工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)-第9章

第九章復(fù)合材料的成型工藝

復(fù)合材料(CompositeMaterial)是指將兩種以上的不同材料，用物理或化學(xué)的方法復(fù)合而成的一種新材料。

特點(diǎn)：材料制備與成形一體化第九章復(fù)合材料的成型工藝第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述一、復(fù)合材料基本概念

復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)，就是它的性能比其組成材料要好得多。一方面它可以改善組成材料的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，例如玻璃和樹(shù)脂的韌性和強(qiáng)度都不高，但用它們制成的復(fù)合材料--玻璃鋼的比強(qiáng)度、比剛度和韌性卻很高；另一方面可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力要求制成預(yù)定的性能分布，對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)：見(jiàn)示意圖圖9-1。組成：基體、增強(qiáng)體

第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述1.復(fù)合材料的分類(1)按材料的作用分類

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。(2)按基體材料分類

樹(shù)脂基復(fù)合材料(resinmatrixcomposites-RMC)、金屬基復(fù)合材料(metallicmatrixcomposites-MMC)、陶瓷基復(fù)合材料(ceramicmatrixcomposites-CMC)、水泥基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料等。(3)按增強(qiáng)材料的性質(zhì)和形態(tài)分類

層疊復(fù)合材料、細(xì)粒復(fù)合材料、連續(xù)纖維復(fù)合材料、短切纖維復(fù)合材料、碎片增強(qiáng)復(fù)合材料和骨架復(fù)合材料等。

第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述2.復(fù)合材料的特點(diǎn)(1)比強(qiáng)度和比剛度高(2)抗疲勞性好(3)高溫性能好(4)減振性能好(5)斷裂安全性高(6)可設(shè)計(jì)性好第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述二、復(fù)合材料用原料1.增強(qiáng)材料(1)碳纖維(CarbonFiber)(2)硼纖維(BoronFilament)(3)芳綸(AramidRing)(4)玻璃纖維(GlassFiber)(5)碳化硅纖維(SiliconCarbideFiber)(６)晶須(Whisker)(7)顆粒2.基體材料

(1)熱固性樹(shù)脂(ThermosettingResin)(2)熱塑性樹(shù)脂(ThermoplasticResin)(3)金屬\(4)陶瓷3.夾層結(jié)構(gòu)材料(SandwichStructureMaterial)

夾層結(jié)構(gòu)一般由兩層簿的高強(qiáng)度板和中間夾著一層厚而輕的芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成。第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述三、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則1.增強(qiáng)原理(ThePrincipleofReinforcement)

復(fù)合材料的復(fù)合不是由基體和增強(qiáng)兩種材料簡(jiǎn)單的組合而成，而是兩種材料發(fā)生相互的物理、化學(xué)、力學(xué)等作用的復(fù)雜組合過(guò)程。

第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述2.復(fù)合原則(RuleofMixtures)

以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，說(shuō)明復(fù)合材料的復(fù)合原則。(1)復(fù)合材料中基體起粘結(jié)作用，因而基體必須具備如下特點(diǎn)：

1）對(duì)纖維具有好的潤(rùn)濕性，從而使基體與增強(qiáng)材料間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，使分離的纖維粘為一個(gè)整體，保證纖維的合理分布。

2）基體應(yīng)具有較好的塑性和韌性，能夠延緩裂紋的擴(kuò)展。

3）基體能夠很好地保護(hù)纖維表面，不產(chǎn)生表面損傷、不產(chǎn)生裂紋。

第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述(2)增強(qiáng)材料是承載的主要部分，因而纖維必須具有很高的強(qiáng)度和剛度。(3)增強(qiáng)材料與基體有好的結(jié)合強(qiáng)度。(4)在復(fù)合材料中纖維必須具有適當(dāng)?shù)暮?、直徑和分布?5)纖維和基體應(yīng)有相近的熱膨脹系數(shù)。第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述四、復(fù)合材料的失效(FailureofComposite)

復(fù)合材料的失效一般是指其疲勞破壞過(guò)程。1.制造加工損傷此種損傷產(chǎn)生初始缺陷。它包括：纖維鋪設(shè)不均，扭結(jié)、死扣等，樹(shù)脂不均；纖維切斷、錯(cuò)排；固化不足；有孔隙、氣泡；材質(zhì)污染等。2.使用引起的損傷此種損傷導(dǎo)致缺陷發(fā)展。它包括：樹(shù)脂裂紋或老化；分層；纖維斷裂；振動(dòng)較大導(dǎo)致的纖維斷裂；溫度變化較大；機(jī)加工產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；碰撞等。第一節(jié)復(fù)合材料簡(jiǎn)述第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝

(1)固態(tài)法固態(tài)法是指基體處于固態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。

(2)液態(tài)法液態(tài)法是指基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。

(3)其他制造方法主要包括原位自生成法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍和電鍍法、復(fù)合鍍法等。

第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝一、固態(tài)法1.擴(kuò)散黏結(jié)法(DiffusionBonding)

如圖9-2所示，擴(kuò)散黏結(jié)是一種在較長(zhǎng)時(shí)間、較高溫度和壓力下，通過(guò)固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下互擴(kuò)散而黏結(jié)在一起的工藝方法。2.形變法(PlasticForming)

形變法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點(diǎn)，通過(guò)熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步加工成板材。3.粉末冶金法(PowderMetallurgyMethod)

如圖9-3所示，粉末冶金法是一種用于制備與成形顆粒增強(qiáng)(非連續(xù)增強(qiáng)型)金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)固態(tài)工藝法。

第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝二、液態(tài)法

1.液態(tài)金屬浸潤(rùn)法液態(tài)金屬浸潤(rùn)法的實(shí)質(zhì)是使基體金屬呈熔融狀態(tài)時(shí)與增強(qiáng)材料浸潤(rùn)結(jié)合，然后凝固成型。（1）擠壓鑄造法(SqueezeCasting)

擠壓鑄造是通過(guò)壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的方法。(2)真空壓力浸漬法(VacuumPressureInfiltration)

如圖9-４所示，真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬浸滲入預(yù)制件中制造金屬基復(fù)合材料的方法。

(3)液態(tài)金屬攪拌鑄造法(Stir-CastingMethodofLiquidMetal)

液態(tài)金屬攪拌鑄造法是將增強(qiáng)相顆粒直接加入金屬熔體中，通過(guò)攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復(fù)合材料制品的方法。第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝

2.井噴沉積法(SprayCo-Deposition)

井噴沉積法是運(yùn)用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過(guò)惰性氣體氣流的作用后霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，將增強(qiáng)相顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料的方法。

圖9-５所示是采用井噴沉積法生產(chǎn)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的示意圖。

第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝三、其他方法

通過(guò)運(yùn)用化學(xué)、物理等基本原理而發(fā)展的一些金屬基復(fù)合材料制造方法，如原位自生成法、物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法等。第二節(jié)金屬基復(fù)合材料(MMC)成形工藝第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝

一、手糊成型工藝(handlaying-up)

所謂手糊成型工藝，是指用手工或在機(jī)械輔助下將增強(qiáng)材料和熱固性樹(shù)脂鋪覆在模具上，樹(shù)脂固化形成復(fù)合材料的一種成型方法，如圖9－6所示。二、噴射成型工藝(SprayMoulding)

噴射成型工藝是利用噴槍將短纖維及樹(shù)脂同時(shí)噴到模具上，壓實(shí)固化成制件的工藝方法，如圖9－7所示。第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝三、袋壓成形工藝(BagMoulding)

袋壓成型工藝是在手糊成型的制品上，裝上橡膠袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，將氣體壓力施加到未固化的玻璃鋼制品表面而使制品成型的工藝方法。四、層壓成型工藝(LaminationProcess)

層壓成型工藝，是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝五、模壓成型工藝(PressureMolding)

模壓成型工藝是指將模壓料置于金屬對(duì)模中，在一定的溫度下，加壓固化為復(fù)合材料制品的一種成型工藝，是一種對(duì)熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂都適用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型方法。1．短纖維料模壓法

該法是將經(jīng)過(guò)預(yù)混或預(yù)浸后的短纖維狀物料在模具中成型為復(fù)合材料制品。2．氈料模壓法

該法是將浸氈機(jī)組制備的連續(xù)玻璃纖維預(yù)浸氈剪裁成所需形狀，在金屬對(duì)模中壓制成制品。3．碎布料模壓法

該法是將浸漬過(guò)樹(shù)脂的玻璃布或其他織物的下腳料剪成碎塊，在模具中壓制成型。第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝

4．層壓模壓法

該法是介于層壓與模壓之間的一種工藝，系將預(yù)浸漬的玻璃布或其他織物裁剪成所需形狀，在金屬對(duì)模中層疊鋪設(shè)壓制成異型制品。

5．纏繞模壓法

該法是結(jié)合纏繞成型與模壓成型的一種工藝，系將預(yù)浸漬的玻璃纖維或布帶纏繞在模型上，再在金屬對(duì)模中加熱加壓成型制品。6．織物模壓法

該法是將預(yù)先織成所需形狀的二維或三維織物浸漬樹(shù)脂后，在金屬對(duì)模中壓制成型。

第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝7.定向鋪設(shè)模壓法

該法是按制品的受力狀態(tài)進(jìn)行定向鋪設(shè)，然后將定向鋪設(shè)的坯料放在金屬對(duì)模內(nèi)成型。8．預(yù)成型坯模壓法

先將玻璃纖維用吸附法制成與制品形狀相似的預(yù)成型坯，再把它放人金屬模具內(nèi)，預(yù)成型坯上倒入配制好的樹(shù)脂，在一定的溫度壓力下壓制成型。

9．片狀模塑料模壓法

片狀模塑料是用不飽和聚酯樹(shù)脂作為黏結(jié)劑充分浸漬短切纖維或氈片，經(jīng)增稠而得。

第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝六、纏繞成型工藝(WindingProcess)

將連續(xù)纖維或帶浸漬樹(shù)脂膠液后的纖維，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后在加熱或常溫下固化，制成一定形狀制品的工藝稱為纏繞成型工藝。

1.干法

干法纏繞采用預(yù)浸漬帶，即在纏繞前預(yù)先將玻璃纖維制成預(yù)浸漬帶，然后卷在卷盤(pán)上待用。使用時(shí)將浸漬帶加熱軟化后繞制在芯模上。

2.濕法

纏繞成型時(shí)玻璃纖維經(jīng)集束后進(jìn)入樹(shù)脂膠槽浸膠，在張力控制下直接纏繞在芯模上，然后固化成型。3.半干法

第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝七、拉擠成型工藝(PultrusionProcess)

拉擠成型工藝是將浸漬了樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維，通過(guò)成型模具，在模腔內(nèi)加熱固化成型，在牽引機(jī)拉力作用下，連續(xù)拉拔出型材制品。如圖9-８是拉擠成型工藝示意圖。第三節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料(RMC)成型工藝第四節(jié)陶瓷基復(fù)合材料成型工藝一、模壓成型(Dry-Pressing)

模壓成型又稱干壓成型,是將粉料裝入鋼模內(nèi)，通過(guò)沖頭對(duì)粉末單向或雙向壓力，壓制成具有一定形狀和尺寸壓坯的成型方法。

二、等靜壓成型(IsostaticForming)

等靜壓成型是利用液體或橡膠等在各個(gè)方向傳遞壓力相等的原理對(duì)坯體進(jìn)行壓制的。

三、注漿成型(SlipCasting)

注漿成型首先將陶瓷顆粒懸浮于液體中，然后注入多孔質(zhì)模具，由模具的氣孔把料漿中的液體吸出，而在模具內(nèi)留下坯體，經(jīng)脫模、干燥后獲得具有一定形狀和強(qiáng)度的坯體。

第四節(jié)陶瓷基復(fù)合材料成型工藝四、熱壓成型(HotInjectionMolding)

熱壓成型時(shí)，先將粉料與蠟或有機(jī)高分子粘結(jié)劑混合、加熱，利用蠟類材料熱熔冷固的特點(diǎn)，把粉料與熔化的蠟料等粘合劑迅速攪合成具有流動(dòng)性的料漿，然后將混合料加壓注入模具，冷卻凝固后成型，即可得致密的、較硬實(shí)的坯體。五、注射成型(InjectionMolding)

注射成型是從塑料的注射成型工藝借鑒來(lái)的，它將粉料與熱塑性樹(shù)脂等有機(jī)物混合后，加熱混煉，制成粒狀粉料，用注射成型機(jī)在一定的壓力和溫度下注射入金屬模具中，迅速冷卻后，脫模取出坯體，經(jīng)脫脂后就可按常規(guī)工藝燒結(jié)。

第四節(jié)陶瓷基復(fù)合材料成型工藝六、直接氧化法（Lanxide法）將熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，稱為直接氧化法，商業(yè)上稱為Ｌanxide工藝。七、化學(xué)氣相滲透工藝(ChemicalVaporInfil-tration，CVI)

將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的方法稱為化學(xué)氣相滲透工藝，如圖9-9所示。作業(yè)：

1、2~4、6、8、9

第四節(jié)陶瓷基復(fù)合材料成型工藝本章學(xué)習(xí)指南1.重點(diǎn)內(nèi)容：金屬基復(fù)合材料、樹(shù)脂基