《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第8章

第8章復(fù)合材料及其成型8.1復(fù)合材料

8.2復(fù)合材料成型工藝高分子材料、無機(jī)材料和金屬材料是當(dāng)今三大材料，它們各有特點(diǎn)但也有其缺點(diǎn)，如高分子材料易老化、不耐高溫，陶瓷材料缺韌性、易碎裂。人們?cè)O(shè)想如果將這三大類不同的材料，通過復(fù)合組成新的材料，使它既能保持原材料的長(zhǎng)處，又能彌補(bǔ)其自身短處，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高材料的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。因此，復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料就是將兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合在一起，構(gòu)成的性能比其組成材料優(yōu)異的一類新型材料。

8.1.1復(fù)合材料的定義

復(fù)合材料大多由以連續(xù)相存在的基體材料與分散于其中的增強(qiáng)材料兩部分組成。增強(qiáng)材料是指能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，有細(xì)顆粒、短纖維、連續(xù)纖維等形態(tài)。因?yàn)槔w維的剛性和抗拉伸強(qiáng)度大，所以增強(qiáng)材料大多數(shù)為各類纖維。8.1復(fù)合材料所用的纖維可以是玻璃纖維、碳或硼纖維、氧化鋁或碳化硅纖維、金屬纖維(鎢、鉑、鉭和不銹鋼等)，也可以是復(fù)合纖維。纖維是復(fù)合材料的骨架，其作用是承受負(fù)荷、增加強(qiáng)度，它基本上決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度?；w材料的主要作用是使增強(qiáng)材料黏合成型，且對(duì)承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用?；w材料可以是高分子聚合物、金屬材料、陶瓷材料等。

復(fù)合材料把基體材料和增強(qiáng)材料各自的優(yōu)良特性加以組合，同時(shí)又彌補(bǔ)了各自的缺陷，因此，復(fù)合材料具有高強(qiáng)輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、剛度高、耐疲勞、抗斷裂性能高、減震性能好、抗蠕變性能強(qiáng)等一系列的優(yōu)良性能。此外，復(fù)合材料還有抗震、耐腐蝕、穩(wěn)定安全等特性，因而后來居上成為應(yīng)用廣泛的重要新材料。8.1.2復(fù)合材料的分類

復(fù)合材料按基體材料可分為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。

1.聚合物基復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料主要是指纖維增強(qiáng)聚合物材料，如將硅纖維包埋在環(huán)氧樹脂中使復(fù)合材料強(qiáng)度增加，用于制造網(wǎng)球拍、高爾夫球棍和滑雪橇等。玻璃纖維復(fù)合材料為玻璃纖維與聚酯的復(fù)合體，可用作結(jié)構(gòu)材料，如汽車和飛機(jī)中的某些部件、橋體的結(jié)構(gòu)材料和船體等，其強(qiáng)度可與鋼材相比。增強(qiáng)的聚酰亞胺樹脂可用于汽車的“塑料發(fā)動(dòng)機(jī)”，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，節(jié)約燃料。玻璃鋼是由玻璃纖維和聚酯類樹脂復(fù)合而成的，是復(fù)合材料的杰出代表，具有優(yōu)良的性能。它的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗沖擊、絕緣性好，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、船舶、建筑甚至家具等生產(chǎn)。

2.金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以纖維、晶須、顆粒、薄片等為增強(qiáng)體的復(fù)合材料?；w金屬多采用純金屬及合金，如鋁、銅、銀、鉛、鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金等。增強(qiáng)材料采用陶瓷顆粒、碳纖維、石墨纖維、硼纖維、陶瓷纖維、陶瓷晶須、金屬纖維、金屬晶須、金屬薄片等。

鋁基復(fù)合材料(如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料)是應(yīng)用最多、最廣的一種。由于其具有良好的塑性和韌性，加之具有易加工性、工程穩(wěn)定性和可靠性及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛青睞。鎳基復(fù)合材料的高溫性能優(yōu)良，這種復(fù)合材料被用來制造高溫下工作的零部件。鎳基復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)重要目標(biāo)，是希望用它來制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽機(jī)的工作溫度，預(yù)計(jì)可達(dá)到1800℃以上。

鈦基復(fù)合材料比其他結(jié)構(gòu)材料具有更高的強(qiáng)度和剛度，有望滿足更高速新型飛機(jī)對(duì)材料的要求。鈦基復(fù)合材料的最大應(yīng)用障礙是制備困難、成本高。

3.陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷本身具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但其脆性大，若將增強(qiáng)纖維包埋在陶瓷中可以克服這一缺點(diǎn)。增強(qiáng)材料有碳纖維、碳化硅纖維和碳化硅晶須等。陶瓷基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高韌性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一類新型結(jié)構(gòu)材料，已應(yīng)用于或即將應(yīng)用于刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、航空航天構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制作、能源構(gòu)件等領(lǐng)域。

復(fù)合材料成型的工藝方法取決于基體和增強(qiáng)材料的類型。以顆粒、晶須或短纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，一般都可以用基體材料的成型工藝方法進(jìn)行成型加工；以連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料的成型方法則不相同。8.2復(fù)合材料成型工藝復(fù)合材料成型工藝和其他材料的成型工藝相比，有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即材料的成型與制品的成型是同時(shí)完成的，因此，復(fù)合材料的成型工藝水平直接影響材料或制品的性能。一種復(fù)合材料制品可能有多種成型方法，在選擇成型方法時(shí)，除了考慮基體和增強(qiáng)材料的類型外，還應(yīng)根據(jù)制品的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、用途、產(chǎn)量、成本及生產(chǎn)條件等因素綜合考慮。8.2.1聚合物基復(fù)合材料的成型工藝

隨著聚合物基復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展和日漸完善，新的高效生產(chǎn)方法不斷出現(xiàn)。目前，成型方法已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn)。在生產(chǎn)中常用的成型方法有手糊成型法、纏繞成型法、模壓成型法、噴射成型法、樹脂傳遞模塑成型法等。

1.手糊成型法——濕法層鋪成型

手糊成型法是指以手工作業(yè)為主，把玻璃纖維織物和樹脂交替地層鋪在模具上，然后固化成型為玻璃鋼制品的工藝。具體作法是：先在涂有脫模劑的模具上均勻涂上一層樹脂混合液，再將裁剪成一定形狀和尺寸的纖維增強(qiáng)織物，按制品要求鋪設(shè)到模具上，用刮刀、毛刷或壓棍使其平整并均勻浸透樹脂、排除氣泡。多次重復(fù)以上步驟層層鋪貼，直至所需層數(shù)，然后固化成型，脫模修整獲得坯件或制品。其工藝流程如圖8-1所示。

圖8-1手糊成型工藝流程示意圖手糊成型法操作簡(jiǎn)單，適于多品種、小批量生產(chǎn)，不受制品尺寸和形狀的限制，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求手糊成型不同厚度、不同形狀的制品。但這種成型方法生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)條件差且勞動(dòng)強(qiáng)度大；制品的質(zhì)量、尺寸精度不易控制，性能穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較其他成型方法低。

手糊成型可用于制造船體、儲(chǔ)罐、儲(chǔ)槽、大口徑管道、風(fēng)機(jī)葉片、汽車殼體、飛機(jī)蒙皮、機(jī)翼、火箭外殼等大中型制件。

2.纏繞成型法

纏繞成型法是采用預(yù)浸紗帶、預(yù)浸布帶等預(yù)浸料，或?qū)⑦B續(xù)纖維、布帶浸漬樹脂后，在適當(dāng)?shù)睦p繞張力下按一定規(guī)律纏繞到一定形狀的芯模上至一定厚度，經(jīng)固化脫模獲得制品的一種方法，圖8-2為纏繞成型法示意圖。與其他成型方法相比，纏繞法成型可以保證按照承力要求確定纖維排布的方向、層次，充分發(fā)揮纖維的承載能力，體現(xiàn)了復(fù)合材料強(qiáng)度的可設(shè)計(jì)性及各向異性，因而制品結(jié)構(gòu)合理、比強(qiáng)度高；纖維按規(guī)定方向排列整齊，制品精度高、質(zhì)量好；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；但纏繞法成型需纏繞機(jī)、高質(zhì)量的芯模和專用的固化加熱爐等，投資較大。圖8-2纏繞成型法示意圖纏繞成型法可大批量生產(chǎn)需承受一定內(nèi)壓的中空容器，如固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器、管道、火箭尾噴管、導(dǎo)彈防熱殼體及各類天然氣氣瓶、大型儲(chǔ)罐、復(fù)合材料管道等。制品外形除圓柱形、球形外，也可成型矩形、鼓形及其他不規(guī)則形狀的外凸型及某些復(fù)雜形狀的回轉(zhuǎn)型。

3.模壓成型法

模壓成型是復(fù)合材料生產(chǎn)中最古老而又富有無限活力的一種成型方法，其基本過程是將一定量的經(jīng)過一定預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的壓模內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔。在預(yù)定的溫度條件下，模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化，然后將制品從壓模內(nèi)取出，再進(jìn)行必要的輔助加工即得到最終制品。

模壓成型方法適用于異形制品的成型，生產(chǎn)效率高，制品的尺寸精確、重復(fù)性好，表面粗糙度小、外觀好，材料質(zhì)量均勻、強(qiáng)度高，適于大批量生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品可一次成型，無需有損制品性能的輔助機(jī)械加工。其主要缺點(diǎn)是模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，一次投資費(fèi)用高，制件尺寸受壓機(jī)規(guī)格的限制。一般限于中小型制品的批量生產(chǎn)。

模壓成型工藝按成型方法可分為壓制模壓成型、壓注模壓成型與注射模壓成型。

1)壓制模壓成型

將模塑料、預(yù)浸料(布、片、帶需經(jīng)裁剪)等放入金屬對(duì)模(由凸模和凹模組成)內(nèi)，由壓力機(jī)(大多為液壓機(jī))將壓力作用在模具上，通過模具直接對(duì)模塑料、預(yù)浸料進(jìn)行加壓，同時(shí)加溫，使其流動(dòng)充模，固化成型。

壓制模壓成型工藝簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛，可用于成型船體、機(jī)器外罩、冷卻塔外罩、汽車車身等制品。

2)壓注模壓成型

將模塑料在模具加料室中加熱成熔融狀，然后通過流道壓入閉合模具中成型固化，或先將纖維、織物等增強(qiáng)材料制成坯件置入密閉模腔內(nèi)，再將加熱成熔融狀態(tài)的樹脂壓入模腔，浸透其中的增強(qiáng)材料，然后固化成型，如圖8-3所示。

圖8-3壓注模壓成型示意圖壓注模壓成型法主要用于制造尺寸精確、形狀復(fù)雜、薄壁、表面光滑、帶金屬嵌件的中小型制品，如各種中小型容器及各種儀器、儀表的表盤、外殼等，還可制作小型車船外殼及零部件等。

3)注射模壓成型

注射模壓成型是將模塑料在螺桿注射機(jī)的料筒中加熱成熔融狀態(tài)，通過噴嘴小孔，以高速、高壓注入閉合模具中固化成型，是一種高效率自動(dòng)化的模壓工藝，適于生產(chǎn)小型復(fù)雜形狀零件，如汽車及火車配件、紡織機(jī)零件、泵殼體、空調(diào)機(jī)葉片等。

4.噴射成型法

噴射成型法是將調(diào)配好的樹脂膠液(多采用不飽和聚酯樹脂)與短切纖維(長(zhǎng)度為25～50mm)同時(shí)噴到模具上，再經(jīng)壓實(shí)、固化得到制品。如圖8-4所示，將配制好的樹脂液分別由噴槍的兩個(gè)噴嘴噴出，同時(shí)，切割器將連續(xù)玻璃纖維切碎，由噴槍的第三個(gè)噴嘴均勻地噴出，并與膠液均勻混合后噴射到模具表面上沉積，每噴一層(厚度應(yīng)小于10mm)，即用輥?zhàn)訚L壓，使之壓實(shí)、浸漬并排出氣泡，再繼續(xù)噴射，直至完成坯件制作，最后固化成制品。噴射成型法的生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度較低，適于批量生產(chǎn)大尺寸制品，制品無搭接縫，整體性好；但場(chǎng)地污染大，制品樹脂含量高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65%)，強(qiáng)度較低。噴射法可用于成型船體、容器、汽車車身、機(jī)器外罩、大型板等制品。圖8-4噴射成型工藝示意圖(兩罐系統(tǒng))

5.樹脂傳遞模塑成型法

樹脂傳遞模塑成型法(RTM)是一種較新的工藝，一般是指在模具的型腔里預(yù)先放置增強(qiáng)材料(包括螺栓、聚氨酯泡沫塑料等嵌件)，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(qiáng)材料一起固化，最后起模、脫模，從而得到制品。此法能制造出表面光潔、高精度的復(fù)雜構(gòu)件，是近年來迅速發(fā)展起來的成型工藝，因其具有經(jīng)濟(jì)性好、可設(shè)計(jì)性、揮發(fā)性物質(zhì)少、環(huán)保效果好、產(chǎn)品尺寸精度高和表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)玻璃鋼行業(yè)中所占的比重越來越大。

6.熱壓罐法成型

熱壓罐法是利用金屬壓力容器——熱壓罐，對(duì)置放于模具上的鋪層坯件加壓(通過壓縮空氣實(shí)現(xiàn))和加熱(通過熱空氣、蒸汽或模具內(nèi)加熱元件產(chǎn)生的熱量)，使其固化成型。

熱壓罐法可獲得壓制緊密、厚度公差范圍小的高質(zhì)量制件，適用于制造大型和復(fù)雜的部件，如機(jī)翼、導(dǎo)彈載入體、部件膠接組裝等。但該法能源利用率低，熱壓罐重量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用高。

7.層壓成型法

層壓成型法是將紙、棉布、玻璃布等片狀增強(qiáng)材料，在浸膠機(jī)中浸漬樹脂，經(jīng)干燥制成浸膠材料，然后按層壓制品的大小，對(duì)浸膠材料進(jìn)行裁剪，并根據(jù)制品要求的厚度(或質(zhì)量)計(jì)算所需浸膠材料的張數(shù)，逐層疊放在多層壓機(jī)上，進(jìn)行加熱層壓固化，脫模獲得層壓制品。為使層壓制品表面光潔美觀，疊放時(shí)可于最上和最下兩面放置2～4張含樹脂量較高的面層用浸膠材料。

8.離心澆注成型法

離心澆注成型法是利用筒狀模具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將短切纖維連同樹脂同時(shí)均勻噴灑到模具內(nèi)壁形成坯件；或先將短切纖維氈鋪在筒狀模具的內(nèi)壁上，再在模具快速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，向纖維層均勻噴灑樹脂液浸潤(rùn)纖維形成坯件，坯件達(dá)到所需厚度后通熱風(fēng)固化。

離心澆注成型法的特點(diǎn)是制件壁厚均勻，外表光潔，可應(yīng)用于大直徑筒、管、罐類制件的成型。

9.拉擠成型法

拉擠成型法是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)纖維，在牽引機(jī)構(gòu)的拉力作用下，通過成型模定形，再進(jìn)行固化，連續(xù)引拔出長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料管、棒、方形、工字形、槽形，以及非對(duì)稱形的異形截面等型材，如飛機(jī)和船舶的結(jié)構(gòu)件、礦井和地下工程構(gòu)件等。拉擠成型的工藝如圖8-5所示。拉擠工藝只限于生產(chǎn)型材，設(shè)備復(fù)雜。

成型方法可進(jìn)行“復(fù)合”，即用幾種成型方法同時(shí)完成一件制品。例如成型一種特殊用途的管子，在采用纖維纏繞的同時(shí)，還用布帶纏繞或用噴射方法復(fù)合成型。

圖8-5拉擠成型工藝示意圖8.2.2金屬基復(fù)合材料的成型工藝

金屬基復(fù)合材料的成型工藝以復(fù)合時(shí)金屬基體的物態(tài)不同可分為固相法和液相法。由于金屬基復(fù)合材料的加工溫度高，工藝復(fù)雜，界面反應(yīng)控制困難，成本較高，因此應(yīng)用的成熟程度遠(yuǎn)不如樹脂基復(fù)合材料，應(yīng)用范圍較小。目前，金屬基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。

1.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成型

對(duì)于以各種顆粒、晶須及短纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，其成型通常采用以下方法。

1)粉末冶金法

粉末冶金法是一種成熟的工藝方法。這種方法可以直接制造出金屬基復(fù)合材料零件，主要用于顆料、晶須增強(qiáng)材料。其工藝與金屬材料的粉末冶金工藝基本相同，首先將金屬粉末和增強(qiáng)體混合均勻，制得復(fù)合坯料，再壓制燒結(jié)成錠，然后可通過擠壓、軋制和鍛造等二次加工制成型材或零件。采用粉末冶金法制造的復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比模量和耐磨性，已用于汽車、飛機(jī)和航天器等的零件、管、板和型材中。

2)鑄造法

鑄造法是一邊攪拌金屬或合金熔融體，一邊向熔融體逐步投入增強(qiáng)體，使其分散混合，形成均勻的液態(tài)金屬基復(fù)合材料，然后采用壓力鑄造、離心鑄造和熔模精密鑄造等方法形成金屬基復(fù)合材料。

3)加壓浸漬法

加壓浸漬法是將顆粒、短纖維或晶須增強(qiáng)體制成含一定體積分?jǐn)?shù)的多孔預(yù)成型坯體，將預(yù)成型坯體置于金屬型腔的適當(dāng)位置，澆注熔融金屬并加壓，使熔融金屬在壓力下浸透預(yù)成型坯體(充滿預(yù)成型坯體內(nèi)的微細(xì)間隙)，冷卻凝固形成金屬基復(fù)合材料制品。采用此法已成功制造了陶瓷晶須局部增強(qiáng)鋁活塞。圖8-6為加壓浸漬工藝示意圖。

圖8-6加壓浸漬工藝示意圖

4)擠壓或壓延法

擠壓或壓延法是將短纖維或晶須增強(qiáng)體與金屬粉末混合后進(jìn)行熱擠或熱軋，獲得制品。

2.纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成型

對(duì)于以長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，其成型方法主要有以下幾種。

1)擴(kuò)散結(jié)合法

擴(kuò)散結(jié)合法是連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最具代表性的復(fù)合工藝。按照制件形狀及增強(qiáng)方向的要求，將基體金屬箔或薄片以及增強(qiáng)纖維裁剪后交替鋪疊，然后在低于基體金屬熔點(diǎn)的溫度下加熱、加壓并保持一定時(shí)間，基體金屬產(chǎn)生蠕變和擴(kuò)散，使纖維與基體間形成良好的界面結(jié)合，獲得制件。圖8-7為擴(kuò)散結(jié)合法示意圖。

圖8-7擴(kuò)散結(jié)合法示意圖(a)金屬箔復(fù)合法；(b)金屬無緯帶重疊法；(c)表面鍍有金屬的纖維結(jié)合法擴(kuò)散結(jié)合法易于精確控制，制件質(zhì)量好，但由于加壓的單向性，使該方法限于制作較為簡(jiǎn)單的板材、某些型材及葉片等制件。

2)熔融金屬滲透法

在真空或惰性氣體介質(zhì)中，使排列整齊的纖維束之間浸透熔融金屬，如圖8-8所示。該方法常用于連續(xù)制取圓棒、管子和其他截面形狀的型材，而且加工成本低。

圖8-8熔融金屬滲透法示意圖(a)毛細(xì)管上升法；(b)