4.复合材料的制造方法

4.复合材料的制造方法概述复合材料的重要领域之一是其制造技术。由于制造成本、最佳组织结构等与基体及增强体特性、排列方式等有关，所以制造技术是复合材料中至关重要、且为该领域的研究者非常感兴趣的课题。在复合材料的制造中，通常是将最终制品的制造与复合材料的成形一起完成。因此，增强体的最佳排列与分布，不仅是对应于用途的力学性能的要求，而且要满足使用者的要求。4.复合材料的制造方法主要的液相工艺压挤铸造与压挤渗透喷雾沉积热喷射浆体铸造定向凝固共晶金属的定向氧化主要的固相工艺粉末冶金薄膜的扩散键合利用陶瓷-金属（陶瓷）间的反应由有机聚合物的合成主要的气相工艺PVD(物理气相沉积)CVD(化学气相沉积)CVI(化学气相渗透)聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料液相工艺液体状树脂的含浸预浸料坯成形(玻璃钢)片状模塑料热塑性塑料的注射成形压力熔浸与无压熔浸搅拌铸造喷射沉积成形定向凝固共晶热喷射定向氧化定向凝固共晶利用有机聚合物的合成固相工艺热塑性塑料的热压成形粉末冶金（热压、机械合金化、SPS）合金箔扩散键合拉拔等机加工成形粉体烧结反应成形气相工艺PVD（物理气相沉积）CVD（化学气相沉积）CVI（化学气相渗透）塑料基复合材料的制备成形4.2树脂基复合材料先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4大材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占有重要地位。航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化工艺；全质量概念及热塑性工艺。预成形体的制造技术（1）缝合技术缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，增强层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。大部分的缝合复合材料结构的开发项目都是以美国的NASA为主进行的。最著名的是利用缝合技术制造的复合材料机翼，其中采用了波音公司开发的28m长的缝合机制造飞机机翼蒙皮复合材料预成形体。该缝合机能够缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度达3000针/分。除了缝合蒙皮预成形体外，还可缝合加强筋。缝合完成后采用RFI技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降低20%。（2）穿刺穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在某些方面优于缝合技术。但是它不能用于制造预成形体。在这个工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。Z向削棒可以是金属材料，也可采用非金属材料。削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法，二是采用超声技术。穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离应力。该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节省了高成本的缝合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局部结构的加强，因此是未来飞机机体应用的关键技术。（3）三维机织该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主要用于生产单层、宽幅织物，作为复合材料的增强体。三维异型整体机织技术是国外上世纪80年代发展起来的高新纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点，是一种高级纺织复合材料。其突出特点是纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、十字形等型材和圆管等，灵活的机织工艺还可以创造出许多新的复杂形状织物。（4）编织编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。（5）针织针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用。（6）经编采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，由于不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。国外目前已经能够在市场上获得各种宽幅的玻璃和碳纤维经编织物。这种预成形体有两个优点：一是与其他纺织复合材料预成形体相比成本低；二是它有潜力超过传统的二维预浸带层压板，因为它的纤维是直的，能够在厚度方向增强从而提高材料的层间性能。该技术已经在飞机机翼桁条和机翼壁板上进行了验证，预计未来将在飞机制造中广泛应用。（7）层板及蜂窝结构制造技术纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能，以用于不同地方。现在的FRML主要使用铝合金薄板。由于使用铝锂合金可提高FRML的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性，所以以铝锂合金或钛合金为基的FRML也在考虑和研究中。FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维，它们各自与铝合金板组合后可构成三种性能不同的FRML，分别称为GLARE、ARALL和CARE。胶接蜂窝夹层结构也是一种特殊的结构用复合材料，它把蜂窝开关的夹芯材料夹在两块面板之间并用胶粘剂粘接。因为具有良好的比强度和比刚度，因此在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。复合材料零件成形及制造技术（1）树脂转移模塑成形技术在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机体有发展潜力的制造技术。（2）树脂浸渍技术一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术。其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部，其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。树脂膜受热后黏度降低，沿着预制体由下向上爬升，从而填满整个预制体空间，随即依照固化工艺，制成复合材料制件。该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本。目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。（3）纤维缠绕该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各种方向和速度缠绕到芯轴上，方向和速度由纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。（4）拉挤拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。（5）自动铺放技术该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经在速度和准确度上有很大增长，而且计算机技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所增长。（6）丝束铺放技术丝束铺放(TowPlacement)相对较新，并在近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。而且有极大减少生产成本的潜力。未来的开发包括最佳化控制系统、铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高质量产品。纤维含浸于低黏度的树脂成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，可以有多种含浸方法。最简单的方法是wetrayup法。将纤维（通常使用mat状的）配置在研磨的磨具上，进行锟压含浸或喷涂(splay)含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在常温下进行。最近开发了将树脂与硬化剂同时混合后，含浸于纤维的方法。成形工艺的主要优点是自由度高，能够与任何形状相对应，费用与成形的成本有关。这样的成形技术向来是小尺寸。例如将玻璃含浸于纤维的复合材料很早以前就用来修复车辆。近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为50m船体的制造，在造船界也得到了广泛的应用。长纤维的编织(树脂基复合材料的压挤渗透用)汽车储气罐门型纤维编织成形机碳纤维强化网球拍的成形装置BeechStarship飞机翅膀的成型中使用的autoclave(高压)成形4.3金属基复合材料的制备方法相对于树脂基复合材料而言，金属基复合材料发展得较晚，所以关于金属及复合材料的制备与成形方法的研究仍处于幼年期。在该背景下，再加上制备的难度与成本，使得其使用的领域也受到限制。尽管如此，关于金属基复合材料的制备方法的研究仍然是方兴未艾。有不少已经得到了工业化的应用。总体说来，液相的方法成本较低，但是制备过程中基体为熔融状态，难以处置，而固相的方法一般成本较高。金属基复合材料的制备成形4.3.1主要的液相工艺1）压挤铸造与压挤渗透(无压熔浸)对液体状态的基体加压，使之进入由强化体材料组成的预成形体。预成形体的制备长纤维的编织短纤维的悬浮液体内沉积颗粒材料的成形与预烧结压力熔浸(无压熔浸)是金属基复合材料中常用的一种成形方法。该方法是将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体（可以由长纤维、短纤维或所颗粒构成）而成形。通常预成形体是接近最终成品的形状。。在大多数情况下，纤维不会成为熔融金属凝固时的晶核。在熔融金属的凝固过程中，纤维附近的金属最后固化。结果是通过在高压下纤维与金属的接触而使熔融金属形成强固的界面，而且一般也不会形成氧化膜。这样的纤维与金属的界面是优异的结合。短纤维的悬浮液体内沉积颗粒材料的成形与预烧结混合（加成形剂）→成形→烧结成形的方法模压等静压注射成形凝胶注模成形轧制挤压松装烧结预烧结维持形状具有一定的强度压挤渗透的设备与压力铸造相比压头连续移动弥补收缩移动速度慢外加压力大压力熔浸成形设备压挤渗透双压头保证熔体压力；避免孔隙；避免不完全渗透采用双重压头压挤渗透材料的组织分析预成形体内的纤维分布决定复合体内的纤维分布避免缺陷：微观孔隙、宏观空洞、纤维断裂等熔体黏度：高——减小涡流、减少空气吸入、压力大、内耗大低——易流动、压力小，产生涡流本课题组研制的Al/SiC复合材料简介关于SiC/Al复合材料的主要论文：YINFazhang,JIAChengchang,MEIXuezhen,ManufactureofAl/SiCCompositesbyPressureInfiltrationProcess,MaterialsSci