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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,7,章 复合材料成形,复合材料,:,两种或两种以上,不同性质的物质组合在一起的新材料,7.1,复合材料成形基础,复合是一种包括物理、化学、力学，甚至生物学相互作用的复杂过程。,7.1.1,影响复合材料性能的因素,基体材料性能、增强体特征、组成物比例,、,界面性质,、,成形方法和工艺参数,组成物,基体材料,：,形成几何形状并起粘接作用，如：金,属、树脂、陶瓷,增强材料：,承受载荷，提高强度或韧性，如：一维,的纤维、二维的片材、三维的颗粒,基体材料性能,：,强度、弹性模量、化学稳定性,增强体特征,：,类型、粗细、强度,和,弹性模量,增强纤维越细，,复合材料的强度越高，刚,度越大；增强体颗粒细些，增强效果就会,好些,，颗粒直径,0.01,0.1mm,效果最好。,组成物比例及分布等,：,增强体,的,含量、排列方式,和,方向,以及和,基体间的界面粘结状况,，,应进行适当控制。,成形方法和工艺参数,：,不同,的复,合材料,应选择,合适,的成形,方法和工艺参数,（压力、固化温度）,7.1.2,复合材料的复合原则,为获得最佳的强度、刚度和韧性，纤维增强复合材料的生产应遵循下述原则：,1,纤维的性能：,高强度和高刚度,。有时还要求纤维,的密度小，耐热性好。应用较多的纤维有玻璃纤,维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等,（,2,）,对纤维应有一定的粘结性能,，并能保护纤维表面不,受损伤。,2,基体的性能,（,1,）,一定的塑性和韧性,，以防纤维断裂时裂纹扩展。,聚合物和金属能较好地满足上述要求,3,纤维与基体间,应有合适的结合强度,，,以利于载荷由基体向纤维传递，充分发挥纤维的增强作用,4,纤维必须有合理的含量、尺寸和分布,(1),含量,：,纤维的,体积容量越大,，增强效果越好。,(2),尺寸：,纤维的,直径越小、越长,，增强效果越好。,(,3),分布,：,纤维的排列可采用不同方向,交叉层叠,方式，,以达到多方向的增强效果。,1,材料制备与制品成形同时完成,形状复杂的大型制品能一次整体成形，工艺简单、生产周期短、成本低。减少甚至取消了接头，应力集中小、制品质量轻、刚度和耐疲劳性高。,2,材料性能的可设计性,基体材料和增强材料及其合适的比例,合理的排列方向和层数,合适的,复合工艺和参数,制品结构合理、安全可靠、经济性好,7.1.3,复合材料成形的工艺特点,成形过程：,原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱模和修整、检验,7.2,复合材料成形方法,7.2.1,树脂基复合材料,的成形方法,树脂基复合材料是以,树脂为基体、纤维为增强体,复合而成的。,1,手糊法,脱模剂表面胶,增强材料,刷,树脂,至所需层数,固化,脱模,修整和检验,特点：,设备简单，不受制品尺寸限制，劳动条件差，制品质量不稳定、强度较低。适用于,大型制品的小批量、多品种,生产。,应用：,船体、浴盆、波纹瓦、汽车壳体、风机叶片,最早、目前仍广泛应用,1-,模具,2-,脱模剂,3-,胶层,4-,玻璃纤维,5-,手动压辊,6-,树脂,2,喷射法,将手糊法成形操作中的,糊制工序,改由,喷枪,完成，将,纤维和树脂液同时喷到模具,上，再经,压实、固化,得到制品。,通常喷射速率为,2,10kg/min,。,优点,：喷射法成形为半机械化操作，生产率高；制品的飞边少，无搭缝；整体性好。,缺点,：树脂含量高；制品强度低；且操作现场粉尘大；工作环境差。,1,模具,2,、,5,喷嘴,3,纤维,4,切割器,6,手动压辊,7,制品,3,袋压法,将手糊法成形的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到,模具,内，并在制品上,覆盖橡胶袋,或,塑料袋,，将,气体压力施加到尚未固化的制品表面,使其成形的工艺方法。,制品两面都比较平滑，质量好；成形周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸受设备的限制。,(1),真空袋压法,1,真空泵,2,、,8,坯件,3,柔性膜,4,、,5,模具,6,压力袋,7,空气压缩机,(2),压力袋压法,4,缠绕法,将,连续纤维或布带浸渍树脂,后，按照一定规律,缠绕到芯模,上，通过,固化、脱模,而得到制品的方法。,用于：,缠绕圆柱体、球体等回转体制品，,如,压力罐、筒,、,贮罐和火箭发动机壳体,特点：,制品比强度大、精度高、质量好且易实现自动化生产。但制品轴向难以增强，设备投资较大,。,1-,芯模,2-,树脂,3-,辊轮,4-,纤维,5,模压法,将已,干燥的浸胶纤维或织物,等,放入金属模具,内，通过,加热、加压,使,树脂塑化和熔融流动,成形，经,固化,获得制品。,7.2.2,金属基复合材料的成形方法,以,金属为基体,，用,纤维、颗粒等作为增强体,特点：,模压法制品尺寸精确、表面光滑、力学性能高。,应用,：模压法工艺简便、应用广泛，常用于制造,船体,、,罩壳 和汽车车身等,制品。,1,等离子喷涂法,在,惰性气体,保护下，由,等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属,，待其冷却凝固后形成复合材料的方法。,特点,：,界面结合紧密，成形过程中纤维不受损伤，但基体组织不够致密。,2,液态渗透法,以,金属液渗入增强体制,成复合材料的方法，可以通过多种铸造方法来实现,用于,制造长、短纤维增强以及混杂增强,的金属基复合材料，并,能制造形状复杂,的制品。设备比较复杂，周期较长，制造大尺寸制品困难。,真空压力铸造法原理,1,加热元件,2,铸模,3,纤维预制件,4,冷却块,5,熔融金属,3,热压扩散结合法,高温下，对,排布好的纤维和金属基体,施加静压力，使,纤维和金属,产生,原子扩散和少量塑性变形,以完成粘接,加热温度低、纤维不易损伤，金属对纤维的润湿性和纤维的取向性好，但生产周期长。,是钛基、镍基等熔点较高的金属,最主要的复合方法,用于,制造板材、型材及形状复杂的壁板、叶片等。,a,）纤维与金属箔复合,b,）有金属镀层的纤维复合,1,、,3,纤维,2,金属箔,4,金属镀层,7.2.3,陶瓷基复合材料的成形方法,陶瓷基复合材料是以,陶瓷为基体,，采用,纤维、颗粒等作为增强体,经复合而成的。,1,粉浆浸渗法,将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。不损伤增强体，无需模具且工艺简单，但制品的密度和力学性能不够高。,2,热压烧结法,将纤维或织物增强体用陶瓷浆料浸渍后组成一定结构的坯体，经干燥后在高温、高压下烧结成制品。制品的密度和力学性能均较高。,3,反应烧结法,使已与,增强材料混合的熔融金属,直接,氧化或氮化,制成复合材料。反应产物最初在金属与气相界面形成，然后不断向金属内部扩展，直至形成相互贯通的呈三维网络的,陶瓷基复合材料,。,成本较低、工艺简单；制品收缩很小、形状和尺寸不限；常温性能好。但制品的高温强度不高。,7.3,复合材料制品的结构工艺性,1,纤维的分布应满足承载要求,采用,短切纤维,或,采用连续长纤维在几个方向上交叉铺设,，以使制品近似,获得各向同性,。为提高板、壳面内的抗剪能力，通常,纤维的纵向,应与板、壳的框、肋成,45,角。,2,构件弯折处应采用圆角过渡,避免弯,折处应力集中,和,弯折处树脂聚积,或,缺胶,使 强度降低现象,3,尽量采用整体结构,利于简化制品结构、减少连接件数量和简化生产工艺，有利于减轻制品质量、降低成本和提高制品的使用性能。,4,采用刚性较好的结构,提高构件的承载能力和尺寸稳定性,。,7.4,复合材料制备与成形技术的发展趋势,7.4.1,复合材料的智能化生产技术,在同一过程中进行材料设计和制造出零部件或器件。对材料的组织性能和制品的形状尺寸等进行实时控制，大大提高了制品质量的可靠性和稳定性，缩短了生产或研制周期,7.4.2,创新与继承相结合,继承和吸取金属材料和高分子材料成形技术的精华，并加以发展。,复合材料各种成形技术之间相互结合,7.4.3,新技术的开发与应用,本章小结,复合材料由,基体材料,和,增强材料,组成。,金属基复合材料,以,金属为基体,，采用,纤维、颗粒等作为增强,体经,复合而成的。,金属基复合材料成形方法,：等离子喷涂法、液态渗透法、热压扩,散结合法,树脂基复合材料,是以,树脂为基体,、,纤维为增强体,复合而成的。,树脂基复合材料成形方法：,手糊法、喷射法、袋压法、缠绕,法、模压法,复合材料成形的工艺特点：,材料制备与制品成形同时完成、材料性能的可设计性,影响复合材料性能的因素：,基体材料性能、增强体特征、,组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数,原材料到形成制品一般都要经过：,原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱模和修整、检验,等阶段。,
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