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1、第九章 復合材料的成型工藝 復合材料(Composite Material)是指將兩種以上的不同材料，用物理或化學的方法復合而成的一種新材料 。,第九章 復合材料的成型工藝,第一節(jié) 復合材料簡述 一、復合材料基本概念 復合材料的最大優(yōu)點，就是它的性能比其組成材料要好得多。一方面它可以改善組成材料的弱點，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，例如玻璃和樹脂的韌性和強度都不高，但用它們制成的復合材料-玻璃鋼的比強度、比剛度和韌性卻很高；另一方面可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力要求制成預定的性能分布，對材料進行優(yōu)化設(shè)計。圖9-1為復合材料結(jié)構(gòu)示意圖。,第一節(jié) 復合材料簡述,1.復合材料的分類 (1)按材料的作用分類 結(jié)構(gòu)復合材料和

2、功能復合材料 。 (2)按基體材料分類 樹脂基復合材料(resin matrix composites-RMC)、金屬基復合材料(metallic matrix composites -MMC)、陶瓷基復合材料(ceramic matrix composites-CMC)、水泥基復合材料和碳/碳復合材料等 。 (3)按增強材料的性質(zhì)和形態(tài)分類 層疊復合材料、細粒復合材料、連續(xù)纖維復合材料、短切纖維復合材料、碎片增強復合材料和骨架復合材料等。,第一節(jié) 復合材料簡述,2.復合材料的特點 (1)比強度和比剛度高 (2)抗疲勞性好 (3)高溫性能好 (4)減振性能好 (5)斷裂安全性高 (6)可設(shè)計性

3、好,第一節(jié) 復合材料簡述,二、復合材料用原料 1.增強材料 (1)碳纖維(Carbon Fiber) (2)硼纖維(Boron Filament) (3)芳綸(Aramid Ring) (4)玻璃纖維(Glass Fiber) (5)碳化硅纖維(Silicon Carbide Fiber) ()晶須(Whisker) 2.基體材料 (1)熱固性樹脂(Thermosetting Resin) (2)熱塑性樹脂(Thermoplastic Resin) 3.夾層結(jié)構(gòu)材料(Sandwich Structure Material) 夾層結(jié)構(gòu)一般由兩層簿的高強度板和中間夾著一層厚而輕的芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成。,第一

4、節(jié) 復合材料簡述,三、復合材料的增強機制和復合原則 1.增強原理(The Principle of Reinforcement) 復合材料的復合不是由基體和增強兩種材料簡單的組合而成，而是兩種材料發(fā)生相互的物理、化學、力學等作用的復雜組合過程。,第一節(jié) 復合材料簡述,2.復合原則(Rule of Mixtures) 以纖維增強復合材料為例，說明復合材料的復合原則。 (1)復合材料中基體起粘結(jié)作用，因而基體必須具備如下特點： 1）對纖維具有好的潤濕性，從而使基體與增強材料間具有較強的結(jié)合力，使分離的纖維粘為一個整體，保證纖維的合理分布。 2）基體應具有較好的塑性和韌性，能夠延緩裂紋的擴展。 3）

5、基體能夠很好地保護纖維表面，不產(chǎn)生表面損傷、不產(chǎn)生裂紋。,第一節(jié) 復合材料簡述,(2)增強材料是承載的主要部分，因而纖維必須具有很高的強度和剛度。 (3)增強材料與基體有好的結(jié)合強度。 (4)在復合材料中纖維必須具有適當?shù)暮?、直徑和分布?(5) 纖維和基體應有相近的熱膨脹系數(shù)。,第一節(jié) 復合材料簡述,四、復合材料的失效(Failure of Composite) 復合材料的失效一般是指其疲勞破壞過程。 1.制造加工損傷 此種損傷產(chǎn)生初始缺陷。，它包括：纖維鋪設(shè)不均，扭結(jié)、死扣等，樹脂不均；纖維切斷、錯排；固化不足；有孔隙、氣泡；材質(zhì)污染等。 2.使用引起的損傷 此種損傷導致缺陷發(fā)展。它包括

6、：樹脂裂紋或老化；分層；纖維斷裂；振動較大導致的纖維斷裂；溫度變化較大；機加工產(chǎn)生內(nèi)應力；碰撞等。,第一節(jié) 復合材料簡述,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝 (1)固態(tài)法 固態(tài)法是指基體處于固態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。 (2)液態(tài)法 液態(tài)法是指基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。 (3)其他制造方法 主要包括原位自生成法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學鍍和電鍍法、復合鍍法等。,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝,一、固態(tài)法 1.擴散黏結(jié)法(Diffusion Bonding) 如圖9-2所示，擴散黏結(jié)是一種在較長時間、較高溫度和壓力下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不

7、同類金屬在高溫下互擴散而黏結(jié)在一起的工藝方法。 2.形變法(Plastic Forming) 形變法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復合材料進一步加工成板材。 3.粉末冶金法(Powder Metallurgy Method) 如圖9-3所示，粉末冶金法是一種用于制備與成形顆粒增強(非連續(xù)增強型)金屬基復合材料的傳統(tǒng)固態(tài)工藝法。,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝,二、液態(tài)法 1. 液態(tài)金屬浸潤法 液態(tài)金屬浸潤法的實質(zhì)是使基體金屬呈熔融狀態(tài)時與增強材料浸潤結(jié)合，然后凝固成型。 （1）擠壓鑄造法(Squeeze

8、Casting) 擠壓鑄造是通過壓機將液態(tài)金屬壓入增強材料預制件中制造復合材料的方法。 (2)真空壓力浸漬法(Vacuum Pressure Infiltration) 如圖9-所示，真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬浸滲入預制件中制造金屬基復合材料的方法。 (3)液態(tài)金屬攪拌鑄造法(Stir-Casting Method of Liquid Metal) 液態(tài)金屬攪拌鑄造法是將增強相顆粒直接加入金屬熔體中，通過攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復合材料制品的方法 。,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝,2. 井噴沉積法(Spray Co-Deposition

9、) 井噴沉積法是運用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體氣流的作用后霧化成細小的液態(tài)金屬流，將增強相顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復合材料的方法。 圖9-所示是采用井噴沉積法生產(chǎn)陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的示意圖。,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝,三、其他方法 通過運用化學、物理等基本原理而發(fā)展的一些金屬基復合材料制造方法，如原位自生成法、物理氣相沉積法和化學氣相沉積法等。,第二節(jié) 金屬基復合材料(MMC)成形工藝,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝 一、 手糊成型工藝(hand laying-up) 所謂手糊成型工藝，是指用手工

10、或在機械輔助下將增強材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上，樹脂固化形成復合材料的一種成型方法，如圖96所示。 二、噴射成型工藝(Spray Moulding) 噴射成型工藝是利用噴槍將短纖維及樹脂同時噴到模具上，壓實固化成制件的工藝方法，如圖97所示。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,三、袋壓成形工藝(Bag Moulding) 袋壓成型工藝是在手糊成型的制品上，裝上橡膠袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，將氣體壓力施加到未固化的玻璃鋼制品表面而使制品成型的工藝方法。 四、層壓成型工藝(Lamination Process) 層壓成型工藝，是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機，在一定的溫度

11、和壓力下壓制成板材的工藝。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,五、模壓成型工藝(Pressure Molding) 模壓成型工藝是指將模壓料置于金屬對模中，在一定的溫度下，加壓固化為復合材料制品的一種成型工藝，是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維增強復合材料的成型方法。 1短纖維料模壓法 該法是將經(jīng)過預混或預浸后的短纖維狀物料在模具中成型為復合材料制品 。 2氈料模壓法 該法是將浸氈機組制備的連續(xù)玻璃纖維預浸氈剪裁成所需形狀，在金屬對模中壓制成制品。 3碎布料模壓法 該法是將浸漬過樹脂的玻璃布或其他織物的下腳料剪成碎塊，在模具中壓制成型 。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工

12、藝,4層壓模壓法 該法是介于層壓與模壓之間的一種工藝，系將預浸漬的玻璃布或其他織物裁剪成所需形狀，在金屬對模中層疊鋪設(shè)壓制成異型制品。 5纏繞模壓法 該法是結(jié)合纏繞成型與模壓成型的一種工藝，系將預浸漬的玻璃纖維或布帶纏繞在模型上，再在金屬對模中加熱加壓成型制品 。 6織物模壓法 該法是將預先織成所需形狀的二維或三維織物浸漬樹脂后，在金屬對模中壓制成型。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,7. 定向鋪設(shè)模壓法 該法是按制品的受力狀態(tài)進行定向鋪設(shè)，然后將定向鋪設(shè)的坯料放在金屬對模內(nèi)成型。 8預成型坯模壓法 先將玻璃纖維用吸附法制成與制品形狀相似的預成型坯，再把它放人金屬模具內(nèi)，預成型坯上倒

13、入配制好的樹脂，在一定的溫度壓力下壓制成型。 9片狀模塑料模壓法 片狀模塑料是用不飽和聚酯樹脂作為黏結(jié)劑充分浸漬短切纖維或氈片，經(jīng)增稠而得。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,六、纏繞成型工藝(Winding Process) 將連續(xù)纖維或帶浸漬樹脂膠液后的纖維，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后在加熱或常溫下固化，制成一定形狀制品的工藝稱為纏繞成型工藝。 1.干法 干法纏繞采用預浸漬帶，即在纏繞前預先將玻璃纖維制成預浸漬帶，然后卷在卷盤上待用。使用時將浸漬帶加熱軟化后繞制在芯模上。 2.濕法 纏繞成型時玻璃纖維經(jīng)集束后進入樹脂膠槽浸膠，在張力控制下直接纏繞在芯模上，然后固化成型。 3.

14、半干法,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,七、拉擠成型工藝(Pultrusion Process) 拉擠成型工藝是將浸漬了樹脂膠液的連續(xù)纖維，通過成型模具，在模腔內(nèi)加熱固化成型，在牽引機拉力作用下，連續(xù)拉拔出型材制品。如圖9-是拉擠成型工藝示意圖。,第三節(jié) 樹脂基復合材料(RMC)成型工藝,第四節(jié) 陶瓷基復合材料成型工藝 一、模壓成型(Dry-Pressing) 模壓成型又稱干壓成型,是將粉料裝入鋼模內(nèi)，通過沖頭對粉末單向或雙向壓力，壓制成具有一定形狀和尺寸壓坯的成型方法。 二、等靜壓成型(Isostatic Forming) 等靜壓成型是利用液體或橡膠等在各個方向傳遞壓力相等的原理對

15、坯體進行壓制的。 三、注漿成型(Slip Casting) 注漿成型首先將陶瓷顆粒懸浮于液體中，然后注入多孔質(zhì)模具，由模具的氣孔把料漿中的液體吸出，而在模具內(nèi)留下坯體，經(jīng)脫模、干燥后獲得具有一定形狀和強度的坯體。,第四節(jié) 陶瓷基復合材料成型工藝,四、熱壓成型(Hot Injection Molding) 熱壓成型時，先將粉料與蠟或有機高分子粘結(jié)劑混合、加熱，利用蠟類材料熱熔冷固的特點，把粉料與熔化的蠟料等粘合劑迅速攪合成具有流動性的料漿，然后將混合料加壓注入模具，冷卻凝固后成型，即可得致密的、較硬實的坯體。 五、注射成型(Injection Molding) 注射成型是從塑料的注射成型工藝借鑒

16、來的，它將粉料與熱塑性樹脂等有機物混合后，加熱混煉，制成粒狀粉料，用注射成型機在一定的壓力和溫度下注射入金屬模具中，迅速冷卻后，脫模取出坯體，經(jīng)脫脂后就可按常規(guī)工藝燒結(jié)。,第四節(jié) 陶瓷基復合材料成型工藝,六、直接氧化法（Lanxide法） 將熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應制備陶瓷基復合材料的方法，稱為直接氧化法，商業(yè)上稱為anxide工藝。 七、化學氣相滲透工藝(Chemical Vapor Infil-tration，CVI) 將化學氣相沉積技術(shù)運用在將大量陶瓷材料滲透進增強材料預制坯件的方法稱為化學氣相滲透工藝，如圖9-9所示。,第四節(jié) 陶瓷基復合材料成型工藝,本章學習指南 1.重點內(nèi)容：金屬基復合材料、樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料的成型工藝。應掌握金屬基復合材料、樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料成型工藝常用方法的概念、特點及其應用，了解它們的一般工藝過程以及在實際生產(chǎn)中存在的問題