第7章 复合材料成形

第7章复合材料成形由两种或两种以上不同性质的物质组合在一起的新材料。主要组成物可分为二类：一类作为基体材料形成几何形状并起粘接作用，另一类作为增强材料主要用来承受载荷，起提高强度或韧性等作用。7.1复合材料成形基础复合是一种包括物理、化学、力学，甚至生物学相互作用的复杂过程。7.1.1影响复合材料性能的因素复合材料的性能取决于基体材料性能、增强体特征、组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数等因素。基体材料性能：对复合材料的性能有重要影响增强体特征：包括增强体的类型、粗细、强度和弹性模量等增强纤维越细，复合材料的强度越高，刚度越大。增强体颗粒细些，增强效果就会好些，颗粒直径一般为0.01～0.1mm时增强效果最好。组成物比例及分布：增强体在复合材料中的含量、排列方式和方向以及和基体间的界面粘结状况等都直接影响到复合材料的性能，应进行适当控制。成形方法和工艺参数：不同的复合材料应选择合适的成形方法和工艺参数以使复合材料和制品获得良好的性能。7.1.2复合材料的复合原则为获得最佳的强度、刚度和韧性，纤维增强复合材料的生产应遵循下述原则：1．纤维的性能：应具有高强度和高刚度。有时还要求纤维的密度小，耐热性好。应用较多的纤维有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。（2）基体对纤维应有一定的粘结性能，并能保护纤维表面不受损伤。2．基体的性能（1）基体应有一定的塑性和韧性，以防纤维断裂时裂纹扩展。聚合物和金属能较好地满足上述要求。3．纤维与基体间应有合适的结合强度，以利于载荷由基体向纤维传递，充分发挥纤维的增强作用。4．纤维必须有合理的含量、尺寸和分布(1)纤维的含量：通常纤维的体积容量越大，增强效果越好。(2)纤维的尺寸：纤维的直径越小、越长，增强效果越好。(3)纤维的分布：纤维的排列可采用不同方向交叉层叠方式，以达到多方向的增强效果。7.1.3复合材料成形的工艺特点1．材料制备与制品成形同时完成：形状复杂的大型制品往往能一次整体成形，工艺简单、生产周期短、成本低。由于减少甚至取消了接头，应力集中小、制品质量轻、刚度和耐疲劳性高。2．材料性能的可设计性：通过对产品的分析选择相应的基体材料和增强材料和合适的比例；并设计合理的排列方向和层数，选用合适的复合工艺和参数，可使制品结构合理、安全可靠，且有较好的经济性，从而为材料和结构实现最优化设计。7.2复合材料成形方法7.2.1树脂基复合材料的成形方法1．手糊法铺一层增强材料刷一次树脂，直至所需层数，最后进行固化、脱模、修整和检验得到所需制品。设备简单，不受制品尺寸限制，劳动条件差，制品质量不稳定、强度较低，适用于大型制品的小批量、多品种生产。一般用来成形船体、浴盆、波纹瓦、汽车壳体、风机叶片等，是使用最早和目前仍广泛应用的一种成形方法。2．喷射法：将手糊法成形操作中的糊制工序改由喷枪完成，将纤维和树脂液同时喷到模具上，再经压实、固化得到制品。通常喷射速率为2～10kg/min。喷射法成形为半机械化操作，生产率高；制品的飞边少，无搭缝；整体性好。树脂含量高；制品强度低；且操作现场粉尘大；工作环境差。3．袋压法将手糊法成形的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到模具内，并在制品上覆盖橡胶袋或塑料袋，将气体压力施加到尚未固化的制品表面使其成形的工艺方法。(1)真空袋压法：(2)压力袋压法：制品两面都比较平滑，质量好；成形周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸也受到设备的限制。4．缠绕法：将连续纤维或布带浸渍树脂后，按照一定规律缠绕到芯模上，通过固化、脱模而得到制品的方法。缠绕法目前主要用于缠绕园柱体、球体等回转体制品，如压力罐、筒，贮罐、和火箭发动机壳体等。制品比强度大、精度高、质量好且易实现自动化生产。但制品轴向难以增强，设备投资较大。5．模压法：将已干燥的浸胶纤维或织物等放入金属模具内，通过加热、加压使树脂塑化和熔融流动成形，经固化获得制品。模压法制品尺寸精确、表面光滑、力学性能高。模压法工艺简便、应用广泛，常用于制造船体、罩壳和汽车车身等制品。7.2.2金属基复合材料的成形方法金属基复合材料是以金属为基体，采用纤维、颗粒等作为增强体经复合而成的。1．等离子喷涂法：在惰性气体保护下，由等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属，待其冷却凝固后形成复合材料的方法。界面结合紧密，成形过程中纤维不受损伤，但基体组织不够致密。2．液态渗透法：以金属液渗入增强体制成复合材料的方法，可以通过多种铸造方法来实现。用于制造长、短纤维增强以及混杂增强的金属基复合材料，并能制造形状复杂的制品。设备比较复杂，周期较长，制造大尺寸制品困难。3．热压扩散结合法：在高温下，对排布好的纤维和金属基体施加静压力，使纤维和金属产生原子扩散和少量塑性变形以完成粘接的成形方法。加热温度低、纤维不易损伤，金属对纤维的润湿性和纤维的取向性好，但生产周期长。是钛基、镍基等熔点较高的金属最主要的复合方法，用于制造板材、型材及形状复杂的壁板、叶片等。7.2.3陶瓷基复合材料的成形方法陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，采用纤维、颗粒等作为增强体经复合而成的。1．粉浆浸渗法：将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。不损伤增强体，无需模具且工艺简单，但制品的密度和力学性能不够高。2．热压烧结法：将纤维或织物增强体用陶瓷浆料浸渍后组成一定结构的坯体，经干燥后在高温、高压下烧结成制品。制品的密度和力学性能均较高。3．反应烧结法：使已与增强材料混合的熔融金属直接氧化或氮化制成复合材料。反应产物最初在金属与气相界面形成，然后不断向金属内部扩展，直至形成相互贯通的呈三维网络的陶瓷基复合材料。成本较低、工艺简单；制品收缩很小、形状和尺寸不限；常温性能好。但制品的高温强度不高。7.3复合材料制品的结构工艺性1．纤维的分布应满足承载要求采用短切纤维或采用连续长纤维在几个方向上交叉铺设，以使制品近似获得各向同性。为提高板、壳面内的抗剪能力，通常纤维的纵向应与板、壳的框、肋成45°角。2．构件弯折处应采用圆角过渡避免弯折处应力集中和弯折处树脂聚积或缺胶使强度降低现象3．尽量采用整体结构有利于简化制品结构、减少连接件数量和简化生产工艺，有利于减轻制品质量、隆低成本和提高制品的使用性能。4．采用刚性较好的结构提高构件的承载能力和尺寸稳定性。7.4复合材料制备与成形技术的发展趋势7.4.1复合材料的智能化生产技术在同一过程中进行材料设计和制造出零部件或器件。对材料的组织性能和制品的形状尺寸等进行实时控制，大大提高了制品质量的可靠性和稳定性，缩短了生产或研制周期7.4.2创新与继承相结合继承和吸取金属材料和高分子材料成形技术的精华，并加以发展。复合材料各种成形技术之间相互结合7.4.3新技术的开发与应用