況下，通過有限元方法計算得到的細(xì)觀應(yīng)力、應(yīng)變場為和，對其進(jìn)行體積平均得到平均應(yīng)力（有效應(yīng)力）和平均應(yīng)變（有效應(yīng)變）

（3）

（4）

其中，，為平均應(yīng)力和平均應(yīng)變，，為單元平均應(yīng)力和單元平均應(yīng)變，為單元數(shù)，為單元體積。則二維楊式模量和泊松比計算如下

（5）

（6）

三維楊式模量和泊松比可通過上式轉(zhuǎn)化得到[12]

（7）

（8）

2.2 Mori-Tanaka方法

解析法中，由于Mori-Tanaka方法計算簡單，同時在一定程度上考慮了復(fù)合材料中夾雜之間的相互作用，成為預(yù)測復(fù)合材料有效屬性的有效工具，對于多相復(fù)合材料，其體積和剪切模量可表示為[13]

（9）

（10）

式中，，，，，,分別為體積模量和剪切模量，為體積分?jǐn)?shù)，下標(biāo)和0分別代表第相顆粒與基體, 為相的數(shù)目。楊式模量和泊松比為

（11）

（12）

由(9)-(10)可知，Mori-Tanaka法只考慮了顆粒體積分?jǐn)?shù)，而忽視了復(fù)合材料中顆粒的形狀、大小及分布等結(jié)構(gòu)特征。

3計算結(jié)果

考慮三相顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，各組分為各向同性彈性材料，具體組成及力學(xué)參數(shù)如表1所示。計算中，顆粒體積分?jǐn)?shù)為40％～70％, 顆粒1與顆粒2之間的體積比為1:1.8。迭代法預(yù)測該復(fù)合材料的有效彈性模量分兩個步驟，每一步分別用有元法（FEM）或Mori-Tanaka（MT）方法計算，計算結(jié)果與全尺寸RVE的有限元和Mori-Tanaka計算結(jié)果進(jìn)行對比，全尺寸模型顆?？倲?shù)為90，每個單步中顆粒數(shù)為50。畢業(yè)論文，有效屬性。四種多

步法與全尺寸有限元計算結(jié)果如圖3所示

表1 復(fù)合材料組分參數(shù)

Tab.1 Parameters of composite constituents

篇8

 

1　引言

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的加工性能在結(jié)構(gòu)和工程上得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］。但復(fù)合材料強(qiáng)度提高的同時，其延性卻明顯下降。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對復(fù)合材料的彈塑性性能進(jìn)行了廣泛的研究［2-7］，內(nèi)容涉及失效機(jī)制，如顆粒的斷裂、基體和增強(qiáng)顆粒界面的脫粘、基體的延性失效及加工工藝及熱處理對復(fù)合材料性能的影響等。

大多數(shù)金屬材料和金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度會隨應(yīng)變率的提高而提高，且復(fù)合材料的應(yīng)變率敏感性通常取決于基體的應(yīng)變率敏感性以及基體和增強(qiáng)顆粒界面的結(jié)合情況等。本文將對TiCp/Ti 復(fù)合材料的動態(tài)拉伸性能進(jìn)行研究，建立其率相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系，并從微觀角度討論其強(qiáng)化斷裂機(jī)理、應(yīng)變率敏感性以及復(fù)合材料應(yīng)變率敏感性高于基體的原因。

2動態(tài)拉伸試驗

2.1　試驗系統(tǒng)及原理

沖擊拉伸試驗在中國科技大學(xué)的旋轉(zhuǎn)盤式桿—桿型沖擊拉伸試驗機(jī)（SHTB）上進(jìn)行，試驗裝置如圖1所示。SHTB實驗裝置由旋轉(zhuǎn)盤式加載系統(tǒng)、撞塊、輸入桿和輸出桿組成。加載裝置是一個直徑為1.4米，轉(zhuǎn)動線速度可以達(dá)到100m/s的飛輪。前置理想彈塑性金屬短桿通過螺紋與撞塊和輸入桿連接，受拉伸試件用耐沖擊高強(qiáng)度聚炳烯酸粘接劑與輸入桿和輸出桿的叉口相粘接。當(dāng)飛輪邊緣的線速度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，安裝在高速旋轉(zhuǎn)盤上的雙片錘頭（1）瞬間被彈出并以該線速度打擊撞塊（2），這時同輸入桿相連的理想彈塑性前置金屬短桿（3）被拉斷，從而在輸入桿（4）中產(chǎn)生一近似拉應(yīng)力方波脈沖。當(dāng)入射應(yīng)力脈沖沿輸入桿向右傳播到試件（5）后，一部分反射回輸入桿（6）中，另一部分通過試件傳入輸出桿中，并在輸入桿和輸出桿中分別產(chǎn)生反射波和透射波。拉伸脈沖的幅度、寬度、和上升沿是由金屬短桿的直徑、長度和錘頭的打擊速度來決定的。貼在輸入桿和輸出桿上的三組半導(dǎo)體應(yīng)變片（7）分別測得入射波、反射波和透射波，通過超動態(tài)應(yīng)變儀（8）放大后被存

TCL雙通道瞬態(tài)波形存儲器（9）中。

根據(jù)一維應(yīng)力波理論可得試件中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率分別為

（1）

國家自然科學(xué)基金(No.90305018)資助項目、北京林業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年教師科技創(chuàng)新項目（YX2010-6）.

（2）

（3）

其中，和分別為試件的橫截面面積和長度； ，和 E 分別為輸入/輸出桿中彈性波的波速、桿的橫截面面積以及彈性模量。

2.2　試驗材料

試驗所用的鈦合金基體（T650）和TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（TP650）均由西北有色金屬研究院自行研制并提供。TiC增強(qiáng)顆粒的平均粒度為5，體積百分比為3%；復(fù)合材料TP650采用PTMP（Pre-treatment melt process）法制備，顆粒在復(fù)合材料中呈彌散分布，界面反應(yīng)層穩(wěn)定?；w和復(fù)合材料試樣均采用簡單的退火，其熱處理參數(shù)為：800℃/1小時＋空冷。

試件設(shè)計成扁平的啞鈴狀，厚度1.1mm，形狀、尺寸和形位公差設(shè)計如圖2所示。

TiC顆粒和鈦合金基體的物理和力學(xué)性能如表1所示。

表1 TiC顆粒和鈦合金基體的物理和力學(xué)性能

Table 1 The Mechanical properties of TiCPparticles and Titanium alloy matrix

 

材料

TiC顆粒

基體T650

密度/ g/cm3

4.43

4.51

楊氏模量E/ GPa

460

118

剪切模量G/ GPa

193

43

泊松比

0.188

0.35

篇9

本書共分為5章：1.簡介，后4章是主題論文合集：1.前言，簡要介紹金屬及材料學(xué)會年會及成書的原因；2.復(fù)合材料的加工和設(shè)計，論題包括（1）10%鋁基飛灰復(fù)合材料的形變特性在空間航空中的應(yīng)用；（2）B4C在鋁基復(fù)合材料中對機(jī)械性能和耐腐蝕性上的影響；（3）細(xì)菌纖維素對β相聚偏二氟乙烯的相穩(wěn)定增強(qiáng)研究；（4）合成復(fù)合TaCTaB2粉末；3.復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和相圖表征，論題包括（1）激光沉積原位TiC增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料：微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能研究；（2）擠壓浸透法生產(chǎn)微石英增強(qiáng)鋁合金金屬基復(fù)合材料；（3）混合金屬功能梯度復(fù)合材料的擠壓浸透法技術(shù)生產(chǎn)和表征；（4）磁性記憶合金NiCo40+xAl30-x＼[X=0、3、6、10＼]的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能；（5）金屬基復(fù)合材料的定向凝固；4.材料的機(jī)械性能的發(fā)展，論題包括（1）一種高機(jī)械性能的金屬納米復(fù)合材料：NbTi納米線和NiTi基復(fù)合材料的反常熱膨脹； （2）復(fù)合材料數(shù)據(jù)融合無損檢測技術(shù)對累計損傷進(jìn)行定量；（3）計算預(yù)測玻璃態(tài)聚合物和熱固塑料的機(jī)械性能；（4）多尺度表征SiC/SiC復(fù)合材料；（5）用于航空的鋁基金屬復(fù)合材料在加工中的斷裂韌性和損傷力學(xué)研究；5.復(fù)合材料的界面和粘結(jié)，論題包括（1）連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷鋁基復(fù)合材料的多尺度建模；（2）沖擊檢測在評價復(fù)合材料層合板弱鍵中的發(fā)展；（3）用等離子體處理高分子纖維來增強(qiáng)織物復(fù)合材料層合板的機(jī)械性能；（4）1758K下鈦鋁合金對TiCx的潤濕性研究；（5）用于汽車工業(yè)的金屬聚合物金屬三明治結(jié)構(gòu)的成形極限圖。

篇10

【中圖分類號】TB33-4

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料，與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料具有許多優(yōu)點，比如其成分及性能的可設(shè)計性高，由于加入了高性能的增強(qiáng)相，其強(qiáng)度和彈性模量很高，尤其是比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料，另外還具有抗疲勞、斷裂性能好、結(jié)構(gòu)功能一體化等一系列優(yōu)越性能，是其他材料難以替代的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，在國防、機(jī)械、化工、醫(yī)療等各領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是新技術(shù)革命賴以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，復(fù)合材料已成為新材料研究領(lǐng)域的重要方向，對于材料科學(xué)的發(fā)展意義重大。正因如此，眾多高校非常重視復(fù)合材料課程的開設(shè)，《復(fù)合材料》是材料學(xué)院材料科學(xué)與工程、金屬材料、高分子材料等非復(fù)合材料專業(yè)本科生的專業(yè)選修課之一。根據(jù)復(fù)合材料涉及的分類，這門課程主要講述復(fù)合材料增強(qiáng)體、復(fù)合材料的設(shè)計原理、聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解復(fù)合材料的基本理論知識、分類及其應(yīng)用前景，掌握材料所具有的使用性能，以及常見復(fù)合材料制備方法，以提高對于復(fù)合材料的設(shè)計、制造、性能及應(yīng)用能力。但本課程的特點是內(nèi)容繁雜，涉及了基體、增強(qiáng)體、復(fù)合原理、材料設(shè)計、成型方法及工藝、生產(chǎn)設(shè)備等內(nèi)容，涵蓋化學(xué)、物理、計算機(jī)、工程學(xué)等方面的基礎(chǔ)課程。因此，在教學(xué)中普遍存在學(xué)生對所涉及的概念、理論不甚理解，導(dǎo)致厭學(xué)、重視不足現(xiàn)象，同時也存在教師很難將知識點一一闡述透徹，學(xué)生難以進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)等問題。另外，該課程多為陳述性內(nèi)容，在授課過程中很容易陷入乏味的陳述之中，使得學(xué)生對本門課程無法提起興趣。因此，針對以上題，本課程需要在教學(xué)過程中進(jìn)行了改革，并分析復(fù)合材料學(xué)課程理論教學(xué)改革的方法和意義，以期為高等院校的相關(guān)課程和專業(yè)建設(shè)提供一定的參考。

1 授課內(nèi)容改革

大學(xué)教育是創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的搖籃，其專業(yè)選修課教學(xué)內(nèi)容旨在開闊學(xué)生的視野，提高其創(chuàng)造創(chuàng)新能力，因此在教學(xué)中應(yīng)該剔除陳舊的知識、固定的模式?！稄?fù)合材料》這門課程的知識信息量比較大、直觀性比較強(qiáng)，其內(nèi)容涉及聚合物基復(fù)合材料、功能復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、無機(jī)復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等諸多方面，但是在本科生培養(yǎng)計劃改革中，該課程由原來的32學(xué)時壓縮為16學(xué)時左右，在指定的教學(xué)時限內(nèi)很難完成課程全部內(nèi)容的教學(xué)。因此，需要對課程的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步精簡、合并，盡可能在體現(xiàn)其完整性的同時突出發(fā)展前沿的內(nèi)容，教材也必須作整合化“手術(shù)”，在個性化的教材之中養(yǎng)成學(xué)科的風(fēng)格與特色。例如，在我校材料科學(xué)專業(yè)主要是以金屬材料為主，因此要重點學(xué)習(xí)金屬基復(fù)合材料，在充分講述了金屬基復(fù)合材料的設(shè)計、制造、界面表征及性能分析后，要著重描述金屬基復(fù)合材料的目前的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展方向以及存在的主要問題。而陶瓷基等復(fù)合材料則在介紹其總體理論后可以針對于某些發(fā)展方向進(jìn)行延伸講授，在完成大綱要求內(nèi)容的同時，要突出重點和難點內(nèi)容，使學(xué)生在明晰總體脈絡(luò)的情況下，能夠抓住主要方向，只有這樣才能在較短的時間內(nèi)達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

2 革新教學(xué)方法

前已述及，《復(fù)合材料》這門課的知識體系非常寬廣、內(nèi)容豐富、實用性較強(qiáng)，其內(nèi)容歸納起來具有以下特點：一是課程內(nèi)容包含的專業(yè)知識和門類非常多，并應(yīng)用很多基礎(chǔ)學(xué)科的知識來分析材料中的具體問題，有的內(nèi)容非常具體而復(fù)雜，如復(fù)合材料的界面結(jié)合理論，有的內(nèi)容則比較抽象而難懂，如材料的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的微觀機(jī)理等；二是同時具有很強(qiáng)的理論性與實踐性，一方面有很多的理論分析與公式推導(dǎo)，在分析和推導(dǎo)的過程中要建立具體的物理模型，并結(jié)合材料內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的處理；另一方面要應(yīng)用基本理論和方法來分析、解釋和處理材料方面的實際問題；三是該課程內(nèi)容中包含大量抽象、復(fù)雜且不易理解的概念。如果使用傳統(tǒng)的黑板加粉筆的教學(xué)方式，只能是學(xué)生得到一些感知的內(nèi)容，無法使其得到直接的體驗，顯得枯燥無味呆板。好在現(xiàn)在各學(xué)?；旧隙计占傲硕嗝襟w教學(xué)，為了吸引學(xué)生在課堂上的注意力，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)本課程教學(xué)的最終目標(biāo)，需要在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上對教學(xué)手段進(jìn)行相應(yīng)的改革。可以從以下方面入手：

（1）在教學(xué)中把多媒體、影像資料、CAI 課件等現(xiàn)代化教學(xué)手段應(yīng)用到在教學(xué)中，在課堂上用文字、圖片、動畫和視頻以及聲音等資料來進(jìn)行教學(xué)活動，可以在有限的時間內(nèi)提供給學(xué)生最大的知識信息量。

（2）采用授課―交流―討論的流程，通過向?qū)W生講解與授課內(nèi)容相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，讓學(xué)生從科研的角度認(rèn)識復(fù)合材料，同時了解復(fù)合材料發(fā)展的動態(tài)，并與其在各領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)合起來。授課的同時積極與學(xué)生進(jìn)行互動交流，共同探究論文中學(xué)術(shù)論點，必要時可以讓學(xué)生自己查閱總結(jié)科研文獻(xiàn)的觀點，并進(jìn)行分析評閱，進(jìn)而提升自身綜合實力。

（3）《復(fù)合材料》這門課程陳述性內(nèi)容較多。如果采用“以教師為主體、以課堂為中心”傳統(tǒng)的灌輸式教育，會使課堂教學(xué)氣氛呆板，使得學(xué)生的創(chuàng)造性思維受到嚴(yán)重束縛，既降低了學(xué)習(xí)效果，也忽視學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)、科研能力的培養(yǎng)。因此在教學(xué)過程中，除了對本門課程的難點和重點知識點進(jìn)行詳細(xì)講解外，其他容易理解的內(nèi)容，可以讓學(xué)生先在老師的引導(dǎo)下自行閱讀并完成讀書報告，然后老師對其讀書報告進(jìn)行講評，這種自學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。

3 優(yōu)化考核辦法

課程考核是大學(xué)教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，是對教師授課及學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗，對督促學(xué)生主動學(xué)習(xí)，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生潛能、個性和創(chuàng)造性等的培養(yǎng)具有重要作用?！稄?fù)合材料》課程涉及的領(lǐng)域廣、范圍大、知識點多，如果單純以閉卷答題的方式進(jìn)行考核，則會在一定程度上約束學(xué)生的思維，不利于考查學(xué)生的綜合運(yùn)用知識分析問題和解決問題的能力，無法全面評估學(xué)生對這門課程的掌握情況，因此，如何既能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，又能達(dá)到考核的目的，這是亟需解決的問題?！稄?fù)合材料》是一門專業(yè)選修課程，期考核方式可以相對靈活一些，能夠采用綜合考核、靈活應(yīng)試的辦法，在研習(xí)傳統(tǒng)考試模式的前提下，提高平時考核成績的比重，在平時成績的考核中，可以采用學(xué)生在課堂上發(fā)言和討論、撰寫讀書筆記和科研報告等多種方法對學(xué)生進(jìn)行綜合考核，尤其是讓學(xué)生撰寫科研報告，報告中要求學(xué)生通過閱讀相關(guān)專業(yè)書籍及國內(nèi)外期刊，總結(jié)出復(fù)合材料最新研究進(jìn)展、應(yīng)用技術(shù)及發(fā)展趨勢等內(nèi)容，以此提高學(xué)生對所學(xué)知識的掌握，并使學(xué)生在考核過程中掌握了科研論文的查閱總結(jié)能力。將這幾種考核方式相結(jié)合，可以促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中積極主動地參與，避免平時不用心學(xué)習(xí)，考試時突擊學(xué)習(xí)情況的發(fā)生。

4 結(jié)語

課堂上教師的“講授”是為學(xué)生的“學(xué)習(xí)”作鋪墊和服務(wù)的，講授過程中教師應(yīng)該是導(dǎo)演，是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。因此，教師應(yīng)該積極與學(xué)生互動，在此過程中，教師要大膽放手，讓學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造性，想方設(shè)法激勵和引導(dǎo)學(xué)生積極主動地去探究、去思考，并樂于實踐；只有這樣，才能實現(xiàn)“先學(xué)”的目標(biāo)，才能把課堂的主動權(quán)真正還給學(xué)生，突出學(xué)生是課堂教學(xué)的主體地位。

總之，《復(fù)合材料》作為一門專業(yè)選修課程，其教學(xué)改革是一項系統(tǒng)的改革，要運(yùn)用各種有效的教學(xué)手段，采取科學(xué)合理的綜合考核形式，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識的能力、綜合能力、創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力以及養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王獻(xiàn)彪.材料學(xué)專業(yè)本科生課程創(chuàng)新能力的探索[J].文學(xué)教育.2010，（7）：69；

[2] 王獻(xiàn)彪，徐文總，劉瑾等.《復(fù)合材料》課程互動式教學(xué)的實踐與探索[J].廣州化工.2012，40（10）：174-175