復(fù)合材料制造工藝

1、復(fù)合材料制造工藝 第一章概述 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代人們把 材料、信息、能源作為社會(huì)文明的支柱；80年代以高技術(shù)群為代表 的新技術(shù)革命，又把新材料與信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。這主要是因?yàn)椴牧鲜菄窠?jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)與人民生 活所不可須臾缺少的重要組成部分。復(fù)合材料作為材料科學(xué)中一枝獨(dú)立的新的科學(xué)分支，已經(jīng)得到了廣泛的重視，正日益發(fā)展并在許多工業(yè)部門中得到廣泛運(yùn)用，成為當(dāng)今高科技發(fā)展中新材料開發(fā)的一個(gè)重要方面。 鑒于材料的重要的基礎(chǔ)地位和作用，每一次科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，都對材料的性能提出了越來越高、越來越嚴(yán)和越來越多的要求?，F(xiàn)如今在許多方面，傳統(tǒng)

2、的單一材料已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要，在這種 情況下，人們以其充滿智慧的頭腦將材料的新的發(fā)展方向伸向一個(gè)更加廣闊的領(lǐng)域一一復(fù)合材料。 本文就將對復(fù)合材料的基本概念、加工中的理論問題、制備工藝 與方法和典型的應(yīng)用加以闡述，希望能夠比較全面的對復(fù)合材料做一個(gè)介紹。 首先我們來給復(fù)合材料下一個(gè)明確的定義。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (InternationalOrganizationforStandardization,ISC)為復(fù)合材料下的 定義，復(fù)合材料(ComposeMaterial)是由兩種或者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。復(fù)合材料的組份材料雖然保持其相對獨(dú)立性，但是復(fù)合材料

3、的性能卻不是組份材料性能的簡單加和，而是有著重要的改進(jìn)。在復(fù)合材料中通常有一相為連續(xù)相（稱為基體），而另一相為分散相（增強(qiáng)材料）。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的。兩相之間存在著相界面，分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。 復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，也是材料設(shè)計(jì)方面的一個(gè)突破。它綜合了各種材料如纖維、樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點(diǎn)，按照需要設(shè)計(jì)，復(fù)合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料。可以預(yù)見，如果用材料作為歷史分期的依據(jù)，那么，繼石器、青銅、鐵器、鋼鐵時(shí)代之后，在21世紀(jì)，將是復(fù)合材料的時(shí)代。 在概述的余下一些篇幅中， 我們來大致了解一下關(guān)于復(fù)合材料的

4、一些基本內(nèi)容。 一、 復(fù)合材料的命名和分類 復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來命名。 將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上“復(fù)合材料”即為材料名。為書寫簡便，也可僅寫增強(qiáng)材料和基體材料的縮寫名稱，中間加一條斜線隔開，后面再加“復(fù)合材料”。有時(shí)為了突出增強(qiáng)材料或者基體材料，視強(qiáng)調(diào)的組份不同也可將不需強(qiáng)調(diào)的部分加以省略或簡寫。 復(fù)合材料的分類方法很多，常見的分類方法有以下幾種: a.按增強(qiáng)材料形態(tài)分：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 b.按增強(qiáng)纖維種類分類：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

5、料,混雜復(fù)合材料(復(fù)合材料的“復(fù)合材料”) c.按基體材料分類：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， d.按材料作用分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，功能復(fù)合材料 二、 復(fù)合材料的基本性能 復(fù)合材料是由多相材料復(fù)合而成，其共同特點(diǎn)為： (1)綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。 (2)可按對材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。 (3)可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工的工序。 由于復(fù)合材料性能受許多因素的影響，不同的復(fù)合材料性能不同，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個(gè)定值，故在此處給出一些主要性能： I聚合物基復(fù)合材料 i)比強(qiáng)度，比模

6、量大。 ii)耐疲勞性能好。 iii)減震性好。 iv）過載時(shí)安全性能好。 v）具有多種功能性，耐燒蝕性能，摩擦性能好，電絕緣性能高，耐腐蝕性能優(yōu)良，有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性。 vi）有很好的加工工藝性。 n金屬基復(fù)合材料 i）高比強(qiáng)度，高比模量。 ii）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能高。 iii）熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好。 iv）良好的高溫性能。 v）耐磨性好。 Vi）良好的抗疲勞性能和斷裂韌性。 vii）不吸潮，不老化，氣密性好。 m陶瓷基復(fù)合材料 強(qiáng)度高，硬度大，耐高溫，抗氧化，高溫下抗磨損性好，耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和比重較小，制成復(fù)合材料以后抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性高。 IV水泥基復(fù)合材料

7、壓縮強(qiáng)度、熱能方面性能優(yōu)異，制成復(fù)合材料以后抗拉性能和耐腐蝕性能增強(qiáng)，重量降低。 通過以上的一些敘述，我們對復(fù)合材料的一些根本點(diǎn)有了初步的了解，下面就進(jìn)入正題，對復(fù)合材料的制造工藝進(jìn)行一些探討。 第二章加工中的理論問題 在這一章中，我們將從基體與增強(qiáng)材料的選擇、復(fù)合材料的界面以及增強(qiáng)材料的表面處理等方面入手，掌握一些復(fù)合材料加工的基本原理，以便對以后的工藝和技術(shù)的使用有一個(gè)理論基礎(chǔ)。 一、基體與增強(qiáng)材料的選擇 由于基體材料的不同，我們有必要將這些材料分開論述。首先來看一下金屬基復(fù)合材料的基體選擇。 金屬基復(fù)合材料構(gòu)（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在不同技術(shù)領(lǐng)域和不同的工況

8、條件下對于復(fù)合材料構(gòu)件的性能要求有很大的差異。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的情況選擇不同的復(fù)合材料基體。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度、比模量、尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。宜選用密度小的輕金屬合金作為基體。高性能發(fā)動(dòng)機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度、比模量性能外，還要求復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作，需選用鈦基、銀基合金以及金屬間化合物做基體材料。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求成本低，適合批量生產(chǎn)，則使用鋁合金做基體材料。工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導(dǎo)熱率的 Ag、CuAl等金屬為基體。 由于增強(qiáng)物

9、的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)理的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，其本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維的性能，故在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。但對于非連續(xù)增強(qiáng) （顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，其強(qiáng)度對非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有決定性的影響。故要獲得高性能的金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度的鋁合金為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。 選擇基體時(shí)應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容

10、性（特別是化學(xué)相容性）， 并考慮到盡可能在金屬基復(fù)合材料成型過程中，抑制界面反應(yīng)。由于金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，所以在金屬基復(fù)合材料制備過程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過程中，處于高溫?zé)崃W(xué)不平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成脆性的反映層，對復(fù)合材料的強(qiáng)度影響很大。再者，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，Me與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度和生成的反應(yīng)物都不同，須在選用基體合金成分時(shí)充分考慮。 接下來看無機(jī)膠凝材料，無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和應(yīng)用最多的是纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)塑料。我們就來看看水泥基材料的特征：（1）水泥基體為多孔體系，孔 隙

11、尺寸1102埃。其存在不僅會(huì)影響基體本身的性能，也會(huì)影響纖維與基體的界面粘接。（2）纖維與水泥的彈性模量比不大，在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞效應(yīng)遠(yuǎn)不如纖維增強(qiáng)樹脂。（3）水泥基材 的斷裂延伸率較低，在纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，水泥基材即行開裂。（4）水泥基材中含有粉末或顆粒狀的物料，與纖維成點(diǎn)接觸，故纖維的摻量受到很大限制。（5）水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護(hù)作用，但對大多數(shù)礦物纖維不利。 水泥基體的水化過程相當(dāng)復(fù)雜，物理化學(xué)變化多樣。由于篇幅有限，故在此略過不述。 第三，我們看看陶瓷材料，陶瓷使金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價(jià)鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電

12、子。劣勢和優(yōu)勢同樣明顯。在陶瓷基復(fù)合材料誕生后，陶瓷的優(yōu)勢被保留，同時(shí)其劣勢由于增強(qiáng)材料的加入又被彌補(bǔ)了，使陶瓷材料進(jìn)入了新的發(fā)展領(lǐng)域。用作基體材料使用的陶瓷一般應(yīng)具有耐高溫性質(zhì)、與纖維 或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷 基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。 另外一類重要的基體是聚合物基體，顧名思義，此基體的主要組分是聚合物。其種類多樣，常用的有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物。各組分的作用和關(guān)系都十分復(fù)雜。一般來說有三種主要作用：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖 維不受環(huán)境影響。由于沒有在本系中涉及此類材料，所以簡略

13、說明， 若必要可參看參考資料 纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用，是主要的承力組分。主要分為： 1 .玻璃纖維及其制品：具有一些列優(yōu)良性能，拉伸強(qiáng)度高、防火防霉防蛀、耐高溫和電絕緣性能好，除對HR濃堿、濃磷酸外，對所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是具有脆性、不耐磨、對人的皮膚有刺激性等。 2 .碳纖維：比重在1.52.0之間，熱膨脹系數(shù)有各向異性的特點(diǎn)，導(dǎo)熱有方向性，比電阻與纖維類型有關(guān)，耐高低溫性能良好，除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的，耐油、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子。 3 .芳綸纖維（有機(jī)纖維）：拉伸強(qiáng)度高，彈性模量高，密度小，熱穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)各向異性，有良好的

14、耐介質(zhì)性能，但易受各種酸堿的侵蝕，耐水性不好。 4 .其他纖維：由碳化硅纖維、硼纖維、晶須、氧化鋁纖維等。 以上基體和增強(qiáng)材料的結(jié)合運(yùn)用，能使人們按照自己的要求制造出特種復(fù)合材料，在物質(zhì)基礎(chǔ)上滿足人們的需要。 復(fù)合材料的界面及增強(qiáng)材料的表面處理 復(fù)合材料的界面指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu) 成彼此結(jié)合的、能起載和傳遞作用的微小區(qū)域。 一般可將界面的機(jī)能歸納為：傳遞效應(yīng)、阻斷效 應(yīng)、不連續(xù)效應(yīng)、散射和吸收效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)。 叵-Ai互濘圣工；F*mHifcEEf 國1.界亞球承.白圓 界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要作用。界面的效應(yīng)既與界面結(jié)合

15、狀態(tài)、形態(tài)和物理- 化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，也與界面兩側(cè)組分材料的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。 復(fù)合材料中的界面并不是單純的幾何面，而是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)劑內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開始，直到與樹 脂基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相，從結(jié)構(gòu)來分，這一界面區(qū)有五個(gè)亞層組成（圖2-1）,每一亞層的性能均與樹脂基體和增強(qiáng)基的性質(zhì)、偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成型方法等密切相關(guān)。 由于界面尺寸小且不均勻，化學(xué)成分基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，及對于成分和相結(jié)構(gòu)也很難做出全面分析。因此迄今為止對復(fù)合材料界面的認(rèn)識還是很不充分，更談不上一個(gè)通用的模型來

16、建立完整的理論。所以對于界面只能簡單羅列一下各個(gè)理論。 對于聚合物基復(fù)合材料界面，其界面形成分為兩個(gè)階段：1.基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤過程；2.聚合物的固化階段。目前有的理論為：界面浸潤理論；化學(xué)鍵理論；物理吸附理論；變形層理論；拘束層理論；擴(kuò)散層理論；減弱界面局部應(yīng)力作用理論。 對于金屬基復(fù)合材料的界面，比聚合物基復(fù)合材料復(fù)雜的多。表2-1列出金屬基復(fù)合材料界面的幾種類型。其中，I類界面是平整的，厚度僅為分子層的程度，除原組成成分外，界面上基本不含其他物質(zhì)；n類界面是由原組成成分構(gòu)成的犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散型界面；田類界 面則含有亞微級左右的界面反應(yīng)物質(zhì)（界面反應(yīng)層） 口I 類型丑 類型出 纖

17、維與基體互不反 纖維與基體不反 纖維與基體相互反應(yīng)形成 應(yīng)亦不溶解 應(yīng)但相互溶解 界面反應(yīng)層 鴇絲/銅 Al2O纖維/銅 鴇絲/銅-鈦合金 Al2O纖維/銀 鍍銘的鴇絲/銅 碳纖維/鋁（580C） 硼纖維（表面涂BN 碳纖維/銀 AI2Q纖維/鈦 /鋁 鴇絲/銀 B纖維/Ti 不銹鋼絲/鋁 合金共晶體絲/同 B纖維/Ti-Al SiC纖維（CVD/鋁 一合金 SiC纖維/鈦 硼纖維/鋁 SiO2纖維/Al 硼纖維/鎂 表2-1金屬基纖維復(fù)合材料界面的類型 界面類型還與復(fù)合方法有關(guān)。金屬基纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合可 以分成以下幾種形式：（1）物理結(jié)合；（2）溶解和浸潤結(jié)合；（3）反應(yīng)結(jié)合。在實(shí)際情

18、況中，界面的結(jié)合方式往往不是單純的一種類型。 與聚合物基復(fù)合材料相比，耐高溫是金屬基復(fù)合材料的主要特 點(diǎn)。因此，金屬基復(fù)合材料的界面能否在所允許的高溫環(huán)境下長時(shí)間 保持穩(wěn)定是非常重要的。影響界面穩(wěn)定性的因素包括：高溫條件下增 強(qiáng)纖維與基體之間的熔融；復(fù)合材料在加工和使用過程中發(fā)生的界面 化學(xué)作用。止匕外，在金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了要考慮化學(xué)方面的因素外，還應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與金屬基體的物理相容性。 再看陶瓷基復(fù)合材料的界面。其中增強(qiáng)纖維與基體之間形成的反應(yīng)層質(zhì)地比較均勻，對纖維和基體都能很好的結(jié)合，但通常是脆性的。因增強(qiáng)纖維的橫截面多為圓形，故界面反應(yīng)層常為空心圓筒狀，其厚度可以控制。當(dāng)反應(yīng)

19、層達(dá)到某一厚度時(shí)，復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度開始降低，此時(shí)反應(yīng)層的厚度可定義為第一臨界厚度。若反應(yīng)層厚度繼續(xù)增大，材料強(qiáng)度亦隨之降低，直至達(dá)某一強(qiáng)度時(shí)不再降低，這時(shí)反應(yīng)層厚度成為第二臨界厚度。 接下來我們對于不同的增強(qiáng)材料的表面處理做一個(gè)討論： 玻璃纖維：本世紀(jì)40年代初期發(fā)展起來的玻璃纖維增強(qiáng)塑料即玻璃鋼，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)良性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、機(jī)械、造船、建材和體育器材等方面。玻璃纖維的表面狀態(tài)及其與基體之間的界面狀況對玻璃纖維復(fù)合材料的性能有很大影響。玻璃纖維的主要成分是硅酸鹽。通常玻璃纖維與樹脂的界面粘結(jié)性不好，故常采用偶聯(lián)劑涂層的方法對纖維表面進(jìn)行處理。用表面

20、處理劑處理玻璃纖維的方法，目前采用的有三種：前處理法、后處理法、遷移法。 碳纖維：由于碳纖維本身的結(jié)構(gòu)特征，使其與樹脂的界面粘結(jié)力不大，因此用未經(jīng)表面處理的碳纖維制成的復(fù)合材料其層間剪切強(qiáng)度較低?？捎糜谔祭w維表面處理的方法較多，有：氧化、沉積、電聚合與電沉積、等離子體處理等。 Kevlar纖維：與碳纖維相比，適于此纖維表面處理的方法不多， 目前主要是基于化學(xué)鍵理論，通過有機(jī)化學(xué)反應(yīng)和等離子體處理，在纖維表面引進(jìn)或產(chǎn)生活性基團(tuán)，從而改善纖維與基體之間的界面粘結(jié)性能。 超高分子量聚乙烯纖維：有一種力學(xué)性能優(yōu)異的高強(qiáng)高模纖維。 由于無機(jī)性基因，故很難與基體形成良好的界面結(jié)合，影響了復(fù)合材料的整體力學(xué)

21、性能。目前交常用的改型方法為等離子體處理。 金屬纖維：對于金屬基復(fù)合材料，表面處理的目的主要是改善纖維的浸潤性和抑制纖維與金屬基體之間界面反應(yīng)層的生成。 第三章制備工藝與方法 在上一章中，我們比較全面概括地說明了復(fù)合材料在加工過程中的一些原理。能給我們在這一章對加工工藝和設(shè)備的討論中提供一些理論基礎(chǔ)。在接下來的這一章中，我們來看看復(fù)合材料的加工工藝與設(shè)備。 一、聚合物基復(fù)合材料成型加工技術(shù) 復(fù)合材料的性能在纖維與樹脂體系確立以后， 主要決定適于成型固化工藝。所謂成型固化工藝包括兩方面的內(nèi)容，一是成形，就是將預(yù)浸料根據(jù)產(chǎn)品的要求，輔置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀。 二是進(jìn)行固化，這就是使一鋪

22、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)的性能要求。 復(fù)合材料及其制件的成型方法，是根據(jù)產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)與使用要求，結(jié)合材料的工藝性來確定的。從20世紀(jì)40年代聚合物及復(fù)合材料及其制件成型方法的研究與應(yīng)用開始，隨著聚合物及復(fù)合材料工業(yè)迅速發(fā)展和日漸完善，新的高效生產(chǎn)方法不斷出現(xiàn)，已在生產(chǎn)中采 用的成型方法有： 1手糊成型一濕法鋪層成型。9注射成型。 2真空袋壓法成型。10擠出成型。 3壓力袋成型。11纖維纏繞 成型。 4樹脂注射和樹脂傳遞成型。12拉擠成型。 5噴射成型。13連續(xù)板材 成型。 6真空輔助樹脂注射成型。14層壓或卷 制成型。 7夾層結(jié)構(gòu)

23、成型。15熱塑性片狀膜塑料熱沖壓成型。 8模壓成型。16離心澆鑄成型 上述9、10、15為熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型工藝，分別適用于短纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料兩類。 在這些成型方法中大部分使用已較普遍，在此對一些成型工藝作簡單的介紹。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料及其制件的成型工藝將向更完善更精密的方向發(fā)展 1.手糊工藝 手糊工藝是聚合物基復(fù) 合材料制造中最早采用和最簡單的方法。其工藝過程是先在磨具上涂刷含有固化劑 的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓根或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度為

24、止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型），或者利用樹脂體系固化釋放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后唾沫得到復(fù)合材料制品，其工藝流程如圖3-1所示： 手糊成型工藝是復(fù)合材料最早的一種成型方法。 雖然所占比重呈下降趨勢，但仍不失為主要成型工藝。具優(yōu)點(diǎn)為： 1手糊成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大批量小形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)。 2設(shè)備簡單，投資少，設(shè)備折舊費(fèi)低。 3工藝簡便。 4易于滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)是k摩 T 后的用|，椅小 Es-i手糊成型工芯航程 增強(qiáng)材料。 5制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。 同時(shí)，手糊成型也有缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)衛(wèi)生條件差。

25、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。 2 .模壓成型工藝 模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都是用的纖維復(fù)合材料成型方法。 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模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品，再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。 模壓成型工藝是一種古老的工藝技術(shù)，生產(chǎn)效率較高，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無須有損制品性能的二次加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但是磨具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高，制品尺寸

26、受設(shè)備限制，一般只適合制造批量大的中小型制品。 3 .RThM型工藝卜箱,銅臚 口上髓 樹脂傳遞模塑為ResinTransfer Molding,簡稱RTM它是一種閉模成型的工一二 樹脂（通常為不飽和聚酯）及固化劑，由計(jì) 一模壓和 /熱型怛也壓 藝方法，其基本工藝過程為：將液態(tài)熱固性 SJ-Z幾科工藝的美不 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、后加工而制成制品。 RTMW其他工藝白關(guān)系如圖3-2所示 4 .其他工藝 由于篇幅有限，此處只能列出另外兩種工藝的流程。 I吃璃纖炎無撻相紗I, 、 |聚酯樹脂HSnl 回發(fā)劑Ix靜嗓昆臺(tái)溜

27、翦槽劇 促進(jìn)制 圖3-3噴射成型工藝程 噴射成型工藝流程如圖3-3,連續(xù)纏繞成型工藝流程如圖3-4 另外提一下擠出成型工藝。擠出成型工藝是熱塑性復(fù)合材料的成型方法。主要包括加料、塑化、成型、定型四個(gè)過程。擠出成型需要完成粒料輸運(yùn)、塑化和在壓力作用下使熔融物料通過機(jī)頭口模獲得所要求的斷面形狀制品。與此同時(shí)，外部熱源與和物料摩擦熱使料粒受熱塑化，變成熔融粘流態(tài)，憑借螺桿推力，定量地從機(jī)頭擠出。紗團(tuán) 濕法鯉繞成型工藝 舊液配置I 集束 膠妙騏 丁.張力硼 姒環(huán)何鈿毓 張力控 加蠅鬧 、, ,、環(huán)向亞繳 千法施篁成型工藝 山 M ZT |打陶. 成品. 圖 4迎建工藝端程圖 E3-5匕:呼f噴算以裂工

28、芭建承重圄 ,窟相注牌，E曜音TCt比或就疊 德途克楷性氣悻的封用文*算N供空d值區(qū)frw.s-地厘應(yīng)探口廳.里察員私事,同整?俄方喧*，IL始子. 二、金屬基復(fù)合材料成型加工技術(shù) 金屬基復(fù)合材料的成型加工技術(shù)因基體材料的不同而不同，一般 噴射分散法：一般用于航空航天工業(yè)。用粉末冶金工藝，鋁和鋁鋰復(fù)合材料通過充填陶瓷顆?？梢蕴岣邚?qiáng)度、模量和而t熱性。Cospray工藝是在威爾士大學(xué)于1969年前推出的Cosprey工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。后者是將熔融的鋁噴到模板上，集聚沉積成錠塊，而新工藝則可使整塊錠的性能保持恒定。通過對整個(gè)噴霧沉積過程進(jìn)行控制， 可以制造出具有均勻一致的顯微結(jié)構(gòu)的材料，并可

29、使增強(qiáng)顆粒在鋁復(fù)合材料中分布的均勻一致。 鑄造凝固復(fù)合法是在基體處于熔融狀態(tài)下進(jìn)行的復(fù)合的方法，主要有鑄造法、加壓或非加壓含浸法以及原生（in-situ）復(fù)合法。 有以下幾種鑄造方法：壓力鑄造法、 鑄造法、中間合金法、涂覆鑄造法、 機(jī)械攪拌法、噴射分散法、離心滲透鑄造法。 3-6步床后失髭合法的工藝過程 B3-r 粉末冶金復(fù)合法是顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的最常用的制備方法。其工藝過程見圖3-6。 攪拌法：通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌使金屬液產(chǎn)生漩渦，然后向旋渦中逐漸投入顆粒，使其分散，見圖3-7。 二、陶瓷基復(fù)合材料加工技術(shù) 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于多種因素，故在實(shí)際中針對不同的材料的制作方法也會(huì)不同

30、，成型技術(shù)的不斷研究與改進(jìn)正是為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。 目前采用的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有以下幾 種： 1泥漿燒鑄法：在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。 2熱壓燒結(jié)法：將長纖維切短，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法及可制得高性能的復(fù)合材料。 3浸漬法：適用于長纖維。首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后進(jìn)行焙燒。 四、水泥基復(fù)合材料 凡是細(xì)磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等散?；蚶w維材料牢固的交接在一起的水硬性膠凝材料，通稱為水泥。 纖維增強(qiáng)水泥，無論在用途上還是制法上，都是處于開發(fā)的

31、新材料。這是以玻璃纖維為例來介紹纖維增強(qiáng)水泥的成型工藝。 1直接噴射法：是目前最常用的成型方法，將水泥、砂子、水?dāng)嚢璩缮皾{，與耐堿短切玻璃纖維短時(shí)間混合后形成預(yù)混料，振動(dòng)模 澆鑄成型后養(yǎng)護(hù)。 2噴射脫水法：砂漿和玻璃纖維同時(shí)往模具上噴射的機(jī)理與直接噴射法相同。但它是把玻璃纖維增強(qiáng)水泥噴射到一個(gè)常有減壓裝置的開孔臺(tái)上，開孔臺(tái)鋪有濾布。噴射完后進(jìn)行減壓，通過濾紙或?yàn)V布，把玻璃纖維增強(qiáng)水泥的剩余水分脫掉。這種方法是成型水灰比低的高強(qiáng)度板狀玻璃纖維增強(qiáng)水泥的方法。 3預(yù)混料澆鑄法：水泥、砂子、水、外加劑和切成適當(dāng)長度的耐堿玻璃纖維（短切纖維）在攪拌機(jī)中混合成預(yù)混料，然后不斷地注入到振動(dòng)著的模具里進(jìn)行成

32、型。 4壓力法：預(yù)混料注入到模具里后，加壓除去剩余水分，即使脫模，可以提高生產(chǎn)率，并能獲得良好的表面尺寸精度。 5離心成型法：在旋轉(zhuǎn)的管狀模具中噴入玻璃纖維和水泥漿。 6抄造法：使用耐堿玻璃纖維時(shí)，一般是預(yù)先把玻璃纖維混合到原料漿液中。因?yàn)橹挥胁ＡЮw維過濾太快，過濾水中流失了很多水泥粒子，所以通常必須使用一定程度的砂漿和石棉作為內(nèi)部過濾材料。 另外，現(xiàn)在正在進(jìn)行擠出成型和注射成型工藝的研究。 五、碳/碳復(fù)合材料的成型加工技術(shù) 碳/碳復(fù)合材料的成型加工方法很多，其各種工藝過程大致可歸 納為下圖的幾種方法： -E-l碳/碳復(fù)合材料的炭型加工方法 第四章應(yīng)用舉例 在討論了一些理論上的問題以后，我們來

33、看一下一些具體的應(yīng)用。由于篇幅有限，所以不可能在這里說的很多，只是將一些例子拿出來說明復(fù)合材料的應(yīng)用的廣泛性和重要性。具體的可以參照本文所列的一些參考資料。 一、復(fù)合材料在飛機(jī)工程與航空構(gòu)件上的運(yùn)用 美國海軍使用的“鶴”式（Harrier）飛機(jī)采用了“飛馬”噴氣發(fā) 動(dòng)機(jī)，其機(jī)翼的翼盒蒙皮、前機(jī)身、水平安定面、升降舵、方向舵、襟翼、副翼與翼上整流罩都是用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料重新設(shè)計(jì)與制造的。 這種材料也用來制造“鷹鶴”式(HawkerHarrier)機(jī)的外翼翼尖。這是在這種戰(zhàn)斗機(jī)承擔(dān)飛送交付任務(wù)時(shí)附加的，它擴(kuò)大了 跨越國家的交付飛行范圍。這一并非必要的附件是一個(gè)理想的研究構(gòu)件，最后即使出現(xiàn)故

34、障，飛機(jī)沒有它也會(huì)很好的飛行。 當(dāng)然復(fù)合材料并不一定用在軍事用途的飛機(jī)上。下面的一個(gè)表格可以很好的表現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)越性： 零件名稱 金屬 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (CFRP) 梁盒 107 52 前部 36 4 端盒 54 6 翼尖 12 12 連接件(標(biāo)準(zhǔn) 4938 1201 件) 表41 由于復(fù)合材料的特殊性能，在飛機(jī)的各個(gè)部件上，總有合適的復(fù) 合材料可以很好的達(dá)到其要求。而且由于它的加工可以一次成型所以 免去了很多由于加工而導(dǎo)致的質(zhì)量問題。并且減少了零件的量。使飛機(jī)的性能得以提高二、復(fù)合材料在外科醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 1. 原先的“鐵制呼吸器”是一種必須的但又笨重，不便使用的裝置，因而人民做了許多努

35、力來設(shè)計(jì)一種輕便的形式，使病人可以坐著或在室外幾小時(shí)隨身帶著活動(dòng)。一種用混雜的玻璃纖維/碳纖維/聚酯層合板做的重量輕的外殼或“胸甲”，形狀頗象龜背，沿周邊有一極為柔軟的與病人胸部相配的密封墊，由胸甲的拱形中央一一大致在胸骨之上連著一根鎧裝軟管，使輕便的泵可抽去和注入空氣的呼吸器被設(shè)計(jì)出來。在胸甲內(nèi)壓力的變化作用在隔膜上，使人能在正常速度下呼吸。 2. ChasABlatchford與Sons有限公司研制出的一系列碳纖 維/環(huán)氧構(gòu)件的假腿標(biāo)準(zhǔn)組件具有一般人使用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可以連接到病人適宜的膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)處。如此使用的結(jié)構(gòu)管材和外部軟包覆件一起在壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度以及扭轉(zhuǎn)方面的性 能都很好。比且

36、在重量上有很大的節(jié)省，因而有助于老年與體弱的截肢者。 3. 止匕外，復(fù)合材料在骨科，腦外科，韌帶，假牙等方面都有 很大的運(yùn)用，由于篇幅有限不做一一表述。 三、復(fù)合材料在體育用品上的應(yīng)用 魚竿、弓、高爾夫球桿、球拍與球棒、雪橇等體育用品在強(qiáng)度、 韌性、重量以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值上對材料的要求都是很高的，而使用復(fù)合材料對這些用品的發(fā)展無疑起到了柳暗花明的作用。例如我們現(xiàn)在所使用的羽毛球拍、網(wǎng)球拍之中，好的都是碳纖維的復(fù)合材料作為拍子的支架部分的，拍線就更加不用說了，有誰看見別人用鋼的或者鋁的拍線來打球的？四、復(fù)合材料在汽車制造上的應(yīng)用 由于汽車制造涉及到很多的方面，故只舉兩個(gè)例子來體現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)越性。 T

37、WR“美洲虎”(Jaguai)XJR-6型賽車是有史以來第一輛運(yùn)動(dòng)賽車，是由不同厚度的堅(jiān)固而輕便的碳纖維與Kevlar(杜邦公司的纖維)復(fù)合而成。 美國福特公司生產(chǎn)的巨大的“絕技”車(“tour-de-force)是幾乎完全采用碳纖維來制造的一臺(tái)原型高級轎車，重量可節(jié)省約565kg (1246lb),而原來的車重為1700kg(3748lb),這反過來就可節(jié)約相當(dāng)多的燃油。 另外，在風(fēng)力渦輪，船舶，航天結(jié)構(gòu)，機(jī)械工程，樂器，化工廠等方面。復(fù)合材料都有很大的用武之地。其實(shí)，正如本文一開頭所說的，聚合材料在材料的各個(gè)領(lǐng)域，其實(shí)也就是在生活的各個(gè)領(lǐng)域都正在發(fā)揮越來越大的作用。復(fù)合材料是材料發(fā)展的一個(gè)

38、重要方向。21 世紀(jì)的材料發(fā)展中，復(fù)合材料將占很大的一部分。 第五章結(jié)束語 在結(jié)束本文的時(shí)候，寫一些在做這篇小論文的時(shí)候的一些心得體會(huì)。 首先，對于我來說，由于第一次寫算得上比較正式的小論文，所以覺得很累，從選題，到找資料，再到后來的資料整理和輸入電腦，然后到現(xiàn)在初步的完成。花了我不少的時(shí)間，不過我覺得這的確是一件很值得去做的事情。在做論文的時(shí)候我找到了一個(gè)工科學(xué)生的真正的應(yīng)該有的生活。有人說現(xiàn)在的大學(xué)是英語提高和計(jì)算機(jī)能力應(yīng)試提高學(xué)校，我想他一定沒有做過像這樣的論文?？梢赃@樣說，通過這次論文，再一次吊起了我學(xué)材料的胃口。 其次，在寫論文的過程中，找資料的整個(gè)過程是對人這一方面能力的很好的提高

39、。以前的文件檢索課雖然也有這方面的訓(xùn)練，但是到了實(shí)質(zhì)上要用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)其實(shí)由于一些條件所限， 很難在理想狀態(tài)找到自己真正所需要的東西。所以，從各個(gè)方面搜集資料的能力還是在實(shí)踐中得到了提高。 第三，論文也使自己學(xué)到了不少東西，可以說是更加知道這一方面的材料學(xué)的知識了。 第四，在寫論文的同時(shí)，與同學(xué)的交流和互相幫助是少不了的，所以這次讓我對團(tuán)隊(duì)合作的重要性有了很深的體會(huì)。 總的來說，這篇論文是我的第一篇，如果有欠缺的地方，還請老師予以指出，以便在以后的論文中得到改正和改進(jìn)。 第六章參考資料 1 .復(fù)合材料概論王榮國、武衛(wèi)莉、谷萬里主編，張顯友主審，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。(1999) 2 .復(fù)合材料工藝與設(shè)備歐國榮、倪禮忠編著，華東化工學(xué)院出 版社。(1991) 3 .復(fù)合材料