復(fù)合材料及其成型技術(shù)

1、復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的機(jī)械工程材料。各種組成材料在性能上能互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原 組成材料，從而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的組成包括基體和增強(qiáng)材料兩個部分。復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、 用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度 和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料， 其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁 合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐 蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的 材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和

2、碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500C時仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨 損，可用作發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合，使用溫度可達(dá)1500C,比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100C）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng) 碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反 應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、 節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力 與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。復(fù)合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復(fù)合材料的成型方法較 多，有手糊成型、噴射成

3、型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成型、反應(yīng)注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。 金屬基復(fù)合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點(diǎn) 溫度下，通過施加壓力實(shí)現(xiàn)成型，包括擴(kuò)散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等 靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強(qiáng)體材料中，包括傳統(tǒng)鑄造、 真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造及噴鑄等、陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要 有固相燒結(jié)、化學(xué)氣相浸滲成型、化學(xué)氣相沉積成型等。復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： 航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制 造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、

4、太陽能電池翼和外殼、大型運(yùn)載 火箭的殼體、發(fā)動機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。 汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、 抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu) 件、傳動軸、發(fā)動機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。 化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成 的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器 等。 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性 和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還 用于

5、制造體育運(yùn)動器件和用作建筑材料等。2復(fù)合材料的加工方法與特點(diǎn)及加工方法的選擇原則。復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng) 域的拓寬，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)鎮(zhèn)，其老的成型工藝日臻完善，新的成型方 法不斷涌現(xiàn)，目前聚合物基符合材料的成型方法已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn)，如：（1）手糊成型工藝一濕法鋪層成型法；（2）噴射成型工藝；（3）樹 脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM技術(shù)）；（4）袋壓法（壓力袋法）成型；（5）真空袋 壓成型；（6）熱壓罐成型技術(shù)；（7）液壓釜法成型技術(shù)；（8）熱膨脹模塑法成型 技術(shù)；（9）夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)；（10）模壓料生產(chǎn)工藝；（11） ZMC模壓

6、料注射 技術(shù)；（12）模壓成型工藝；（13）層合板生產(chǎn)技術(shù)；（14）卷制管成型技術(shù)；（15） 纖維纏繞制品成型技術(shù)；（16）連續(xù)制板生產(chǎn)工藝；（17）澆鑄成型技術(shù)；（18） 拉擠成型工藝；（19）連續(xù)纏繞制管工藝；（20）編織復(fù)合材料制造技術(shù)；（21） 熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)及冷模沖壓成型工藝；（22）注射成型工藝；（23）擠 出成型工藝；（24）離心澆鑄制管成型工藝。根據(jù)所選用樹脂基體材料的不同， 上述方法分別適用于熱固性和熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)，有些工藝兩者都適用。以下主要工藝及其特點(diǎn)：（1）手糊成型工藝。優(yōu)點(diǎn)是成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批 量小、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)。設(shè)備簡

7、單、投資少、見效快。適宜我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè) 的發(fā)展。且工藝簡單、生產(chǎn)技術(shù)易掌握，只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進(jìn)行生產(chǎn)。易于 滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，可在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料；制品的樹脂含量高，耐腐蝕性能好。缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長、不宜大批量生產(chǎn)。且產(chǎn)品質(zhì)量不 易控制，性能穩(wěn)定性不高。產(chǎn)品力學(xué)性能較低。生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工時粉 塵多，易對施工人員造成傷害。(2) 夾層結(jié)構(gòu)成型工藝。夾層結(jié)構(gòu)的共有特點(diǎn)：質(zhì)輕、剛度大。多用于尺寸 較大，剛度要求高，強(qiáng)度要求不高的場合。(3) RTM成型技術(shù)。特點(diǎn)：可以制造兩面光的制品；成型效率高，適合 于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(20000件/年以內(nèi))；RTM

8、為閉模操作，不污染 環(huán)境，不損害工人健康；增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放， 容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀 況例題鋪放增強(qiáng)材料；原材料及能源消耗少；建廠投資少，上馬快。(4) 模壓成型。優(yōu)點(diǎn)：制造費(fèi)用低，所以投資少、見效快，為發(fā)展多品種、小批量的生產(chǎn)提供了有利條件，這也是模壓成型工藝目前還在大量運(yùn)用的原因之 一。在模壓成型過程中，由于塑料的流動距離很短，受填料的定向影響小，所 以塑件的尺寸變動小，不易變形，尺寸穩(wěn)定性好，機(jī)械性能穩(wěn)定。相同噸位的壓機(jī)可以成型較大平面的制品。模壓成型工藝成熟，生產(chǎn)過程易于控制。缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。較難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化，因而勞動強(qiáng)度 大。因?yàn)轱w邊厚，塑件厚度方向的尺寸難以控

9、制，所以模壓成型不能模壓尺 寸精度要求較的制品。(5) 層壓工藝。特點(diǎn)：生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化程度較高;產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；但 一次性投資較大，適合于批量生產(chǎn)。(6) 纏繞成型工藝。纖維纏繞成型的優(yōu)點(diǎn) 能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏 繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；比強(qiáng)度高：一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質(zhì)容器相比，重量可減輕 4060%;可靠性高：纖維纏 繞制品易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定， 精確；生產(chǎn)效率高：采用機(jī)械化或自動化生產(chǎn)，需要操作工人少，纏繞速度快(240m/min),故勞動生產(chǎn)率高；成本低：在同一產(chǎn)品上，可合理配選若干種 材料(包括樹脂、纖

10、維和內(nèi)襯)，使其再復(fù)合，達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。纏繞成型的缺點(diǎn) 纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別 是表面有凹的制品，因?yàn)槔p繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空； 纏繞成型需 要有纏繞機(jī)，芯模，固化加熱爐，脫模機(jī)及熟練的技術(shù)工人，需要的投資大，技 術(shù)要求高，因此，只有大批量生產(chǎn)時才能降低成本， 才能獲得較的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效 益。在選擇復(fù)合材料成型方法時，要綜合考慮，同時滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和 經(jīng)濟(jì)效益等各種因素。具體應(yīng)考慮的：（1）產(chǎn)品的外形構(gòu)造和尺寸大小。（2）材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求，如材料的物化性能，產(chǎn)品的強(qiáng)度及表面粗糙 度（光潔度）要求等。（3）生產(chǎn)批量大小及供應(yīng)時間（允許的生產(chǎn)

11、周期）要求。（4）企業(yè)可能提供的設(shè)備條件及資金。（5）綜合經(jīng)濟(jì)效益，保證企業(yè)盈利。一般來講，生產(chǎn)批量大，數(shù)量多及外形復(fù)雜的小產(chǎn)品，多采用模壓成型。如 機(jī)械零件，電工器材等；對造形簡單的大尺寸制品，如浴盆，汽車部件等，適宜 采用SMC大臺面壓機(jī)成型，亦可用手糊工藝生產(chǎn)小批量產(chǎn)品；對于壓力管道及 容器則宜用纏繞工藝；對批量小的大尺寸制品，如船體外殼，大型儲槽等，常采 用手糊，噴射工藝；對于板材和線型制品，可采用連續(xù)成型工藝。3什么是復(fù)合材料RTM成型及RTM成型的應(yīng)用？ RTM成型對樹脂的要求，常 用的樹脂的特點(diǎn)？RTM即樹脂傳遞模塑，是將液態(tài)熱固性樹脂及固化劑，由計(jì)量設(shè)備分別從 儲桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜

12、態(tài)混合器混合均勻，注入事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料的密封模 內(nèi)，經(jīng)固化、脫模、后加工而成制品的工藝。RTM成型技術(shù)的特點(diǎn)：可以制造兩面光的制品；成型效率高，適合于 中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）：RTM為閉模操作，不污染環(huán) 境，不損害工人健康；增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況 例題鋪放增強(qiáng)材料；原材料及能源消耗少；建廠投資少，上馬快。RTM技術(shù)適用范圍很廣，目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空 航天等工業(yè)領(lǐng)域。已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、8.5m 長的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、天線罩、機(jī)器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、 電話亭、電線桿

13、、小型游艇等。RTM成型工藝對環(huán)氧樹脂的要求：(1) 室溫或工作溫度下具有較低的粘度(0.51.5PS),對增強(qiáng)材料浸潤性 好。能順利地，均勻地通過模腔，浸透纖維，快速充滿整個型腔；(2) 固化放熱低(80130C)，防止損傷玻璃鋼模具；(3) 固化時間短，一般凝膠時間為 530min,固化時間不超過60min；(4) 樹脂固化收縮率小。4什么是復(fù)合材料纏繞成型及纏繞的應(yīng)用？纏繞成型對樹脂的要求，常用的樹脂的特點(diǎn)？纏繞成型工藝是指將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到 芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑料制品的工藝過程。纏繞成型的應(yīng)用：軍工方面：航空、航天、導(dǎo)彈(發(fā)動機(jī)殼體、 高壓容器、 導(dǎo)彈發(fā)射筒等)。纏繞復(fù)合材料壓力容器在航空、航天、造船等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng) 用。碳纖維和芳綸纖維纏繞的薄壁金屬內(nèi)襯高壓容器結(jié)構(gòu)效率高、性價比高，是航天飛機(jī)和人造地球衛(wèi)星的首選。民用方面：化工、石油、環(huán)保、建筑等領(lǐng) 域的管道、貯罐、壓力容器等。充裝介質(zhì)有氮?dú)?、氧氣、氫?和氦氣，形狀多為環(huán)形、球形和扁橢球形。美國 纖維纏繞管道總長占整個運(yùn)輸工具的 三分之一，所負(fù)擔(dān)供應(yīng)的能量(包括石油、 天然氣、煤、電)占全國需用量的一半以上。我國工業(yè)生產(chǎn)中也已大量采用纖 維纏繞管道。小型壓力容器在個人生命保障系統(tǒng)獲得成功應(yīng)用：消防員、登山隊(duì)員的供氧器，特點(diǎn)：重量輕、便于攜帶、高疲勞壽命和