1
第五章 复合材料的成型工艺
1、聚合物基复合材料的成型工艺
2、金属基复合材料的成型工艺
3、陶瓷基复合材料的成型工艺
2
1、聚合物基复合材料的成型工艺
聚合物基复合材料的性能 在 纤维 与 树
脂 体系确定后,主要决定于 成型工艺 。
成型工艺 主要包括以下两个方面：
3
一是 成型,即将 预浸料 按产品的要求,铺臵
成一定的形状,一般就是产品的形状 ;
二是 固化,即把已 铺臵成一定形状的 叠层预
浸料,在 温度、时间和压力等因素影响下 使 形状
固定 下来，并能达到预期的性能要求。
4
生产中采用的成型工艺
(1) 手糊 成型 (2)注射 成型
(3)真空袋压法 成型 (4)挤出 成型
(5)压力袋 成型 (6)纤维缠绕 成型
(7)树脂注射 和 树脂传递 成型
(8)真空辅助树脂注射 成型
5
(9)连续板材 成型 (10)拉挤 成型
(11)离心浇铸 成型 (12)层压或卷制 成型
(13)夹层结构 成型 (14)模压 成型
(15)热塑性片状模塑料热冲压 成型
(16)喷射 成型
6
(1)手糊成型工艺
手糊成型工艺是复合材料 最早的 一
种成型方法，也是一种 最简单 的方法，
其具体工艺过程如下：
7
首先，在模具上涂刷 含有固化剂的树脂混
合物,再在其上铺贴一层 按要求剪裁好的 纤维
织物, 用刷子、压辊或刮刀压挤织物,使其 均
匀浸胶 并排除气泡后，再 涂刷树脂混合物 和 铺
贴第二层纤维织物,反复上述过程直至达到所
需厚度为止。
8
然后,在一定压力作用下 加热固化成
型 （ 热压成型 ）或者利用 树脂体系固化时
放出的热量 固化成型（ 冷压成型 ），最后
脱模 得到复合材料制品。其工艺流程如下
图所示：
9
模具
准备
涂脱模剂
手糊成型
树脂胶
液配制
增强材
料准备
固化 脱模 后处理
检验
制品
手糊成型工艺流程图
10
为了得到 良好的脱模效果 和 理想
的制品,同时使用几种脱模剂，可以
发挥 多种脱模剂的综合性能 。
11
手糊成型工艺优点
①不受产品尺寸和形状限制，适宜 尺寸
大, 批量小, 形状复杂 产品的生产；
② 设备简单, 投资少,设备 折旧费低 。
12
③ 工艺简单 ；
④ 易于满足产品设计要求，可以 在
产品不同部位 任意增补增强材料
⑤ 制品 树脂含量较高, 耐腐蚀性好 。
13
手糊成型工艺缺点
① 生产效率 低,劳动强度 大,劳动卫生
条件 差。
② 产品质量 不易控制,性能稳定性 不高。
③产品 力学性能 较低。
14
2．模压成型工艺
模压成型工艺 是一种古老的技术，早在 20世
纪初就出现了 酚醛塑料 模压成型。
模压成型是一种对 热固性树脂 和 热塑性树脂
都适用的 纤维复合材料 成型方法。
15
模压成型工艺过程
将定量的 模塑料或颗粒状树脂 与 短纤维的混合
物 放入敞开的 金属对模 中，闭模后 加热 使其 熔化,
并 在压力作用下 充满模腔，形成与模腔相同形状的
模制品； 再经加热 使树脂 进一步发生 交联反应 而固
化,或者 冷却使 热塑性树脂硬化,脱模后得到 复合
材料制品 。
16
金属对
模准备
涂脱模剂
膜压成型
模塑料、
颗粒树脂 短纤维
固化 脱模 后处理
检验
制品
加热、加压
加热 冷却
膜压成型工艺流程图
17
模压成型工艺优点
模压成型工艺有 较高的生产效率, 制品尺寸
准确, 表面光洁,多数结构复杂的制品可 一次成
型,无需二次加工,制品外观及尺寸的 重复性好,
容易实现 机械化和自动化 等。
18
模压成型工艺缺点
模具设计制造复杂,压机及模具 投资高,
制品尺寸受设备限制，一般只 适合制造批量
大 的中、小型制品。
19
模压成型工艺 已成为 复合材料的重要
成型方法,在 各种成型工艺中 所占比例仅
次于 手糊 /喷射 和 连续成型,居第三位。
近年来随着 专业化, 自动化 和 生产效
率的提高, 制品成本 不断降低，使用范围
越来越广泛。
20
模压制品 主要用作 结构件, 连接件, 防护件
和 电气绝缘 等，广泛应用于 工业, 农业, 交通运
输, 电气, 化工, 建筑, 机械 等领域。
由于模压制品 质量可靠,在 兵器, 飞机, 导
弹, 卫星 上也都得到应用。
21
3,层压成型工艺
层压成型工艺,是把一定层数的 浸胶布 (纸 )
叠在一起，送入 多层液压机, 在一定的温度和压
力下 压制成板材 的工艺。
层压成型工艺 属于 干法压力成型范畴,是复
合材料的一种主要成型工艺。
22
层压成型工艺 生产的制品 包括各种
绝缘材料板, 人造木板, 塑料贴面板,
覆铜箔层压板 等。
复合材料 层压板的生产工艺流程 如下
23层压板的生产工艺流程
增强材料
热固性树脂
浸 胶 胶 布
裁
剪
叠
合
热
压
脱
模
切
边
产
品
24
层压成型工艺的优点 是制品 表面光洁,
质量较好 且 稳定 以及 生产效率较高 。
层压成型工艺的缺点 是只能生产 板材,
且 产品的尺寸大小受设备的限制 。
25
4．喷射成型工艺
将分别 混有促进剂和引发剂的 不饱和聚
酯树脂 从喷枪两侧（或 在喷枪内混合 ）喷
出，同时将 玻璃纤维无捻粗纱 用切割机切
断 并 由喷枪中心 喷出，与树脂一起 均匀沉
积到模具上 。
26
当 不饱和聚酯树脂 与 玻璃纤维无捻粗纱
混合沉积到一定厚度时,用手辊滚压, 使纤
维浸透树脂, 压实并除去气泡,最后 固化成
制品 。
其具体工艺流程图如下：
27
玻璃纤维无捻粗纱
聚酯树脂 加热
引发剂
促进剂
静态混合
切
割
喷
枪
模
具
喷
射
成
型
辊压
固化
脱模
喷射成型工艺流程图
28
喷射成型 对所用原材料 有一定要求,例如
树脂体系的 粘度应适中, 容易喷射雾化, 脱除
气泡 和 浸润纤维 以及 不带静电 等。
最常用的树脂 是 在室温或稍高温度下 即可
固化的 不饱和聚酯 等。
29
喷射法使用的模具与手糊法类似，
而 生产效率 可提高数倍,劳动强度 降低，
能够 制作大尺寸制品 。
30
用 喷射成型 方法虽然可以制成 复杂
形状的制品,但其 厚度和纤维含量 都较
难精确控制，树脂含量一般在 60%以上，
孔隙率 较高,制品强度较低, 施工现场
污染 和 浪费较大 。
31
利用 喷射法 可以制作 大蓬车车身,
船体, 广告模型, 舞台道具, 贮藏箱,
建筑构件, 机器外罩, 容器, 安全帽 等。
32
5,连续缠绕成型工艺
将 浸过树脂胶液 的 连续纤维或布带,按照一
定规律 缠绕到芯模 上，然后 固化脱模 成为 增强塑
料制品 的工艺过程，称为 缠绕工艺 。
缠绕 工艺流程图 如下图所示：
33缠绕工艺流程图
纱团 集束
胶液配制
浸 胶 烘干 络纱 胶纱纱绽
张力控制
纵、环向缠绕 芯模 纵、环向缠绕
张力控制
加热粘流
固化 脱模 打模喷漆 成品
湿
法
缠
绕
成
型
工
艺
干
法
缠
绕
成
型
工
艺
34
利用 连续纤维缠绕技术 制作复合材料制品时，
有两种不同的方式可供选择：
一是将 纤维或带状织物 浸树脂后，再缠绕在芯
模上；
二是先将 纤维或带状织物 缠好后，再浸渍树脂。
目前普遍采用前者。
35
缠绕机 类似一部机床，纤维 通过树脂槽 后，
用轧辊 除去纤维中多余的树脂 。
为改善 工艺性能 和避免 损伤纤维,可预先
在纤维表面 徐覆一层 半固化的基体树脂,或者
直接使用预浸料 。
36
纤维 缠绕方式和角度 可以通过 机械传动 或 计
算机控制 。
缠绕达到要求厚度后,根据所选用的 树脂类
型, 在室温或加热箱内 固化, 脱模 便得到复合材
料制品。
37
利用 纤维缠绕工艺 制造 压力容器 时，
一般要求纤维具有 较高的强度 和 模量,
容易被树脂浸润,纤维纱的 张力均匀 以
及缠绕时 不起毛, 不断头 等。
38
另外，在缠绕的时候，所使用的 芯模 应
有 足够的强度和刚度, 能够承受 成型加工过
程中 各种载荷 （ 缠绕张力,固化时的 热应力,
自重 等），满足制品 形状尺寸 和 精度要求 以
及 容易与固化制品分离 等。
39
常用的 芯模材料 有石膏、石蜡、金
属或合金、塑料等，也可用 水溶性高分
材料,如以 聚烯醇 作粘结剂制成 芯模 。
40
连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维 按预定要求排列的 规整度 和 精度
高,通过改变 纤维排布方式、数量,可以实现 等
强度设计,因此，能 在较大程度上 发挥 增强纤维
抗张性能 优异的特点，
41
其次，用 连续纤维缠绕技术 所制得
的成品,结构合理, 比强度 和 比模量 高，
质量 比较 稳定 和 生产效率 较高等。
42
连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用 大，只有 大批量生产时
才可能降低成本。
43
连续纤维缠绕法 适于制作 承受一定
内压的 中空型容器,如 固体火箭发动机
壳体, 导弹放热层 和 发射筒, 压力容器,
大型贮罐, 各种管材 等。
44
近年来发展起来的 异型缠绕技术,可
以实现 复杂横截面形状的 回转体 或断面呈
矩形, 方形 以及 不规则形状 容器的成型。
45
6,拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中，首先将 浸渍过树脂
胶液的 连续纤维束 或 带状织物 在牵引装臵
作用下 通过 成型模 而 定型 ；
46
其次,在模中或固化炉中 固化,制成具
有 特定横截面形状 和 长度不受限制的 复合材
料，如 管材, 棒材, 槽型材, 工字型材, 方
型材 等。
47
一般情况下，只将 预制品 在成型模中 加热到
预固化 的程度, 最后固化 是 在加热箱中 完成的。
卧式拉挤成型过程原理图
制品切割
纤维
树脂槽
挤
胶
器
预
成
型
拉
拢热
模
48
拉挤成型 过程中，要求 增强纤维的 强
度高,集 束性好, 不发生悬垂 和容易被树
脂胶液 浸润 。
常用的 增强纤维 如 玻璃纤维, 芳香族
聚酰胺纤维, 碳纤维 以及 金属纤维 等。
49
用作 基体材料 的树脂 以 热固性树脂 为
主，要求树脂的 粘度低 和 适用期长 等。
大量使用的基体材料有 不饱和聚酯树
脂 和 环氧树脂 等。
50
另外，以 耐热性较好, 熔体粘度较低 的
热塑性树脂 为基体的 拉挤成型工艺 也取得了
很大进展。
其 拉挤成型的关键 在于 增强材料的浸渍 。
51
在 拉挤成型工艺 中，目前常用的方法如 热
熔涂覆法 和 混编法 。
热熔涂覆法 是使 增强材料 通过 熔融树脂,
浸渍树脂后 在成型模中 冷却定型 ；
52
混编法 中，首先按一定比例将 热塑性聚合物
纤维 与 增强材料 混编织成 带状, 空芯状 等几何形
状的织物；
然后，利用具有 一定几何形状的织物 通过热
模时 基体纤维熔化 并 浸渍增强材料, 冷却定型 后
成为产品。
53
拉挤成型的优点
① 生产效率高,易于实现自动化；
② 制品中增强材料的含量一般为 40％ --
80％，能够充分发挥增强材料的作用,制品
性能稳定可靠 ；
54
③ 不需要或仅需要进行少量加工，生
产过程中 树脂损耗少 ；
④ 制品的 纵向和横向强度可任意调整,
以适应不同制品的使用要求，其长度可 根
据需要 定长切割 。
55
拉挤制品的主要应用领域
(1)耐腐蚀领域 。主要用于 上、下水装臵,工
业 废水处理设备, 化工挡板 及化工、石油、造纸和
冶金等工厂内的 栏杆, 楼梯, 平台扶手 等。
(2)电工领域 。 主要用于 高压电缆保护管, 电
缆架, 绝缘梯, 绝缘杆,灯柱、变压器和电机的零
部件等。
56
(3)建筑领域 。主要用于 门窗结构用 型材、
桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。
(4)运输领域 。主要用于卡车构架、冷藏车
箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船
舶甲板、电气火车轨道护板等。
57
(5)运动娱乐领域 。主要用于钓鱼杆、弓箭
杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池
底板等。
(6)能源开发领域 。 主要用于 太阳能收集器,
支架,风力发电机叶片 和抽油杆等。
(7)航空航天领域 。如宇宙飞船 天线绝缘管,
飞船用 电机零部件 等。
58
目前，随着 科学和技术 的不断发展，正向
着 提高生产速度, 热塑性和热固性树脂同时使
用 的 复合结构材料 和方向发展。
生产 大型制品,改进 产品外观质量 和 提高
产品的横向强度 都将是 拉挤成型工艺 今后的发
展方向。
59
7,注射成型工艺
注射成型 是 树脂基复合材料生产中的 一
种重要成型方法，它适用于 热塑性和热固性
复合材料,但 以热塑性复合材料 应用最广。
60
注射成型工艺原理
注射成型 是根据 金属压铸原理 发展起来的
一种成型方法 。 该方法是将 颗粒状树脂, 短纤维
送入 注射腔内, 加热熔化, 混合均匀,并 以一定
的挤出压力,注射到温度较低的 密闭模具 中，经
过 冷却定型 后，开模便得到复合材料制品 。
61
注射成型工艺过程 包括 加料, 熔化, 混合,
注射, 冷却硬化 和 脱模 等步骤 。
加工 热固性树脂 时，一般是将 温度较低的树
脂体系 (防止物料在进入模具之前发生固化 )与 短
纤维 混合均匀后注射到模具，然后再 加热模具 使
其固化成型。
62
在加工过程中，由于 熔体混合物的流动
会使纤维 在树脂基体中的分布 有一定的 各向
异性 。
如果制品形状比较复杂，则容易出现 局
部纤维分布不均匀 或 大量树脂富集区,影响
材料的性能。
63
因此,注射成型工艺 要求 树脂与短
纤维的混合均匀,混合体系有 良好的流
动性,而 纤维含量不宜过高,一般在 30
％ --40％左右。
64
注射成型法 所得制品 的 精度高, 生产
周期短, 效率较高, 容易实现自动控制,
除氟树脂外，几乎所有的 热塑性树脂 都可
以采用这种方法成型。
65
按 物料 在注射腔中 熔化方式 分类，常用的 注
射机 有 按塞式 和 螺杆式 两种。
由于 按塞式注射机 塑化能力较低, 塑化均匀
性差, 注射压力损耗大 及 注射速度较慢 等，已很
少生产，现在普遍使用的是 往复螺杆式注射机 。
66
2、金属基复合材料的成型技术
金属基复合材料的 制备工艺方法 对复
合材料的 性能 有很大的影响，是金属基复
合材料的 重要研究内容 之一。
67
金属基复合材料工艺研究内容
① 金属基体与增强材料的 结合 和 结
合方式 ；
② 金属基体 /增强材料 界面 和 界面产
物 在工艺过程中的形成及控制 ；
68
③ 增强材料 在金属基体中的 分布 ；
④ 防止 连续纤维 在制备工艺过程中
的 损伤 ；
⑤ 优化 工艺参数,提高复合材料的
性能和稳定性,降低 成本 。
69
根据各种 方法的基本特点, 把 金属基复
合材料的制备工艺 分为四大类：
(1) 固态 法；
(2) 液态 法；
(3) 喷射与喷涂沉积 法；
(4) 原位复合 法。
70
常用的金属基复合材料制备工艺
71
(1) 固态法
固态制备工艺主要为 扩散结合 和 粉末
治金 两种方法。
72
1) 扩散结合
在一定的 温度和压力 下，把表面 新鲜清洁 的
相同或不相同 的金属，通过 表面原子的互相扩散
而连接在一起。
因而，扩散结合也成为一种制造 连续纤维增
强金属基复合材料 的传统工艺方法。
73
扩散结合工艺 中,增强纤维与基体的
结合 主要分为三个关键步骤：
① 纤维的排布；
② 复合材料的叠合和真空封装；
③ 热压。
74
采用 扩散结合方式 制备金属基复合材料,工
艺相对复杂, 工艺参数控制 要求严格，纤维排布、
叠合以及封装手工操作多,成本高 。
但 扩散结合 是 连续纤维增强 并能 按照铺层要
求排布的 惟一可行的工艺。
75
在 扩散结合工艺 中,增强纤维与基体 的 湿
润问题 容易解决，而且 在热压时 可通过 控制工
艺参数 的办法来 控制界面反应 。
因此，在金属基复合材料的 早期生产 中大
量采用 扩散结合工艺 。
76
2) 粉末冶金
粉末冶金既可用于 连续长纤维 增强，
又可用于 短纤维, 颗粒 或 晶须 增强的 金
属基复合材料 。
77
在粉未冶金法中,长纤维增强金属基复
合材料 分两步进行。
首先是将 预先设计好的一定体积百分比
的 长纤维和金属基体粉末 混装于容器中，在
真空或保护气氛 下 预烧结 。
然后将 预烧结体 进行 热等静压 加工。
78
一般情况下，采用 粉未冶金工艺 制
备的 长纤维增强金属基复合材料中,纤
维的 体积百分含量 为 40% ~ 60%，最多
可达 75%。
79
粉末冶金法五大优点
① 热等静压 或 烧结温度 低于 金属熔点，因而
由高温引起的增强材料与金属基体的 界面反应少,
减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同
时可以通过 热等静压或烧结时 的 温度, 压力 和 时
间 等工艺参数来 控制界面反应 。
80
② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、
颗粒或晶须）与基体金属粉末 以任何比例混
合, 纤维含量最高 可达 75%,颗粒含量 可达
50%以上，这是液态法无法达到的。
81
③ 可降低 增强材料与基体 互相湿润 的要
求，也降低了 增强材料与基体粉未 的 密度差
的要求，使 颗粒或晶须 均匀分布 在金属基复
合材料的基体中。
82
④ 采用 热等静压工艺 时，其 组织细化,
致密, 均匀,一般不会产生 偏析、偏聚 等
缺陷，可使 孔隙和其他内部缺陷 得到明显
改善，从而提高复合材料的性能。
83
⑤ 粉未冶金法 制备的 金属基复合材料
可通过传统的 金属加工方法 进行二次加工。
可以得到所需形状的复合材料构件的 毛坯 。
84
① 工艺过程比较 复杂 ；
② 金属基体必须制成粉末，增如了工
艺的 复杂性 和 成本 ；
③ 在制备铝基复合材料时，还要防止
铝粉引起的 爆炸 。
粉末冶金法主要缺点
85
2．液态法
液态法亦称为 熔铸法,其中包括 压铸,
半固态复合铸造, 液态渗透 以及 搅拌法 和
无压渗透法 等。
86
液态法是目前制备 颗粒, 晶须 和 短纤维
增强金属基复合材料的 主要工艺方法 。
液态法 主要特点 是金属基体 在制备复合
材料时 均处于液态。
87
与固态法相比，液态法的 工艺及设备
相对简便易行,与传统金属材料的成型工
艺，如铸造、压铸等方法非常相似,制备
成本较低,因此液态法得到较快的发展。
88
1) 压铸
压铸成型是指 在压力作用下 将液态或半
液态金属基复合材料或金属 以一定速度 充填
压铸模型腔 或 增强材料预制体的孔隙 中,在
压力下 快速 凝固成型 而制备金属基复合材料
的工艺方法。
89
压铸成型法的具体工艺
首先将 包含有增强材料的金属熔体 倒入 预热
摸具中 后，迅速加压，压力约为 70~100MPa，使
液态金属基复合材料 在压力下凝固。
待复合材料 完全固化后 顶出，即制得所需形
状及尺寸的金属基复合材料的 坯料或压铸件 。
90
压铸工艺中，影响 金属基复合材料性
能的 工艺因素 主要有四个：
① 熔融金属的温度, ② 模具预热温度
③ 使用的最大压力, ④ 加压速度 。
91
在采用 预制增强材料块 时，为了获得
无孔隙 的复合材料，一般 压力 不低于
50MPa,加压速度 以 使预制件不变形 为宜，
一般为 1~3cm/s。
92
对于 铝基复合材料,熔融金属温度一般
为 700~800℃, 预制件和模具预热温度 一般可
控制在 500~800℃,并可相互补偿，如前者高
些，后者可以低些，反之亦然。
93
采用 压铸法 生产的 铝基复合材料 的零
部件，其 组织细化, 无气孔,可以获得比
一般 金属模铸件 性能优良的压铸件。
与其他金属基复合材料制备方法相比，
压铸工艺 设备简单, 成本低,材料的 质量
高且稳定,易于 工业化 生产。
94
2) 半固态复合铸造
半固态复合铸造主要是针对 搅拌法的缺点 而提
出的改进工艺。
这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体
中，通过搅拌使颗粒 在金属基体中 均匀分布，并取
得良好的界面结合，然后 浇注成型 或将半固态复合
材料 注入模具中 进行 压铸成型 。
95
通常采用 搅拌法制备金属基复合材料 时，常常
会由于 强烈搅拌 将 气体或表面金属氧化物卷入金属
熔体中 ；
同时 当颗粒与金属基体 湿润性差 时，颗粒难以
与金属基体复合，而且颗粒 在金属基体中 由于比重
关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。
96
半固态复合铸造的原理
① 是将 金属熔体的温度 控制在 液相线
与固相线 之间，通过搅拌使部分 树枝状结
晶体 破碎成 固相颗粒,熔体中的固相颗粒
是一种 非枝晶结钩,可以防止 半固态熔体
粘度的增加 。
97
② 当加入 预热后的 增强颗粒 时，因熔体
中含有一定量的 固相金属颗粒,在搅拌中 增
强颗粒受阻 而滞留在半 固态金属熔体 中，增
强颗粒不会 结集和偏聚 而得到一定的分散。
③ 同时强烈的 机械搅拌 也使 增强颗粒与
金属熔体 直接接触,促进润湿 。
98
主要控制工艺参数
① 金属基体 熔体的温度 应使熔体达到
30%~50%固态；
② 搅拌速度 应 不产生湍流 以防止空
气裹入，并使熔体中 枝晶破碎 形成固态颗
粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗
粒的加入。
99
由于浇注时 金属基复合材料 是 处于
半固态, 直接浇注成型 或 压铸成型 所得
的铸件几乎 没有缩孔或孔洞, 组织细化
和致密 。
100
半固态复合铸造 主要应用于 颗粒增强
金属基复合材料,因短纤维、晶须在加入
时容易 结团或缠结 在一起，虽经搅拌也不
易分散均匀，因而不易采用此法来制备 短
纤维或晶须增强 金属基复合材料。
101
3) 无压渗透
工艺过程 如下：
① 是将 增强材料 制成 预制体,臵于氧化
铝容器内。
② 再将 基体金属坯料 臵于可渗透的 增强
材料预制体 上部。
102
③ 氧化铝容器, 预制体 和 基体金属
坯料 均装入 可通入流动氮气 的 加热炉 中。
④ 通过加热,基体金属熔化,并自
发渗透进入网络状 增强材料预制体 中。
103
无压渗透工艺 能较明显 降低 金属基复
合材料的制造 成本,但复合材料的 强度较
低,而其 刚度 显著高于基体金属。
104
例如以 55~60%Al2O3或 SiC预制成 零件
的形状,放入同样形状的 刚玉陶瓷槽内,
将含有 3%~10%Mg的 铝合金 （基体） 坯料
放臵在 增强材料预制体 上，在流动的氮气
气氛下，加热至 800~1000℃, 铝合金熔化
并自发渗入预制体内 。
105
由于 氮气与铝合金 发生反应，在金属
基复合材料的显微组织中还有 AlN。
控制 氮气流量, 温度 以及 渗透速度,
可以控制 AIN的生成量 。
106
AIN在 铝基复合材料 中起到提高复合
材料 刚度,降低 热膨胀系数 的作用。
采用这种方法制备的 Al2O3/Al的刚度
是 铝合金基体 的两倍，而 SiC/Al的刚度也
达到钢的水平，但强度水平较低。
107
3．喷射沉积
首先，将 基体金属 在坩埚中熔化后,在
压力作用下 通过喷咀送入 雾化器,在 高速
惰性气体射流 的作用下,液态金属被分散
为细小的液滴,形成所谓,雾化锥, ；
108
然后，通过一个或多个 喷咀 向“雾化
锥”喷射 入 增强颗粒,使之与 金属雾化液
滴 一齐 在基板（收集器）上沉积,并快速
凝固形成 颗粒增强金属基复合材料,如下
图所示。
109雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图
110
喷射沉积法的优越性
① 该 工艺流程短, 工序简单,喷射 沉积
效率高,有利于实现工业化生产。
② 高致密度,直接沉积的复合材料密度
一般可达到理论的 95%~98%；
111
③ 属 快速凝固方法,冷速可达 103
~106 K/s，故金属 晶粒及组织细化,消除
了 宏观偏析, 合金成分均匀,同时增强材
料与金属液滴接触时间短,很少或没有界
面反应 ；
112
④ 具有 通用性 和 产品多样性 。该工艺
适于 多种金属材料基体,如高、低合金钢、
铝及铝合金、高温合金等。同时可 设计雾
化器和收集器的形状 和一定的机械运动，
以直接形成 盘, 棒, 管 和 板带 等接近 零件
实际形状 的复合材料的坯料；
113
4．原位自生成法
在复合材料制造过程中,增强材料
在基体中 生成和生长的方法 称作原位自
生成法。
114
在 金属基复合材料 制备过程中，往往
会遇到两个问题：
一是增强材料与金属基体之间的 相容
性 （即润湿性）问题，
二是无论固态法还是液态法，增强材
料与金属基体之间的界面都存在 界面反应 。
115
其中,增强材料与金属基体 之间的 相容性 往
往影响金属基复合材料 在高温制备和高温应用中
的 性能 和 性能稳定性 。
如果 增强材料 （纤维、颗粒或晶须）能 从金
属基体中 直接 （即原位） 生成,则上述两个问题
就可以得到较好的解决。
116
以 原位自生成法 制造的金属基复合材料中，基
体与增强材料间的 相容性好, 界面干净, 结合牢固 。
特别当 增强材料与基体之间 有 共格 或 半共格 关
系时，能非常 有效地传递应力 ；而且,界面上不生
成有害的反应产物,因此这种复合材料有较优异的
力学性能。
117
原位自生成 有三种方法
1) 共晶合金 定向凝固法
2) 直接 金属氧化法 （ DIMOXTM）
3) 反应 自生成法 （ XDTM）
118
1) 共晶合金定向凝固法
增强材料 以共晶的形式 从基体中 凝固析出，
通过控制 冷凝方向,在基体中生长出 排列整
齐的 类似纤维的 条状或片层状 共晶增强材料 。
以这种方式生产的 镍基, 钴基 定向凝固
共晶复合材料 已得到应用。
119
定向凝固共晶 复合材料的 原位生长 必
须满足三个条件：
① 有 温度梯度 （ GL）的加热方式；
② 满足 平面凝固条件 ；
③ 两相的 成核和生长 要 协调进行 。
120
L
ELL
D
CCm
R
G )( 0?
?
二元共晶材料的 平面凝固条件 是：
其中,C0为合金成份；
GL为液相温度梯度； R为凝固速度；
mL为液相线斜率； CE为共晶成份；
DL为溶质在液相中的扩散系数。
121
定向凝固共晶 复合材料的组织 是 层片
状 还是 棒状 （纤维状）取决于共晶中 含量
较少的组元的体积分数 Xf。
在二元共晶中，当 Xf < 32 %时呈纤维
状，当 Xf > 32 %时为层片状。
122
定向凝固 共晶复合材料 主要应用于 航
空透平机叶片,有 三元共晶合金 Al-Ni-Nb，
它所形成的 α和 β相为 Ni3Al和 Ni3Nb；
单变度共晶合金 C-Co-Cr，所形成的 α和
β相分别为 (Co,Cr)和 (Cr,Co)7C3。
123
2) 直接金属氧化法（ DIMOXTM）
DIMOXTM是一种可以制备 金属基复合
材料 和 陶瓷基复合材料 的 原位复合工艺 。
DIMOXTM法根据是否有 预成型体 又可
分为 惟一基体法 和 预成型体法,两者原理
相同。
124
惟一基体法 的特点
制备 金属基复合材料的 原材料中 没有填
充物（增强材料预成型体）和增强相,只是
通过 基体金属的氧化或氮化 来获取复合材料。
125
在 惟一基体法 中，例如需制备 Al2O3/Al，
则可通过 铝液的氧化 来获取 Al2O3增强相。
通常 铝合金 表面迅速氧化，形成一种
内聚、结合紧密的 氧化铝膜,这层氧化铝
膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜
下的铝进一步氧化。
126
但是在 DIMOXTM工艺中,熔化温度 上
升到 900~1300℃,远超过铝的熔点 660℃ 。
通过进一步加入 促进氧化反应的合金元
素 Si和 Mg，使熔化金属 通过显微通道 渗透
到氧化层外边,并顺序氧化，即铝被氧化，
但 铝液的渗透通道 未被堵塞。
127
利用 惟一基体法 工艺，可以 根据氧化
程度 来控制 Al2O3的量。
如果这一工艺过程在 所有金属被氧化
之前 停止的话，则所制备的复合材料就是
致密互连的 Al2O3陶瓷基复合材料，其中
含有 5% ~ 30%的 Al。
128
除了可以 直接氧化 外，还可以 直接氮化 。
通过 DIMOXTM工艺还可以获得 AlN/Al，
ZrN/Al和 TiN/Ti等 金属基或陶瓷基 复合材料。
129
当 DIMOXTM工艺采用 增强材料预成型体
时，由于 增强材料预成型体 是透气的，金属
基体可以通过 渗透的氧或氮 顺序氧（氮）化
形成基体。
130
3) 反应自生成法（ XDTM）
这种方法是在近 20年中发展起来的技
术，主要用于制造 金属间化合物 复合材料。
131
在反应自生成法中,增强材料 是由 加入
基体中的 相应元素之间的反应,或者 合金熔
体中的 某种组分 与 加入的元素或化合物之间
反应 生成的。
132
在 XDTM工艺中，可以根据 所选择的
原位生成的 增强相的类别或形态,选择 基
体和增强相生成所需的 原材料,如一定粒
度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例
（反应要求）混合。
133
XDTM工艺原理示意图
134
当这种混合物制成 预制体,加热到 金
属熔点以上 或者 自蔓延的反应发生的温度
时,混合物的组成元素进行放热反应,用
以生成 在基体中弥漫的 微观增强颗粒, 晶
须 和 片晶 等增强相。
135
XDTM工艺的 关键技术 是可以生成一
种 韧相,它属于专利技术。
例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉
以一定比例 混合成型,加热后反应生成
TiB2，进而形成 TiB2增强的铝基复合材料。
Al + Ti + B → TiB 2 + Al
136
XDTM法不仅可以用 粉末反应 生成复合
材料，也可以 在熔融的合金中 导入 参加反
应的粉末或气体 而生成复合材料。
如在熔融的 Al-Ti合金中导入 载碳气体,
反应生成 TiC，进而形成 TiC增强铝基复合
材料。
Al + Ti + C → TiC + Al
137
XDTM工艺特点
① 增强相是 原位形成,具有 热稳定性 ；
② 增强相的 类型、形态 可以 选择和设计 ；
③ 各种 金属或金属间化合物 均可作为基
体；
④ 复合材料可以采用 传统金属加工方法
进行二次加工 。
138
XDTM材料包括 Al,Ti,Fe,Cu,Pb和
Ni基复合材料，还可以是 TiAl,Ti3Al和 NiAl
等 金属化合物基 复合材料。
其中,增强相 包括 硼化物, 氮化物 和 碳
化物 等，其 形态 可以是 颗粒, 片晶 和 杆状,
还可以 原位生成晶须 。
139
3、陶瓷基复合材料的制备方法与工艺
陶瓷基复合材料 的制造分为两个步骤：
第一步是将 增强材料 掺入 未固结 (或粉
末状 )的 基体材料 中，排列整齐或混合均勾；
第二步是运用 各种加工条件 在尽量 不破
坏 增强材料 和 基体性能 的前提下，制成复合
材料制品。
140
根据 陶瓷基复合材料 的制造步骤，在
加工制备复合材料 时，应 根据使用要求,
相应地增强 材料和基体的复合,针对 不同
的增强材料 (纤维、晶须、颗粒 )，选择 相
应的加工条件 等因素。
141
选择哪种 增强材料和基体,除了 根
据使用要求,如 温度, 强度, 弹性模量
等，两种材料间一些 性能的配合 也直接
影响复合材料的性能 。
142
通常要考虑的 两种材料的主要因素 如下：
物理因素, 熔点, 挥发度, 密度, 弹性
模量, 热膨胀系数, 蠕变性能, 强度, 断裂
韧性 等。
143
纤维和基体 的 相容性因素,
化学相容性, 热性能相容性 (主要是高
温状态 ),同环境的相容性 (包括内部和外部，
而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发 )。
144
针对 不同的增强材料,已经开发了 多
种加工技术 。
例如，对于以 连续纤维增强的 陶瓷基
复合材料的加工 通常采用下面三种方法：
① 首先采用 料浆浸渍 工艺，然后再 热
压烧结 ；
145
② 将 连续纤维 编织制成 预成型坯件,
再进行 化学气相沉积 (CVD),化学气相渗透
(CVI),直接氧化沉积 (Lanxide)；
③ 利用 浸渍 --热解循环 的 有机聚合物裂
解法 制成 陶瓷基复合材料 。
146
对于 颗粒弥散型 陶瓷基复合材料,
主要采用 传统的烧结工艺,包括 常压烧
结, 热压烧结 或 热等静压烧结 。
147
此外，一些 新开发的工艺 如 固相反
应烧结, 高聚物先驱体热解, CVＤ, 溶
胶 — 凝胶, 直接氧化沉积 等也可用于 颗
粒弥散型 陶瓷基复合材料的制备 。
148
晶须补强 陶瓷基复合材料的制备方法,
将 晶须 在液体介质中 经 机械或超声分散,
再与 陶瓷基体粉末 均匀混合,制成 一定形状
的坯件,烘干后 热压或热等静压 烧结。
149
制备 晶须补强 陶瓷基复合材料 时，为了
克服 晶须 在烧结过程中的 搭桥现象,坯件制
造采用 压力渗滤 或 电泳沉积 成型上艺。
此外,原位生长 工艺,CVD,CAI,固
相反应烧结, 直接氧化沉积 等工艺也适合于
制备 晶须补强 陶瓷基复合材料 。
150
陶瓷基复合材料的加工制造方法
(1)传统的制备技术
(2)新的制备技术
151
(1) 传统的制备技术
1) 冷压和烧结法
2) 热压法
152
1) 冷压和烧结法
传统的陶瓷生产工艺，是将 粉末和纤维
冷压,然后 烧结 。
153
借鉴 聚合物生产工艺 中的 挤压, 吹塑,
注射 等 成型工艺,为了快速生产的需要，
可以 在一定的条件下 将 陶瓷粉体 和 有机载
体 混合后,压制成型,除去有机黏结剂，
然后 烧结 成制品。
154
在 冷压和烧结 法的生产过程中，通常
会遇到 烧结过程中 制品收缩,同时 最终产
品中 有 许多裂纹 的问题。
155
在用 纤维和晶须 增强 陶瓷基材料 进
行烧结时，除了会遇到 陶瓷基收缩 的问
题外，还会使 烧结材料 在烧结和冷却时
产生 缺陷 或 内应力 。这主要是由 增强材
料的特性 决定的。
156
例如 增强材料的特性 主要有：
增强材料 具有较高的 长径比 ；
增强材料和基体不同的 热膨胀系数 ；
增强材料在基体中 排列方式 的不同等。
157
2) 热压法
热压是目前制备 纤维增强陶瓷基复合
材料 (CMCs)最常用的方法，一般把它称为
浆料浸渍工艺 。
主要用在 纤维增强玻璃 和 纤维增强陶
瓷 复合材料中。
158
浆料浸渍工艺 主要包括以下两个步骤：
① 增强相 渗入 没有固化的基体 中；
③ 固化的复合材料 被 热压成型 。
159
下图显示了浆料浸渍工艺流程图：
160
纤维
浸渍浆料
纤维缠绕在辊筒上 纤维裁剪铺层
压力
纤维 /玻璃陶瓷复合材料 热压,800~925 ℃
脱黏结剂,500℃
热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线
161
此 工艺流程图 主要包括以下 四个过程,
① 纤维首先通过浆料池 ；
② 浸渍的丝被卷到一个转筒上 ；
③干燥后被切割并依照一定的要求 层状排列 ；
④ 固化并加热成型 。
162
其中，浆料池中的 浆料 由 陶瓷粉末,
溶剂 和 有机黏结剂 组成；另外，再加入一
些 润湿剂,有助于提高 纤维在浆料中的浸
润性 。
163
下图显示了在热压 各向同性 氧化铝纤
维增强玻璃陶瓷基复合材料 时,温度和压
力 随 时间 的变化曲线。
164
温
度/ ℃
压
力/ M
Pa
时间 / min
温度
压力
热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合
材料时温度、压力随时间的变化曲线
165
浆料浸渍工艺 非常适合 玻璃或玻璃陶
瓷基复合材料,因为它的 热压温度 低于这些
晶体基体材料 的熔点。
但热压过程中，除了要考虑 制品的形状
外，还要考虑的因素包括：
166
①在整个操作过程中,纤维必须经仔
细处理,避免损伤纤维表面。
② 拉力 影响 浆料浸渍纤维 的能力，太
强的拉力会导致纤维破坏。
167
③ 在加工过程中,要尽量 减少纤维的
破坏 。因为 结晶陶瓷的耐火颗粒 在与 纤维
的机械接触中 会 损伤纤维, 太高的压力 也
会损伤纤维，还要避免纤维 在高温中 与基
体的反应。
168
④ 浆料的组成 是一个重要方面，包括
粉体的含量, 粉体粒子的大小, 黏结剂的
种类和含量, 溶剂 等，它们都对最终 复合
材料制品的性能 有所影响。
169
⑤为了减少最终制品的 孔隙率,在
热压之前，要 设法完全除去 挥发性黏结
剂,使用比纤维直径更小的 颗粒状陶瓷
基体 。
170
⑥ 热压操作 非常关键，通常是在一个
非常 窄的操作温度范围, 缩短操作时间 可
以减少纤维的损坏。
171
浆料浸渍工艺 可以制得 纤维定向排列,
低孔隙率, 高强度 的 陶瓷基复合材料 。它可
以用在 C,Al2O3,SiC和 Al2O3.SiO2纤维增强
玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷 的制造工艺中。
这种工艺的 主要缺点 是要求 基体有较高
的熔点或软化点 。
172
新的制备技术主要指 在 20世纪 70年代
开始发展起来的技术。它包括 渗透, 直接
氧化,以化学反应为基础的 CVD,CVI，
溶胶 --凝胶, 聚合物热解, 白蔓燃高温合成
(SHS)等技术。
(2)新的制备技术
173
1) 渗透法
渗透法就是 在 预制的增强材料坯件 中
使 基体材料 以 固态、液态或气态的形式 渗
透制成复合材料。其中，比较常用的是 液
相渗透 。
174
渗透法 类似于 聚合物基复合材料 制造
技术中,纤维布 被 液相的树脂 渗透后,热
压固化 。
二者的差别 就是所用的 基体是陶瓷,
渗透的温度 要高得多。下图是 液相渗透工
艺示意图 。
175
活塞
熔体
预制件
加热棒
液相渗透工艺示意图
176
由于 熔融的陶瓷 具有 较高的黏度,为
了提高 陶瓷 对 预制增强材料坯件 的渗透，
通过对 增强材料的表面处理,来提高其浸
渍性，这种 提高渗透 主要采用 化学反应的
方式 。
177
另外,加压 和 抽真空 这两种物理方法
也可以被用来 提高渗透性 。
以这种方法生产 陶瓷基复合材料 的 主
要优点 是 制造工艺是一个简单的一步生产
过程, 可以获得一个均匀的制品 。
178
渗透法的主要缺点
①如果使用 高熔点的陶瓷, 就可能 在陶
瓷和增强材料之间 发生化学反应；
② 陶瓷 具有比金属更 高的熔融黏度,因
此 对增强材料的渗透 相当困难；
179
③ 增强材料 和 基体 在冷却后,由于不
同的 热膨胀系数 会 引起收缩 产生 裂纹 。
因此，为了避免这种情况，要尽量选
用 热膨胀系数相近的 增强材料和基体。
180
2)直接氧化法 (Lanxide法 )
直接氧化法 就是利用 熔融金属 直接与 氧
化剂 发生氧化反应 而制备 陶瓷基复合材料 的
工艺方法。
由于它是由 Lanxide公司发明的，所以
又称为 Lanxide法。
181
直接氧化法的生产工艺
① 将增强纤维或纤维预成型件臵于熔
融金属上面，并处于 空气或其他气氛 中，
熔融金属中含有 镁、硅 等一些添加剂。
182
② 在 纤维 不断 被金属渗透 的过程中，
渗透到纤维中的金属 与 空气或其他气体 在
不断发生 氧化反应,这种反应始终 在液相
金属和气相氧化剂的界面处 进行,反应生
成的氧化物 沉积在 纤维周围,形成含有少
量金属、致密的陶瓷基复合材料。
183
Al + ? N2
以 金属铝 为例，在 空气或氮气 气氛
中，主要发生下列反应：
2Al2O3
AlN
4Al + 3O2
184
一般在这种 陶瓷基复合材料制品 中，
未发生氧化反应的 残余金属量 约占 5％
~ 30％。可以用来这种方法制造 高温热
能量交换器 的 管道 等部件，具有 较好的
机械性能 (强度、韧性等 )。
185
直接氧化法工艺 的 缺点
①以这种方法生产的产品中,残余的金
属 很难完全被氧化或除去 。
② 这种方法 难于用来生产 一些 较大的和
比较复杂的部件,比如航天工业的一些部件。
186
原位化学反应技术 已经被广泛用于 制
造整体陶瓷件,同样该技术也可以用于制
造 陶瓷基复合材料,已广泛应用的有 CVD
和 CVI工艺。
3)原位化学反应法
187
① CVD法
CVD法就是利用 化学气相沉积 技术，
通过一些 反应性混合气体 在高温状态下反
应,分解出陶瓷材料 并 沉积 在各种增强材
料上形成 陶瓷基复合材料 的方法。
188
② CVI法
将化学气相沉积技术运用在 将大量陶瓷
材料 渗透 进增强材料预制坯件 的工艺就称
为 化学气相渗透工艺 。
189
从这两种工艺技术来说,CVD法首先被
开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和 C/C复
合材料的制备；
CVI方法 在 CVD技术上发展起来 并被广
泛应用于各种陶瓷基复合材料。
190
下图是 CVI的工艺示意图，
191
加热元件
带孔的挡环
水冷底座
源气
纤维预成型体
渗透的复合材料
热区,1200℃
逸出的气体
热表面
冷表面
CVI工艺示意图
192
以 A12O3陶瓷基复合材料为例，反应性混
合气体 (AlCl3／ H2/CO2)在较低的沉积温度
(950~1000℃ )和压力 (2~3kPa)下发生下列反应：
193
2AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(g) ? Al2O3(s) + 3CO(g) +6HCl(g)
固态的 Al2O3沉积在纤维表面，最后形成
陶瓷基复合材料。
H2(g) + CO2 (g) ?H2O(g) + CO(g)
194
与 CVD工艺相比,CVI工艺实际上是一
种 低温和低压工艺,这样就可以避免一般陶
瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。
CVI制造的产品，其实际密度可以达到
理论密度的 93％ ~94％。
195
CVI工艺生产 CMC的主要优点：
① 在高温下有很好的机械性能；
②可以生产一些较大的、形状复杂
的产品；
③产品能较好地保持纤维和基体的
抗弯性能。
196
CVI工艺的主要缺点就是生产
工艺时间较长，生产成本较大。
197
4)溶胶 --凝胶法和热解法
① 溶胶 --凝胶法
溶胶 --凝胶（ Sol-Gel） 法是运用胶体化
学的方法，将含有 金属化合物的溶液,与 增
强材料 混合后反应形成 溶胶,溶胶在一定的
条件下转化成为 凝胶,然后烧结成 CMC的一
种工艺。
198
由于从 凝胶 转变成 陶瓷 所需的反应温
度要低于传统工艺中的 熔融和烧结温度,
因此，在制造一些 整体的陶瓷构件 时，溶
胶 --凝胶法有较大的优势。
199
溶胶 ---凝胶法 与一些 传统的制造工艺
结合，可以发挥比较好的作用。
如在 浆料浸渍工艺 中，溶胶 作为纤维
和陶瓷的 黏结剂，在随后除去黏结剂的工
艺中,溶胶 经烧结后变成了 与陶瓷基相同
的材料,有效地减少了复合材料的孔隙率。
200
② 热解法
热解 (Pyrolysis)法就是 使聚合物先驱体热
解 形成陶瓷基复合材料的方法。
201
如由 聚碳硅烷 生产 SiC陶瓷基复合材料
中，聚合物一般 在热解过程中 有较高的陶
瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时
聚合物本身容易制备。
聚合物热解法可用来生产 SiCf/SiC和
Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。
202
溶胶 --凝胶法和热解法生产 CMC的优点：
①,容易控制复合材料的组分，无论是
溶胶 还是 聚合物先驱体 都比较容易渗透到纤
维中；
②,最后成型时的温度较低。
203
溶胶 --凝胶法和热解法生产 CMC的缺点：
①,在烧结时会产生 较大的收缩 ；
②,收率较低 。
204
5)自蔓燃高温合成法
自蔓燃高温合成 (self-propagation high
temperature synthesis )法就是 利用高效的
热反应 使化学反应自发进行下去,最后生
成所需要的产品。
205
自蔓燃高温合成技术一般用于制造 系列耐
火材料 。
该技术生产的产品中一般都有 较多的孔隙 。
为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度
还相当高的情况下，应立即臵于较高压力。
206
自蔓燃高温合成技术中 没有外加的热源,
一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物 通过
急剧升温的高热反应 被制造出来。如将钛粉
和碳黑混合，冷压成型，点燃，迅速引燃后
形成碳化钛。
207
以自蔓燃高温合成法制造的耐火部件具
有以下特点：
① 很高的燃烧温度 (最高可达 4000℃ 以上）
② 简单、低成本的设备 ；
③ 能很好地 控制化学组成,可以制造不
同形状的产品。
208
许多陶瓷产品如 SiC/Al2O3 TiC/ Al2O3 BN/
Al2O3 TiB2/TiC等都可以用 自蔓燃高温合成法
制造；
另外一些 金属基的材料 也可以用此法生产，
因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自蔓燃
高温合成法在不断研制新的产品和技术。
209
陶瓷基复合材料的制备工艺
(1)纤维增强 陶瓷基复合材料的制备
纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决
于多种因素。
210
从基体方面看，与气孔的尺寸及数
量、裂纹的大小以及－些其他缺陷有关；
从纤维方面来看，则与纤维中的杂
质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有
缺陷有关；
211
从基体与纤维的结合情况上看，则与界
面的结合效果、纤维在基体中的取向以及基
体与纤维的热膨胀系数差有关。
正因为有如此多的影响因素，所以在实
际中针对不同的材料，制作方法也会不同。
212
制备工艺主要有以下几种,
1) 泥浆烧铸法
这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，
然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，
不受制品形状的限制，但对提高产品性能的
效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短
纤维增强陶瓷基复合材料的制作。
213
2) 热压烧结法
将长纤维切短（＜ 3mm），然后分
散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。
214
这种短纤维增强体在与基体粉末混合时
取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结过
程中，短纤维在基体压实与致密化过程中沿
压力方向转动，导致在最终制得的复合材料
中短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了
材料性能上一定程度的各向异性。这种方法
制备的陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的
结合较好，是目前采用较多的方法。
215
3) 浸渍法
这种方法适用于长纤维。首先把纤维编
织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥
后进行焙烧。这种方法的优点是纤维取向可
自由调节，即前面所述的单向排布及多向排
布等。
缺点是不能制造大尺寸制品，而且所得
制品的致密度较低。
216
纤维增强陶瓷基复合材料制作过程
① 碳纤维增强氧化镁
以氧化镁为基体，碳纤堆为增强体（体积
含量为 10%左右），在 1200℃ 进行热压成型获
得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁高出
10倍以上。
217
但由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系
数相差一个数量级，所以这种复合材料
具有较多裂纹，实用价值不大。
218
② 石墨纤维增强 LiO·Al2O3·nSiO2
用石墨纤维作增强体，以氧化锂、氧化铝
和石英组成的复盐为基体。
把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨
纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在
1375~1425℃ 热压 5分钟，压力为 7MPa。
所得复合材料与基体材料相比耐力学冲击
和耐热冲击。
219
③ 碳纤维增强无定型二氧化硅
基体为无定型二氧化硅，增强体为碳
纤维，碳纤维的含量约 50%左右。这种复
合材料沿纤维方向的弯曲模量可达 150GPa，
而且在 800℃ 时仍能保持在 100GPa，在室
温和 800℃ 时的弯曲强度却达到了 300MPa。
220
在冷水和 1200℃ 之间进行热冲击实验，
基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实
验前完相同。冲击功为 1.1J/cm2。
221
(2) 晶须与颗粒增韧陶瓷基复
合材料的制备
晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增
韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
222
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备
工艺比长纤维复合材料简便得多，也不需像
长纤维复合材料那样的纤维缠绕或编织用的
复杂专用设备。
只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末
混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高
性能的复合材料。
223
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的工艺过程
1) 配料
把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为
干法和温法两种。
新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、亚微
米级粉末方法由于效率和可靠性等原因大多
采用湿法。
224
湿法主要以水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等
非氧化物系原料混合时，为防止原料的氧化则
使用有机溶剂。混合装臵一般采用专用球磨机。
为防止球磨过程中因磨球和内衬研磨下来的磨
削作为杂质混入原料中，最妤采用与原料材质
相同的陶瓷球和内衬。
225
2) 成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：
① 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；
② 把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保
持浆状供给成型工序；
③ 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给
成型工序。
226
把上述干燥粉料充入型摸内，加压后即可成型。
通常有金属模成型法和橡皮模成型法。金属模
成型法的装臵简单，成型成本低廉，但它的加
压方向是单向的，粉末与金属模壁的摩擦力大，
粉末间传递压力不太均匀。
故易造成烧成后的生坯变形或开裂，只能适于
形状比较简单的制件。
227
橡皮模成型法是用静水压从各个方向均匀加压
于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不均匀
和具有方向性等问题。
由于在成型过程中毛坏与橡皮模接触而压成生
坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对
细节部分进行修整。
另外还有注射成型法、注浆成型法以及挤压成
型法等等，它们各有其特点，但也有其局限性。
228
3) 烧结
从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯烧固成致
密制品的过程叫烧结。烧结窑炉的种类繁多，
按其功能可分为间歇式和连续式。
前者是放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却
及制品取出等工序是间歇进行的。
229
它不适于大规模生产，但适合处理特殊大型制
品，且烧结条件灵活，窑炉价格也较便宜。
连续窑炉适于大批量制品的烧结，由预热、烧
结和冷却三部分组成。把装生坯的窑车从窑的
一端以一定时间间歇推进，窑车沿导轨前进，
沿着窑内设定的温度分布经预热、烧经、冷却
过程后，从窑炉的另一端取出成品。
230
4) 精加工
烧结后的许多制品还需进行精加工。
精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和
表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削
加工，后者则用磨料进行研磨加工。
231
金刚石砂轮根据埋在金刚石磨粒之间的结合剂的
种类不同，大致分为电沉积砂轮、金属结合剂砂
轮、树脂结合剂砂轮等。
电沉积砂轮的切削性能好但加工性能欠佳。金属
结合剂砂轮对加工面稍差的制品也较易加工。
树脂结合剂砂轮则由于强度低，耐热性差，适于
表面的精加工。在实际磨削操作时，除选用砂轮
外，还需确定砂轮的速度、切削量、给进量等各
种磨削条件，才能获得好的结果。
第五章 复合材料的成型工艺
1、聚合物基复合材料的成型工艺
2、金属基复合材料的成型工艺
3、陶瓷基复合材料的成型工艺
2
1、聚合物基复合材料的成型工艺
聚合物基复合材料的性能 在 纤维 与 树
脂 体系确定后,主要决定于 成型工艺 。
成型工艺 主要包括以下两个方面：
3
一是 成型,即将 预浸料 按产品的要求,铺臵
成一定的形状,一般就是产品的形状 ;
二是 固化,即把已 铺臵成一定形状的 叠层预
浸料,在 温度、时间和压力等因素影响下 使 形状
固定 下来，并能达到预期的性能要求。
4
生产中采用的成型工艺
(1) 手糊 成型 (2)注射 成型
(3)真空袋压法 成型 (4)挤出 成型
(5)压力袋 成型 (6)纤维缠绕 成型
(7)树脂注射 和 树脂传递 成型
(8)真空辅助树脂注射 成型
5
(9)连续板材 成型 (10)拉挤 成型
(11)离心浇铸 成型 (12)层压或卷制 成型
(13)夹层结构 成型 (14)模压 成型
(15)热塑性片状模塑料热冲压 成型
(16)喷射 成型
6
(1)手糊成型工艺
手糊成型工艺是复合材料 最早的 一
种成型方法，也是一种 最简单 的方法，
其具体工艺过程如下：
7
首先，在模具上涂刷 含有固化剂的树脂混
合物,再在其上铺贴一层 按要求剪裁好的 纤维
织物, 用刷子、压辊或刮刀压挤织物,使其 均
匀浸胶 并排除气泡后，再 涂刷树脂混合物 和 铺
贴第二层纤维织物,反复上述过程直至达到所
需厚度为止。
8
然后,在一定压力作用下 加热固化成
型 （ 热压成型 ）或者利用 树脂体系固化时
放出的热量 固化成型（ 冷压成型 ），最后
脱模 得到复合材料制品。其工艺流程如下
图所示：
9
模具
准备
涂脱模剂
手糊成型
树脂胶
液配制
增强材
料准备
固化 脱模 后处理
检验
制品
手糊成型工艺流程图
10
为了得到 良好的脱模效果 和 理想
的制品,同时使用几种脱模剂，可以
发挥 多种脱模剂的综合性能 。
11
手糊成型工艺优点
①不受产品尺寸和形状限制，适宜 尺寸
大, 批量小, 形状复杂 产品的生产；
② 设备简单, 投资少,设备 折旧费低 。
12
③ 工艺简单 ；
④ 易于满足产品设计要求，可以 在
产品不同部位 任意增补增强材料
⑤ 制品 树脂含量较高, 耐腐蚀性好 。
13
手糊成型工艺缺点
① 生产效率 低,劳动强度 大,劳动卫生
条件 差。
② 产品质量 不易控制,性能稳定性 不高。
③产品 力学性能 较低。
14
2．模压成型工艺
模压成型工艺 是一种古老的技术，早在 20世
纪初就出现了 酚醛塑料 模压成型。
模压成型是一种对 热固性树脂 和 热塑性树脂
都适用的 纤维复合材料 成型方法。
15
模压成型工艺过程
将定量的 模塑料或颗粒状树脂 与 短纤维的混合
物 放入敞开的 金属对模 中，闭模后 加热 使其 熔化,
并 在压力作用下 充满模腔，形成与模腔相同形状的
模制品； 再经加热 使树脂 进一步发生 交联反应 而固
化,或者 冷却使 热塑性树脂硬化,脱模后得到 复合
材料制品 。
16
金属对
模准备
涂脱模剂
膜压成型
模塑料、
颗粒树脂 短纤维
固化 脱模 后处理
检验
制品
加热、加压
加热 冷却
膜压成型工艺流程图
17
模压成型工艺优点
模压成型工艺有 较高的生产效率, 制品尺寸
准确, 表面光洁,多数结构复杂的制品可 一次成
型,无需二次加工,制品外观及尺寸的 重复性好,
容易实现 机械化和自动化 等。
18
模压成型工艺缺点
模具设计制造复杂,压机及模具 投资高,
制品尺寸受设备限制，一般只 适合制造批量
大 的中、小型制品。
19
模压成型工艺 已成为 复合材料的重要
成型方法,在 各种成型工艺中 所占比例仅
次于 手糊 /喷射 和 连续成型,居第三位。
近年来随着 专业化, 自动化 和 生产效
率的提高, 制品成本 不断降低，使用范围
越来越广泛。
20
模压制品 主要用作 结构件, 连接件, 防护件
和 电气绝缘 等，广泛应用于 工业, 农业, 交通运
输, 电气, 化工, 建筑, 机械 等领域。
由于模压制品 质量可靠,在 兵器, 飞机, 导
弹, 卫星 上也都得到应用。
21
3,层压成型工艺
层压成型工艺,是把一定层数的 浸胶布 (纸 )
叠在一起，送入 多层液压机, 在一定的温度和压
力下 压制成板材 的工艺。
层压成型工艺 属于 干法压力成型范畴,是复
合材料的一种主要成型工艺。
22
层压成型工艺 生产的制品 包括各种
绝缘材料板, 人造木板, 塑料贴面板,
覆铜箔层压板 等。
复合材料 层压板的生产工艺流程 如下
23层压板的生产工艺流程
增强材料
热固性树脂
浸 胶 胶 布
裁
剪
叠
合
热
压
脱
模
切
边
产
品
24
层压成型工艺的优点 是制品 表面光洁,
质量较好 且 稳定 以及 生产效率较高 。
层压成型工艺的缺点 是只能生产 板材,
且 产品的尺寸大小受设备的限制 。
25
4．喷射成型工艺
将分别 混有促进剂和引发剂的 不饱和聚
酯树脂 从喷枪两侧（或 在喷枪内混合 ）喷
出，同时将 玻璃纤维无捻粗纱 用切割机切
断 并 由喷枪中心 喷出，与树脂一起 均匀沉
积到模具上 。
26
当 不饱和聚酯树脂 与 玻璃纤维无捻粗纱
混合沉积到一定厚度时,用手辊滚压, 使纤
维浸透树脂, 压实并除去气泡,最后 固化成
制品 。
其具体工艺流程图如下：
27
玻璃纤维无捻粗纱
聚酯树脂 加热
引发剂
促进剂
静态混合
切
割
喷
枪
模
具
喷
射
成
型
辊压
固化
脱模
喷射成型工艺流程图
28
喷射成型 对所用原材料 有一定要求,例如
树脂体系的 粘度应适中, 容易喷射雾化, 脱除
气泡 和 浸润纤维 以及 不带静电 等。
最常用的树脂 是 在室温或稍高温度下 即可
固化的 不饱和聚酯 等。
29
喷射法使用的模具与手糊法类似，
而 生产效率 可提高数倍,劳动强度 降低，
能够 制作大尺寸制品 。
30
用 喷射成型 方法虽然可以制成 复杂
形状的制品,但其 厚度和纤维含量 都较
难精确控制，树脂含量一般在 60%以上，
孔隙率 较高,制品强度较低, 施工现场
污染 和 浪费较大 。
31
利用 喷射法 可以制作 大蓬车车身,
船体, 广告模型, 舞台道具, 贮藏箱,
建筑构件, 机器外罩, 容器, 安全帽 等。
32
5,连续缠绕成型工艺
将 浸过树脂胶液 的 连续纤维或布带,按照一
定规律 缠绕到芯模 上，然后 固化脱模 成为 增强塑
料制品 的工艺过程，称为 缠绕工艺 。
缠绕 工艺流程图 如下图所示：
33缠绕工艺流程图
纱团 集束
胶液配制
浸 胶 烘干 络纱 胶纱纱绽
张力控制
纵、环向缠绕 芯模 纵、环向缠绕
张力控制
加热粘流
固化 脱模 打模喷漆 成品
湿
法
缠
绕
成
型
工
艺
干
法
缠
绕
成
型
工
艺
34
利用 连续纤维缠绕技术 制作复合材料制品时，
有两种不同的方式可供选择：
一是将 纤维或带状织物 浸树脂后，再缠绕在芯
模上；
二是先将 纤维或带状织物 缠好后，再浸渍树脂。
目前普遍采用前者。
35
缠绕机 类似一部机床，纤维 通过树脂槽 后，
用轧辊 除去纤维中多余的树脂 。
为改善 工艺性能 和避免 损伤纤维,可预先
在纤维表面 徐覆一层 半固化的基体树脂,或者
直接使用预浸料 。
36
纤维 缠绕方式和角度 可以通过 机械传动 或 计
算机控制 。
缠绕达到要求厚度后,根据所选用的 树脂类
型, 在室温或加热箱内 固化, 脱模 便得到复合材
料制品。
37
利用 纤维缠绕工艺 制造 压力容器 时，
一般要求纤维具有 较高的强度 和 模量,
容易被树脂浸润,纤维纱的 张力均匀 以
及缠绕时 不起毛, 不断头 等。
38
另外，在缠绕的时候，所使用的 芯模 应
有 足够的强度和刚度, 能够承受 成型加工过
程中 各种载荷 （ 缠绕张力,固化时的 热应力,
自重 等），满足制品 形状尺寸 和 精度要求 以
及 容易与固化制品分离 等。
39
常用的 芯模材料 有石膏、石蜡、金
属或合金、塑料等，也可用 水溶性高分
材料,如以 聚烯醇 作粘结剂制成 芯模 。
40
连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维 按预定要求排列的 规整度 和 精度
高,通过改变 纤维排布方式、数量,可以实现 等
强度设计,因此，能 在较大程度上 发挥 增强纤维
抗张性能 优异的特点，
41
其次，用 连续纤维缠绕技术 所制得
的成品,结构合理, 比强度 和 比模量 高，
质量 比较 稳定 和 生产效率 较高等。
42
连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用 大，只有 大批量生产时
才可能降低成本。
43
连续纤维缠绕法 适于制作 承受一定
内压的 中空型容器,如 固体火箭发动机
壳体, 导弹放热层 和 发射筒, 压力容器,
大型贮罐, 各种管材 等。
44
近年来发展起来的 异型缠绕技术,可
以实现 复杂横截面形状的 回转体 或断面呈
矩形, 方形 以及 不规则形状 容器的成型。
45
6,拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中，首先将 浸渍过树脂
胶液的 连续纤维束 或 带状织物 在牵引装臵
作用下 通过 成型模 而 定型 ；
46
其次,在模中或固化炉中 固化,制成具
有 特定横截面形状 和 长度不受限制的 复合材
料，如 管材, 棒材, 槽型材, 工字型材, 方
型材 等。
47
一般情况下，只将 预制品 在成型模中 加热到
预固化 的程度, 最后固化 是 在加热箱中 完成的。
卧式拉挤成型过程原理图
制品切割
纤维
树脂槽
挤
胶
器
预
成
型
拉
拢热
模
48
拉挤成型 过程中，要求 增强纤维的 强
度高,集 束性好, 不发生悬垂 和容易被树
脂胶液 浸润 。
常用的 增强纤维 如 玻璃纤维, 芳香族
聚酰胺纤维, 碳纤维 以及 金属纤维 等。
49
用作 基体材料 的树脂 以 热固性树脂 为
主，要求树脂的 粘度低 和 适用期长 等。
大量使用的基体材料有 不饱和聚酯树
脂 和 环氧树脂 等。
50
另外，以 耐热性较好, 熔体粘度较低 的
热塑性树脂 为基体的 拉挤成型工艺 也取得了
很大进展。
其 拉挤成型的关键 在于 增强材料的浸渍 。
51
在 拉挤成型工艺 中，目前常用的方法如 热
熔涂覆法 和 混编法 。
热熔涂覆法 是使 增强材料 通过 熔融树脂,
浸渍树脂后 在成型模中 冷却定型 ；
52
混编法 中，首先按一定比例将 热塑性聚合物
纤维 与 增强材料 混编织成 带状, 空芯状 等几何形
状的织物；
然后，利用具有 一定几何形状的织物 通过热
模时 基体纤维熔化 并 浸渍增强材料, 冷却定型 后
成为产品。
53
拉挤成型的优点
① 生产效率高,易于实现自动化；
② 制品中增强材料的含量一般为 40％ --
80％，能够充分发挥增强材料的作用,制品
性能稳定可靠 ；
54
③ 不需要或仅需要进行少量加工，生
产过程中 树脂损耗少 ；
④ 制品的 纵向和横向强度可任意调整,
以适应不同制品的使用要求，其长度可 根
据需要 定长切割 。
55
拉挤制品的主要应用领域
(1)耐腐蚀领域 。主要用于 上、下水装臵,工
业 废水处理设备, 化工挡板 及化工、石油、造纸和
冶金等工厂内的 栏杆, 楼梯, 平台扶手 等。
(2)电工领域 。 主要用于 高压电缆保护管, 电
缆架, 绝缘梯, 绝缘杆,灯柱、变压器和电机的零
部件等。
56
(3)建筑领域 。主要用于 门窗结构用 型材、
桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。
(4)运输领域 。主要用于卡车构架、冷藏车
箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船
舶甲板、电气火车轨道护板等。
57
(5)运动娱乐领域 。主要用于钓鱼杆、弓箭
杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池
底板等。
(6)能源开发领域 。 主要用于 太阳能收集器,
支架,风力发电机叶片 和抽油杆等。
(7)航空航天领域 。如宇宙飞船 天线绝缘管,
飞船用 电机零部件 等。
58
目前，随着 科学和技术 的不断发展，正向
着 提高生产速度, 热塑性和热固性树脂同时使
用 的 复合结构材料 和方向发展。
生产 大型制品,改进 产品外观质量 和 提高
产品的横向强度 都将是 拉挤成型工艺 今后的发
展方向。
59
7,注射成型工艺
注射成型 是 树脂基复合材料生产中的 一
种重要成型方法，它适用于 热塑性和热固性
复合材料,但 以热塑性复合材料 应用最广。
60
注射成型工艺原理
注射成型 是根据 金属压铸原理 发展起来的
一种成型方法 。 该方法是将 颗粒状树脂, 短纤维
送入 注射腔内, 加热熔化, 混合均匀,并 以一定
的挤出压力,注射到温度较低的 密闭模具 中，经
过 冷却定型 后，开模便得到复合材料制品 。
61
注射成型工艺过程 包括 加料, 熔化, 混合,
注射, 冷却硬化 和 脱模 等步骤 。
加工 热固性树脂 时，一般是将 温度较低的树
脂体系 (防止物料在进入模具之前发生固化 )与 短
纤维 混合均匀后注射到模具，然后再 加热模具 使
其固化成型。
62
在加工过程中，由于 熔体混合物的流动
会使纤维 在树脂基体中的分布 有一定的 各向
异性 。
如果制品形状比较复杂，则容易出现 局
部纤维分布不均匀 或 大量树脂富集区,影响
材料的性能。
63
因此,注射成型工艺 要求 树脂与短
纤维的混合均匀,混合体系有 良好的流
动性,而 纤维含量不宜过高,一般在 30
％ --40％左右。
64
注射成型法 所得制品 的 精度高, 生产
周期短, 效率较高, 容易实现自动控制,
除氟树脂外，几乎所有的 热塑性树脂 都可
以采用这种方法成型。
65
按 物料 在注射腔中 熔化方式 分类，常用的 注
射机 有 按塞式 和 螺杆式 两种。
由于 按塞式注射机 塑化能力较低, 塑化均匀
性差, 注射压力损耗大 及 注射速度较慢 等，已很
少生产，现在普遍使用的是 往复螺杆式注射机 。
66
2、金属基复合材料的成型技术
金属基复合材料的 制备工艺方法 对复
合材料的 性能 有很大的影响，是金属基复
合材料的 重要研究内容 之一。
67
金属基复合材料工艺研究内容
① 金属基体与增强材料的 结合 和 结
合方式 ；
② 金属基体 /增强材料 界面 和 界面产
物 在工艺过程中的形成及控制 ；
68
③ 增强材料 在金属基体中的 分布 ；
④ 防止 连续纤维 在制备工艺过程中
的 损伤 ；
⑤ 优化 工艺参数,提高复合材料的
性能和稳定性,降低 成本 。
69
根据各种 方法的基本特点, 把 金属基复
合材料的制备工艺 分为四大类：
(1) 固态 法；
(2) 液态 法；
(3) 喷射与喷涂沉积 法；
(4) 原位复合 法。
70
常用的金属基复合材料制备工艺
71
(1) 固态法
固态制备工艺主要为 扩散结合 和 粉末
治金 两种方法。
72
1) 扩散结合
在一定的 温度和压力 下，把表面 新鲜清洁 的
相同或不相同 的金属，通过 表面原子的互相扩散
而连接在一起。
因而，扩散结合也成为一种制造 连续纤维增
强金属基复合材料 的传统工艺方法。
73
扩散结合工艺 中,增强纤维与基体的
结合 主要分为三个关键步骤：
① 纤维的排布；
② 复合材料的叠合和真空封装；
③ 热压。
74
采用 扩散结合方式 制备金属基复合材料,工
艺相对复杂, 工艺参数控制 要求严格，纤维排布、
叠合以及封装手工操作多,成本高 。
但 扩散结合 是 连续纤维增强 并能 按照铺层要
求排布的 惟一可行的工艺。
75
在 扩散结合工艺 中,增强纤维与基体 的 湿
润问题 容易解决，而且 在热压时 可通过 控制工
艺参数 的办法来 控制界面反应 。
因此，在金属基复合材料的 早期生产 中大
量采用 扩散结合工艺 。
76
2) 粉末冶金
粉末冶金既可用于 连续长纤维 增强，
又可用于 短纤维, 颗粒 或 晶须 增强的 金
属基复合材料 。
77
在粉未冶金法中,长纤维增强金属基复
合材料 分两步进行。
首先是将 预先设计好的一定体积百分比
的 长纤维和金属基体粉末 混装于容器中，在
真空或保护气氛 下 预烧结 。
然后将 预烧结体 进行 热等静压 加工。
78
一般情况下，采用 粉未冶金工艺 制
备的 长纤维增强金属基复合材料中,纤
维的 体积百分含量 为 40% ~ 60%，最多
可达 75%。
79
粉末冶金法五大优点
① 热等静压 或 烧结温度 低于 金属熔点，因而
由高温引起的增强材料与金属基体的 界面反应少,
减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同
时可以通过 热等静压或烧结时 的 温度, 压力 和 时
间 等工艺参数来 控制界面反应 。
80
② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、
颗粒或晶须）与基体金属粉末 以任何比例混
合, 纤维含量最高 可达 75%,颗粒含量 可达
50%以上，这是液态法无法达到的。
81
③ 可降低 增强材料与基体 互相湿润 的要
求，也降低了 增强材料与基体粉未 的 密度差
的要求，使 颗粒或晶须 均匀分布 在金属基复
合材料的基体中。
82
④ 采用 热等静压工艺 时，其 组织细化,
致密, 均匀,一般不会产生 偏析、偏聚 等
缺陷，可使 孔隙和其他内部缺陷 得到明显
改善，从而提高复合材料的性能。
83
⑤ 粉未冶金法 制备的 金属基复合材料
可通过传统的 金属加工方法 进行二次加工。
可以得到所需形状的复合材料构件的 毛坯 。
84
① 工艺过程比较 复杂 ；
② 金属基体必须制成粉末，增如了工
艺的 复杂性 和 成本 ；
③ 在制备铝基复合材料时，还要防止
铝粉引起的 爆炸 。
粉末冶金法主要缺点
85
2．液态法
液态法亦称为 熔铸法,其中包括 压铸,
半固态复合铸造, 液态渗透 以及 搅拌法 和
无压渗透法 等。
86
液态法是目前制备 颗粒, 晶须 和 短纤维
增强金属基复合材料的 主要工艺方法 。
液态法 主要特点 是金属基体 在制备复合
材料时 均处于液态。
87
与固态法相比，液态法的 工艺及设备
相对简便易行,与传统金属材料的成型工
艺，如铸造、压铸等方法非常相似,制备
成本较低,因此液态法得到较快的发展。
88
1) 压铸
压铸成型是指 在压力作用下 将液态或半
液态金属基复合材料或金属 以一定速度 充填
压铸模型腔 或 增强材料预制体的孔隙 中,在
压力下 快速 凝固成型 而制备金属基复合材料
的工艺方法。
89
压铸成型法的具体工艺
首先将 包含有增强材料的金属熔体 倒入 预热
摸具中 后，迅速加压，压力约为 70~100MPa，使
液态金属基复合材料 在压力下凝固。
待复合材料 完全固化后 顶出，即制得所需形
状及尺寸的金属基复合材料的 坯料或压铸件 。
90
压铸工艺中，影响 金属基复合材料性
能的 工艺因素 主要有四个：
① 熔融金属的温度, ② 模具预热温度
③ 使用的最大压力, ④ 加压速度 。
91
在采用 预制增强材料块 时，为了获得
无孔隙 的复合材料，一般 压力 不低于
50MPa,加压速度 以 使预制件不变形 为宜，
一般为 1~3cm/s。
92
对于 铝基复合材料,熔融金属温度一般
为 700~800℃, 预制件和模具预热温度 一般可
控制在 500~800℃,并可相互补偿，如前者高
些，后者可以低些，反之亦然。
93
采用 压铸法 生产的 铝基复合材料 的零
部件，其 组织细化, 无气孔,可以获得比
一般 金属模铸件 性能优良的压铸件。
与其他金属基复合材料制备方法相比，
压铸工艺 设备简单, 成本低,材料的 质量
高且稳定,易于 工业化 生产。
94
2) 半固态复合铸造
半固态复合铸造主要是针对 搅拌法的缺点 而提
出的改进工艺。
这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体
中，通过搅拌使颗粒 在金属基体中 均匀分布，并取
得良好的界面结合，然后 浇注成型 或将半固态复合
材料 注入模具中 进行 压铸成型 。
95
通常采用 搅拌法制备金属基复合材料 时，常常
会由于 强烈搅拌 将 气体或表面金属氧化物卷入金属
熔体中 ；
同时 当颗粒与金属基体 湿润性差 时，颗粒难以
与金属基体复合，而且颗粒 在金属基体中 由于比重
关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。
96
半固态复合铸造的原理
① 是将 金属熔体的温度 控制在 液相线
与固相线 之间，通过搅拌使部分 树枝状结
晶体 破碎成 固相颗粒,熔体中的固相颗粒
是一种 非枝晶结钩,可以防止 半固态熔体
粘度的增加 。
97
② 当加入 预热后的 增强颗粒 时，因熔体
中含有一定量的 固相金属颗粒,在搅拌中 增
强颗粒受阻 而滞留在半 固态金属熔体 中，增
强颗粒不会 结集和偏聚 而得到一定的分散。
③ 同时强烈的 机械搅拌 也使 增强颗粒与
金属熔体 直接接触,促进润湿 。
98
主要控制工艺参数
① 金属基体 熔体的温度 应使熔体达到
30%~50%固态；
② 搅拌速度 应 不产生湍流 以防止空
气裹入，并使熔体中 枝晶破碎 形成固态颗
粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗
粒的加入。
99
由于浇注时 金属基复合材料 是 处于
半固态, 直接浇注成型 或 压铸成型 所得
的铸件几乎 没有缩孔或孔洞, 组织细化
和致密 。
100
半固态复合铸造 主要应用于 颗粒增强
金属基复合材料,因短纤维、晶须在加入
时容易 结团或缠结 在一起，虽经搅拌也不
易分散均匀，因而不易采用此法来制备 短
纤维或晶须增强 金属基复合材料。
101
3) 无压渗透
工艺过程 如下：
① 是将 增强材料 制成 预制体,臵于氧化
铝容器内。
② 再将 基体金属坯料 臵于可渗透的 增强
材料预制体 上部。
102
③ 氧化铝容器, 预制体 和 基体金属
坯料 均装入 可通入流动氮气 的 加热炉 中。
④ 通过加热,基体金属熔化,并自
发渗透进入网络状 增强材料预制体 中。
103
无压渗透工艺 能较明显 降低 金属基复
合材料的制造 成本,但复合材料的 强度较
低,而其 刚度 显著高于基体金属。
104
例如以 55~60%Al2O3或 SiC预制成 零件
的形状,放入同样形状的 刚玉陶瓷槽内,
将含有 3%~10%Mg的 铝合金 （基体） 坯料
放臵在 增强材料预制体 上，在流动的氮气
气氛下，加热至 800~1000℃, 铝合金熔化
并自发渗入预制体内 。
105
由于 氮气与铝合金 发生反应，在金属
基复合材料的显微组织中还有 AlN。
控制 氮气流量, 温度 以及 渗透速度,
可以控制 AIN的生成量 。
106
AIN在 铝基复合材料 中起到提高复合
材料 刚度,降低 热膨胀系数 的作用。
采用这种方法制备的 Al2O3/Al的刚度
是 铝合金基体 的两倍，而 SiC/Al的刚度也
达到钢的水平，但强度水平较低。
107
3．喷射沉积
首先，将 基体金属 在坩埚中熔化后,在
压力作用下 通过喷咀送入 雾化器,在 高速
惰性气体射流 的作用下,液态金属被分散
为细小的液滴,形成所谓,雾化锥, ；
108
然后，通过一个或多个 喷咀 向“雾化
锥”喷射 入 增强颗粒,使之与 金属雾化液
滴 一齐 在基板（收集器）上沉积,并快速
凝固形成 颗粒增强金属基复合材料,如下
图所示。
109雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图
110
喷射沉积法的优越性
① 该 工艺流程短, 工序简单,喷射 沉积
效率高,有利于实现工业化生产。
② 高致密度,直接沉积的复合材料密度
一般可达到理论的 95%~98%；
111
③ 属 快速凝固方法,冷速可达 103
~106 K/s，故金属 晶粒及组织细化,消除
了 宏观偏析, 合金成分均匀,同时增强材
料与金属液滴接触时间短,很少或没有界
面反应 ；
112
④ 具有 通用性 和 产品多样性 。该工艺
适于 多种金属材料基体,如高、低合金钢、
铝及铝合金、高温合金等。同时可 设计雾
化器和收集器的形状 和一定的机械运动，
以直接形成 盘, 棒, 管 和 板带 等接近 零件
实际形状 的复合材料的坯料；
113
4．原位自生成法
在复合材料制造过程中,增强材料
在基体中 生成和生长的方法 称作原位自
生成法。
114
在 金属基复合材料 制备过程中，往往
会遇到两个问题：
一是增强材料与金属基体之间的 相容
性 （即润湿性）问题，
二是无论固态法还是液态法，增强材
料与金属基体之间的界面都存在 界面反应 。
115
其中,增强材料与金属基体 之间的 相容性 往
往影响金属基复合材料 在高温制备和高温应用中
的 性能 和 性能稳定性 。
如果 增强材料 （纤维、颗粒或晶须）能 从金
属基体中 直接 （即原位） 生成,则上述两个问题
就可以得到较好的解决。
116
以 原位自生成法 制造的金属基复合材料中，基
体与增强材料间的 相容性好, 界面干净, 结合牢固 。
特别当 增强材料与基体之间 有 共格 或 半共格 关
系时，能非常 有效地传递应力 ；而且,界面上不生
成有害的反应产物,因此这种复合材料有较优异的
力学性能。
117
原位自生成 有三种方法
1) 共晶合金 定向凝固法
2) 直接 金属氧化法 （ DIMOXTM）
3) 反应 自生成法 （ XDTM）
118
1) 共晶合金定向凝固法
增强材料 以共晶的形式 从基体中 凝固析出，
通过控制 冷凝方向,在基体中生长出 排列整
齐的 类似纤维的 条状或片层状 共晶增强材料 。
以这种方式生产的 镍基, 钴基 定向凝固
共晶复合材料 已得到应用。
119
定向凝固共晶 复合材料的 原位生长 必
须满足三个条件：
① 有 温度梯度 （ GL）的加热方式；
② 满足 平面凝固条件 ；
③ 两相的 成核和生长 要 协调进行 。
120
L
ELL
D
CCm
R
G )( 0?
?
二元共晶材料的 平面凝固条件 是：
其中,C0为合金成份；
GL为液相温度梯度； R为凝固速度；
mL为液相线斜率； CE为共晶成份；
DL为溶质在液相中的扩散系数。
121
定向凝固共晶 复合材料的组织 是 层片
状 还是 棒状 （纤维状）取决于共晶中 含量
较少的组元的体积分数 Xf。
在二元共晶中，当 Xf < 32 %时呈纤维
状，当 Xf > 32 %时为层片状。
122
定向凝固 共晶复合材料 主要应用于 航
空透平机叶片,有 三元共晶合金 Al-Ni-Nb，
它所形成的 α和 β相为 Ni3Al和 Ni3Nb；
单变度共晶合金 C-Co-Cr，所形成的 α和
β相分别为 (Co,Cr)和 (Cr,Co)7C3。
123
2) 直接金属氧化法（ DIMOXTM）
DIMOXTM是一种可以制备 金属基复合
材料 和 陶瓷基复合材料 的 原位复合工艺 。
DIMOXTM法根据是否有 预成型体 又可
分为 惟一基体法 和 预成型体法,两者原理
相同。
124
惟一基体法 的特点
制备 金属基复合材料的 原材料中 没有填
充物（增强材料预成型体）和增强相,只是
通过 基体金属的氧化或氮化 来获取复合材料。
125
在 惟一基体法 中，例如需制备 Al2O3/Al，
则可通过 铝液的氧化 来获取 Al2O3增强相。
通常 铝合金 表面迅速氧化，形成一种
内聚、结合紧密的 氧化铝膜,这层氧化铝
膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜
下的铝进一步氧化。
126
但是在 DIMOXTM工艺中,熔化温度 上
升到 900~1300℃,远超过铝的熔点 660℃ 。
通过进一步加入 促进氧化反应的合金元
素 Si和 Mg，使熔化金属 通过显微通道 渗透
到氧化层外边,并顺序氧化，即铝被氧化，
但 铝液的渗透通道 未被堵塞。
127
利用 惟一基体法 工艺，可以 根据氧化
程度 来控制 Al2O3的量。
如果这一工艺过程在 所有金属被氧化
之前 停止的话，则所制备的复合材料就是
致密互连的 Al2O3陶瓷基复合材料，其中
含有 5% ~ 30%的 Al。
128
除了可以 直接氧化 外，还可以 直接氮化 。
通过 DIMOXTM工艺还可以获得 AlN/Al，
ZrN/Al和 TiN/Ti等 金属基或陶瓷基 复合材料。
129
当 DIMOXTM工艺采用 增强材料预成型体
时，由于 增强材料预成型体 是透气的，金属
基体可以通过 渗透的氧或氮 顺序氧（氮）化
形成基体。
130
3) 反应自生成法（ XDTM）
这种方法是在近 20年中发展起来的技
术，主要用于制造 金属间化合物 复合材料。
131
在反应自生成法中,增强材料 是由 加入
基体中的 相应元素之间的反应,或者 合金熔
体中的 某种组分 与 加入的元素或化合物之间
反应 生成的。
132
在 XDTM工艺中，可以根据 所选择的
原位生成的 增强相的类别或形态,选择 基
体和增强相生成所需的 原材料,如一定粒
度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例
（反应要求）混合。
133
XDTM工艺原理示意图
134
当这种混合物制成 预制体,加热到 金
属熔点以上 或者 自蔓延的反应发生的温度
时,混合物的组成元素进行放热反应,用
以生成 在基体中弥漫的 微观增强颗粒, 晶
须 和 片晶 等增强相。
135
XDTM工艺的 关键技术 是可以生成一
种 韧相,它属于专利技术。
例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉
以一定比例 混合成型,加热后反应生成
TiB2，进而形成 TiB2增强的铝基复合材料。
Al + Ti + B → TiB 2 + Al
136
XDTM法不仅可以用 粉末反应 生成复合
材料，也可以 在熔融的合金中 导入 参加反
应的粉末或气体 而生成复合材料。
如在熔融的 Al-Ti合金中导入 载碳气体,
反应生成 TiC，进而形成 TiC增强铝基复合
材料。
Al + Ti + C → TiC + Al
137
XDTM工艺特点
① 增强相是 原位形成,具有 热稳定性 ；
② 增强相的 类型、形态 可以 选择和设计 ；
③ 各种 金属或金属间化合物 均可作为基
体；
④ 复合材料可以采用 传统金属加工方法
进行二次加工 。
138
XDTM材料包括 Al,Ti,Fe,Cu,Pb和
Ni基复合材料，还可以是 TiAl,Ti3Al和 NiAl
等 金属化合物基 复合材料。
其中,增强相 包括 硼化物, 氮化物 和 碳
化物 等，其 形态 可以是 颗粒, 片晶 和 杆状,
还可以 原位生成晶须 。
139
3、陶瓷基复合材料的制备方法与工艺
陶瓷基复合材料 的制造分为两个步骤：
第一步是将 增强材料 掺入 未固结 (或粉
末状 )的 基体材料 中，排列整齐或混合均勾；
第二步是运用 各种加工条件 在尽量 不破
坏 增强材料 和 基体性能 的前提下，制成复合
材料制品。
140
根据 陶瓷基复合材料 的制造步骤，在
加工制备复合材料 时，应 根据使用要求,
相应地增强 材料和基体的复合,针对 不同
的增强材料 (纤维、晶须、颗粒 )，选择 相
应的加工条件 等因素。
141
选择哪种 增强材料和基体,除了 根
据使用要求,如 温度, 强度, 弹性模量
等，两种材料间一些 性能的配合 也直接
影响复合材料的性能 。
142
通常要考虑的 两种材料的主要因素 如下：
物理因素, 熔点, 挥发度, 密度, 弹性
模量, 热膨胀系数, 蠕变性能, 强度, 断裂
韧性 等。
143
纤维和基体 的 相容性因素,
化学相容性, 热性能相容性 (主要是高
温状态 ),同环境的相容性 (包括内部和外部，
而外部环境的相容主要包括氧化和蒸发 )。
144
针对 不同的增强材料,已经开发了 多
种加工技术 。
例如，对于以 连续纤维增强的 陶瓷基
复合材料的加工 通常采用下面三种方法：
① 首先采用 料浆浸渍 工艺，然后再 热
压烧结 ；
145
② 将 连续纤维 编织制成 预成型坯件,
再进行 化学气相沉积 (CVD),化学气相渗透
(CVI),直接氧化沉积 (Lanxide)；
③ 利用 浸渍 --热解循环 的 有机聚合物裂
解法 制成 陶瓷基复合材料 。
146
对于 颗粒弥散型 陶瓷基复合材料,
主要采用 传统的烧结工艺,包括 常压烧
结, 热压烧结 或 热等静压烧结 。
147
此外，一些 新开发的工艺 如 固相反
应烧结, 高聚物先驱体热解, CVＤ, 溶
胶 — 凝胶, 直接氧化沉积 等也可用于 颗
粒弥散型 陶瓷基复合材料的制备 。
148
晶须补强 陶瓷基复合材料的制备方法,
将 晶须 在液体介质中 经 机械或超声分散,
再与 陶瓷基体粉末 均匀混合,制成 一定形状
的坯件,烘干后 热压或热等静压 烧结。
149
制备 晶须补强 陶瓷基复合材料 时，为了
克服 晶须 在烧结过程中的 搭桥现象,坯件制
造采用 压力渗滤 或 电泳沉积 成型上艺。
此外,原位生长 工艺,CVD,CAI,固
相反应烧结, 直接氧化沉积 等工艺也适合于
制备 晶须补强 陶瓷基复合材料 。
150
陶瓷基复合材料的加工制造方法
(1)传统的制备技术
(2)新的制备技术
151
(1) 传统的制备技术
1) 冷压和烧结法
2) 热压法
152
1) 冷压和烧结法
传统的陶瓷生产工艺，是将 粉末和纤维
冷压,然后 烧结 。
153
借鉴 聚合物生产工艺 中的 挤压, 吹塑,
注射 等 成型工艺,为了快速生产的需要，
可以 在一定的条件下 将 陶瓷粉体 和 有机载
体 混合后,压制成型,除去有机黏结剂，
然后 烧结 成制品。
154
在 冷压和烧结 法的生产过程中，通常
会遇到 烧结过程中 制品收缩,同时 最终产
品中 有 许多裂纹 的问题。
155
在用 纤维和晶须 增强 陶瓷基材料 进
行烧结时，除了会遇到 陶瓷基收缩 的问
题外，还会使 烧结材料 在烧结和冷却时
产生 缺陷 或 内应力 。这主要是由 增强材
料的特性 决定的。
156
例如 增强材料的特性 主要有：
增强材料 具有较高的 长径比 ；
增强材料和基体不同的 热膨胀系数 ；
增强材料在基体中 排列方式 的不同等。
157
2) 热压法
热压是目前制备 纤维增强陶瓷基复合
材料 (CMCs)最常用的方法，一般把它称为
浆料浸渍工艺 。
主要用在 纤维增强玻璃 和 纤维增强陶
瓷 复合材料中。
158
浆料浸渍工艺 主要包括以下两个步骤：
① 增强相 渗入 没有固化的基体 中；
③ 固化的复合材料 被 热压成型 。
159
下图显示了浆料浸渍工艺流程图：
160
纤维
浸渍浆料
纤维缠绕在辊筒上 纤维裁剪铺层
压力
纤维 /玻璃陶瓷复合材料 热压,800~925 ℃
脱黏结剂,500℃
热压纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的工艺路线
161
此 工艺流程图 主要包括以下 四个过程,
① 纤维首先通过浆料池 ；
② 浸渍的丝被卷到一个转筒上 ；
③干燥后被切割并依照一定的要求 层状排列 ；
④ 固化并加热成型 。
162
其中，浆料池中的 浆料 由 陶瓷粉末,
溶剂 和 有机黏结剂 组成；另外，再加入一
些 润湿剂,有助于提高 纤维在浆料中的浸
润性 。
163
下图显示了在热压 各向同性 氧化铝纤
维增强玻璃陶瓷基复合材料 时,温度和压
力 随 时间 的变化曲线。
164
温
度/ ℃
压
力/ M
Pa
时间 / min
温度
压力
热压各向同性氧化铝纤维增强玻璃陶瓷基复合
材料时温度、压力随时间的变化曲线
165
浆料浸渍工艺 非常适合 玻璃或玻璃陶
瓷基复合材料,因为它的 热压温度 低于这些
晶体基体材料 的熔点。
但热压过程中，除了要考虑 制品的形状
外，还要考虑的因素包括：
166
①在整个操作过程中,纤维必须经仔
细处理,避免损伤纤维表面。
② 拉力 影响 浆料浸渍纤维 的能力，太
强的拉力会导致纤维破坏。
167
③ 在加工过程中,要尽量 减少纤维的
破坏 。因为 结晶陶瓷的耐火颗粒 在与 纤维
的机械接触中 会 损伤纤维, 太高的压力 也
会损伤纤维，还要避免纤维 在高温中 与基
体的反应。
168
④ 浆料的组成 是一个重要方面，包括
粉体的含量, 粉体粒子的大小, 黏结剂的
种类和含量, 溶剂 等，它们都对最终 复合
材料制品的性能 有所影响。
169
⑤为了减少最终制品的 孔隙率,在
热压之前，要 设法完全除去 挥发性黏结
剂,使用比纤维直径更小的 颗粒状陶瓷
基体 。
170
⑥ 热压操作 非常关键，通常是在一个
非常 窄的操作温度范围, 缩短操作时间 可
以减少纤维的损坏。
171
浆料浸渍工艺 可以制得 纤维定向排列,
低孔隙率, 高强度 的 陶瓷基复合材料 。它可
以用在 C,Al2O3,SiC和 Al2O3.SiO2纤维增强
玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷 的制造工艺中。
这种工艺的 主要缺点 是要求 基体有较高
的熔点或软化点 。
172
新的制备技术主要指 在 20世纪 70年代
开始发展起来的技术。它包括 渗透, 直接
氧化,以化学反应为基础的 CVD,CVI，
溶胶 --凝胶, 聚合物热解, 白蔓燃高温合成
(SHS)等技术。
(2)新的制备技术
173
1) 渗透法
渗透法就是 在 预制的增强材料坯件 中
使 基体材料 以 固态、液态或气态的形式 渗
透制成复合材料。其中，比较常用的是 液
相渗透 。
174
渗透法 类似于 聚合物基复合材料 制造
技术中,纤维布 被 液相的树脂 渗透后,热
压固化 。
二者的差别 就是所用的 基体是陶瓷,
渗透的温度 要高得多。下图是 液相渗透工
艺示意图 。
175
活塞
熔体
预制件
加热棒
液相渗透工艺示意图
176
由于 熔融的陶瓷 具有 较高的黏度,为
了提高 陶瓷 对 预制增强材料坯件 的渗透，
通过对 增强材料的表面处理,来提高其浸
渍性，这种 提高渗透 主要采用 化学反应的
方式 。
177
另外,加压 和 抽真空 这两种物理方法
也可以被用来 提高渗透性 。
以这种方法生产 陶瓷基复合材料 的 主
要优点 是 制造工艺是一个简单的一步生产
过程, 可以获得一个均匀的制品 。
178
渗透法的主要缺点
①如果使用 高熔点的陶瓷, 就可能 在陶
瓷和增强材料之间 发生化学反应；
② 陶瓷 具有比金属更 高的熔融黏度,因
此 对增强材料的渗透 相当困难；
179
③ 增强材料 和 基体 在冷却后,由于不
同的 热膨胀系数 会 引起收缩 产生 裂纹 。
因此，为了避免这种情况，要尽量选
用 热膨胀系数相近的 增强材料和基体。
180
2)直接氧化法 (Lanxide法 )
直接氧化法 就是利用 熔融金属 直接与 氧
化剂 发生氧化反应 而制备 陶瓷基复合材料 的
工艺方法。
由于它是由 Lanxide公司发明的，所以
又称为 Lanxide法。
181
直接氧化法的生产工艺
① 将增强纤维或纤维预成型件臵于熔
融金属上面，并处于 空气或其他气氛 中，
熔融金属中含有 镁、硅 等一些添加剂。
182
② 在 纤维 不断 被金属渗透 的过程中，
渗透到纤维中的金属 与 空气或其他气体 在
不断发生 氧化反应,这种反应始终 在液相
金属和气相氧化剂的界面处 进行,反应生
成的氧化物 沉积在 纤维周围,形成含有少
量金属、致密的陶瓷基复合材料。
183
Al + ? N2
以 金属铝 为例，在 空气或氮气 气氛
中，主要发生下列反应：
2Al2O3
AlN
4Al + 3O2
184
一般在这种 陶瓷基复合材料制品 中，
未发生氧化反应的 残余金属量 约占 5％
~ 30％。可以用来这种方法制造 高温热
能量交换器 的 管道 等部件，具有 较好的
机械性能 (强度、韧性等 )。
185
直接氧化法工艺 的 缺点
①以这种方法生产的产品中,残余的金
属 很难完全被氧化或除去 。
② 这种方法 难于用来生产 一些 较大的和
比较复杂的部件,比如航天工业的一些部件。
186
原位化学反应技术 已经被广泛用于 制
造整体陶瓷件,同样该技术也可以用于制
造 陶瓷基复合材料,已广泛应用的有 CVD
和 CVI工艺。
3)原位化学反应法
187
① CVD法
CVD法就是利用 化学气相沉积 技术，
通过一些 反应性混合气体 在高温状态下反
应,分解出陶瓷材料 并 沉积 在各种增强材
料上形成 陶瓷基复合材料 的方法。
188
② CVI法
将化学气相沉积技术运用在 将大量陶瓷
材料 渗透 进增强材料预制坯件 的工艺就称
为 化学气相渗透工艺 。
189
从这两种工艺技术来说,CVD法首先被
开发并应用于一些陶瓷纤维的制造和 C/C复
合材料的制备；
CVI方法 在 CVD技术上发展起来 并被广
泛应用于各种陶瓷基复合材料。
190
下图是 CVI的工艺示意图，
191
加热元件
带孔的挡环
水冷底座
源气
纤维预成型体
渗透的复合材料
热区,1200℃
逸出的气体
热表面
冷表面
CVI工艺示意图
192
以 A12O3陶瓷基复合材料为例，反应性混
合气体 (AlCl3／ H2/CO2)在较低的沉积温度
(950~1000℃ )和压力 (2~3kPa)下发生下列反应：
193
2AlCl3(g) + 3H2(g) +3CO2(g) ? Al2O3(s) + 3CO(g) +6HCl(g)
固态的 Al2O3沉积在纤维表面，最后形成
陶瓷基复合材料。
H2(g) + CO2 (g) ?H2O(g) + CO(g)
194
与 CVD工艺相比,CVI工艺实际上是一
种 低温和低压工艺,这样就可以避免一般陶
瓷基复合材料工艺对增强材料的损伤。
CVI制造的产品，其实际密度可以达到
理论密度的 93％ ~94％。
195
CVI工艺生产 CMC的主要优点：
① 在高温下有很好的机械性能；
②可以生产一些较大的、形状复杂
的产品；
③产品能较好地保持纤维和基体的
抗弯性能。
196
CVI工艺的主要缺点就是生产
工艺时间较长，生产成本较大。
197
4)溶胶 --凝胶法和热解法
① 溶胶 --凝胶法
溶胶 --凝胶（ Sol-Gel） 法是运用胶体化
学的方法，将含有 金属化合物的溶液,与 增
强材料 混合后反应形成 溶胶,溶胶在一定的
条件下转化成为 凝胶,然后烧结成 CMC的一
种工艺。
198
由于从 凝胶 转变成 陶瓷 所需的反应温
度要低于传统工艺中的 熔融和烧结温度,
因此，在制造一些 整体的陶瓷构件 时，溶
胶 --凝胶法有较大的优势。
199
溶胶 ---凝胶法 与一些 传统的制造工艺
结合，可以发挥比较好的作用。
如在 浆料浸渍工艺 中，溶胶 作为纤维
和陶瓷的 黏结剂，在随后除去黏结剂的工
艺中,溶胶 经烧结后变成了 与陶瓷基相同
的材料,有效地减少了复合材料的孔隙率。
200
② 热解法
热解 (Pyrolysis)法就是 使聚合物先驱体热
解 形成陶瓷基复合材料的方法。
201
如由 聚碳硅烷 生产 SiC陶瓷基复合材料
中，聚合物一般 在热解过程中 有较高的陶
瓷产量、低的收缩、好的机械性能，同时
聚合物本身容易制备。
聚合物热解法可用来生产 SiCf/SiC和
Si3N4f/SiC等陶瓷基复合材料。
202
溶胶 --凝胶法和热解法生产 CMC的优点：
①,容易控制复合材料的组分，无论是
溶胶 还是 聚合物先驱体 都比较容易渗透到纤
维中；
②,最后成型时的温度较低。
203
溶胶 --凝胶法和热解法生产 CMC的缺点：
①,在烧结时会产生 较大的收缩 ；
②,收率较低 。
204
5)自蔓燃高温合成法
自蔓燃高温合成 (self-propagation high
temperature synthesis )法就是 利用高效的
热反应 使化学反应自发进行下去,最后生
成所需要的产品。
205
自蔓燃高温合成技术一般用于制造 系列耐
火材料 。
该技术生产的产品中一般都有 较多的孔隙 。
为了减少孔隙，在燃烧反应结束后，温度
还相当高的情况下，应立即臵于较高压力。
206
自蔓燃高温合成技术中 没有外加的热源,
一些用传统方法难以生产的陶瓷化合物 通过
急剧升温的高热反应 被制造出来。如将钛粉
和碳黑混合，冷压成型，点燃，迅速引燃后
形成碳化钛。
207
以自蔓燃高温合成法制造的耐火部件具
有以下特点：
① 很高的燃烧温度 (最高可达 4000℃ 以上）
② 简单、低成本的设备 ；
③ 能很好地 控制化学组成,可以制造不
同形状的产品。
208
许多陶瓷产品如 SiC/Al2O3 TiC/ Al2O3 BN/
Al2O3 TiB2/TiC等都可以用 自蔓燃高温合成法
制造；
另外一些 金属基的材料 也可以用此法生产，
因此在美国、俄罗斯等一些国家，围绕自蔓燃
高温合成法在不断研制新的产品和技术。
209
陶瓷基复合材料的制备工艺
(1)纤维增强 陶瓷基复合材料的制备
纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决
于多种因素。
210
从基体方面看，与气孔的尺寸及数
量、裂纹的大小以及－些其他缺陷有关；
从纤维方面来看，则与纤维中的杂
质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有
缺陷有关；
211
从基体与纤维的结合情况上看，则与界
面的结合效果、纤维在基体中的取向以及基
体与纤维的热膨胀系数差有关。
正因为有如此多的影响因素，所以在实
际中针对不同的材料，制作方法也会不同。
212
制备工艺主要有以下几种,
1) 泥浆烧铸法
这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，
然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，
不受制品形状的限制，但对提高产品性能的
效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短
纤维增强陶瓷基复合材料的制作。
213
2) 热压烧结法
将长纤维切短（＜ 3mm），然后分
散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。
214
这种短纤维增强体在与基体粉末混合时
取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结过
程中，短纤维在基体压实与致密化过程中沿
压力方向转动，导致在最终制得的复合材料
中短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了
材料性能上一定程度的各向异性。这种方法
制备的陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的
结合较好，是目前采用较多的方法。
215
3) 浸渍法
这种方法适用于长纤维。首先把纤维编
织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥
后进行焙烧。这种方法的优点是纤维取向可
自由调节，即前面所述的单向排布及多向排
布等。
缺点是不能制造大尺寸制品，而且所得
制品的致密度较低。
216
纤维增强陶瓷基复合材料制作过程
① 碳纤维增强氧化镁
以氧化镁为基体，碳纤堆为增强体（体积
含量为 10%左右），在 1200℃ 进行热压成型获
得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁高出
10倍以上。
217
但由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系
数相差一个数量级，所以这种复合材料
具有较多裂纹，实用价值不大。
218
② 石墨纤维增强 LiO·Al2O3·nSiO2
用石墨纤维作增强体，以氧化锂、氧化铝
和石英组成的复盐为基体。
把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨
纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在
1375~1425℃ 热压 5分钟，压力为 7MPa。
所得复合材料与基体材料相比耐力学冲击
和耐热冲击。
219
③ 碳纤维增强无定型二氧化硅
基体为无定型二氧化硅，增强体为碳
纤维，碳纤维的含量约 50%左右。这种复
合材料沿纤维方向的弯曲模量可达 150GPa，
而且在 800℃ 时仍能保持在 100GPa，在室
温和 800℃ 时的弯曲强度却达到了 300MPa。
220
在冷水和 1200℃ 之间进行热冲击实验，
基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实
验前完相同。冲击功为 1.1J/cm2。
221
(2) 晶须与颗粒增韧陶瓷基复
合材料的制备
晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增
韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
222
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备
工艺比长纤维复合材料简便得多，也不需像
长纤维复合材料那样的纤维缠绕或编织用的
复杂专用设备。
只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末
混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高
性能的复合材料。
223
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的工艺过程
1) 配料
把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为
干法和温法两种。
新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、亚微
米级粉末方法由于效率和可靠性等原因大多
采用湿法。
224
湿法主要以水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等
非氧化物系原料混合时，为防止原料的氧化则
使用有机溶剂。混合装臵一般采用专用球磨机。
为防止球磨过程中因磨球和内衬研磨下来的磨
削作为杂质混入原料中，最妤采用与原料材质
相同的陶瓷球和内衬。
225
2) 成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：
① 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；
② 把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保
持浆状供给成型工序；
③ 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给
成型工序。
226
把上述干燥粉料充入型摸内，加压后即可成型。
通常有金属模成型法和橡皮模成型法。金属模
成型法的装臵简单，成型成本低廉，但它的加
压方向是单向的，粉末与金属模壁的摩擦力大，
粉末间传递压力不太均匀。
故易造成烧成后的生坯变形或开裂，只能适于
形状比较简单的制件。
227
橡皮模成型法是用静水压从各个方向均匀加压
于橡皮模来成型，故不会发生生坯密度不均匀
和具有方向性等问题。
由于在成型过程中毛坏与橡皮模接触而压成生
坯，故难以制成精密形状，通常还要用刚玉对
细节部分进行修整。
另外还有注射成型法、注浆成型法以及挤压成
型法等等，它们各有其特点，但也有其局限性。
228
3) 烧结
从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯烧固成致
密制品的过程叫烧结。烧结窑炉的种类繁多，
按其功能可分为间歇式和连续式。
前者是放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却
及制品取出等工序是间歇进行的。
229
它不适于大规模生产，但适合处理特殊大型制
品，且烧结条件灵活，窑炉价格也较便宜。
连续窑炉适于大批量制品的烧结，由预热、烧
结和冷却三部分组成。把装生坯的窑车从窑的
一端以一定时间间歇推进，窑车沿导轨前进，
沿着窑内设定的温度分布经预热、烧经、冷却
过程后，从窑炉的另一端取出成品。
230
4) 精加工
烧结后的许多制品还需进行精加工。
精加工的目的是为了提高烧成品的尺寸精度和
表面平滑性，前者主要用金刚石砂轮进行磨削
加工，后者则用磨料进行研磨加工。
231
金刚石砂轮根据埋在金刚石磨粒之间的结合剂的
种类不同，大致分为电沉积砂轮、金属结合剂砂
轮、树脂结合剂砂轮等。
电沉积砂轮的切削性能好但加工性能欠佳。金属
结合剂砂轮对加工面稍差的制品也较易加工。
树脂结合剂砂轮则由于强度低，耐热性差，适于
表面的精加工。在实际磨削操作时，除选用砂轮
外，还需确定砂轮的速度、切削量、给进量等各
种磨削条件，才能获得好的结果。
