第八章復(fù)合材料的成型加工技術(shù)

第八章復(fù)合材料的成型加工技術(shù)

一、復(fù)合材料簡介1.復(fù)合材料兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料組成：基體、增強(qiáng)材料組分材料相對(duì)獨(dú)立性能具有協(xié)同效應(yīng)2.分類（1）按增強(qiáng)材料形態(tài)連續(xù)纖維復(fù)合材料短纖維復(fù)合材料粒狀填料復(fù)合材料編織復(fù)合材料（2）按增強(qiáng)纖維種類玻璃纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料金屬纖維復(fù)合材料陶瓷纖維復(fù)合材料（3）按基體材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料（4）按材料作用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料3.特點(diǎn)協(xié)同效應(yīng)：復(fù)合材料具有優(yōu)于組分性能的性能復(fù)合材料的基本性能主要取決于3個(gè)方面：1.增強(qiáng)材的性能、含量及分布情況2.基體材料的性能及含量3.界面的結(jié)合情況燃燒性能主要取決于2、3力學(xué)性能主要取決于1、2、3導(dǎo)熱、電、耐腐蝕等性能主要取決于2、3輕質(zhì)高強(qiáng)是復(fù)合材料最突出、重要的特點(diǎn)，也是研究最多的特點(diǎn)。可以用比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度），比彈性模量（彈性模量/密度）來定量描述。性能可設(shè)計(jì)性

是復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點(diǎn)之一?？稍O(shè)計(jì)性是指：設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對(duì)力學(xué)及其它性能的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：*力學(xué)設(shè)計(jì)——一定的強(qiáng)度和剛度*功能設(shè)計(jì)——除力學(xué)性能外的其他性能工藝性能好，可制成所需任意形狀產(chǎn)品，避免多次加工工序。以上是復(fù)合材料通有的特性。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，還具有：熱性能好

導(dǎo)熱系數(shù)小，是金屬材料1/100-1/1000；特殊類型的玻璃鋼可耐瞬時(shí)高溫耐腐蝕性能好可以耐酸、堿、鹽的腐蝕、海水、微生物腐蝕，適合于制作化工管道、儲(chǔ)罐、船舶等。電性能好a、電絕緣性能好，不受電磁作用；b、微波穿透性好；c、可制作成不帶靜電的制品。其它特點(diǎn)：耐候性、耐疲勞性、耐沖擊性、耐蠕變性，透光性等。但一般情況下：彈性模量低比鋼材小10倍長期耐熱性差易老化表面硬度低、耐磨性差高性能復(fù)合材料

如碳纖維復(fù)合材料就有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫性能好等二、聚合物基復(fù)合材料的成型加工技術(shù)成型固化工藝：成型：將預(yù)浸料根據(jù)產(chǎn)品要求，鋪置成一定形狀，一般就是產(chǎn)品形狀固化：使已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時(shí)間和壓力等因素影響下，使形狀固定下來，并能達(dá)到預(yù)計(jì)性能1.手糊工藝（1）工藝過程1）原材料選擇選用的原材料必須滿足3點(diǎn)要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能要求手糊成型工藝要求價(jià)格便宜、材料容易取得a.聚合物基體要求：能在室溫下凝膠、固化，并在固化中無低分子物產(chǎn)生能配制成粘度適當(dāng)?shù)哪z液無毒或低毒價(jià)格低主要有:不飽和聚酯樹脂環(huán)氧樹脂聚酰亞胺聚馬來酰亞胺

b.增強(qiáng)材料的選擇玻璃纖維及織物、碳纖維及織物、芳綸纖維等c.脫模劑內(nèi)脫模劑外脫模劑：薄膜型：聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃紙混合溶液型：聚乙烯醇溶液蠟型：石蠟、硅酯、凡士林等2）模具設(shè)計(jì)與制造a.分類單模、對(duì)模整體式、拼裝式b.模具材料玻璃鋼、木材、石膏-砂、石蠟、金屬等3）原材料準(zhǔn)備a.膠液準(zhǔn)備膠液粘度適宜凝膠時(shí)間指一定溫度條件下，從粘流態(tài)失去流動(dòng)性變成軟膠狀態(tài)的凝膠所需的時(shí)間b.增強(qiáng)材料準(zhǔn)備表面處理裁剪簡單件按模具型面展開圖制成樣板，按樣板裁剪；復(fù)雜件，分割成幾部分，分別制樣板，再裁剪注意布的經(jīng)緯方向c.膠衣糊準(zhǔn)備用來制作表層膠衣層的耐水性、自熄性、耐熱性、柔韌耐磨性等d.制品的厚度與層數(shù)計(jì)算4）糊制a.刷膠衣涂刷或噴涂b.結(jié)構(gòu)層的糊制膠衣層全部凝膠后開始c.鋪層控制纖維盡可能連續(xù)拼接對(duì)接d.鋪層的二次固化拼接5）固化a.不飽和聚酯樹脂的固化及工藝固化是通過引發(fā)劑引發(fā)聚酯分子中的雙鍵，與可聚合的乙烯類單體(如苯乙烯)進(jìn)行游離基共聚反應(yīng)，使線型的聚酯分子交聯(lián)成三維網(wǎng)狀的體形大分子結(jié)構(gòu)。固化過程：凝膠階段、定型階段（硬化階段）、熟化階段（完全固化階段）固化度控制固化度表明熱固性樹脂固化反應(yīng)程度，以百分率表示；巴柯硬度;通過調(diào)控樹脂膠液中的固化劑含量和固化溫度來控制固化度6）脫模、修整與裝配（2）特點(diǎn)可生產(chǎn)尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜件設(shè)備簡單、投資少工藝簡單易滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，可在一些部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料生產(chǎn)率低，環(huán)境差，不易控制產(chǎn)品質(zhì)量2.模壓工藝將定量的模塑料或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對(duì)模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力下充滿模腔，形成與模腔相同形狀制品，再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，或冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模得復(fù)合材料制品（1）模壓料片狀模塑料（SMC）、團(tuán)狀模塑料（DMC）、散狀模塑料（BMC）（2）模壓工藝流程1）壓制前準(zhǔn)備a.模壓料預(yù)熱和預(yù)成型加熱：改善模壓料的工藝性能；縮短固化時(shí)間，降低成型壓力預(yù)成型室溫下預(yù)壓成與制品相似的形狀b.裝料量的計(jì)算c.脫模劑的選用內(nèi)外結(jié)合2）壓制粘流、凝膠、硬固三階段a.裝模使物料流程最短對(duì)狹小流道及“死角”處，需預(yù)先鋪設(shè)料物料鋪設(shè)盡量均勻以改善制品的均勻性盡可能使物料中纖維沿其流動(dòng)方向取向b.壓制溫度制度、壓力制度、固化時(shí)間溫度制度：裝模溫度、升溫速度、最高溫度、恒溫、降溫及后固化溫度等壓力制度：成型壓力、加壓時(shí)間、放氣等固化時(shí)間3.RTM工藝樹脂傳遞模塑（1）工藝過程將液態(tài)熱固性樹脂及固化劑，由計(jì)量設(shè)備分別從儲(chǔ)桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜態(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、脫模后加工成制品。PressurizedResinAirAirTheRTMProcess（2）特點(diǎn)主要設(shè)備投資少；生產(chǎn)的制品兩面光滑、尺寸穩(wěn)定；允許制品帶有加強(qiáng)筋結(jié)、鑲嵌件和附著物，可將制品制成泡沫夾層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)靈活；制造模具時(shí)間短；對(duì)樹脂和填料的適用性廣泛；生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度低，原料損耗少；產(chǎn)品后加工少；閉模成型，環(huán)境污染小。4.噴射成型（1）工藝過程（2）特點(diǎn)利用粗紗代玻璃布，降低了材料費(fèi)用生產(chǎn)效率比手糊法高2~4倍無搭縫，制品整體性好減少了飛邊、裁屑和膠液剩余損耗樹脂含量高、制品強(qiáng)度低、現(xiàn)場(chǎng)粉塵大5.連續(xù)纏繞成型工藝連續(xù)纖維或帶經(jīng)過樹脂浸膠后，按一定規(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（1）工藝過程（2）特點(diǎn)及應(yīng)用纖維能保持連續(xù)完整,按預(yù)定要求排列的規(guī)整度和精度高;可實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì);比強(qiáng)度、比模量高;質(zhì)量較穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高；設(shè)備投資大；適于制作承受一定內(nèi)壓的中空型容器，如固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器、大型貯罐、管道等，還可制造異型截面型材和變截面型材。6.拉擠成型工藝（1）工藝過程樹脂要求粘度低，適用期長，以熱固性樹脂為主過程：纖維輸送、纖維浸漬、成型與固化、夾持與拉拔、切割（2）特點(diǎn)及應(yīng)用生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；制品中增強(qiáng)材料的含量一般為40％～80％，能充分發(fā)揮增強(qiáng)材料作用，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；不需要或僅需要進(jìn)行少量加工；制品的縱向和橫向強(qiáng)度可任意調(diào)節(jié)；樹脂損耗少；強(qiáng)度可根據(jù)需要切割。應(yīng)用廣欄桿、格柵、各種型材、釣魚桿、帳篷桿等7.擠出成型（1）工藝過程熱塑性樹脂粒狀增強(qiáng)材料過程：加料、塑化、成型、定型（2）特點(diǎn)及應(yīng)用8.注射成型工藝（1）工藝過程粒狀熱塑性樹脂（廣）、熱固性樹脂短纖維步驟：加料、熔化、混合、注射、冷卻硬化、脫模（2）特點(diǎn)及應(yīng)用9.層壓成型工藝（1）原材料基體：熱固性樹脂、有機(jī)硅樹脂增強(qiáng)材料：玻璃布、紙、棉布（2）工藝過程連續(xù)片狀增強(qiáng)材料（表面處理或干燥）、樹脂浸漬烘干剪裁疊塊層壓脫模修整（3）特點(diǎn)及應(yīng)用三、金屬基復(fù)合材料的成型加工1.對(duì)制造技術(shù)的要求（1）使增強(qiáng)材料以設(shè)計(jì)的體積分?jǐn)?shù)和排列均勻地分布于基體中；（2）不得使增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能下降；（3）盡量避免增強(qiáng)材料和金屬基體之間各種不利化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，得到合適的界面結(jié)構(gòu)和性能；（4）簡單易行，適于批量生產(chǎn)。2.制造上的難點(diǎn)及解決途徑（1）難點(diǎn)制造溫度高，界面反應(yīng)控制困難金屬基體與增強(qiáng)材料間的浸潤性差將增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求的含量、方向均布于基體中困難（2）解決途徑增強(qiáng)材料表面處理增強(qiáng)材料表面涂覆，以形成阻擋層或犧牲層，降低界面反應(yīng)，提高浸潤性加入合金元素表面活性物質(zhì)，富集于界面，提高浸潤性，形成擴(kuò)散阻擋層或優(yōu)先與增強(qiáng)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高浸潤性，形成擴(kuò)散阻擋層優(yōu)化工藝參數(shù)和工藝方法3.制造方法分類（1）固態(tài)法（2）液態(tài)法（3）其他制造法（一）固態(tài)法1.粉末冶金法（1）工藝過程(2)特點(diǎn)及應(yīng)用金屬基體必須制成金屬粉末制備非連續(xù)增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體含量不受限制2.熱壓法(熱壓擴(kuò)散結(jié)合法)(1)工藝過程按制件形狀、纖維體積密度及增強(qiáng)方向要求,將金屬基復(fù)合材料預(yù)制條帶及基體金屬箔或粉末布,經(jīng)裁剪、鋪設(shè)、組裝，在低于復(fù)合材料基體金屬熔點(diǎn)的溫度下加壓并保持一定時(shí)間，通過擴(kuò)散形成良好界面結(jié)合擴(kuò)散粘結(jié)過程可分為三個(gè)階段：（1）粘結(jié)表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動(dòng)、表面膜(通常是氧化膜)破壞；（2）隨著時(shí)間的延長發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面緊密粘結(jié)；（3）由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，粘結(jié)過程完成。影響擴(kuò)散粘結(jié)過程的主要參數(shù):溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時(shí)間，其中溫度最為重要，氣氛對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有影響。（2）特點(diǎn)及應(yīng)用質(zhì)量好連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最具代表性的一種常用的固相復(fù)合工藝3.熱等靜壓法熱壓一種，惰性氣體加壓（1）工藝過程(2)特點(diǎn)及應(yīng)用產(chǎn)品組織均勻致密，無縮孔、氣孔，形狀、尺寸精確適宜多種復(fù)合材料管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造，特別適宜Ti、金屬間化合物、超合金基復(fù)合材料4.熱軋法、熱擠壓法、熱拉法（1）熱軋法顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：粉末冶金或熱壓成坯，再熱軋成形連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：預(yù)制片熱軋成板(2)熱擠壓和熱拉

主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料的進(jìn)一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等5.爆炸焊接法（二）液態(tài)法1.壓鑄、離心鑄造、熔模鑄造（1）壓鑄高壓下將液態(tài)金屬基復(fù)合材料注射入鑄型凝固后成型可制造表面質(zhì)量高、尺寸精度高的復(fù)合材料鑄件適于大批量生產(chǎn)。主要用于汽車、摩托車等零件（2）離心鑄造利用鑄型旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使溶液中密度不同的增強(qiáng)體和基體合金分離至內(nèi)層或外層形成復(fù)合鑄件的工藝方法適于管狀、環(huán)狀零件（3）熔模鑄造2.真空壓力浸漬法（1）原理與過程真空和高壓惰性氣體增強(qiáng)材料預(yù)制件主要工藝參數(shù)：預(yù)制件預(yù)熱溫度TPTP，浸漬，界面反應(yīng)金屬熔體溫度Tm

Tm，浸漬，界面反應(yīng)浸漬壓力壓力，浸漬，增強(qiáng)材料偏聚

冷卻速度（2）特點(diǎn)及應(yīng)用適用面廣可直接制成復(fù)合材料零件無氣孔、縮孔等，組織致密，性能好簡單易控，但設(shè)備復(fù)雜3.擠壓鑄造法（1）工藝過程通過壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料的預(yù)制件中壓力比真空壓力浸漬法高得多工藝參數(shù)（2）特點(diǎn)及應(yīng)用增強(qiáng)材料不需表面處理熔體與增強(qiáng)材料在高溫下接觸時(shí)間短，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)成本低主要用于批量生產(chǎn)陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件4.液態(tài)金屬攪拌法（1）工藝過程將顆粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻