復(fù)合材料及其成型技術(shù)

什么是復(fù)合材料？簡(jiǎn)述復(fù)合材料的特點(diǎn)與應(yīng)用。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(zhǎng)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(gè)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(diǎn)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(rùn)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(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)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(dòng)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(diǎn)溫度下，通過施加壓力實(shí)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：

①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(yáng)能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。

②汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)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(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。

③化工、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。

④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(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。復(fù)合材料的加工方法與特點(diǎn)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(diǎn)：(1)手糊成型工藝。優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單、投資少、見效快。適宜我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展。且工藝簡(jiǎn)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)。易于電話亭、電線桿、小型游艇等。RTM成型工藝對(duì)環(huán)氧樹脂的要求：（1）室溫或工作溫度下具有較低的粘度（0.5～1.5P·s），對(duì)增強(qiáng)材料浸潤(rùn)性好。能順利地，均勻地通過模腔，浸透纖維，快速充滿整個(gè)型腔；（2）固化放熱低（80～130℃），防止損傷玻璃鋼模具；（3）固化時(shí)間短，一般凝膠時(shí)間為5～30min，固化時(shí)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(duì)樹脂的要求，常用的樹脂的特點(diǎn)？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(dòng)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(jià)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?dú)?、氧氣、氫氣和氦氣，形狀多為環(huán)形、球形和扁橢球形。美國(guó)纖維纏繞管道總長(zhǎng)占整個(gè)運(yùn)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(guó)需用量的一半以上。我國(guó)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(gè)人生命保障系統(tǒng)獲得成功應(yīng)用：消防員、登山隊(duì)員的供氧器，特點(diǎn)：重量輕、便于攜帶、高疲勞壽命和高可靠性的綜合特性。電氣工程中應(yīng)用：包括壓力容器、車用壓縮天然氣氣瓶、供養(yǎng)瓶，纖維纏繞技術(shù)制造輸配電電線桿、天線桿及工程車臂桿、纖維纏繞車用飛輪轉(zhuǎn)子、纖維纏繞天線桿。纏