復合材料制造工藝

第一章概述材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。20世紀70年代人們把材料、信息、能源作為社會文明的支柱；80年代以高技術群為代表要方面。鑒于材料的重要的基礎地位和作用，每一次科學技術的突飛猛進，都對材料的性能提出了越來越高、越來越嚴和越來越多的要求。加廣闊的領域——復合材料。個介紹。（InternationalOrganizationforStandardization,）為復合材料下的定義，復合材料（ComposeMaterial）是由兩種或者兩種以上物理和是增強纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。材料設計方面的一個突破。它綜合了各種材料如纖維、樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等的優(yōu)點，按照需要設計，復合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料?？梢灶A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、鋼鐵時代之后，在21世紀，將是復合材料的時代。的一些基本內(nèi)容。一、復合材料的命名和分類料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上“復合材料”或簡寫。復合材料的分類方法很多，常見的分類方法有以下幾種：a.按增強材料形態(tài)分：連續(xù)纖維復合材料，短纖維復合材料，粒狀填料復合材料，編織復合材料b.c.按基體材料分類：聚合物基復合材料，金屬基復合材料，無機非金屬基復合材料，d.按材料作用分類：結構復合材料，功能復合材料二、復合材料的基本性能復合材料是由多相材料復合而成，其共同特點為：（1具有天然材料所沒有的性能。（2）可按對材料性能的需要進行材料的設計和制造。（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。主要性能：Ⅰ聚合物基復合材料?。┍葟姸龋饶Ａ看?。ⅱ）耐疲勞性能好。ⅲ）減震性好。ⅳ）過載時安全性能好。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、電學、磁學特性。ⅵ）有很好的加工工藝性。Ⅱ金屬基復合材料?。└弑葟姸?，高比模量。ⅱ）導熱、導電性能高。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。Ⅲ陶瓷基復合材料強度高，硬度大，耐高溫，抗氧化，高溫下抗磨損性好，耐化學腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和比重較小，制成復合材料以后抗彎強度高，斷裂韌性高。Ⅳ水泥基復合材料壓縮強度、熱能方面性能優(yōu)異，制成復合材料以后抗拉性能和耐腐蝕性能增強，重量降低。通過以上的一些敘述，我們對復合材料的一些根本點有了初步的了解，下面就進入正題，對復合材料的制造工藝進行一些探討。第二章加工中的理論問題原理，以便對以后的工藝和技術的使用有一個理論基礎。一、基體與增強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合材料的基體選擇。金屬基復合材料構（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體材料料基體。在航天、航空技術中高比強度、比模量、尺寸穩(wěn)定性是最重有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作，需選用鈦件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低，適合批量生產(chǎn)，則使用鋁合金做基體材料。工業(yè)集成電路需要高導熱、低膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導熱率的Ag、Cu、Al等金屬為基體。由于增強物的性質和增強機理的不同，在基體材料的選擇原則上（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復合材料，基體是主要承載物，其強強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學反應，在界面形成脆性的反映層，對復合材料的強度影響很大。再者，由于基體金屬中往往含有不與增強物的反應程度和生成的反應物都不同，須在選用基體合金成分時充分考慮。接下來看無機膠凝材料，無機膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和應用最多的是纖維增強水泥基增強塑隙尺寸1～102可起保護作用，但對大多數(shù)礦物纖維不利。水泥基體的水化過程相當復雜，物理化學變化多樣。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，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子?；w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，所以簡略說明，合材料具有重要作用。界面的效應既與界面結合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學性質等有關，也與界面兩側組分材料的浸潤性、相容性、擴散性等密切相聯(lián)。于兩相中的任一相，從結構來分，這一界面區(qū)有五個亞層組成（圖和性質、復合材料的成型方法等密切相關。論。所以對于界面只能簡單羅列一下各個理論。為：界面浸潤理論；化學鍵理論；物理吸附理論；變形層理論；拘束層理論；擴散層理論；減弱界面局部應力作用理論。2-1類型Ⅰ類型Ⅱ類型Ⅲ纖維與基體互不反纖維與基體不反纖維與基體相互反應形成鎢絲/銅-鈦合金鍍鉻的鎢絲/銅碳纖維/鎳碳纖維/鋁（>580℃）鎢絲/鎳合金共晶體絲/同一合金2硼纖維/鎂表2-1金屬基纖維復合材料界面的類型應結合。在實際情況中，界面的結合方式往往不是單純的一種類型。與聚合物基復合材料相比，耐高溫是金屬基復合材料的主要特面的因素外，還應注意增強纖維與金屬基體的物理相容性。厚度成為第二臨界厚度。接下來我們對于不同的增強材料的表面處理做一個討論：玻璃纖維：本世紀40年代初期發(fā)展起來的玻璃纖維增強塑料即玻璃鋼，具有質輕、高強、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)良性能，已經(jīng)被廣泛應用于航空、汽車、機械、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合材料的性的界面粘結性不好，故常采用偶聯(lián)劑涂層的方法對纖維表面進行處理。用表面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。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，性能。超高分子量聚乙烯纖維：有一種力學性能優(yōu)異的高強高模纖維。料的整體力學性能。目前交常用的改型方法為等離子體處理。維的浸潤性和抑制纖維與金屬基體之間界面反應層的生成。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合材料在加工過程中設備。一、聚合物基復合材料成型加工技術復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。二是進行固化，這就是使一鋪置成一定形狀的疊層預浸料，在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并能達到預計的性能要求。復合材料及其制件的成型方法，是根據(jù)產(chǎn)品的外形、結構與使用20世紀40年代聚合物及復合用的成型方法有：[1]手糊成型—濕法鋪層成型。[2]真空袋壓法成型。[3]壓力袋成型。[9]注射成型。[10]擠出成型。[11]纖維纏繞成型。[4]樹脂注射和樹脂傳遞成型。[5]噴射成型。[12]拉擠成型。[13]連續(xù)板材成型。[6]真空輔助樹脂注射成型。制成型。[14]層壓或卷[15]熱塑性片[16]離心澆鑄[7]夾層結構成型。狀膜塑料熱沖壓成型。[8]模壓成型。成型。上述[9]、[10]、[15]為熱塑性樹脂基復合材料成型工藝，分別增強材料。[5]制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。Molding,簡稱RTM與其他工藝的關系如圖3-2所示。4．其他工藝要有鑄造法、加壓或非加壓含浸法以及原生（in-situ）復合法。粉末冶金復合法是顆粒強化復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、陶瓷基復合材料加工技術纖維增強陶瓷基復合材料的性能取決于多種因素，故在實際中針為了能獲得性能更為優(yōu)良的材料。目前采用的纖維增強陶瓷基復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，再用熱壓燒結的方法及可制得高性能的復合材料。[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，干燥后進行焙燒。四、水泥基復合材料凡是細磨成粉末狀，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、石等散粒或纖維材料牢固的交接在一起的水硬性膠凝材料，通稱為水泥。纖維增強水泥，無論在用途上還是制法上，都是處于開發(fā)的新材料。這是以玻璃纖維為例來介紹纖維增強水泥的成型工藝。[1]直接噴射法：是目前最常用的成型方法，將水泥、砂子、水澆鑄成型后養(yǎng)護。[2]噴射脫水法：砂漿和玻璃纖維同時往模具上噴射的機理與直強度板狀玻璃纖維增強水泥的方法。[3]預混料澆鑄法：水泥、砂子、水、外加劑和切成適當長度的入到振動著的模具里進行成型。[4]壓力法：預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，一般是預先把玻璃纖維混合泥粒子，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)在正在進行擠出成型和注射成型工藝的研究。動機，其機翼的翼盒蒙皮、前機身、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)氧樹脂復合材料重新設計與制造的。這種材料也用來制造“鷹鷂”式（HawkerHarrier）機的件，最后即使出現(xiàn)故障，飛機沒有它也會很好的飛行。當然復合材料并不一定用在軍事用途的飛機上。下面的一個表格可以很好的表現(xiàn)復合材料的優(yōu)越性：碳纖維增強復合材料零件名稱金屬（CFRP）梁盒前部10736524端盒546翼尖1212連接件（標準件）49381201表41由于復合材料的特殊性能，在飛機的各個部件上，總有合適的復機的性能得以提高。二、復合材料在外科醫(yī)學上的應用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力來設計一種輕便的形式，使病人可以坐著或在室外幾小時隨身帶著活動。一種用混雜的玻璃纖維碳纖維/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——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計出來。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/連接到病人適宜的膝關節(jié)與踝關節(jié)處。如此使用的結構管材和外部軟包覆件一起在壓縮強度與彎曲強度以及扭轉方面的性能都很好。比且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．此外，復合材料在骨科，腦外科，韌帶，假牙等方面都有很大的運用，由于篇幅有限不做一一表述。三、復合材料在體育用品上的應用魚竿、弓、高爾夫球桿、球拍與球棒、雪橇等體育用品在強度、線來打球的？四、復合材料在汽車制造上的應用由于汽車制造涉及到很多的方面，故只舉兩個例子來體現(xiàn)復合材料的優(yōu)越性。Jaguar）—6型賽車是有史以來第一輛運動Kevlar（杜邦公司的纖維）復合而成。完全采用碳纖維來制造的一臺原型高級轎車，重量可節(jié)省約565kg（12461700kg3748相當多的燃油。另外，在風力渦輪，船舶，航天結構，機械工程，樂器，化工廠等方面。復合材料都有很大的用武之地。其實，正如本文一開頭所說在發(fā)揮越來越大的作用。復合材料是材料發(fā)展的一個重要方向。21世紀的材料發(fā)展中，復合材料將占很大的一部分。第五章結束語在結束本文的時候，寫一些在做這篇小論文的時候的一些心得體會。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，高學校，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，再一次吊起了我學材料的胃口。其次，在寫論文的過程中，找資料的整個過程是對人這一方面能在實踐中得到了提高。第三，論文也使自己學到了不少東西，可以說是更加知道這一方面的材料學的知識了。第四，在寫論文的同時，與同學的交流和互相幫助是少不了的，所以這次讓我對團隊合作的重要性有了很深的體會。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。第六章參考資料1主編，張顯友主審，1999）2歐國榮、倪禮忠編著，華東化工學院出1991）3英]LeslieNPhillips等1992）4.《未來新金屬材料》寧興龍/金屬世界.2000,(2).-2-35.《金屬陶瓷復合材料的組織結構與性能研究》于同仁/馬鋼科研.2000,(1).-17-22制造工程.1999,28(2).-5-77.《非晶合金復合材料的研究進展》陳文智/國家非晶微晶合金工程技術研究中心/金屬功能材料.1999,6(1).-1-78.《金屬基復合材料的進展,問題與前景展望》王俊英楊啟志/青島建筑工程學院機械工程系/青島建筑工程學院學報.1999,20(4).-90-95陳建華/鄭州輕金屬研究院/輕金屬.1997,(6).-60-6210.《鈦基復合材料的研究與發(fā)展》羅國珍/西北有色金屬研究所/稀有金屬材料與工程.1997,26(2).-1-711.《顆粒強化鋁基復合材料的制備與應用》謝建新劉靜安/鋁加工.1996,19(5).-36-4112.《鋁基復合材料鑲嵌鑄造工藝》費鑄銘胡文彬/上海交通大學復合材料研究所/中國有色金屬學報.1996,6(4).-78-8213.《高壓差充型制備金屬基復合材料》秦富生陳美怡/上海交通大學/鑄造設備研究.1996,(6).-19-21,2614.《鋁基復合材料熔鑄生產(chǎn)的最新發(fā)展》張利明閻承康/輕合金加工技術.1996,24(1).-2-515.《鑄造金屬基顆粒復合材料》李俊錢翰城/機械.1996,23(3).-44-4616.《離心鑄造復合材料軋輥綜述》張