合材料成形課件

1、第7章 復(fù)合材料成形 復(fù)合材料:兩種或兩種以上不同性質(zhì)的物質(zhì)組合在一起的新材料7.1 復(fù)合材料成形基礎(chǔ) 復(fù)合是一種包括物理、化學(xué)、力學(xué)，甚至生物學(xué)相互作用的復(fù)雜過(guò)程。 7.1.1 影響復(fù)合材料性能的因素 基體材料性能、增強(qiáng)體特征、組成物比例、界面性質(zhì)、成形方法和工藝參數(shù) 組成物基體材料：形成幾何形狀并起粘接作用，如：金 屬、樹(shù)脂、陶瓷增強(qiáng)材料：承受載荷，提高強(qiáng)度或韌性，如：一維 的纖維、二維的片材、三維的顆?；w材料性能：強(qiáng)度、彈性模量、化學(xué)穩(wěn)定性 增強(qiáng)體特征：類(lèi)型、粗細(xì)、強(qiáng)度和彈性模量 增強(qiáng)纖維越細(xì)，復(fù)合材料的強(qiáng)度越高，剛 度越大；增強(qiáng)體顆粒細(xì)些，增強(qiáng)效果就會(huì) 好些，顆粒直徑0.010.1m

2、m效果最好。 組成物比例及分布等： 增強(qiáng)體的含量、排列方式和方向 以及和基體間的界面粘結(jié)狀況， 應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)控制。成形方法和工藝參數(shù)：不同的復(fù)合材料應(yīng)選擇合適 的成形方法和工藝參數(shù)（壓力、固化溫度）7.1.2 復(fù)合材料的復(fù)合原則 為獲得最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)應(yīng)遵循下述原則： 1纖維的性能：高強(qiáng)度和高剛度。有時(shí)還要求纖維 的密度小，耐熱性好。應(yīng)用較多的纖維有玻璃纖 維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維等 （2）對(duì)纖維應(yīng)有一定的粘結(jié)性能，并能保護(hù)纖維表面不 受損傷。2基體的性能（1）一定的塑性和韌性，以防纖維斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展。 聚合物和金屬能較好地滿(mǎn)足上述要求3纖維與基體間應(yīng)有合適的結(jié)

3、合強(qiáng)度，以利于載荷由基體向纖維傳遞，充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用4纖維必須有合理的含量、尺寸和分布(1) 含量：纖維的體積容量越大，增強(qiáng)效果越好。 (2) 尺寸：纖維的直徑越小、越長(zhǎng)，增強(qiáng)效果越好。 (3) 分布：纖維的排列可采用不同方向交叉層疊方式， 以達(dá)到多方向的增強(qiáng)效果。1材料制備與制品成形同時(shí)完成 形狀復(fù)雜的大型制品能一次整體成形，工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、成本低。減少甚至取消了接頭，應(yīng)力集中小、制品質(zhì)量輕、剛度和耐疲勞性高。2材料性能的可設(shè)計(jì)性 基體材料和增強(qiáng)材料及其合適的比例 合理的排列方向和層數(shù) 合適的復(fù)合工藝和參數(shù)制品結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好7.1.3 復(fù)合材料成形的工藝特點(diǎn)成形過(guò)程

4、：原材料制取、生產(chǎn)準(zhǔn)備、制品成形、固化、脫模和修整、檢驗(yàn)7.2 復(fù)合材料成形方法7.2.1 樹(shù)脂基復(fù)合材料的成形方法樹(shù)脂基復(fù)合材料是以樹(shù)脂為基體、纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成的。 1手糊法 脫模劑表面膠增強(qiáng)材料刷樹(shù)脂至所需層數(shù)固化脫模修整和檢驗(yàn) 特點(diǎn)： 設(shè)備簡(jiǎn)單，不受制品尺寸限制，勞動(dòng)條件差，制品質(zhì)量不穩(wěn)定、強(qiáng)度較低。 適用于大型制品的小批量、多品種生產(chǎn)。應(yīng)用：船體、浴盆、波紋瓦、汽車(chē)殼體、風(fēng)機(jī)葉片 最早、目前仍廣泛應(yīng)用1-模具 2-脫模劑 3-膠層 4-玻璃纖維5-手動(dòng)壓輥 6-樹(shù)脂 2噴射法 將手糊法成形操作中的糊制工序改由噴槍完成，將纖維和樹(shù)脂液同時(shí)噴到模具上，再經(jīng)壓實(shí)、固化得到制品。 通常噴射

5、速率為210kg/min。 優(yōu)點(diǎn)：噴射法成形為半機(jī)械化操作，生產(chǎn)率高；制品的飛邊少，無(wú)搭縫；整體性好。 缺點(diǎn)：樹(shù)脂含量高；制品強(qiáng)度低；且操作現(xiàn)場(chǎng)粉塵大；工作環(huán)境差。 1模具 2、5噴嘴 3纖維4切割器 6手動(dòng)壓輥 7制品 3袋壓法 將手糊法成形的制品或預(yù)浸料（預(yù)浸樹(shù)脂的纖維或織物）放到模具內(nèi)，并在制品上覆蓋橡膠袋或塑料袋，將氣體壓力施加到尚未固化的制品表面使其成形的工藝方法。 制品兩面都比較平滑，質(zhì)量好；成形周期短、適應(yīng)的樹(shù)脂類(lèi)型廣且制品的形狀可較復(fù)雜。成本較高，制品尺寸受設(shè)備的限制。 (1) 真空袋壓法1真空泵 2、8坯件 3柔性膜 4、5模具 6壓力袋 7空氣壓縮機(jī) (2) 壓力袋壓法 4

6、纏繞法 將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹(shù)脂后，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，通過(guò)固化、脫模而得到制品的方法。用于：纏繞圓柱體、球體等回轉(zhuǎn)體制品，如壓力罐、筒、 貯罐和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體 特點(diǎn)：制品比強(qiáng)度大、精度高、質(zhì)量好且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。但制品軸向難以增強(qiáng)，設(shè)備投資較大。1-芯模 2-樹(shù)脂 3-輥輪 4-纖維5模壓法 將已干燥的浸膠纖維或織物等放入金屬模具內(nèi)，通過(guò)加熱、加壓使樹(shù)脂塑化和熔融流動(dòng)成形，經(jīng)固化獲得制品。 7.2.2 金屬基復(fù)合材料的成形方法 以金屬為基體，用纖維、顆粒等作為增強(qiáng)體特點(diǎn)：模壓法制品尺寸精確、表面光滑、力學(xué)性能高。 應(yīng)用：模壓法工藝簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛，常用于制造船體、 罩殼 和汽車(chē)車(chē)身等制

7、品。1等離子噴涂法 在惰性氣體保護(hù)下，由等離子弧向排列整齊的纖維噴射熔融金屬，待其冷卻凝固后形成復(fù)合材料的方法。 特點(diǎn)：界面結(jié)合緊密，成形過(guò)程中纖維不受損傷，但基體組織不夠致密。 2液態(tài)滲透法 以金屬液滲入增強(qiáng)體制成復(fù)合材料的方法，可以通過(guò)多種鑄造方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 用于制造長(zhǎng)、短纖維增強(qiáng)以及混雜增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，并能制造形狀復(fù)雜的制品。 設(shè)備比較復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，制造大尺寸制品困難。 真空壓力鑄造法原理1加熱元件 2鑄模 3纖維預(yù)制件 4冷卻塊 5熔融金屬3熱壓擴(kuò)散結(jié)合法 高溫下，對(duì)排布好的纖維和金屬基體施加靜壓力，使纖維和金屬產(chǎn)生原子擴(kuò)散和少量塑性變形以完成粘接 加熱溫度低、纖維不易損傷，金屬對(duì)

8、纖維的潤(rùn)濕性和纖維的取向性好，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)。 是鈦基、鎳基等熔點(diǎn)較高的金屬最主要的復(fù)合方法 用于制造板材、型材及形狀復(fù)雜的壁板、葉片等。a）纖維與金屬箔復(fù)合 b）有金屬鍍層的纖維復(fù)合1、3纖維 2金屬箔 4金屬鍍層 7.2.3 陶瓷基復(fù)合材料的成形方法 陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體，采用纖維、顆粒等作為增強(qiáng)體經(jīng)復(fù)合而成的。1粉漿浸滲法 將纖維增強(qiáng)體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進(jìn)行燒結(jié)。 不損傷增強(qiáng)體，無(wú)需模具且工藝簡(jiǎn)單，但制品的密度和力學(xué)性能不夠高。2熱壓燒結(jié)法 將纖維或織物增強(qiáng)體用陶瓷漿料浸漬后組成一定結(jié)構(gòu)的坯體，經(jīng)干燥后在高溫、高壓下燒結(jié)成制品。 制品的密度和力學(xué)性能均較高。3反

9、應(yīng)燒結(jié)法 使已與增強(qiáng)材料混合的熔融金屬直接氧化或氮化制成復(fù)合材料。反應(yīng)產(chǎn)物最初在金屬與氣相界面形成，然后不斷向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，直至形成相互貫通的呈三維網(wǎng)絡(luò)的陶瓷基復(fù)合材料。 成本較低、工藝簡(jiǎn)單；制品收縮很小、形狀和尺寸不限；常溫性能好。但制品的高溫強(qiáng)度不高。7.3 復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性 1纖維的分布應(yīng)滿(mǎn)足承載要求 采用短切纖維或采用連續(xù)長(zhǎng)纖維在幾個(gè)方向上交叉鋪設(shè)，以使制品近似獲得各向同性。 為提高板、殼面內(nèi)的抗剪能力，通常纖維的縱向應(yīng)與板、殼的框、肋成45角。 2構(gòu)件彎折處應(yīng)采用圓角過(guò)渡 避免彎折處應(yīng)力集中和彎折處樹(shù)脂聚積或缺膠使 強(qiáng)度降低現(xiàn)象3盡量采用整體結(jié)構(gòu) 利于簡(jiǎn)化制品結(jié)構(gòu)、減少連接件

10、數(shù)量和簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，有利于減輕制品質(zhì)量、降低成本和提高制品的使用性能。 4采用剛性較好的結(jié)構(gòu) 提高構(gòu)件的承載能力和尺寸穩(wěn)定性。7.4 復(fù)合材料制備與成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 7.4.1 復(fù)合材料的智能化生產(chǎn)技術(shù) 在同一過(guò)程中進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和制造出零部件或器件。對(duì)材料的組織性能和制品的形狀尺寸等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，大大提高了制品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，縮短了生產(chǎn)或研制周期 7.4.2 創(chuàng)新與繼承相結(jié)合 繼承和吸取金屬材料和高分子材料成形技術(shù)的精華，并加以發(fā)展。 復(fù)合材料各種成形技術(shù)之間相互結(jié)合 7.4.3 新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用本章小結(jié)復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料組成。金屬基復(fù)合材料以金屬為基體，采用纖維、顆粒等作為增強(qiáng)體經(jīng) 復(fù)合而成的。 金屬基復(fù)合材料成形方法：等離子噴涂法、液態(tài)滲透法、熱壓擴(kuò) 散結(jié)合法樹(shù)脂基復(fù)合材料是以樹(shù)脂為基體、纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成的。