產(chǎn)品造型設計材料與工藝 第3版 課件 07復合材料及其成形

第七章復合材料及其成形產(chǎn)品造型設計材料與工藝27.1復合材料概述7.1.1復合材料的分類

復合材料是將兩種或兩種以上成分不同、性質(zhì)不同的材料組合在一起，構成性能比各組成材料優(yōu)異的一類新型材料。根據(jù)基體的不同，復合材料可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料等。

根據(jù)使用性能的不同，復合材料可分為結構復合材料和功能復合材料。根據(jù)增強體形態(tài)的不同，復合材料可分為連續(xù)纖維復合材料、短纖維（晶須）復合材料、顆粒復合材料及編織物復合材料。

第七章復合材料及其成形圖7-1不同種類的復合材料制品37.1復合材料概述7.1.2復合材料的優(yōu)點1.比強度和比模量高2.抗疲勞性能好3.耐磨性能好4.減振性能強5.高溫性能好6.成形工藝簡單靈活

第七章復合材料及其成形4

7.2常用復合材料成形工藝

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形

熱固性樹脂基復合材料以熱固性樹脂為基體，以無機物、有機物為增強材料。

（1）手糊成形手糊成形是先在涂有脫模劑的模具上均勻涂上一層樹脂混合液，再將裁剪成一定形狀和尺寸的纖維增強織物，按制品要求鋪設到模具上并使其平整。多次重復以上步驟逐層鋪貼，直至所需層數(shù)，然后固化成形，脫模修整獲得坯件或制品，其工藝流程如圖7-2所示。

第七章復合材料及其成形圖7-2手糊成形工藝流程圖5

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（2）噴射成形利用壓縮空氣將經(jīng)過特殊處理而霧化的樹脂膠液與短切纖維，同時通過噴射機的噴槍均勻噴射到模具上沉積，經(jīng)過輥壓、浸漬以及排出氣泡等步驟后，再繼續(xù)噴射，直至完成坯件制件，最后固化成制品的一種成形方法，圖7-3為噴射成形原理圖。

第七章復合材料及其成形圖7-3噴射成形原理圖6

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（3）層壓成形將紙、棉布、玻璃布等片狀增強材料，在浸膠機中浸漬樹脂，經(jīng)干燥制成浸膠材料，然后按層壓制品的大小，對浸膠材料進行裁剪，并根據(jù)制品要求的厚度（或質(zhì)量）計算所需浸膠材料的張數(shù)，逐層疊放在多層壓機上，進行加熱層壓固化，脫模獲得層壓制品，其工藝過程如圖7-4所示。為使層壓制品表面光潔美觀，疊放時可于最上和最下兩面放置2～4張含樹脂量較高的面層用浸膠材料。

第七章復合材料及其成形圖7-4層壓成形工藝過程圖片狀增強材料

樹脂表面干燥處理浸漬→烘干→剪裁→疊塊→層壓→脫模→整修7

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（4）鋪層法成形用手工或機械手，將預浸材料按預定方向和順序在模具內(nèi)逐層鋪貼至所需厚度或?qū)訑?shù)，獲得鋪層坯件，然后將坯件裝袋，經(jīng)加熱加壓固化、脫模修整獲得制品的成形方法。

第七章復合材料及其成形圖7-5鋪層加壓固化方法示意圖鋪層成形法通常有真空袋法、加壓袋法、熱壓罐法等，如圖7-5所示。它們均可與手糊成形、噴射成形或?qū)訅撼尚闻涮资褂?，用于坯件的加壓固化成形，常作為復合材料坯件的后續(xù)成形加工方法。

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7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（5）纏繞法成形采用預浸紗帶、預浸布帶等預浸料，或?qū)⑦B續(xù)纖維、布帶浸漬樹脂后，在適當?shù)睦p繞張力下按一定規(guī)律纏繞到一定形狀的芯模上至一定厚度，經(jīng)固化脫模獲得制品的一種方法。該方法成形的制品結構合理、比強度高；制品精度高、質(zhì)量好；易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；但需要專門的設備，投資較大。圖7-6為纏繞法成形示意圖。

第七章復合材料及其成形圖7-6纏繞法成形示意圖9

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（6）模壓成形將模塑料、預浸料以及纏繞在芯模上的纏繞坯料等在金屬模具中，在壓力和溫度作用下經(jīng)過塑化、熔融流動、充滿模腔成形固化而獲得制品。模壓成形方法適用于異形制品的成形，又可分為壓制模壓成形、壓注模壓成形與注射模壓成形。圖7-7為壓注模壓成形示意圖。

第七章復合材料及其成形圖7-7壓注模壓成形原理圖10

7.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形（7）離心澆注成形利用筒狀模具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將短切纖維連同樹脂同時均勻噴灑到模具內(nèi)壁形成坯件；或先將短切纖維氈鋪在筒狀模具的內(nèi)壁上，再在模具快速旋轉(zhuǎn)的同時，向纖維層均勻噴灑樹脂液浸潤纖維形成坯件，坯件達所需厚度后通熱風固化。該成形方法的特點是制件壁厚均勻、外表光潔，適用于大直徑筒、管、罐類制件的成形。

第七章復合材料及其成形圖7-8離心澆注成形示意圖117.2.1樹脂基復合材料成形

1.熱固性樹脂基復合材料的成形

（8）擠拉成形如圖7-9所示，將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶，在牽引機構拉力作用下，通過成形模定形，再進行固化，連續(xù)引拔出長度不受限制的復合材料管、棒、方形、工字形、槽形以及非對稱形的異形截面等型材，如飛機和船舶的結構件，礦井和地下工程構件等。拉擠工藝只限于生產(chǎn)型材，設備復雜。

第七章復合材料及其成形圖7-9擠拉成形示意圖127.2.1樹脂基復合材料成形

2.熱塑性樹脂基復合材料的成形熱塑性樹脂基復合材料由熱塑性樹脂和增強材料組成。熱塑性樹脂基復合材料成形時，基體樹脂不發(fā)生化學變化，而是靠樹脂的物理狀態(tài)的變化來完成。其過程主要由加熱熔融、流動成形和冷卻硬化三個階段組成。已成形的坯件或制品，在加熱熔融后還可以二次成形。粒子及短纖維增強的熱塑性樹脂基復合材料可采用擠出成形、注射成形和模壓成形，其中，擠出成形和注射成形占主導地位。

第七章復合材料及其成形137.2.2金屬基復合材料成形1.顆粒增強金屬基復合材料成形（1）粉末冶金法。先將金屬粉末或預合金粉末和增強相均勻混合，然后壓制成錠塊或預制成形坯，再通過擠壓、軋制、鍛造等二次加工制成型材或零件的方法，是制備金屬基復合材料尤其是顆粒增強金屬基復合材料的主要工藝方法。（2）鑄造法。一邊攪拌金屬或合金熔融體，一邊向熔融體逐步投入增強體，使其分散混合，形成均勻的液態(tài)金屬基復合材料，然后采用壓力鑄造、離心鑄造和熔模精密鑄造等方法形成金屬基復合材料的成形法。

第七章復合材料及其成形147.2.2金屬基復合材料成形1.顆粒增強金屬基復合材料成形（3）加壓浸漬法。將顆粒、短纖維或晶須增強體制成含一定體積分數(shù)的多孔預成形坯體，將預成形坯體置于金屬型腔的適當位置，澆注熔融金屬并加壓，使熔融金屬在壓力下浸透預成形坯體（充滿預成形坯體內(nèi)的微細間隙），冷卻凝固形成金屬基復合材料制品，采用此法已成功制造了陶瓷晶須局部增強鋁活塞，圖7-10為加壓浸漬工藝示意圖。

（4）擠壓或壓延成形法。

將短纖維或晶須增強體與金屬粉末混合后進行熱擠或熱軋，獲得棒材、型材和管材的方法。

第七章復合材料及其成形圖7-10加壓浸漬工藝示意圖157.2.2金屬基復合材料成形2.纖維增強金屬基復合材料成形（1）擴散結合法

第七章復合材料及其成形圖7-11擴散結合法示意圖

按制件形狀及增強方向要求，將基體金屬箔或薄片、以及增強纖維裁剪后交替鋪疊，然后在低于基體金屬熔點的溫度下加熱加壓并保持一定時間，基體金屬產(chǎn)生蠕變和擴散，使纖維與基體間形成良好的界面結合，獲得制件的成形法，是連續(xù)長纖維增強金屬基復合材料最具代表性的復合工藝。圖7-11為擴散結合法示意圖。167.2.2金屬基復合材料成形2.纖維增強金屬基復合材料成形（2）熔融金屬滲透法。在真空或惰性氣體介質(zhì)中，使排列整齊的纖維束之間浸透熔融金屬的方法，如圖7-12所示。常用于連續(xù)制取圓棒、管子和其它截面形狀的型材，而且加工成本低。

（3）等離子噴涂法。在惰性氣體保護下，等離子弧向排列整齊的纖維噴射熔融金屬微粒子。

第七章復合材料及其成形圖7-12熔融金屬滲透法示意圖177.2.2金屬基復合材料成形3.層合金屬基復合材料成形層合金屬基復合材料是由兩層或多層不同金屬相互緊密結合組成的材料，可根據(jù)需要選擇不同的金屬層。其成形方法有軋合、雙金屬擠壓、爆炸焊合等。（1）軋合。將不同的金屬層通過加熱、加壓軋合在一起，形成整體結合的層壓包覆板。包覆層金屬的厚度范圍一般是層壓板厚度的2.5％～20％。（2）雙金屬擠壓。將由基體金屬制成的金屬芯，置于由包覆用金屬制成的套管中，組裝成擠壓坯，在一定壓力、溫度條件下擠壓成帶無縫包覆層的線材、棒材、矩形和扁型材等。（３）爆炸焊合。利用炸藥爆炸產(chǎn)生的脈沖高壓對材料進行復合成形的方法，通常用于將兩層或多層的異種金屬板、片、管與增強相結合在一起形成復合板材或管材。第七章復合材料及其成形187.2.3陶瓷基復合材料成形

陶瓷基復合材料的成形方法分為兩類，一類是針對陶瓷短纖維、晶須、顆粒等增強體，其成形工藝與陶瓷基本相同，如料漿澆鑄法、熱壓燒結法等；另一類是針對碳、石墨、陶瓷連續(xù)纖維增強體，其成形工藝常采用料漿浸滲法、熱壓燒結法和化學氣相滲透法。(1)粉末冶金法。是將作為基體的陶瓷粉末和增強材料以及加入的粘接劑混合均勻后，冷壓制成所需形狀，然后進行燒結或直接熱壓燒結制成陶瓷基復合材料。前者稱為冷壓燒結法，后者稱為熱壓燒結法。（2）料漿浸滲法。將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進行燒結，其優(yōu)點是不損傷增強體，工藝較簡單，無需模具；缺點是增強體在陶瓷基體中的分布不大均勻。

第七章復合材料及其成形圖7-13粉末冶金法197.2.3陶瓷基復合材料成形

（3）料漿浸漬熱壓成形法。將纖維或織物增強體置于制備好的陶瓷粉體漿料里浸漬，然后將含有漿料的纖維或織物增強體布成一定結構的坯體，干燥后在高溫、高壓下熱壓燒結為制品。（4）化學氣相滲透工藝。又稱CVI法，是將增強纖維編織成所需形狀的預成形體，并置于一定溫度的反應室內(nèi)，然后通入某種氣源，在預成形體孔穴的纖維表面上產(chǎn)生熱分解或化學反應沉積出所需陶瓷基質(zhì)，直至預成形體中各孔穴被完全填滿，獲得高致密度、高強度、高韌性的制件。

第七章復合材料及其成形圖7-14化學氣相滲透工藝原理207.3復合材料在產(chǎn)品設計中的應用7.3.1產(chǎn)品設計中常用的復合材料