導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇復合材料論文，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，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

2木塑復合材料的設計屬性

2.1外觀屬性

材料的外觀屬性通常包括形態、色彩、肌理等方面。木塑復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），但大多數情況下只能呈現直線狀態[4]。木塑型材的通孔設計（圖5）一方面可以豐富木塑復合材料的形態特征，使其呈現多變的斷面形態，同時可以減輕重量，從而節約成本。在木塑復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。隨著對木塑復合材料的深入探究以及技術的突破，木塑產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，更廣泛地應用于工業化生產中。木塑復合材料采用的主要連接方式有以下三種：膠接、焊接和機械連接。機械連接有連接件連接、鋼釘連接和復合材料專用螺釘連接，相關實驗表明，螺釘連接的木塑構件可以進行多達十次的拆裝[7]。

2.3其它性能

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

3木塑公共家具設計實踐

3.1木塑露天桌椅

在加工過程中添加了阻燃劑的木塑復合材料具有優良的阻燃性能，適用于公共場所。這里把木塑復合材料設計成長短不一的條狀板，以點、線、面的概念，構成木塑露天桌椅（圖8）。整套桌椅統一采用金屬作為底架，條狀木塑板作為面板材料，營造出空間環境的整體感。在材料上，木塑復合材料的凹凸肌理與金屬的精致肌理形成對比，木塑復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合材料的組合也可呈現出不同的視覺效果（圖9），為人們的公共場所營造出溫暖、清新、自然的現代感。在結構上，零件之間采用可拆裝的螺釘連接，既方便安裝，又可以降低運輸成本。另外，玻璃下層可置菜單或廣告單（圖10），便于現代商業化宣傳。

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，進行深淺色彩搭配，以塑造書架的平衡感。立柱設計成四面均帶凹槽的結構，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制成，可標準化批量生產。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行生產，利用木塑復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，結合人體工效學原理，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，將旁板設計成多段拼搭結構，根據書籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例進行合理設計，利于層板的高度調節，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計，使相鄰兩書柜柜體共用同一塊旁板，一方面可根據室內空間的大小對書架數量進行調整，滿足其在功能上的延伸，同時可充分利用空間資源，有效降低生產成本。

3.3等候椅與花壇

據調查，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，這種材質雖強度較高，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工作并不易進行。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，木塑復合材料繼承了木材和塑料的雙重性質，具有溫和自然的視覺和觸覺感受，且它的強度并不遜于金屬。因此可將其運用于人流量比較大的公共場所，進行如下設計。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。等腰梯形的座面設計是為了便于使用者根據空間大小來調節休息椅的長度（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，木塑復合材料在生產過程中通過增加著色劑可以造出各種色彩的產品，這款公共場所的休息椅正是運用這一特性，設計出彩虹般色彩的椅子，為等候場所增添幾分色彩和樂趣。結構上采用螺釘連接。此外，設計的配套花壇（圖15），既可以給等候場所帶來幾分自然的氣息，還保護了座椅的端面。花壇的數量可根據場所需要自由調整（圖16）。

篇2

2高職復合材料工程技術專業課程體系的構建

高職復合材料工程技術專業應該依據產業背景調研和人才需求調研，按照職業崗位和培養規格的要求構建課程體系和課程標準。根據復合材料企業調研結論，首先對工作崗位的典型任務進行分析，提煉出崗位職業能力，結合行業標準，構建出復合材料工程技術專業的課程體系，課程體系應該圍繞著三大職業崗位構建：復合材料成型操作崗位：以復合材料結構設計、成型工藝、成型設備為基礎，具備復合材料制造技術操作能力。復合材料膠接操作能力：以復合材料樹脂基體、膠接工藝為基礎，具備復合材料連接操作能力。復合材料檢測與修補技術能力：以復合材料檢測技術、修補技術為基礎，具有復合材料檢測與修補的能力。

3高職復合材料工程技術專業建設的實施與保障條件

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

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

篇3

2模具設計要求

復合材料成型模具直接影響著產品的質量，在設計時應滿足:①模具要有足夠的剛度、強度，以保證模具型面基準不變;②熱容量小，熱膨脹小，熱穩定性好;③加工精度高，表面光度高，模具自身協調性好;④施工便捷，操作安全可靠;重量輕，運輸方便;⑤可維護性好，制造成本低;⑥具有良好氣密性。根據復合材料U形梁的結構特點，在設計中需要解決以下技術難點:成型模具的結構形式如何保證構件的型面公差，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

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

3.2模具型面補償修正

模具設計時要考慮復合材料與模具熱膨脹系數的差異，INVAR鋼和復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，對于大尺寸的復合材料構件需要采取補償措施，根據計算公式和生產經驗。考慮到制造成本和構件精度要求，本文設計的模具選用Q235鋼制造，根據上述公式計算縮尺KS為－0.65‰，結合生產經驗和復合材料梁的結構形式，提取整個構件的理論型面并按適當縮尺進行縮小，模具設計時按照縮小后構件提取的型面作為模具的設計型面，以減小構件的變形或抵消變形的影響作用。

4模具結構設計

4.1模具回彈角的補償

復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性能差異、結構的不對稱性和基體的固化收縮效應等因素，在構件內經應力梯度和溫度梯度耦合作用導致固化時的內應力積聚，一部分應力在構件中以殘余應力的形式長久存在，另一部分應力在構件脫模后釋放，這兩部分應力存在的形式共同導致回彈變形。對于梁、長桁類有大夾角的構件，固化成型過程中在拐角處的回彈變形會導致夾角變化，即構件在固化脫模后，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計要求而導致蒙皮與翼梁間螺栓連接裝配孔錯位，若對裝配件進行強制裝配將會引起殘余應力、密封不好等問題，這樣會降低結構的強度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。在模具設計時，通過調整模具型面來補償構件回彈，即構件夾角加上回彈角等于模具夾角，使構件在脫模回彈后符合工程數模要求。國內外專家學者都在積極研究復合材料結構固化變形的預測及控制方法。GFG公司在復合材料工形梁的成型模具設計時，考慮工形梁緣條的回彈，采用經驗的方法在模具的緣條型面上加入修正值(約1°)以抵消構件回彈。國內賈麗杰等人針對復合材料典型C形結構的回彈變形進行研究，通過對回彈角的預測結果進行修正，確定C形梁回彈角度在1°左右。本文涉及的復合材料U形梁為閉角結構，成型模具設計時需要進行回彈補償，結合以往生產經驗和國內外學者的研究結果，在兩側緣條各設置1°回彈補償角，提取補償后的兩側緣條型面為模具的型面。

4.2模具結構形式

復合材料梁一般為細長結構，常用模具結構形式為陰模、陽模和陰陽模組合，分析構件是否有氣動面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面。根據U形梁的結構特點，采用CATIAV5R18建模，模具為框架式陽模結構，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。根據產品設計部門所提供的產品零件數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;創建支板組件，輸入單個支板尺寸創建實體并設計散熱孔，通過陣列命令創建其他支板;框架為長方體結構，采用的方鋼管為標準型材，根據彼此之間的位置約束關系通過陣列偏移命令進行設置。這種框架式模具結構厚度均勻，通風好，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”型一體式結構，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在100～200mm。模胎的型面輪廓度公差小于0.2mm，數控加工后按數模中模胎線數據集劃線，深0.5mm、寬0.3mm，并在余量線外打出標記，所有劃線位置的偏差不大于0.2mm。構件輪廓線用于非數控切邊時使用，決定構件外形尺寸的精度，設計時應考慮模具材料的膨脹因素作適當縮放處理。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、擋膠條等因素導致固化后產品邊緣質量不高，通常鋪貼線到產品輪廓線可留20mm余量。(2)支撐框架框架與支板組件主要起支撐作用，保證整個模具的強度和剛度。框架取消了傳統的薄板格柵結構，采用方鋼管焊接，具有成本低、加工周期短的優點，有效實現模具減重，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合材料構件溫度均勻，保證成型產品的質量。同時在支板兩端設計80×50×10mm的加強塊，防止模具在吊裝時沿長度方向產生變形。(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，使構件表面加熱均勻，同時在抽真空的過程中傳力均勻，保證構件外表面的平面度。工具球用于定位找正，在設計時要覆蓋構件的最高點和最低點，長度方向間隔不超過1m。各工具球孔按數模制造，并在模胎上打出所有工具球實際坐標值及孔位序號，用于手動鋪貼時放置激光投影的靶標，以定位鋪層區域。(4)后續處理模具焊接完成后進行2～3次退火，消除焊接和機加應力，減少模具的變形;對模具型面進行激光測量，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

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

篇4

FRP（fiberreinforcedplastics）復合材料主要有碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）及玻璃纖維（GFRP）等，其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同優點是：輕質高強、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數低等。另外，FRP復合材料可以節省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，雖然其前期投資較大，但維護成本低，經濟效益明顯。因此，FRP（片材）復合材料在土木結構加固工程中應用潛力巨大。

1、FRP復合材料的基本特性

隨著增強纖維材料的發展，碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經成為當前結構工程中加固補強的重要材料。一些典型的FRP（片材）復合材料的基本力學性能見下表。

FRP復合材料的性能各異，在拉伸強度及拉伸模量方面，玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右；在斷裂延伸率方面，芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右，玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右；在韌性、抗沖擊性能方面，芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多；在抗堿腐蝕方面，芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關于其它方面的性能差異，這里不再贅述。

2、FRP復合材料在結構加固工程中應用領域

2.1民用建筑、橋梁及工業廠房

FRP復合材料因其優異的力學性能，在民用建筑及工業廠房的加固中應用很多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，已提高梁的承載能力。據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK-60可以提高承載力30%左右，貼兩層可以提高40%左右；在進行抗剪加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直；②板加固。一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇；③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因為它們的彈模小，相對于碳纖維（彈模235Gpa），其延性較好；并且，在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30mm左右，若采用芳綸纖維就可以節約很多工時。

2.2地鐵、隧道

因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側，它都有土壓力的作用，而且也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法不可行，而用芳綸纖維布（不導電）進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能，而且還是一種不導電的材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。

2.3煙囪、水塔

由于煙囪水塔這樣向高空發展的結構，加固維修特別困難，傳統加固方法（如擴大截面法、粘鋼法）基本上很難解決這樣的問題，而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料（尤其是芳綸纖維）進行加固，就是一種很好的方法。

3、幾種加固方法的比較

3.1擴大截面法

這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力，一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優點，但是增加了原結構的自重，同時減小了凈空，工期長，有很大的局限性。目前，在較大的工程中很少用。

3.2粘鋼法

在用鋼板加固時，一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點：①既可提高結構強度，又可提高剛度；②適應結構（鋼結構）又粘又鉚，適應節點加固；③延伸率大，適應沖擊、振動結構加固；④鋼板表面處理要求嚴格，粘結面易生銹；⑤厚鋼板端點處應力集中，混凝土易剝離。

由上述可知，采用這種方法加固必須注意幾點：①對鋼板的尺寸要求很嚴格。抗彎時宜薄點，以保證它和原結構的變形協調；抗剪時不僅宜厚點，而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區，防止應力集中造成對結構承載力的損害；②貼完后，必須對鋼板邊緣裂縫進行處理；③還要對鋼板進行防腐處理，這也是一項長期的任務。所以其造價很高，而且它的使用范圍還有一定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴格的地方。

3.3FRP復合材料法

FRP復合材料法加固的特點：①高強度、高彈模，厚度薄、重量輕；②材料可任意長度，任意交叉，適應任意曲面和任意形狀結構；③耐腐蝕，抗疲勞性能好；④施工簡便，與混凝土結合密實；⑤材料防潮要求嚴格，且不宜加固節點區域。

在目前的FRP材料加固市場中，碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發生脆性破壞的材料，可以承受很大的靜載，但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，不宜采用；同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限，能經常承受沖擊載荷，芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞，而且還是它的優勢所在，其在抗剪方面也有很大的優勢，在加固墩子時一般也是利用它優異的抗剪性能，但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。

4、FRP復合材料的選擇

4.1環境影響

在高堿度和濕度的地區，宜選擇碳纖維復合材料，不宜選擇玻璃纖維復合材料；在溫度變化較大的地區，玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似，宜選擇玻璃纖維；玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體，而碳纖維是可導電體，為避免鋼筋的潛在電流腐蝕，碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。

4.2荷載影響

對于經常承受沖擊或振動荷載的結構，應優先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料，它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好；對于要求耐蠕變和疲勞的結構，應優先選擇碳纖維復合材料，碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。

4.3保護層影響

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針對金屬基復合材料發展應用中的關鍵問題??成本和性能，本文開發設計了新型的鈦基復合材料的制備工藝，可以低成本高效制備性能優異的鈦基復合材料。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，采用普通的鈦合金冶煉工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強或TiB晶須和TiC粒子混雜增強的鈦基復合材料。為了拓展鈦基復合材料的應用領域，為制備高性能的鈦基復合材料打下堅實的基礎，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制備TiB和TiC增強鈦基復合材料的原位合成機理。利用熱力學理論計算了鈦與石墨、硼、碳化硼反應的Gi自由能DG和反應生成焓DH，結果表明：各個反應的Gi自由能DG值都為負值，說明在熱力學上上述反應是可行的。雖然在熱力學上可以利用鈦與碳化硼之間的化學反應合成TiB2和TiC增強體，但從化學平衡考慮，TiB2不能穩定存在于過量鈦中，因此能夠穩定存在于普通鈦合金中的增強體為TiB和TiC。上述反應都為高放熱的反應，從理論上講絕熱溫度都大于自蔓燃高溫合成的判據，表明反應能自發維持。

2、利用非自耗電弧爐和自耗電弧爐經普通的鈦合金鑄造工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強或TiB晶須和TiC粒子混雜增強的鈦基復合材料。X射線衍射分析結果表明：原位合成的增強體為TiB、TiC。這些增強體分布非常均勻，主要呈現為短纖維狀、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果表明：短纖維狀增強體為TiB，而樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀增強體為TiC。實驗結果與理論分析一致，這為原位自生鈦基復合材料的工業化生產提供了依據。

3、研究了原位合成鈦基復合材料增強體的生長機制，結果表明：增強體的生長機制與凝固過程及增強體的晶體結構密切相關。原位合成的增強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混雜增強的鈦基復合材料，經歷了析出初晶、二元共晶和三元共晶三個階段。由于不同的晶體結構，增強體TiB與TiC形成不同的生長形態。TiB具有B27晶體結構，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型對稱結構，容易長成樹枝晶狀、等軸狀和近似等軸狀。發現原位合成的增強體TiB容易在（100）面上形成高密度的層錯，層錯的形成與增強體的晶體結構、生長機制有關，同時也有利于降低增強體與基體合金界面的晶格畸變。而原位合成增強體TiC的晶格比較完整，偶爾在(111)面上形成孿晶，該孿晶結構在增強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合材料微結構及力學性能的影響。合金元素鋁的加入，并不改變復合材料的物相組成，也不改變復合材料的凝固過程，但由于合金元素的存在，阻礙了增強體的形核與長大過程，導致形成的TiB和TiC初晶更為細小，尤其是使TiC增強體易于形成等軸狀。合金元素鋁不僅固溶強化了基體合金，而且細化增強體也有利于提高復合材料的力學性能。

5、利用透射電鏡、高分辨透射電鏡對原位合成(TiB TiC)/Ti復合材料界面微結構進行研究和分析，發現兩種增強體與基體的界面均為清潔界面，為直接的原子結合、界面結合狀況良好。TiC增強體與基體合金沒有確定的位相關系，而TiB增強體與基體合金存在以下位相關系：、、(0002)Ti//(001)TiB和以及、(0002)Ti//(200)TiB和。該位相關系在凝固過程中形成，與增強體的晶體結構及基體合金的晶體結構密切相關，形成該位相關系有利于降低增強體與基體合金界面的晶格畸變能。

6、研究了鑄態鈦基復合材料和熱鍛后高溫鈦基復合材料的力學性能。由于原位合成增強體的加入，鈦基復合材料的力學性能與相應基體合金比較有了明顯的提高，在增強體含量為8％時，其彈性模量E、屈服強度s0.2和抗拉強度分別達到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。其強化機理主要來源于增強體承載、晶粒細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粒子有利于提高復合材料的室溫性能，這與短纖維狀TiB的存在導致復合材料低應力斷裂有關。

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

8、研究了原位合成鈦基復合材料的高溫蠕變性能和持久斷裂性能。原位合成鈦基復合材料的高溫蠕變經歷了典型的蠕變變形的三個階段。蠕變持久強度與基體合金比較有了明顯的提高。持久強度與溫度及載荷密切相關，溫度和載荷的提高都降低復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混雜增強鈦基復合材料的原位合成機制，并以此為基礎開發出了一種新型鈦基復合材料加工工藝。利用該工藝鈦合金生產廠家可以在不改變設備和工藝的條件下，低成本高效制備高性能的鈦基復合材料。而采用該原位合成工藝制備復合材料的性能是可設計和可控制的，針對不同的應用條件，可以設計不同成分的基體合金及不同含量、不同配比增強體的復合材料以滿足不同的需求。從合金相圖、增強體晶體結構及凝固理論相結合分析了原位合成增強體的生長機制、生長形態、分布狀態以及界面微區特征。研究了鈦基復合材料的微觀組織對鈦基復合材料力學性能的影響規律。這些研究為以后制備高性能的鈦基復合材料和拓展 鈦基復合材料的應用領域打下了堅實的理論基礎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注，國家“十五”軍工重點課題和航天支撐基金、航天創新基金課題獲得了批準。并將用于我國的先進戰略導彈XX－2改，戰術導彈XX－19及新一代洲際導彈和潛地導彈的構件。鑒于該技術在國防軍工方面具有的戰略意義以及在民用領域的潛在應用前景，與國內大型鈦合金加工企業—寶鋼集團五鋼有限公司開展產業化研究，完成了該材料的中試過程，實現了新型鈦基復合材料的工業化生產。研制開發的材料近期將在國家戰略、戰術武器、宇宙飛船等方面得到驗證和應用。并將逐漸推廣應用于民用領域，為國民經濟的發展作出貢獻。

關鍵詞非連續增強鈦基復合材料，原位合成，生長機制，凝固，晶體結構，微觀結構，力學性能，位向關系，界面結構

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果表明，以Ni-W-P合金為基體的復合材料鍍層在鍍態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,其耐蝕性優于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優于Ni-W->:請記住我站域名/

復合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗結果表明，隨著加熱溫度的提高，復合材料鍍層的硬度增加，在400℃時達峰值，加熱溫度繼續升高，鍍層硬度呈下降趨勢；此外，陰陽極相互垂直所得復合鍍層的硬度高于陰陽極相互平行的硬度；鍍態時復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，復合鍍層的硬度和耐磨性增加，當熱處理時間達到3小時時，鍍層硬度和耐磨性達到最佳值；若繼續延長時間，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復合材料鍍層的硬度增加，同時鍍層的耐磨性能也增強。鍍液中鎢酸鈉濃度對RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料硬度及耐磨性的影響規律與鍍液中SiC濃度對RE-Ni-W-P-SiC復合材料硬度及耐磨性的影響規律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復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復合材料鍍層的組織與結構分析表明，復合鍍層在鍍態下為非晶態，當熱處理溫度升到200℃時，鍍層開始晶化并析出Ni3P相；當溫度達到500℃時，鍍層晶化完畢，產生新相g-(FeNi)。因此，整個鍍層的顯微結構隨溫度的變化過程是：非晶態混晶態晶態；稀土元素對復合鍍層的顯微組織無影響，但可以提高復合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復合材料鍍層的結構影響不大，復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合材料鍍層的表面形貌影響較大，當鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時，復合材料鍍層表面顆粒細小，而且平整光滑。

復合材料鍍層的抗高溫氧化試驗結果表明，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復合鍍層的氧化膜重量和氧化時間的關系,在氧化時間小于60min時，氧化膜的增長規律近似于直線方程；而在氧化時間大于60min后,它的增長規律可以用冪函數方程表示。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型增加。RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層與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500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴散,與基體之間沒有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復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800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。

對電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料進行了日處理5平方米的中試試驗，結果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業中應用，其壽命明顯高于國產零部件，接近或超過進口件的水平，并取得了一定的經濟效益。

關鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結構，應用。

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

復合材料是由兩種或兩種以上組分材料組成的新材料, 根據不同的需要，可以選取不同的組分材料和細觀結構來優化材料的性能，在航空航天、建筑、交通等領域得到越來越廣的應用。為了預測復合材料的宏觀力學屬性，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合材料結構的一些基本信息，而忽略了復合材料內部的結構特征，計算精度和適用范圍有限。隨著計算機技術的發展，數值法得到了廣泛的應用，如通用元胞法[4-5]和有限元方法[6-8]，其方法通常是對復合材料細觀結構的“代表性體積元”（RVE）進行力學分析，進而獲得其宏、細觀力學性能。數值法很好地考慮了復合材料細觀結構特征，預測精度較高。

對于高填充比和填充顆粒尺寸跨度大的復合材料，如固體推進劑[9]，建模時為了使RVE具有代表性，模型中通常包含數百個顆粒，數值法預測這類材料的有效屬性時前處理變得異常困難。畢業論文，有效屬性。為了解決這一問題，B. Banerjee[10]利用一種遞歸算法預測了復合材料PBX9501的有效彈性屬性，但是該算法所采用的正交化網格并不能很好的反映顆粒的邊界。畢業論文，有效屬性。K. Matous[11]在進行固體推進劑損傷分析時，通過Mori-Tanaka方法將基體與小尺寸顆粒均質化為一種混合物。畢業論文，有效屬性。

本文將不同尺寸類型的顆粒分別與基體進行均質化，提出一種預測復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數和組分模量比復合材料的有效彈性屬性，并與全尺寸有限元計算結果進行了對比。

1多步驟法

高填充分數和顆粒尺寸跨度大的復合材料細觀結構RVE通常很大，如圖1所示。多步法將預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，利用有限元或細觀力學等均質化方法計算出其有效屬性后，再把它當成一種新的基體，如此反復，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數通過下式計算得到：

（1）

其中，為顆粒在“混合物”中的體積分數，，為參與均質化的顆粒和基體體積分數。

圖1 復合材料“代表性體積元”

Fig .1 RVE of composite

圖2 多步法預測復合材料宏觀有效屬性過程

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

2均質化方法

2.1有限元法

利用有限元方法預測復合材料有效屬性時，首先在將“代表性體積單元”進行網格剖分，再施加周期性邊界條件模擬均勻介質的力學行為。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。假定平面應變情況下，通過有限元方法計算得到的細觀應力、應變場為和，對其進行體積平均得到平均應力（有效應力）和平均應變（有效應變）

（3）

（4）

其中，，為平均應力和平均應變，，為單元平均應力和單元平均應變，為單元數，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合材料中夾雜之間的相互作用，成為預測復合材料有效屬性的有效工具，對于多相復合材料，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，為體積分數，下標和0分別代表第相顆粒與基體, 為相的數目。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數，而忽視了復合材料中顆粒的形狀、大小及分布等結構特征。

3計算結果

考慮三相顆粒增強復合材料，各組分為各向同性彈性材料，具體組成及力學參數如表1所示。計算中，顆粒體積分數為40％～70％, 顆粒1與顆粒2之間的體積比為1:1.8。迭代法預測該復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，計算結果與全尺寸RVE的有限元和Mori-Tanaka計算結果進行對比，全尺寸模型顆粒總數為90，每個單步中顆粒數為50。畢業論文，有效屬性。四種多

步法與全尺寸有限元計算結果如圖3所示

表1 復合材料組分參數

Tab.1 Parameters of composite constituents

篇8

 

1　引言

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

大多數金屬材料和金屬基復合材料的強度會隨應變率的提高而提高，且復合材料的應變率敏感性通常取決于基體的應變率敏感性以及基體和增強顆粒界面的結合情況等。本文將對TiCp/Ti 復合材料的動態拉伸性能進行研究，建立其率相關的本構關系，并從微觀角度討論其強化斷裂機理、應變率敏感性以及復合材料應變率敏感性高于基體的原因。

2動態拉伸試驗

2.1　試驗系統及原理

沖擊拉伸試驗在中國科技大學的旋轉盤式桿—桿型沖擊拉伸試驗機（SHTB）上進行，試驗裝置如圖1所示。SHTB實驗裝置由旋轉盤式加載系統、撞塊、輸入桿和輸出桿組成。加載裝置是一個直徑為1.4米，轉動線速度可以達到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度聚炳烯酸粘接劑與輸入桿和輸出桿的叉口相粘接。當飛輪邊緣的線速度達到預先設定的數值時，安裝在高速旋轉盤上的雙片錘頭（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）中產生一近似拉應力方波脈沖。當入射應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體應變片（7）分別測得入射波、反射波和透射波，通過超動態應變儀（8）放大后被存

TCL雙通道瞬態波形存儲器（9）中。

根據一維應力波理論可得試件中的應力、應變和應變率分別為

（1）

國家自然科學基金(No.90305018)資助項目、北京林業大學優秀青年教師科技創新項目（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顆粒增強鈦基復合材料（TP650）均由西北有色金屬研究院自行研制并提供。TiC增強顆粒的平均粒度為5，體積百分比為3%；復合材料TP650采用PTMP（Pre-treatment melt process）法制備，顆粒在復合材料中呈彌散分布，界面反應層穩定。基體和復合材料試樣均采用簡單的退火，其熱處理參數為：800℃/1小時＋空冷。

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

TiC顆粒和鈦合金基體的物理和力學性能如表1所示。

表1 TiC顆粒和鈦合金基體的物理和力學性能

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會年會及成書的原因；2.復合材料的加工和設計，論題包括（1）10%鋁基飛灰復合材料的形變特性在空間航空中的應用；（2）B4C在鋁基復合材料中對機械性能和耐腐蝕性上的影響；（3）細菌纖維素對β相聚偏二氟乙烯的相穩定增強研究；（4）合成復合TaCTaB2粉末；3.復合材料的微觀結構和相圖表征，論題包括（1）激光沉積原位TiC增強鎳基復合材料：微觀結構和摩擦學性能研究；（2）擠壓浸透法生產微石英增強鋁合金金屬基復合材料；（3）混合金屬功能梯度復合材料的擠壓浸透法技術生產和表征；（4）磁性記憶合金NiCo40+xAl30-x＼[X=0、3、6、10＼]的微觀結構和機械性能；（5）金屬基復合材料的定向凝固；4.材料的機械性能的發展，論題包括（1）一種高機械性能的金屬納米復合材料：NbTi納米線和NiTi基復合材料的反常熱膨脹； （2）復合材料數據融合無損檢測技術對累計損傷進行定量；（3）計算預測玻璃態聚合物和熱固塑料的機械性能；（4）多尺度表征SiC/SiC復合材料；（5）用于航空的鋁基金屬復合材料在加工中的斷裂韌性和損傷力學研究；5.復合材料的界面和粘結，論題包括（1）連續纖維增強陶瓷鋁基復合材料的多尺度建模；（2）沖擊檢測在評價復合材料層合板弱鍵中的發展；（3）用等離子體處理高分子纖維來增強織物復合材料層合板的機械性能；（4）1758K下鈦鋁合金對TiCx的潤濕性研究；（5）用于汽車工業的金屬聚合物金屬三明治結構的成形極限圖。

篇10

【中圖分類號】TB33-4

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

1 授課內容改革

大學教育是創造性人才培養的搖籃，其專業選修課教學內容旨在開闊學生的視野，提高其創造創新能力，因此在教學中應該剔除陳舊的知識、固定的模式。《復合材料》這門課程的知識信息量比較大、直觀性比較強，其內容涉及聚合物基復合材料、功能復合材料、陶瓷基復合材料、無機復合材料、金屬基復合材料等諸多方面，但是在本科生培養計劃改革中，該課程由原來的32學時壓縮為16學時左右，在指定的教學時限內很難完成課程全部內容的教學。因此，需要對課程的內容進行進一步精簡、合并，盡可能在體現其完整性的同時突出發展前沿的內容，教材也必須作整合化“手術”，在個性化的教材之中養成學科的風格與特色。例如，在我校材料科學專業主要是以金屬材料為主，因此要重點學習金屬基復合材料，在充分講述了金屬基復合材料的設計、制造、界面表征及性能分析后，要著重描述金屬基復合材料的目前的研究及應用現狀、發展方向以及存在的主要問題。而陶瓷基等復合材料則在介紹其總體理論后可以針對于某些發展方向進行延伸講授，在完成大綱要求內容的同時，要突出重點和難點內容，使學生在明晰總體脈絡的情況下，能夠抓住主要方向，只有這樣才能在較短的時間內達到較好的學習效果。

2 革新教學方法

前已述及，《復合材料》這門課的知識體系非常寬廣、內容豐富、實用性較強，其內容歸納起來具有以下特點：一是課程內容包含的專業知識和門類非常多，并應用很多基礎學科的知識來分析材料中的具體問題，有的內容非常具體而復雜，如復合材料的界面結合理論，有的內容則比較抽象而難懂，如材料的晶體結構和力學性能的微觀機理等；二是同時具有很強的理論性與實踐性，一方面有很多的理論分析與公式推導，在分析和推導的過程中要建立具體的物理模型，并結合材料內部的具體結構進行相應的處理；另一方面要應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；三是該課程內容中包含大量抽象、復雜且不易理解的概念。如果使用傳統的黑板加粉筆的教學方式，只能是學生得到一些感知的內容，無法使其得到直接的體驗，顯得枯燥無味呆板。好在現在各學校基本上都普及了多媒體教學，為了吸引學生在課堂上的注意力，提高學生們的學習興趣，實現本課程教學的最終目標，需要在多媒體教學的基礎上對教學手段進行相應的改革。可以從以下方面入手：

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

（2）采用授課―交流―討論的流程，通過向學生講解與授課內容相關的學術論文，讓學生從科研的角度認識復合材料，同時了解復合材料發展的動態，并與其在各領域的應用結合起來。授課的同時積極與學生進行互動交流，共同探究論文中學術論點，必要時可以讓學生自己查閱總結科研文獻的觀點，并進行分析評閱，進而提升自身綜合實力。

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

3 優化考核辦法

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

4 結語

課堂上教師的“講授”是為學生的“學習”作鋪墊和服務的，講授過程中教師應該是導演，是學生學習的引導者。因此，教師應該積極與學生互動，在此過程中，教師要大膽放手，讓學生充分發揮主觀能動性和創造性，想方設法激勵和引導學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“先學”的目標，才能把課堂的主動權真正還給學生，突出學生是課堂教學的主體地位。

總之，《復合材料》作為一門專業選修課程，其教學改革是一項系統的改革，要運用各種有效的教學手段，采取科學合理的綜合考核形式，培養學生獲取知識的能力、綜合能力、創新能力、發現問題和解決問題能力以及養成良好的科學素養。

參考文獻

[1] 王獻彪.材料學專業本科生課程創新能力的探索[J].文學教育.2010，（7）：69；

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