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1、第九章第九章 复合材料的成形工艺复合材料的成形工艺 9-1 复合材料简介复合材料简介一、复合材料基本概念一、复合材料基本概念复合材料（复合材料（composite material）：由两种或两）：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工合成的种以上物理化学性质不同的物质，经人工合成的一种多相固体材料。一种多相固体材料。优点：优点： 充分发挥组成材料的性能；材料优化设计。充分发挥组成材料的性能；材料优化设计。结构复合材料：如玻璃钢结构复合材料：如玻璃钢功能复合材料：如双金属片功能复合材料：如双金属片1. 复合材料的分类复合材料的分类按材料的作用分：按材料的作用分： 结构复合材料和功能复合
2、材料结构复合材料和功能复合材料按基体材料分：按基体材料分： 树脂基复合材料树脂基复合材料（resin matrix composites） 金属基复合材料金属基复合材料（metallic matrix composites） 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites） 水泥基复合材料和碳水泥基复合材料和碳/碳复合材料碳复合材料按增强材料的性质和形态分：按增强材料的性质和形态分： 层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料、骨架复合短切纤维复合材料、碎片增强复合材料、骨架复
3、合材料等。材料等。 2. 复合材料的特点复合材料的特点比强度和比刚度高比强度和比刚度高；抗疲劳性好抗疲劳性好； 如碳纤维如碳纤维/树脂基复合材料疲劳强度树脂基复合材料疲劳强度=70-80%b高温性能好高温性能好； 增强纤维的熔点、高温强度和弹性模量高增强纤维的熔点、高温强度和弹性模量高减振性好减振性好；自振频率自振频率(e/)1/2断裂安全性高断裂安全性高；可设计性好可设计性好.二、复合材料使用的原材料二、复合材料使用的原材料包括包括基体材料基体材料（matrix material）、）、增强材增强材料料（reinforced material）、）、夹层结构材料夹层结构材料等。等。增强材料增
4、强材料碳纤维碳纤维（carbon fiber）：足够的）：足够的b、e、硼纤维（硼纤维（boron fiber）：）： b、e高高芳纶纤维（芳纶纤维（aramid fiber）玻璃纤维玻璃纤维（glass fiber）：）： b高、高、e低低碳化硅纤维（碳化硅纤维（silicon fiber）：）：晶须（晶须（whisker）：陶瓷晶须）：陶瓷晶须二、复合材料使用的原材料二、复合材料使用的原材料基体材料基体材料热固性树脂热固性树脂（thermosetting resin）环氧树脂环氧树脂（epoxy resin）：固化工艺性好，但脆；）：固化工艺性好，但脆；聚酰亚胺树脂（聚酰亚胺树脂（poly
5、imide resin）：耐热性好，但成形）：耐热性好，但成形困难；困难；双马来酰亚胺树脂（双马来酰亚胺树脂（bismaleimide resin）：耐热）：耐热热塑性树脂热塑性树脂（thermoplastic resin）施工快，周期短，可重复使用，易修补、耐蚀、抗冲击；施工快，周期短，可重复使用，易修补、耐蚀、抗冲击；聚醚醚酮（聚醚醚酮（peek）夹层结构材料夹层结构材料（sandwich structure material）提高构件弯曲刚度和充分利用材料强度。提高构件弯曲刚度和充分利用材料强度。三、复合材料的增强机制和复合原则三、复合材料的增强机制和复合原则增强原理增强原理颗粒增强复合
6、材料：基体承载，颗粒增强复合材料：基体承载，颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动；颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动；第二相强化，颗粒直径第二相强化，颗粒直径0.01-0.1m纤维增强复合材料：纤维承载纤维增强复合材料：纤维承载。纤维裂纹少；纤维裂纹少；纤维承载能力大；纤维承载能力大；纤维断裂，基体阻碍裂纹扩展；纤维断裂，基体阻碍裂纹扩展；纤维拔出；纤维拔出；多为延性破坏。多为延性破坏。三、复合材料的增强机制和复合原则三、复合材料的增强机制和复合原则复合原则复合原则基体起粘接作用基体起粘接作用基体对纤维的润湿性好；基体对纤维的润湿性好；基体的塑性和韧性好；基体的塑性和韧性好；基体能保护好纤维表面
7、。基体能保护好纤维表面。增强材料承载大部分增强材料承载大部分；强度、刚度要高，密度小，热稳定性高；强度、刚度要高，密度小，热稳定性高；增强体与基体结合强度高增强体与基体结合强度高；纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团纤维的含量、直径、长度、分布适当；纤维的含量、直径、长度、分布适当；纤维、基体热胀系数相近。纤维、基体热胀系数相近。四、复合材料的失效四、复合材料的失效失效（失效（failure of composite）：）：疲劳破坏疲劳破坏基体开裂、脱粘基体开裂、脱粘损伤损伤分分层层，部分，部分纤维纤维拉断、拉断、拔出拔出整体破坏整体破坏制造加工
8、损伤制造加工损伤纤维铺设不均，树枝不均，固化不足，孔隙等；纤维铺设不均，树枝不均，固化不足，孔隙等；使用引起的损伤使用引起的损伤树脂裂纹、老化，分层，纤维断裂，温度变化大，树脂裂纹、老化，分层，纤维断裂，温度变化大，内应力，内应力，碰撞，疲劳损伤碰撞，疲劳损伤等。等。9.2 金属基复合材料成形工艺金属基复合材料成形工艺制备金属基复合材料（制备金属基复合材料（metal matrix composites, mmc），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润与），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润与合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难，主合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难
9、，主要分为三大类：要分为三大类：固态法固态法 基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、爆炸焊接法等。爆炸焊接法等。液态法液态法 基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。其他制造方法其他制造方法 包括原位自生成法、物理气相沉淀法、化包括原位自生成法、物理
10、气相沉淀法、化学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。一、固态法一、固态法包括包括扩散粘结法、形变法和粉末冶金法扩散粘结法、形变法和粉末冶金法扩散粘结法（扩散粘结法（diffusion bonding）长时间、高温、高压下，通过固态焊接工艺，长时间、高温、高压下，通过固态焊接工艺，使金属互相扩散而粘结在一起的工艺。使金属互相扩散而粘结在一起的工艺。粘结表面接触粘结表面接触界面界面扩扩散、渗透散、渗透界面消失界面消失影响因素：温度、影响因素：温度、压压力、力、时间时间优优点点：金属品种广，：金属品种广，纤维纤维取向、含量易控制取向、含量易控制缺点缺点：焊焊接接
11、时间长时间长，温度、，温度、压压力高，成本高，力高，成本高，零件尺寸受限零件尺寸受限应应用：用：sic/al、b/al等。等。一、固态法一、固态法扩散粘结法扩散粘结法热压法热压法铺层铺层放入模具或缸套内放入模具或缸套内加加热热、加、加压压冷却、取出冷却、取出热等静压法热等静压法预制坯预制坯放入包套放入包套抽真空抽真空高高压压容器容器注入高注入高压压惰气、加惰气、加热热均匀高均匀高压压扩扩散粘散粘结结一、固态法一、固态法形变法（形变法（plastic forming）利用金属塑性成形特点，热轧、热挤、热拉等利用金属塑性成形特点，热轧、热挤、热拉等热轧法热轧法坯料用不锈钢薄板包裹坯料用不锈钢薄板包
12、裹加加热热、反复、反复轧轧制制板板材、材、带带材材生生产产率高，材料利用率高率高，材料利用率高，用于，用于c/al、al2o3/al等等复合材料。复合材料。粉末冶金法（粉末冶金法（powder metallurgy method）制备成形制备成形颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料合金粉末合金粉末增强物增强物混合除气混合除气冷压成形冷压成形热压成形热压成形坯料坯料挤压成形挤压成形轧轧 制制锻锻 造造制件制件烧结烧结二、液态法二、液态法液态金属浸润法液态金属浸润法挤压铸造法（挤压铸造法（squeeze casting）预制件预制件放入模具中（预热）放入模具中（预热） 浇铸熔融金属浇铸熔融
13、金属加压加压凝固成形凝固成形成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品；成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品；用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料复合材料真空压力浸渍法（真空压力浸渍法（vacuum pressure infiltration）组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，易控制，生产率高；但设备复杂，成本高易控制，生产率高；但设备复杂，成本高用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生产。用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生产。真空压力浸渍炉真空压力浸渍
14、炉结构示意图结构示意图液态金属浸润法液态金属浸润法液态金属搅拌铸造法（液态金属搅拌铸造法（stir-casting method of liquid metal）增强相颗粒增强相颗粒加入金属熔体加入金属熔体搅拌均匀搅拌均匀浇铸成形浇铸成形团聚；氧化团聚；氧化工艺简单，生产率高，成本低，适用于多工艺简单，生产率高，成本低，适用于多种基体和颗粒。种基体和颗粒。二、液态法二、液态法井喷沉淀法（井喷沉淀法（spray co-deposition）金属熔化金属熔化液态金属雾化液态金属雾化颗粒加入、混合颗粒加入、混合沉积沉积凝固凝固工艺简单，生产率高；冷却速度快，复合材料工艺简单，生产率高；冷却速度快，复
15、合材料晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合材料气孔率大材料气孔率大 挤压处理挤压处理 致密材料。致密材料。适用面广，多种基体和增强颗粒，可生产空心适用面广，多种基体和增强颗粒，可生产空心管、板、锻坯和挤压锭等。管、板、锻坯和挤压锭等。制造颗粒增强金属基复合材料。制造颗粒增强金属基复合材料。三、其他方法三、其他方法原位自生成法原位自生成法定向凝固法定向凝固法反应自生成法反应自生成法物理气相沉积法物理气相沉积法升华升华-凝结法凝结法分子束法分子束法阴极溅射法阴极溅射法化学气相沉积法化学气相沉积法化学运输法化学运输法气体分解法气体分解法气体合成法气体合成法
16、9-3 树脂基复合材料成形工艺树脂基复合材料成形工艺材料成形与构件成形同时完成材料成形与构件成形同时完成手糊成形手糊成形喷射成形喷射成形袋压成形袋压成形纤维缠绕成形纤维缠绕成形挤压成形挤压成形层压成形层压成形注射成形注射成形一、手糊成形（一、手糊成形（hand laying-up）原材料准备，模具准备，涂脱模剂原材料准备，模具准备，涂脱模剂喷涂胶衣，糊制成形喷涂胶衣，糊制成形固化，脱模固化，脱模修边，装配，验收修边，装配，验收操作简便，投资少，可设计性好，可生产操作简便，投资少，可设计性好，可生产大型、复杂件。大型、复杂件。生产率低，劳动强度大，质量不易控制，生产率低，劳动强度大，质量不易控制
17、，用于小批量、多品种及大型制品。用于小批量、多品种及大型制品。二、喷射成形工艺（二、喷射成形工艺（spray moulding）半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相同，但糊制同，但糊制喷枪机械作业喷枪机械作业生产率高，节省原材料，制品整体性高，生产率高，节省原材料，制品整体性高，形状尺寸不限。形状尺寸不限。树脂含量高，制品强度低，工作环境差树脂含量高，制品强度低，工作环境差不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器等大型部件。等大型部件。三、袋压成形工艺（三、袋压成形工艺（bag moulding）加压袋法加压袋法手糊或注射成形
18、未固化玻璃钢手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋橡胶袋加压加压加热加热固化固化真空袋法真空袋法手糊或注射成形未固化玻璃钢手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋橡胶袋抽真空抽真空固固化化制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高；制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高；适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大件制品。复杂、大件制品。四、层压成形工艺（四、层压成形工艺（lamination process）层叠胶布层叠胶布模板之间模板之间加热、加压固化加热、加压固化冷却、脱模、修整冷却、脱模、修整层压板层压板制品表面光，质量好且稳定，设备简单，制品表面光，
19、质量好且稳定，设备简单，生产率高生产率高只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。劳动轻度大。五、模压成形工艺（五、模压成形工艺（press moulding）生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅助加工；助加工；模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻璃钢制品。璃钢制品。短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、层压模压法、缠绕模压法、
20、织物模压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、片状模塑料模压法等。片状模塑料模压法等。六、缠绕成形工艺（六、缠绕成形工艺（winding process）树脂配制树脂配制纤维烘干纤维烘干浸胶浸胶胶纱烘干胶纱烘干缠缠绕绕固化固化检验、加工检验、加工制品制品制造回转体复合材料制造回转体复合材料干法：干法：制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低；强度低；湿法湿法劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化；化；半干法半干法七、拉挤成形工艺（七、拉挤成形工艺（pultrus
21、ion process）送纱送纱浸胶浸胶预成形预成形固化成形固化成形牵引牵引恒定截面恒定截面型材型材设备价低，生产率高，原料利用率高设备价低，生产率高，原料利用率高制品方向性强，剪切强度低制品方向性强，剪切强度低适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。9-4 陶瓷基复合材料成形工艺陶瓷基复合材料成形工艺模压成形：形状简单小件模压成形：形状简单小件等静压成形：要求高的电子元件等等静压成形：要求高的电子元件等注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件热压成形：形状复杂件热压成形：形状复杂件注射成形：高温工程陶瓷大规模生产注射成形：高温工程陶瓷大规模生产直接氧化法直接氧化法化学气相渗透法化学气相渗透法