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1、第第7章章 復(fù)合材料成形復(fù)合材料成形 由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的物質(zhì)組合在一起的新材料。 主要組成物可分為二類:一類作為基體材料形成幾何形狀并起粘接作用,另一類作為增強(qiáng)材料主要用來承受載荷,起提高強(qiáng)度或韌性等作用。7.1 復(fù)合材料成形基礎(chǔ) 復(fù)合是一種包括物理、化學(xué)、力學(xué),甚至生物學(xué)相互作用的復(fù)雜過程。7.1.1 影響復(fù)合材料性能的因素 復(fù)合材料的性能取決于基體材料性能、增強(qiáng)體特征、組成物比例、界面性質(zhì)、成形方法和工藝參數(shù)等因素?;w材料性能基體材料性能: 對復(fù)合材料的性能有重要影響增強(qiáng)體特征增強(qiáng)體特征:包括增強(qiáng)體的類型、粗細(xì)、強(qiáng)度和 彈性模量等增強(qiáng)纖維越細(xì),復(fù)合材料 的強(qiáng)度越高,剛度越大。增強(qiáng)

2、體顆粒 細(xì)些,增強(qiáng)效果就會(huì)好些,顆粒直徑 一般為0.010.1mm時(shí)增強(qiáng)效果最好。 組成物比例及分布組成物比例及分布: 增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的含量、 排列方式和方向以及和基體間的界面 粘結(jié)狀況等都直接影響到復(fù)合材料的性能,應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)控制 。成形方法和工藝參數(shù)成形方法和工藝參數(shù): 不同的復(fù)合材料應(yīng)選擇合 適的成形方法和工藝參數(shù)以使復(fù)合材料和制品 獲得良好的性能 。7.1.2 復(fù)合材料的復(fù)合原則 為獲得最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)應(yīng)遵循下述原則: 1纖維的性能: 應(yīng)具有高強(qiáng)度和高剛度。有時(shí)還要 求纖維的密度小,耐熱性好。 應(yīng)用較多的纖維有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維等。(2)

3、基體對纖維應(yīng)有一定的粘結(jié)性能,并能保護(hù)纖維表面不受損傷。2基體的性能(1)基體應(yīng)有一定的塑性和韌性,以防纖維斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展。v 聚合物和金屬能較好地滿足上述要求。 3纖維與基體間應(yīng)有合適的結(jié)合強(qiáng)度,以利于載荷由基體向纖維傳遞,充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。4纖維必須有合理的含量、尺寸和分布(1)纖維的含量:通常纖維的體積容量越大,增強(qiáng)效果越好。 (2)纖維的尺寸:纖維的直徑越小、越長,增強(qiáng)效果越好。 (3)纖維的分布:纖維的排列可采用不同方向交叉層疊方式, 以達(dá)到多方向的增強(qiáng)效果。7.1.3 復(fù)合材料成形的工藝特點(diǎn)1材料制備與制品成形同時(shí)完成: 形狀復(fù)雜的大型制品往往能一次整體成形,工藝簡單、生產(chǎn)周

4、期短、成本低。由于減少甚至取消了接頭,應(yīng)力集中小、制品質(zhì)量輕、剛度和耐疲勞性高。2材料性能的可設(shè)計(jì)性: 通過對產(chǎn)品的分析選擇相應(yīng)的基體材料和增強(qiáng)材料和合適的比例;并設(shè)計(jì)合理的排列方向和層數(shù),選用合適的復(fù)合工藝和參數(shù),可使制品結(jié)構(gòu)合理、安全可靠,且有較好的經(jīng)濟(jì)性,從而為材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。7.2復(fù)合材料成形方法7.2.1 樹脂基復(fù)合材料的成形方法 1手糊法 鋪一層增強(qiáng)材料刷一次樹脂,直至所需層數(shù),最后進(jìn)行固化、脫模、修整和檢驗(yàn)得到所需制品。 設(shè)備簡單,不受制品尺寸限制,勞動(dòng)條件差,制品質(zhì)量不穩(wěn)定、強(qiáng)度較低,適用于大型制品的小批量、多品種生產(chǎn)。 一般用來成形船體、浴盆、波紋瓦、汽車殼體、風(fēng)機(jī)

5、葉片等,是使用最早和目前仍廣泛應(yīng)用的一種成形方法 。2噴射法 : 將手糊法成形操作中的糊制工序改由噴槍完成,將纖維和樹脂液同時(shí)噴到模具上,再經(jīng)壓實(shí)、固化得到制品。 通常噴射速率為210kg/min。 噴射法成形為半機(jī)械化操作,生產(chǎn)率高;制品的飛邊少,無搭縫;整體性好。 樹脂含量高;制品強(qiáng)度低;且操作現(xiàn)場粉塵大;工作環(huán)境差。 3袋壓法 將手糊法成形的制品或預(yù)浸料(預(yù)浸樹脂的纖維或織物)放到模具內(nèi),并在制品上覆蓋橡膠袋或塑料袋,將氣體壓力施加到尚未固化的制品表面使其成形的工藝方法 。 (1) 真空袋壓法: (2) 壓力袋壓法: 制品兩面都比較平滑,質(zhì)量好;成形周期短、適應(yīng)的樹脂類型廣且制品的形狀可

6、較復(fù)雜。成本較高,制品尺寸也受到設(shè)備的限制。 4纏繞法: 將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂后,按照一定規(guī)律纏繞到芯模上,通過固化、脫模而得到制品的方法。 纏繞法目前主要用于纏繞園柱體、球體等回轉(zhuǎn)體制品,如壓力罐、筒,貯罐、和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。 制品比強(qiáng)度大、精度高、質(zhì)量好且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。但制品軸向難以增強(qiáng),設(shè)備投資較大。5模壓法: 將已干燥的浸膠纖維或織物等放入金屬模具內(nèi),通過加熱、加壓使樹脂塑化和熔融流動(dòng)成形,經(jīng)固化獲得制品。 模壓法制品尺寸精確、表面光滑、力學(xué)性能高。 模壓法工藝簡便、應(yīng)用廣泛,常用于制造船體、罩殼和汽車車身等制品。7.2.2 金屬基復(fù)合材料的成形方法 金屬基復(fù)合材料是以金屬為

7、基體,采用纖維、顆粒等作為增強(qiáng)體經(jīng)復(fù)合而成的。 1等離子噴涂法: 在惰性氣體保護(hù)下,由等離子弧向排列整齊的纖維噴射熔融金屬,待其冷卻凝固后形成復(fù)合材料的方法。 界面結(jié)合緊密,成形過程中纖維不受損傷,但基體組織不夠致密。2液態(tài)滲透法: 以金屬液滲入增強(qiáng)體制成復(fù)合材料的方法,可以通過多種鑄造方法來實(shí)現(xiàn)。 用于制造長、短纖維增強(qiáng)以及混雜增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料,并能制造形狀復(fù)雜的制品。 設(shè)備比較復(fù)雜,周期較長,制造大尺寸制品困難。3熱壓擴(kuò)散結(jié)合法: 在高溫下,對排布好的纖維和金屬基體施加靜壓力,使纖維和金屬產(chǎn)生原子擴(kuò)散和少量塑性變形以完成粘接的成形方法。 加熱溫度低、纖維不易損傷,金屬對纖維的潤濕性和纖

8、維的取向性好,但生產(chǎn)周期長。是鈦基、鎳基等熔點(diǎn)較高的金屬最主要的復(fù)合方法,用于制造板材、型材及形狀復(fù)雜的壁板、葉片等。7.2.3 陶瓷基復(fù)合材料的成形方法 陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體,采用纖維、顆粒等作為增強(qiáng)體經(jīng)復(fù)合而成的。1粉漿浸滲法: 將纖維增強(qiáng)體編織成所需形狀,用陶瓷漿料浸滲,干燥后進(jìn)行燒結(jié)。 不損傷增強(qiáng)體,無需模具且工藝簡單,但制品的密度和力學(xué)性能不夠高。2熱壓燒結(jié)法: 將纖維或織物增強(qiáng)體用陶瓷漿料浸漬后組成一定結(jié)構(gòu)的坯體,經(jīng)干燥后在高溫、高壓下燒結(jié)成制品。 制品的密度和力學(xué)性能均較高。3反應(yīng)燒結(jié)法 : 使已與增強(qiáng)材料混合的熔融金屬直接氧化或氮化制成復(fù)合材料。反應(yīng)產(chǎn)物最初在金屬與氣相

9、界面形成,然后不斷向金屬內(nèi)部擴(kuò)展,直至形成相互貫通的呈三維網(wǎng)絡(luò)的陶瓷基復(fù)合材料。 成本較低、工藝簡單;制品收縮很小、形狀和尺寸不限;常溫性能好。但制品的高溫強(qiáng)度不高。7.3 復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性 1纖維的分布應(yīng)滿足承載要求 采用短切纖維或采用連續(xù)長纖維在幾個(gè)方向上交叉鋪設(shè),以使制品近似獲得各向同性。 為提高板、殼面內(nèi)的抗剪能力,通常纖維的縱向應(yīng)與板、殼的框、肋成45角。 2構(gòu)件彎折處應(yīng)采用圓角過渡 避 免 彎 折 處 應(yīng) 力 集 中 和 彎 折 處 樹 脂 聚 積 或 缺 膠 使 強(qiáng)度降低現(xiàn)象3盡量采用整體結(jié)構(gòu) 有利于簡化制品結(jié)構(gòu)、減少連接件數(shù)量和簡化生產(chǎn)工藝,有利于減輕制品質(zhì)量、隆低成本和提高制品的使用性能。 4采用剛性較好的結(jié)構(gòu) 提高構(gòu)件的承載能力和尺寸穩(wěn)定性。7.4 復(fù)合材料制備與成形技術(shù)的發(fā)展趨勢復(fù)合材料制備與成形技術(shù)的發(fā)展趨勢 7.4.1 復(fù)合材料的智能化生產(chǎn)技術(shù) 在同一過程

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