《工程材料》課件 項目六：認(rèn)識常用非金屬材料

項目六認(rèn)識常用非金屬材料一塑料二橡膠四復(fù)合材料三陶瓷非金屬材料與金屬材料在結(jié)構(gòu)和性能上有較大差異，其成形特點也與金屬材料的成形有著眾多的不同，具體如下。非金屬材料可以是流態(tài)成形，也可以是固態(tài)成形，工藝靈活多樣。例如，塑料可以用注射、擠塑、壓塑成形，還可以用澆注和黏結(jié)等工藝成形；陶瓷可以用注漿成形，也可以用注射、壓注等工藝成形。非金屬材料的成形通常是在較低溫度下完成的，成形工藝較簡便。非金屬材料的成形一般要與材料生產(chǎn)工藝相結(jié)合，如陶瓷應(yīng)先成形再燒結(jié)，再如復(fù)合材料通常是固態(tài)的增強料與呈流態(tài)的基料同時成形等。第一節(jié)

塑料的成形工程塑料在一定的溫度和壓力下，可以用模具使其成形為具有一定形狀和尺寸的塑料制件。當(dāng)外力解除后，在常溫或一定溫度范圍內(nèi)其形狀保持不變。塑料的成形工藝主要包括注射成形、擠出成形、壓制成形、吹塑成形和壓延成形等。一、注射成形注射成形簡稱注塑，是熱塑性塑料的重要成形工藝之一，幾乎所有的熱塑性塑料都可以用此工藝成形。注射成形是通過注射機來實現(xiàn)的，注射機有多種形式，最常用的是柱塞式和螺桿式兩種。圖9-1注射成形原理圖二、擠出成形擠出成形簡稱擠塑，因其生產(chǎn)過程是連續(xù)的，故生產(chǎn)效率較高，是熱塑料成形中用途最廣、占比最大的一種加工工藝。擠出成形過程總體可分為兩個階段：第一階段是使固態(tài)塑料塑化（即使塑料轉(zhuǎn)變成黏流態(tài)），并在加壓情況下使其通過特殊形狀的?？诙蔀榻孛媾c?？谛螤钕嗨频倪B續(xù)體；第二階段是用適當(dāng)?shù)奶幚矸绞绞箶D出的黏流態(tài)的連續(xù)體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的連續(xù)體，即可得到所需型材或制品。圖9-2擠出成形原理圖三、壓制成形壓制成形簡稱壓塑，是塑料加工生產(chǎn)中最傳統(tǒng)的加工工藝，通常用于熱固性塑料的成形。壓塑的過程包括加料、閉模、排氣、固化、脫模和吹洗模具等。與擠塑和注塑相比，壓塑設(shè)備、模具和生產(chǎn)過程控制較為簡單，并易于生產(chǎn)大型制品。但此工藝生產(chǎn)周期長、效率低，較難實現(xiàn)自動化，且工人勞動強度大，難以成形厚壁制品及形狀復(fù)雜的制品。圖9-3模壓機結(jié)構(gòu)示意圖四、吹塑成形吹塑成形簡稱吹塑，又稱中空成形，屬于塑料的二次加工，是制造空心塑料制品的工藝。圖9-4吹塑成形原理圖五、壓延成形壓延成形是生產(chǎn)熱塑性塑料薄膜和片材的主要工藝。壓延成形時，將黏流狀態(tài)的塑料通過一系列相向旋轉(zhuǎn)的水平輥筒間隙，使塑料承受擠壓和延展作用而成為連續(xù)片狀制品，其工作原理如圖9-5所示。圖9-5壓延成形原理圖第二節(jié)

橡膠的成形橡膠的成形與塑料成形工藝相似，主要包括壓制成形、傳遞成形和注壓成形等。一、壓制成形壓制成形是將混煉過的、經(jīng)加工成一定形狀或稱重過的半成品膠料直接放入敞口的模具型腔中，然后將模具閉合，送入平板硫化機中加壓、加熱，膠料在高壓、高溫作用下硫化成形。圖9-6橡膠壓制成形模具結(jié)構(gòu)圖二、傳遞成形（a）加料

（b）合模加壓，成形固化

（c）頂出塑件圖9-7橡膠傳遞成形原理圖傳遞成形是將混煉過的、形狀簡單的、有限量的膠條或膠塊半成品放入壓鑄模料腔中，如圖9-7（a）所示。然后通過柱塞的壓力擠壓膠料，并使膠料通過澆注系統(tǒng)進入模具型腔中硫化成形，如圖9-7（b）所示。最后打開模具取出膠件，如圖9-7（c）所示。三、注壓成形橡膠注壓成形又稱注射成形，它是利用注壓機（見圖9-8）的壓力，將膠料直接由機筒注入模腔，完成成形并進行硫化的生產(chǎn)工藝。1—定模；2—加熱孔；3—橡膠制品；4—定板；5—動模；6—動板；7—頂出機構(gòu)；8—絕熱板圖9-8注壓機結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)

陶瓷的成形陶瓷制品生產(chǎn)的一般過程包括坯料準(zhǔn)備、坯體成形、燒結(jié)及坯體的后續(xù)加工等。陶瓷制品的成形，便是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格坯體的工藝過程。陶瓷的成形工藝便是指坯體的成形工藝。陶瓷的成形工藝主要有注漿成形、壓制成形和注射成形等。一、注漿成形傳統(tǒng)的注漿成形是指在石膏模的毛細(xì)管力作用下，含一定水分的黏土泥漿脫水硬化、成坯的過程。傳統(tǒng)的注漿法成形周期長、勞動強度大，不適合連續(xù)化自動化生產(chǎn)。（一）傳統(tǒng)注漿工藝傳統(tǒng)注漿可分為空心注漿（單面注漿）和實心注漿（雙面注漿）兩種。1．空心注漿如圖9-9所示，空心注漿采用的石膏模沒有型芯，泥漿注滿型腔后放置一段時間，待型腔內(nèi)壁黏附一定厚度的坯料后將多余的泥漿倒出，然后帶模干燥。等待注件干燥收縮脫離型腔后便可取出?？招淖{工藝適合于小件、薄壁制品的成形。圖9-9空心注漿原理圖2．實心注漿如圖9-10所示，實心注漿是將泥漿注入外模與型芯之間。石膏模從內(nèi)外兩個方向同時吸水，注漿過程中泥漿量不斷減少，因此需不斷補充泥漿，直至泥漿全部硬化成坯。圖9-10實心注漿原理圖（二）強化注漿工藝強化注漿工藝是在注漿過程中人為地施加外力，加速注漿過程，使得吸水速度和坯體強度得到明顯改善的加工工藝。根據(jù)所加外力的形式，強化注漿可以分為真空注漿、離心注漿和壓力注漿等。1．真空注漿真空注漿是在模型外邊抽取真空，或?qū)⒕o固的模型放在處于負(fù)壓的真空室中。其目的是造成模型內(nèi)外的壓力差，提高注漿成形的推動力。真空注漿可使吸水速度顯著提高，同時減少坯體的氣孔和針眼。2．離心注漿離心注漿是向旋轉(zhuǎn)的型腔中注入泥漿，在離心力的作用下泥漿緊靠型壁，脫水后形成坯體。由于泥漿中的氣泡較輕，模型旋轉(zhuǎn)時多集中在泥漿的中心部位，最后破裂消失。因此，離心注漿的坯體密度、厚度均勻，變形較小。3．壓力注漿壓力注漿是通過提高泥漿壓力來增大注漿過程中的推動力，加速水分的擴散。它不僅可以縮短注漿時間，還可減少坯體的干燥收縮和脫模后坯體的水分。二、壓制成形壓制成形根據(jù)粉料中含水量的不同，可分為干壓成形、半干壓成形等。其中，干壓成形是將粉料裝入鋼模內(nèi)，通過模沖對粉末施加壓力，壓制成具有一定形狀和尺寸壓坯的成形工藝。（a）單向壓制

（b）雙向壓制圖9-11干壓成形原理圖三、注射成形注射成形是將粉料與有機黏結(jié)劑混合后，加熱混煉，制成粒狀粉料，用注射成形機在130～300℃的溫度下注射入金屬模具中，冷卻后黏結(jié)劑固化，取出坯體，經(jīng)脫脂后便可按常規(guī)工藝燒結(jié)。第四節(jié)

復(fù)合材料的成形復(fù)合材料的成形與制品的成形是同時完成的，即復(fù)合材料的生產(chǎn)過程往往就是復(fù)合材料制品的生產(chǎn)過程。一、樹脂基復(fù)合材料的成形目前，樹脂基復(fù)合材料的成形工藝有二十多種，常見的工藝包括手糊成形、纏繞成形、噴射成形、模壓成形和樹脂傳遞模塑成形等。（一）手糊成形手糊成形是指以手工作業(yè)為主，將玻璃纖維織物和樹脂交替鋪成在模具上，然后固化成形為玻璃鋼制品的工藝。手糊成形工藝的優(yōu)點是操縱靈活、制品尺寸與形狀不受限制、模具簡單，但其生產(chǎn)效率低、勞動強度大。（二）纏繞成形纏繞成形是在控制纖維張力和預(yù)定線形的條件下，將連續(xù)的纖維粗砂或布帶浸漬樹脂膠液連續(xù)地纏繞在相當(dāng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成形為一定形狀制品的工藝，其原理如圖9-12所示。1—平移機構(gòu)；2—纖維；3—樹脂槽；4—制品圖9-12纏繞成形原理圖利用纏繞成形工藝制成的制品有以下幾個優(yōu)點。（1）比強度高，可超過鈦合金。（2）纖維按規(guī)定方向排列整齊，制品精度高。（3）制品呈各向異性，強度方向性明顯，可以按照承力要求確定纖維排布的方向、層次，以實現(xiàn)強度設(shè)計，因而制品結(jié)構(gòu)合理。（三）噴射成形噴射成形是利用噴槍將纖維切斷、噴散，樹脂霧化，并使兩者在空間混合后，沉積到模具上，然后經(jīng)壓輥壓實的一種成形工藝，其原理如圖9-13所示。圖9-13噴射法成形原理圖（四）模壓成形模壓成形是復(fù)合材料成形工藝中最古老而又富有無限活動力的一種，它是將一定量的預(yù)混料或預(yù)浸料加入金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成形的工藝。模壓成形工藝有以下幾個優(yōu)點。（1）生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)專業(yè)化和自動化生產(chǎn)。（2）產(chǎn)品尺寸精度高、表面光潔。（3）能一次成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品。（4）可批量生產(chǎn)，價格相對低廉。（五）樹脂傳遞模塑成形樹脂傳遞模塑成形是一種較新的工藝，它是指在模具的型腔里預(yù)先放置增強材料（包括螺栓、聚氨酯泡沫塑料等），夾緊后在一定溫度及壓力下從設(shè)置的注入孔將配好的樹脂注入模具中，使之與增強材料一起固化，最后起模、脫模得到制品。此工藝能制造出表面光潔、精度高的復(fù)雜構(gòu)件，其揮發(fā)性物質(zhì)少，較為環(huán)保。二、金屬基復(fù)合材料的成形（一）粉末冶金粉末冶金廣泛用于各種顆粒、晶須及短纖維增強的金屬基復(fù)合材料，其工藝與金屬材料的粉末冶金工藝基本相同。（二）熱壓擴散熱壓擴散是連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料成形的一種常用工藝。三、陶瓷基復(fù)合材料的成形對顆粒、晶須及短纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料可以采用熱壓燒結(jié)和化學(xué)氣相沉積等工藝制造。對連續(xù)纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料，還需要一些特殊的工序（如料漿浸漬熱壓成形）。（一）熱壓燒結(jié)成形熱壓燒結(jié)成形是將松散的或預(yù)成形的陶瓷基復(fù)合材料混合物在高溫下通過加壓使其致密化的成形工藝。此工藝只適用于制造形狀簡單的零件。（二）化學(xué)氣相沉積成形化學(xué)氣相沉積成形是將纖維制成所需形狀的預(yù)成形體，在預(yù)成形體的骨架上開有氣孔，在一定溫度下讓氣體及發(fā)生熱分解或化