復合材料成型

1、一一 復合材料的定義、分類和性能復合材料的定義、分類和性能第七章 復合材料成型復合材料(composite materials)：由兩種或兩種以上：由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質通過組合而成的一種多物理和化學性質不同的物質通過組合而成的一種多相固體材料。相固體材料。這是國際標準化組織這是國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)為復合材料下為復合材料下的定義。的定義。1 復合材料定義復合材料定義2 復合材料的分類復合材料的分類有按基體和增強材料分類等多種分法：有按基體和增強材料分類等多種分法： 在復合材料中，

2、通常一相為連續(xù)相，稱為在復合材料中，通常一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為另一相為分散相，稱為增強材料。分散相是以獨立。分散相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在著相界的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在著相界面。分散相可以是面。分散相可以是增強纖維、顆粒狀或彌散的填料。常用的增強相有：常用的增強相有： 長纖維、短纖維、晶須、顆粒以及無機非金屬長纖維、短纖維、晶須、顆粒以及無機非金屬材料（陶瓷碳纖維、石墨纖維）等。材料（陶瓷碳纖維、石墨纖維）等。復合復合材料材料金屬基復合材料金屬基復合材料高分子復合材料高分子復合材料無機非金屬無機非金屬基復合材料基復合材料水泥或混泥土基復

3、合材料水泥或混泥土基復合材料陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料1) 按基體材質分按基體材質分復合復合材料材料顆粒增強顆粒增強復合材料復合材料纖維增纖維增強復合強復合材料材料分散強化復合材料分散強化復合材料顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料片晶增強復合材料片晶增強復合材料連續(xù)纖維強連續(xù)纖維強化復合材料化復合材料不連續(xù)纖維強不連續(xù)纖維強化復合材料化復合材料短纖維短纖維晶須晶須玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維有機纖維有機纖維2) 按增強材料分按增強材料分B2隱形轟炸、隱形轟炸、殲擊機。大量殲擊機。大量使用了復合材使用了復合材料。料。C纖維增強復合材料制作纖維增強復合材料制作的構件，用于衛(wèi)星上固的構件，用于衛(wèi)星上

4、固定儀器的框架。定儀器的框架。全部由金屬基復合材料全部由金屬基復合材料制造的曲軸連桿機構。制造的曲軸連桿機構。復合裝飾材料復合裝飾材料玻璃纖維玻璃纖維/ /樹脂復合材樹脂復合材料制作的反射器料制作的反射器B/Al葉片、管件葉片、管件C纖維纖維3 復合材料的性能：復合材料的性能：1) 復合材料的比強度和比模量較高復合材料的比強度和比模量較高2) 復合材料抗疲勞性能好復合材料抗疲勞性能好3) 復合材料減振性能好復合材料減振性能好4) 復合材料耐熱性高溫性能好復合材料耐熱性高溫性能好二二 纖維復合材料成型過程纖維復合材料成型過程 各類復合材料中使用最多且最重要的是纖維復各類復合材料中使用最多且最重要

5、的是纖維復合材料，故主要介紹制造機器構件的纖維復合材料合材料，故主要介紹制造機器構件的纖維復合材料成型過程。成型過程。1 纖維制取方法纖維制取方法 纖維復合材料中的纖維，主要有纖維復合材料中的纖維，主要有玻璃纖維、碳玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維和金屬細絲纖維、陶瓷纖維和金屬細絲。碳纖維碳纖維玻璃纖維玻璃纖維1) 熔體抽絲法熔體抽絲法將所制取材料熔化成液體，然后從將所制取材料熔化成液體，然后從液體中以極快的速度抽出細絲。此法主要用于制取玻液體中以極快的速度抽出細絲。此法主要用于制取玻璃、氧化鋁等纖維。璃、氧化鋁等纖維。晶須晶須2) 熱分解法熱分解法將人造或天然纖維在將人造或天然纖維在200300

6、的空的空氣中預氧化，然后在氣中預氧化，然后在1000 2000的氮氣中碳化，可制得的氮氣中碳化，可制得碳纖維。若將碳纖維在碳纖維。若將碳纖維在2500 3000氬氣中石墨化可得石氬氣中石墨化可得石墨纖維墨纖維。此法主要用于獲得連續(xù)的碳纖維或石墨纖維。此法主要用于獲得連續(xù)的碳纖維或石墨纖維。3) 拔絲法拔絲法將冶煉或粉末壓制生產的金屬坯料，在將冶煉或粉末壓制生產的金屬坯料，在高溫且有保護性氣氛中反復拉拔成細絲。此法主要用高溫且有保護性氣氛中反復拉拔成細絲。此法主要用于獲得長的金屬細絲。于獲得長的金屬細絲。4) 氣相沉積法氣相沉積法主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅等纖維

7、。等纖維。晶須晶須2 纖維復合材料成形方法纖維復合材料成形方法按基體材料在成型時的狀態(tài)分為兩大類：按基體材料在成型時的狀態(tài)分為兩大類：1) 固態(tài)法固態(tài)法基體和增強物在成型過程中均為基體和增強物在成型過程中均為固態(tài)固態(tài) 此法是將基體材料或箔與增強物按設計要求此法是將基體材料或箔與增強物按設計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于模具中，在經加熱加壓使基體與增強物復合粘結而模具中，在經加熱加壓使基體與增強物復合粘結而制成復合材料零件或制品。制成復合材料零件或制品。 基體材料主要是塑性好的基體材料主要是塑性好的Al、Cu、Ti及其合金及其合金等等

8、金屬基體和陶瓷基體金屬基體和陶瓷基體。當增強物為短纖維、晶須。當增強物為短纖維、晶須或顆粒時，其成型過程與粉末冶金相似。或顆粒時，其成型過程與粉末冶金相似。 具體方法有：具體方法有：粉末壓制法、熱壓固結法粉末壓制法、熱壓固結法、熱等熱等靜壓法靜壓法、拉拔法拉拔法、扎制法扎制法、擠壓法擠壓法等。等。2) 液態(tài)法液態(tài)法 即基體材料在成型時處于即基體材料在成型時處于熔融熔融狀態(tài)，與固體增狀態(tài)，與固體增強物復合后，通過基體材料的固化或凝固而獲得復強物復合后，通過基體材料的固化或凝固而獲得復合材料零件或制品的方法。合材料零件或制品的方法。 液態(tài)法中基體材料采用最多的是液態(tài)法中基體材料采用最多的是樹脂樹脂

9、，也有，也有金金屬材料屬材料?？梢灾苯佑脕碇圃炖w維復合材料零件，也?？梢灾苯佑脕碇圃炖w維復合材料零件，也廣泛用來制造纖維復合絲、復合帶、復合板、錠坯廣泛用來制造纖維復合絲、復合帶、復合板、錠坯等作為二次加工成零件的原材料。等作為二次加工成零件的原材料。 由玻璃、碳、硼纖維等與樹脂形成復合材料制由玻璃、碳、硼纖維等與樹脂形成復合材料制品的液態(tài)法就有許多種，按成型過程的特征主要有：品的液態(tài)法就有許多種，按成型過程的特征主要有：噴射成型法、壓制成型法、纖維纏繞成型法、連續(xù)噴射成型法、壓制成型法、纖維纏繞成型法、連續(xù)成型法、層壓成型法等成型法、層壓成型法等。 噴射成形法噴射成形法把切成小段的把切成小段

10、的( (玻璃玻璃) )纖維和樹脂一纖維和樹脂一起噴涂到模具表面，然后固化成型。起噴涂到模具表面，然后固化成型。噴射成形噴射成形1樹脂混合物；樹脂混合物；2纖維絲；纖維絲；3切斷切斷裝置；裝置；4噴槍；噴槍；5壓縮空氣壓縮空氣壓制成形法壓制成形法在模具上鋪好玻璃纖維制品，然后澆在模具上鋪好玻璃纖維制品，然后澆上配好的室溫固化樹脂加壓固化成型。上配好的室溫固化樹脂加壓固化成型。壓制成形壓制成形1下模；下模；2上模；上模；3加熱通道；加熱通道；4制品制品纖維纏繞成形法纖維纏繞成形法把連續(xù)纖維一邊浸以樹脂，一邊纏繞在芯軸上，然后把連續(xù)纖維一邊浸以樹脂，一邊纏繞在芯軸上，然后固化成型。主要用于制造管子、

11、壓力筒、圓筒形件等。固化成型。主要用于制造管子、壓力筒、圓筒形件等。纏繞成形纏繞成形1纖維；纖維；2型模型模(芯軸芯軸)；3樹脂浴槽樹脂浴槽連續(xù)成形法連續(xù)成形法 把纖維連續(xù)不斷地浸以樹脂，并通過?？诤凸贪牙w維連續(xù)不斷地浸以樹脂，并通過?？诤凸袒癄t，固化成板、棒或其它型材?；癄t，固化成板、棒或其它型材。連續(xù)成形連續(xù)成形1纖維；纖維；2樹脂浴槽；樹脂浴槽；3成形模；成形模；4固化爐；固化爐；5牽引裝置牽引裝置層壓成形法層壓成形法 把纖維制品或紙板、織物、石棉、木材等經浸漬把纖維制品或紙板、織物、石棉、木材等經浸漬或涂敷樹脂后疊堆，在加熱加壓下固化成各種夾層結或涂敷樹脂后疊堆，在加熱加壓下固化成各種

12、夾層結構，以獲得復合纖維板、棒、管和其它形狀。構，以獲得復合纖維板、棒、管和其它形狀。層壓成形層壓成形1纖維；纖維；2樹脂浴槽；樹脂浴槽；3牽引裝置；牽引裝置；4切割；切割；5層壓固化；層壓固化；6制品制品3 復合材料成形的系統(tǒng)優(yōu)化復合材料成形的系統(tǒng)優(yōu)化主要解決基體與增強相之間的相容性問題主要解決基體與增強相之間的相容性問題復合材復合材料相容料相容性性物理相容性物理相容性化學相容性化學相容性潤濕潤濕界面反應界面反應力學性能相容性力學性能相容性熱容性熱容性密度相容性密度相容性三三 顆粒增強復合材料成形過程顆粒增強復合材料成形過程 常用增強顆粒有常用增強顆粒有TiC、 TiN、Ti(CN)、AlN

13、、Al2O3、SiC等主要用于增強金屬基復合材料。等主要用于增強金屬基復合材料。主要介紹原位生成法主要介紹原位生成法(In Situ Production)。1 原位生成法概念及特點：原位生成法概念及特點： 在一定條件在一定條件( (高溫高溫) )下，通過元素之間或元素與下，通過元素之間或元素與化合物之間發(fā)生化學反應，在金屬基體內部原位生化合物之間發(fā)生化學反應，在金屬基體內部原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的高硬相成一種或幾種高硬度、高彈性模量的高硬相( (陶瓷陶瓷顆粒顆粒) )，從而達到強化基體的目的。，從而達到強化基體的目的。 與外加顆粒復合材料相比，原位生成復合材料的優(yōu)點：1）因其顆

14、粒是在基體中通過原位生成的，在熱力學）因其顆粒是在基體中通過原位生成的，在熱力學上是穩(wěn)定相，沒有污染、潤濕及界面反應的問題。上是穩(wěn)定相，沒有污染、潤濕及界面反應的問題。2）原位生成的顆粒，其尺寸非常?。┰簧傻念w粒，其尺寸非常小(5 )且分布且分布均勻，可減少偏析和偏聚。均勻，可減少偏析和偏聚。m3）成本較低。因為省去了增強相顆粒的制備、加）成本較低。因為省去了增強相顆粒的制備、加入，工藝簡單。入，工藝簡單。4）用原位復合的方法，可采用鑄造法來制造形狀復）用原位復合的方法，可采用鑄造法來制造形狀復雜、尺寸較大的凈近形鑄件。雜、尺寸較大的凈近形鑄件。2 原位生成法具體介紹原位生成法具體介紹 V

15、LS法法1) 氣氣液相反應法液相反應法 是將含有是將含有C或或N的氣體通入到高溫的金屬熔體中，的氣體通入到高溫的金屬熔體中，使氣體中的使氣體中的C或或N與金屬熔體中的元素發(fā)生反應，生與金屬熔體中的元素發(fā)生反應，生成高硬度、高彈性模量的碳化物或氮化物。成高硬度、高彈性模量的碳化物或氮化物。DIMox法法(直接氧化法直接氧化法) 在鋁液表面生成氧化膜，使其氧化膜內有細小在鋁液表面生成氧化膜，使其氧化膜內有細小的管道，使其下部的鋁液不斷的氧化，這樣生成陶的管道，使其下部的鋁液不斷的氧化，這樣生成陶瓷材料瓷材料Al2O3。2) 固固液相反應法液相反應法 直接反應法直接反應法 在氬氣的保護下，將配備的碳

16、粉加入到在氬氣的保護下，將配備的碳粉加入到1500 的的Cu-Ti合金中，開始碳粉浮在金屬液表面，隨著保溫合金中，開始碳粉浮在金屬液表面，隨著保溫的進行，碳粉逐漸減少直至消失，的進行，碳粉逐漸減少直至消失，Ti+CTiC(顆粒顆粒)，攪拌，則生成了銅基復合材料。攪拌，則生成了銅基復合材料。 1200 的的Al-Si(Si30%)中，加入碳粉，保溫一段時中，加入碳粉，保溫一段時間，間， Si+CSiC(顆粒顆粒)，從而得到，從而得到SiC顆粒增強的鋁顆粒增強的鋁基復合材料?；鶑秃喜牧稀＿€原反應法還原反應法 將不太穩(wěn)定的化合物加入到高溫溶液中，其與溶液將不太穩(wěn)定的化合物加入到高溫溶液中，其與溶液中的某個組元發(fā)生反應，生成更加穩(wěn)定的某種顆粒。中的某個組元發(fā)生反應，生成更加穩(wěn)定的某種顆粒。3) 固固固反應法固反應法 自曼延高溫合成法自曼延高溫合成法 兩種反應物能發(fā)生強放熱反應