復(fù)合材料成型

1、一一 復(fù)合材料的定義、分類和性能復(fù)合材料的定義、分類和性能第七章 復(fù)合材料成型復(fù)合材料(composite materials)：由兩種或兩種以上：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)通過組合而成的一種多物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)通過組合而成的一種多相固體材料。相固體材料。這是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織這是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)為復(fù)合材料下為復(fù)合材料下的定義。的定義。1 復(fù)合材料定義復(fù)合材料定義2 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類有按基體和增強(qiáng)材料分類等多種分法：有按基體和增強(qiáng)材料分類等多種分法： 在復(fù)合材料中，

2、通常一相為連續(xù)相，稱為在復(fù)合材料中，通常一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料。分散相是以獨(dú)立。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在著相界的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，兩相之間存在著相界面。分散相可以是面。分散相可以是增強(qiáng)纖維、顆粒狀或彌散的填料。常用的增強(qiáng)相有：常用的增強(qiáng)相有： 長纖維、短纖維、晶須、顆粒以及無機(jī)非金屬長纖維、短纖維、晶須、顆粒以及無機(jī)非金屬材料（陶瓷碳纖維、石墨纖維）等。材料（陶瓷碳纖維、石墨纖維）等。復(fù)合復(fù)合材料材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料高分子復(fù)合材料無機(jī)非金屬無機(jī)非金屬基復(fù)合材料基復(fù)合材料水泥或混泥土基復(fù)

3、合材料水泥或混泥土基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料1) 按基體材質(zhì)分按基體材質(zhì)分復(fù)合復(fù)合材料材料顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料纖維增纖維增強(qiáng)復(fù)合強(qiáng)復(fù)合材料材料分散強(qiáng)化復(fù)合材料分散強(qiáng)化復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料片晶增強(qiáng)復(fù)合材料片晶增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維強(qiáng)連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料化復(fù)合材料不連續(xù)纖維強(qiáng)不連續(xù)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料化復(fù)合材料短纖維短纖維晶須晶須玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維有機(jī)纖維有機(jī)纖維2) 按增強(qiáng)材料分按增強(qiáng)材料分B2隱形轟炸、隱形轟炸、殲擊機(jī)。大量殲擊機(jī)。大量使用了復(fù)合材使用了復(fù)合材料。料。C纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作的構(gòu)件，用于衛(wèi)星上固的構(gòu)件，用于衛(wèi)星上

4、固定儀器的框架。定儀器的框架。全部由金屬基復(fù)合材料全部由金屬基復(fù)合材料制造的曲軸連桿機(jī)構(gòu)。制造的曲軸連桿機(jī)構(gòu)。復(fù)合裝飾材料復(fù)合裝飾材料玻璃纖維玻璃纖維/ /樹脂復(fù)合材樹脂復(fù)合材料制作的反射器料制作的反射器B/Al葉片、管件葉片、管件C纖維纖維3 復(fù)合材料的性能：復(fù)合材料的性能：1) 復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量較高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量較高2) 復(fù)合材料抗疲勞性能好復(fù)合材料抗疲勞性能好3) 復(fù)合材料減振性能好復(fù)合材料減振性能好4) 復(fù)合材料耐熱性高溫性能好復(fù)合材料耐熱性高溫性能好二二 纖維復(fù)合材料成型過程纖維復(fù)合材料成型過程 各類復(fù)合材料中使用最多且最重要的是纖維復(fù)各類復(fù)合材料中使用最多且最重要

5、的是纖維復(fù)合材料，故主要介紹制造機(jī)器構(gòu)件的纖維復(fù)合材料合材料，故主要介紹制造機(jī)器構(gòu)件的纖維復(fù)合材料成型過程。成型過程。1 纖維制取方法纖維制取方法 纖維復(fù)合材料中的纖維，主要有纖維復(fù)合材料中的纖維，主要有玻璃纖維、碳玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維和金屬細(xì)絲纖維、陶瓷纖維和金屬細(xì)絲。碳纖維碳纖維玻璃纖維玻璃纖維1) 熔體抽絲法熔體抽絲法將所制取材料熔化成液體，然后從將所制取材料熔化成液體，然后從液體中以極快的速度抽出細(xì)絲。此法主要用于制取玻液體中以極快的速度抽出細(xì)絲。此法主要用于制取玻璃、氧化鋁等纖維。璃、氧化鋁等纖維。晶須晶須2) 熱分解法熱分解法將人造或天然纖維在將人造或天然纖維在200300

6、的空的空氣中預(yù)氧化，然后在氣中預(yù)氧化，然后在1000 2000的氮?dú)庵刑蓟?，可制得的氮?dú)庵刑蓟?，可制得碳纖維。若將碳纖維在碳纖維。若將碳纖維在2500 3000氬氣中石墨化可得石氬氣中石墨化可得石墨纖維墨纖維。此法主要用于獲得連續(xù)的碳纖維或石墨纖維。此法主要用于獲得連續(xù)的碳纖維或石墨纖維。3) 拔絲法拔絲法將冶煉或粉末壓制生產(chǎn)的金屬坯料，在將冶煉或粉末壓制生產(chǎn)的金屬坯料，在高溫且有保護(hù)性氣氛中反復(fù)拉拔成細(xì)絲。此法主要用高溫且有保護(hù)性氣氛中反復(fù)拉拔成細(xì)絲。此法主要用于獲得長的金屬細(xì)絲。于獲得長的金屬細(xì)絲。4) 氣相沉積法氣相沉積法主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅等纖維

7、。等纖維。晶須晶須2 纖維復(fù)合材料成形方法纖維復(fù)合材料成形方法按基體材料在成型時的狀態(tài)分為兩大類：按基體材料在成型時的狀態(tài)分為兩大類：1) 固態(tài)法固態(tài)法基體和增強(qiáng)物在成型過程中均為基體和增強(qiáng)物在成型過程中均為固態(tài)固態(tài) 此法是將基體材料或箔與增強(qiáng)物按設(shè)計要求此法是將基體材料或箔與增強(qiáng)物按設(shè)計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于模具中，在經(jīng)加熱加壓使基體與增強(qiáng)物復(fù)合粘結(jié)而模具中，在經(jīng)加熱加壓使基體與增強(qiáng)物復(fù)合粘結(jié)而制成復(fù)合材料零件或制品。制成復(fù)合材料零件或制品。 基體材料主要是塑性好的基體材料主要是塑性好的Al、Cu、Ti及其合金及其合金等等

8、金屬基體和陶瓷基體金屬基體和陶瓷基體。當(dāng)增強(qiáng)物為短纖維、晶須。當(dāng)增強(qiáng)物為短纖維、晶須或顆粒時，其成型過程與粉末冶金相似?；蝾w粒時，其成型過程與粉末冶金相似。 具體方法有：具體方法有：粉末壓制法、熱壓固結(jié)法粉末壓制法、熱壓固結(jié)法、熱等熱等靜壓法靜壓法、拉拔法拉拔法、扎制法扎制法、擠壓法擠壓法等。等。2) 液態(tài)法液態(tài)法 即基體材料在成型時處于即基體材料在成型時處于熔融熔融狀態(tài)，與固體增狀態(tài)，與固體增強(qiáng)物復(fù)合后，通過基體材料的固化或凝固而獲得復(fù)強(qiáng)物復(fù)合后，通過基體材料的固化或凝固而獲得復(fù)合材料零件或制品的方法。合材料零件或制品的方法。 液態(tài)法中基體材料采用最多的是液態(tài)法中基體材料采用最多的是樹脂樹脂

9、，也有，也有金金屬材料屬材料。可以直接用來制造纖維復(fù)合材料零件，也。可以直接用來制造纖維復(fù)合材料零件，也廣泛用來制造纖維復(fù)合絲、復(fù)合帶、復(fù)合板、錠坯廣泛用來制造纖維復(fù)合絲、復(fù)合帶、復(fù)合板、錠坯等作為二次加工成零件的原材料。等作為二次加工成零件的原材料。 由玻璃、碳、硼纖維等與樹脂形成復(fù)合材料制由玻璃、碳、硼纖維等與樹脂形成復(fù)合材料制品的液態(tài)法就有許多種，按成型過程的特征主要有：品的液態(tài)法就有許多種，按成型過程的特征主要有：噴射成型法、壓制成型法、纖維纏繞成型法、連續(xù)噴射成型法、壓制成型法、纖維纏繞成型法、連續(xù)成型法、層壓成型法等成型法、層壓成型法等。 噴射成形法噴射成形法把切成小段的把切成小段

10、的( (玻璃玻璃) )纖維和樹脂一纖維和樹脂一起噴涂到模具表面，然后固化成型。起噴涂到模具表面，然后固化成型。噴射成形噴射成形1樹脂混合物；樹脂混合物；2纖維絲；纖維絲；3切斷切斷裝置；裝置；4噴槍；噴槍；5壓縮空氣壓縮空氣壓制成形法壓制成形法在模具上鋪好玻璃纖維制品，然后澆在模具上鋪好玻璃纖維制品，然后澆上配好的室溫固化樹脂加壓固化成型。上配好的室溫固化樹脂加壓固化成型。壓制成形壓制成形1下模；下模；2上模；上模；3加熱通道；加熱通道；4制品制品纖維纏繞成形法纖維纏繞成形法把連續(xù)纖維一邊浸以樹脂，一邊纏繞在芯軸上，然后把連續(xù)纖維一邊浸以樹脂，一邊纏繞在芯軸上，然后固化成型。主要用于制造管子、

11、壓力筒、圓筒形件等。固化成型。主要用于制造管子、壓力筒、圓筒形件等。纏繞成形纏繞成形1纖維；纖維；2型模型模(芯軸芯軸)；3樹脂浴槽樹脂浴槽連續(xù)成形法連續(xù)成形法 把纖維連續(xù)不斷地浸以樹脂，并通過?？诤凸贪牙w維連續(xù)不斷地浸以樹脂，并通過?？诤凸袒癄t，固化成板、棒或其它型材?；癄t，固化成板、棒或其它型材。連續(xù)成形連續(xù)成形1纖維；纖維；2樹脂浴槽；樹脂浴槽；3成形模；成形模；4固化爐；固化爐；5牽引裝置牽引裝置層壓成形法層壓成形法 把纖維制品或紙板、織物、石棉、木材等經(jīng)浸漬把纖維制品或紙板、織物、石棉、木材等經(jīng)浸漬或涂敷樹脂后疊堆，在加熱加壓下固化成各種夾層結(jié)或涂敷樹脂后疊堆，在加熱加壓下固化成各種

12、夾層結(jié)構(gòu)，以獲得復(fù)合纖維板、棒、管和其它形狀。構(gòu)，以獲得復(fù)合纖維板、棒、管和其它形狀。層壓成形層壓成形1纖維；纖維；2樹脂浴槽；樹脂浴槽；3牽引裝置；牽引裝置；4切割；切割；5層壓固化；層壓固化；6制品制品3 復(fù)合材料成形的系統(tǒng)優(yōu)化復(fù)合材料成形的系統(tǒng)優(yōu)化主要解決基體與增強(qiáng)相之間的相容性問題主要解決基體與增強(qiáng)相之間的相容性問題復(fù)合材復(fù)合材料相容料相容性性物理相容性物理相容性化學(xué)相容性化學(xué)相容性潤濕潤濕界面反應(yīng)界面反應(yīng)力學(xué)性能相容性力學(xué)性能相容性熱容性熱容性密度相容性密度相容性三三 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料成形過程顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料成形過程 常用增強(qiáng)顆粒有常用增強(qiáng)顆粒有TiC、 TiN、Ti(CN)、AlN

13、、Al2O3、SiC等主要用于增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。等主要用于增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。主要介紹原位生成法主要介紹原位生成法(In Situ Production)。1 原位生成法概念及特點：原位生成法概念及特點： 在一定條件在一定條件( (高溫高溫) )下，通過元素之間或元素與下，通過元素之間或元素與化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)部原位生化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)部原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的高硬相成一種或幾種高硬度、高彈性模量的高硬相( (陶瓷陶瓷顆粒顆粒) )，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。 與外加顆粒復(fù)合材料相比，原位生成復(fù)合材料的優(yōu)點：1）因其顆

14、粒是在基體中通過原位生成的，在熱力學(xué)）因其顆粒是在基體中通過原位生成的，在熱力學(xué)上是穩(wěn)定相，沒有污染、潤濕及界面反應(yīng)的問題。上是穩(wěn)定相，沒有污染、潤濕及界面反應(yīng)的問題。2）原位生成的顆粒，其尺寸非常?。┰簧傻念w粒，其尺寸非常小(5 )且分布且分布均勻，可減少偏析和偏聚。均勻，可減少偏析和偏聚。m3）成本較低。因為省去了增強(qiáng)相顆粒的制備、加）成本較低。因為省去了增強(qiáng)相顆粒的制備、加入，工藝簡單。入，工藝簡單。4）用原位復(fù)合的方法，可采用鑄造法來制造形狀復(fù)）用原位復(fù)合的方法，可采用鑄造法來制造形狀復(fù)雜、尺寸較大的凈近形鑄件。雜、尺寸較大的凈近形鑄件。2 原位生成法具體介紹原位生成法具體介紹 V

15、LS法法1) 氣氣液相反應(yīng)法液相反應(yīng)法 是將含有是將含有C或或N的氣體通入到高溫的金屬熔體中，的氣體通入到高溫的金屬熔體中，使氣體中的使氣體中的C或或N與金屬熔體中的元素發(fā)生反應(yīng)，生與金屬熔體中的元素發(fā)生反應(yīng)，生成高硬度、高彈性模量的碳化物或氮化物。成高硬度、高彈性模量的碳化物或氮化物。DIMox法法(直接氧化法直接氧化法) 在鋁液表面生成氧化膜，使其氧化膜內(nèi)有細(xì)小在鋁液表面生成氧化膜，使其氧化膜內(nèi)有細(xì)小的管道，使其下部的鋁液不斷的氧化，這樣生成陶的管道，使其下部的鋁液不斷的氧化，這樣生成陶瓷材料瓷材料Al2O3。2) 固固液相反應(yīng)法液相反應(yīng)法 直接反應(yīng)法直接反應(yīng)法 在氬氣的保護(hù)下，將配備的碳

16、粉加入到在氬氣的保護(hù)下，將配備的碳粉加入到1500 的的Cu-Ti合金中，開始碳粉浮在金屬液表面，隨著保溫合金中，開始碳粉浮在金屬液表面，隨著保溫的進(jìn)行，碳粉逐漸減少直至消失，的進(jìn)行，碳粉逐漸減少直至消失，Ti+CTiC(顆粒顆粒)，攪拌，則生成了銅基復(fù)合材料。攪拌，則生成了銅基復(fù)合材料。 1200 的的Al-Si(Si30%)中，加入碳粉，保溫一段時中，加入碳粉，保溫一段時間，間， Si+CSiC(顆粒顆粒)，從而得到，從而得到SiC顆粒增強(qiáng)的鋁顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料?；鶑?fù)合材料。還原反應(yīng)法還原反應(yīng)法 將不太穩(wěn)定的化合物加入到高溫溶液中，其與溶液將不太穩(wěn)定的化合物加入到高溫溶液中，其與溶液中的某個組元發(fā)生反應(yīng)，生成更加穩(wěn)定的某種顆粒。中的某個組元發(fā)生反應(yīng)，生成更加穩(wěn)定的某種顆粒。3) 固固固反應(yīng)法固反應(yīng)法 自曼延高溫合成法自曼延高溫合成法 兩種反應(yīng)物能發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)