复合材料的成型工艺

第九章复合材料的成型工艺复合材料(CompositeMaterial)是指将两种以上的不同材料，用物理或化学的方法复合而成的一种新材料。第九章复合材料的成型工艺第一节复合材料简述一、复合材料基本概念复合材料的最大优点，就是它的性能比其组成材料要好得多。一方面它可以改善组成材料的弱点，充分发挥其性能优势，例如玻璃和树脂的韧性和强度都不高，但用它们制成的复合材料--玻璃钢的比强度、比刚度和韧性却很高；另一方面可以根据结构和受力要求制成预定的性能分布，对材料进行优化设计。图9-1为复合材料结构示意图。第一节复合材料简述1.复合材料的分类(1)按材料的作用分类结构复合材料和功能复合材料。(2)按基体材料分类树脂基复合材料(resinmatrixcomposites-RMC)、金属基复合材料(metallicmatrixcomposites-MMC)、陶瓷基复合材料(ceramicmatrixcomposites-CMC)、水泥基复合材料和碳/碳复合材料等。(3)按增强材料的性质和形态分类层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等。第一节复合材料简述2.复合材料的特点(1)比强度和比刚度高(2)抗疲劳性好(3)高温性能好(4)减振性能好(5)断裂安全性高(6)可设计性好第一节复合材料简述二、复合材料用原料1.增强材料(1)碳纤维(CarbonFiber)(2)硼纤维(BoronFilament)(3)芳纶(AramidRing)(4)玻璃纤维(GlassFiber)(5)碳化硅纤维(SiliconCarbideFiber)(６)晶须(Whisker)2.基体材料(1)热固性树脂(ThermosettingResin)(2)热塑性树脂(ThermoplasticResin)3.夹层结构材料(SandwichStructureMaterial)夹层结构一般由两层簿的高强度板和中间夹着一层厚而轻的芯结构构成。第一节复合材料简述三、复合材料的增强机制和复合原则1.增强原理(ThePrincipleofReinforcement)复合材料的复合不是由基体和增强两种材料简单的组合而成，而是两种材料发生相互的物理、化学、力学等作用的复杂组合过程。第一节复合材料简述2.复合原则(RuleofMixtures)以纤维增强复合材料为例，说明复合材料的复合原则。(1)复合材料中基体起粘结作用，因而基体必须具备如下特点：1）对纤维具有好的润湿性，从而使基体与增强材料间具有较强的结合力，使分离的纤维粘为一个整体，保证纤维的合理分布。2）基体应具有较好的塑性和韧性，能够延缓裂纹的扩展。3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面损伤、不产生裂纹。第一节复合材料简述(2)增强材料是承载的主要部分，因而纤维必须具有很高的强度和刚度。(3)增强材料与基体有好的结合强度。(4)在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直径和分布。(5)纤维和基体应有相近的热膨胀系数。第一节复合材料简述四、复合材料的失效(FailureofComposite)复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。1.制造加工损伤此种损伤产生初始缺陷。，它包括：纤维铺设不均，扭结、死扣等，树脂不均；纤维切断、错排；固化不足；有孔隙、气泡；材质污染等。2.使用引起的损伤此种损伤导致缺陷发展。它包括：树脂裂纹或老化；分层；纤维断裂；振动较大导致的纤维断裂；温度变化较大；机加工产生内应力；碰撞等。第一节复合材料简述第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺(1)固态法固态法是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。(2)液态法液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。(3)其他制造方法主要包括原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法、复合镀法等。第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺一、固态法1.扩散黏结法(DiffusionBonding)如图9-2所示，扩散黏结是一种在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。2.形变法(PlasticForming)形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。3.粉末冶金法(PowderMetallurgyMethod)如图9-3所示，粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强(非连续增强型)金属基复合材料的传统固态工艺法。第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺二、液态法1.液态金属浸润法液态金属浸润法的实质是使基体金属呈熔融状态时与增强材料浸润结合，然后凝固成型。（1）挤压铸造法(SqueezeCasting)挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。(2)真空压力浸渍法(VacuumPressureInfiltration)如图9-４所示，真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下，使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法。(3)液态金属搅拌铸造法(Stir-CastingMethodofLiquidMetal)液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接加入金属熔体中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材料制品的方法。第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺2.井喷沉积法(SprayCo-Deposition)井喷沉积法是运用特殊的喷嘴，将液态金属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料的方法。图9-５所示是采用井喷沉积法生产陶瓷颗粒增强金属基复合材料的示意图。第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺三、其他方法通过运用化学、物理等基本原理而发展的一些金属基复合材料制造方法，如原位自生成法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。第二节金属基复合材料(MMC)成形工艺第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺一、手糊成型工艺(handlaying-up)所谓手糊成型工艺，是指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法，如图9－6所示。二、喷射成型工艺(SprayMoulding)喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上，压实固化成制件的工艺方法，如图9－7所示。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺三、袋压成形工艺(BagMoulding)袋压成型工艺是在手糊成型的制品上，装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。四、层压成型工艺(LaminationProcess)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。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺五、模压成型工艺(PressureMolding)模压成型工艺是指将模压料置于金属对模中，在一定的温度下，加压固化为复合材料制品的一种成型工艺，是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维增强复合材料的成型方法。1．短纤维料模压法该法是将经过预混或预浸后的短纤维状物料在模具中成型为复合材料制品。2．毡料模压法该法是将浸毡机组制备的连续玻璃纤维预浸毡剪裁成所需形状，在金属对模中压制成制品。3．碎布料模压法该法是将浸渍过树脂的玻璃布或其他织物的下脚料剪成碎块，在模具中压制成型。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺4．层压模压法该法是介于层压与模压之间的一种工艺，系将预浸渍的玻璃布或其他织物裁剪成所需形状，在金属对模中层叠铺设压制成异型制品。5．缠绕模压法该法是结合缠绕成型与模压成型的一种工艺，系将预浸渍的玻璃纤维或布带缠绕在模型上，再在金属对模中加热加压成型制品。6．织物模压法该法是将预先织成所需形状的二维或三维织物浸渍树脂后，在金属对模中压制成型。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺7.定向铺设模压法该法是按制品的受力状态进行定向铺设，然后将定向铺设的坯料放在金属对模内成型。8．预成型坯模压法先将玻璃纤维用吸附法制成与制品形状相似的预成型坯，再把它放人金属模具内，预成型坯上倒入配制好的树脂，在一定的温度压力下压制成型。9．片状模塑料模压法片状模塑料是用不饱和聚酯树脂作为黏结剂充分浸渍短切纤维或毡片，经增稠而得。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺六、缠绕成型工艺(WindingProcess)将连续纤维或带浸渍树脂胶液后的纤维，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的工艺称为缠绕成型工艺。1.干法干法缠绕采用预浸渍带，即在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在卷盘上待用。使用时将浸渍带加热软化后绕制在芯模上。2.湿法缠绕成型时玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成型。3.半干法第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺七、拉挤成型工艺(PultrusionProcess)拉挤成型工艺是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成型模具，在模腔内加热固化成型，在牵引机拉力作用下，连续拉拔出型材制品。如图9-８是拉挤成型工艺示意图。第三节树脂基复合材料(RMC)成型工艺第四节陶瓷基复合材料成型工艺一、模压成型(Dry-Pressing)模压成型又称干压成型,是将粉料装入钢模内，通过冲头对粉末单向或双向压力，压制成具有一定形状和尺寸压坯的成型方法。二、等静压成型(IsostaticForming)等静压成型是利用液体或橡胶等在各个方向传递压力相等的原理对坯体进行压制的。三、注浆成型(SlipCasting)注浆成型首先将陶瓷颗粒悬浮于液体中，然后注入多孔质模具，由模具的气孔把料浆中的液体吸出，而在模具内留下坯体，经脱模、干燥后获得具有一定形状和强度的坯体。第四节陶瓷基复合材料成型工艺四、热压成型(HotInjectionMolding)热压成型时，先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，利用蜡类材料热熔冷固的特点，把粉料与熔化的蜡料等粘合剂迅速搅合成具有流动性的料浆，然后将混合料加压注入模具，冷却凝固后成型，即可得致密的、较硬实的坯体。五、注射成型(InjectionMolding)注射成型是从塑料的注射成型工艺借鉴来的，它将粉料与热塑性树脂等有机物混合后，加热混炼，制成粒状粉料，用注射成型机在一定的压力和温度下注射入金属模具中，迅速冷却后，脱模取出坯体，经脱脂后就可按常规工艺烧结。第四节陶瓷基复合材料成型工艺六、直接氧化法（Lanxide法）将熔融金属直接与氧化剂发生氧化反应制备陶瓷基复合材料的方法，称为直接氧化法，商业上称为Ｌanxide工艺。七、化学气相渗透工艺(ChemicalVaporInfil-tration，CVI)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方法称为化学气相渗透工艺，如图9-9所示。第四节陶瓷基复合材料成型工艺本章学习指南1.重点内容：金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的成型工艺。应掌握金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料成型工艺常用方法的概念、特点及其应用，了解它们的一般工艺过程以及在实际生产中存在的问题。2.难点内容：金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的成型方法较多，其概念、应用的场合及优缺点等容易混淆，因此，学习中应明确概念，抓住重点。3.本章与其他章节的联系：复合材料与金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等密不可分，它的成型工艺是在传统材料的成型工艺（例如液态成形、半固态成形、固态塑性变形、连接（粘接）成形及粉末冶金成形等）的基础上发展起来的。本章学习指南第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表第九章图表