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)材料的另一個特點是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)

2、的鋁基復(fù)合材料，在 500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) 1500，比超合金渦輪葉片的使用溫度（ 1100）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、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓

3、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溫度下，通過施加壓力實現(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)、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的

4、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?；?、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)合材料還用于制造體育運動器件和用作建筑材料等。2.復(fù)合材料

5、的加工方法與特點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 模壓料注射技術(shù)；（ 12）模

6、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：(1)手糊成型工藝。優(yōu)點是成型不受產(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)備簡單、投資少、

7、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：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：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

8、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：制造費用低，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：生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。較難實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，因而勞動強(qiáng)度大。 因為飛邊厚，塑件厚度方向的尺寸難以控制，所以模壓成型不能模壓尺寸

9、精度要求較的制品。（5）層壓工藝。特點：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)點能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計纏繞規(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

10、果。纏繞成型的缺點 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，因為纏繞時，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)周期）要求。（ 4）企業(yè)可能提供的設(shè)備條件及資金。（

11、 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？RTM 即樹脂傳遞模塑，是將液態(tài)熱固性樹脂及固化劑，由計量設(shè)備分別從儲桶內(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

12、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：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、小型游艇等。RTM 成型工藝對環(huán)氧樹脂的要求

13、：（ 1）室溫或工作溫度下具有較低的粘度（ 0.5 1.5P ·s），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（ 80130），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？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)有氮氣、氧氣、氫氣 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、登山隊員的供氧器，特點：重量輕、便于攜帶、高疲勞