树脂基复合材料成形工艺

第九章复合材料的成形工艺•本章内容：–金属基复合材料的成形工艺–树脂基复合材料的成形工艺–陶瓷基复合材料的成形工艺•本章重点：–树脂基复合材料成形工艺§9-1复合材料简介一、复合材料基本概念复合材料（compositematerial）：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工合成的一种多相固体材料。优点：充分发挥组成材料的性能；材料优化设计。结构复合材料：如玻璃钢功能复合材料：如双金属片1.复合材料的分类•按材料的作用分：结构复合材料和功能复合材料•按基体材料分：树脂基复合材料（resinmatrixcomposites）金属基复合材料（metallicmatrixcomposites）陶瓷基复合材料（ceramicmatrixcomposites）水泥基复合材料和碳/碳复合材料•按增强材料的性质和形态分：层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料、骨架复合材料等。2.复合材料的特点•比强度和比刚度高；•抗疲劳性好；如碳纤维/树脂基复合材料疲劳强度=70-80%σb•高温性能好；增强纤维的熔点、高温强度和弹性模量高•减振性好；自振频率∞(E/ρ)1/2•断裂安全性高；•可设计性好.二、复合材料使用的原材料•包括基体材料（matrixmaterial）、增强材料（reinforcedmaterial）、夹层结构材料等。•增强材料–碳纤维（carbonfiber）：足够的σb、E、δ–硼纤维（boronfiber）：σb、E高–芳纶纤维（aramidfiber）–玻璃纤维（glassfiber）：σb高、E低–碳化硅纤维（siliconfiber）：–晶须（whisker）：陶瓷晶须二、复合材料使用的原材料•基体材料–热固性树脂（thermosettingresin）•环氧树脂（epoxyresin）：固化工艺性好，但脆；•聚酰亚胺树脂（polyimideresin）：耐热性好，但成形困难；•双马来酰亚胺树脂（bismaleimideresin）：耐热–热塑性树脂（thermoplasticresin）•施工快，周期短，可重复使用，易修补、耐蚀、抗冲击；•聚醚醚酮（PEEK）•夹层结构材料（sandwichstructurematerial）–提高构件弯曲刚度和充分利用材料强度。三、复合材料的增强机制和复合原则•增强原理–颗粒增强复合材料：基体承载，•颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动；•第二相强化，颗粒直径0.01-0.1μm–纤维增强复合材料：纤维承载。•纤维裂纹少；•纤维承载能力大；•纤维断裂，基体阻碍裂纹扩展；•纤维拔出；•多为延性破坏。三、复合材料的增强机制和复合原则•复合原则–基体起粘接作用•基体对纤维的润湿性好；•基体的塑性和韧性好；•基体能保护好纤维表面。–增强材料承载大部分；•强度、刚度要高，密度小，热稳定性高；–增强体与基体结合强度高；•纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团–纤维的含量、直径、长度、分布适当；–纤维、基体热胀系数相近。四、复合材料的失效•失效（failureofcomposite）：疲劳破坏–基体开裂、脱粘→损伤→分层，部分纤维拉断、拔出→整体破坏•制造加工损伤–纤维铺设不均，树枝不均，固化不足，孔隙等；•使用引起的损伤–树脂裂纹、老化，分层，纤维断裂，温度变化大，内应力，碰撞，疲劳损伤等。9.2金属基复合材料成形工艺•制备金属基复合材料（metalmatrixcomposites,MMC），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润与合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难，主要分为三大类：•固态法基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、爆炸焊接法等。•液态法基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。•其他制造方法包括原位自生成法、物理气相沉淀法、化学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。一、固态法•包括扩散粘结法、形变法和粉末冶金法•扩散粘结法（diffusionbonding）–长时间、高温、高压下，通过固态焊接工艺，使金属互相扩散而粘结在一起的工艺。–粘结表面接触→界面扩散、渗透→界面消失–影响因素：温度、压力、时间–优点：金属品种广，纤维取向、含量易控制–缺点：焊接时间长，温度、压力高，成本高，零件尺寸受限–应用：SiC/Al、B/Al等。一、固态法•扩散粘结法–热压法•铺层→放入模具或缸套内→加热、加压→冷却、取出–热等静压法•预制坯→放入包套→抽真空→高压容器→注入高压惰气、加热→均匀高压→扩散粘结一、固态法•形变法（plasticforming）–利用金属塑性成形特点，热轧、热挤、热拉等–热轧法•坯料用不锈钢薄板包裹→加热、反复轧制→板材、带材–生产率高，材料利用率高，用于C/Al、Al2O3/Al等复合材料。•粉末冶金法（powdermetallurgymethod）–制备成形颗粒增强金属基复合材料合金粉末增强物混合除气冷压成形热压成形坯料挤压成形轧制锻造制件烧结二、液态法•液态金属浸润法–挤压铸造法（squeezecasting）•预制件→放入模具中（预热）→浇铸熔融金属→加压→凝固成形•成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品；•用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料–真空压力浸渍法（vacuumpressureinfiltration）•组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，易控制，生产率高；但设备复杂，成本高•用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生产。真空压力浸渍炉结构示意图•液态金属浸润法–液态金属搅拌铸造法（stir-castingmethodofliquidmetal）•增强相颗粒→加入金属熔体→搅拌均匀→浇铸成形•团聚；氧化•工艺简单，生产率高，成本低，适用于多种基体和颗粒。二、液态法•井喷沉淀法（sprayco-deposition）–金属熔化→液态金属雾化→颗粒加入、混合→沉积→凝固–工艺简单，生产率高；冷却速度快，复合材料晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合材料气孔率大→挤压处理→致密材料。–适用面广，多种基体和增强颗粒，可生产空心管、板、锻坯和挤压锭等。–制造颗粒增强金属基复合材料。三、其他方法•原位自生成法–定向凝固法–反应自生成法•物理气相沉积法–升华-凝结法–分子束法–阴极溅射法•化学气相沉积法–化学运输法–气体分解法–气体合成法§9-3树脂基复合材料成形工艺•材料成形与构件成形同时完成•手糊成形•喷射成形•袋压成形•纤维缠绕成形•挤压成形•层压成形•注射成形一、手糊成形（handlaying-up）•原材料准备，模具准备，涂脱模剂•喷涂胶衣，糊制成形•固化，脱模•修边，装配，验收•操作简便，投资少，可设计性好，可生产大型、复杂件。•生产率低，劳动强度大，质量不易控制，用于小批量、多品种及大型制品。二、喷射成形工艺（spraymoulding）•半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相同，但糊制→喷枪机械作业•生产率高，节省原材料，制品整体性高，形状尺寸不限。•树脂含量高，制品强度低，工作环境差•不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器等大型部件。三、袋压成形工艺（bagmoulding）•加压袋法–手糊或注射成形未固化玻璃钢→橡胶袋→加压→加热固化•真空袋法–手糊或注射成形未固化玻璃钢→橡胶袋→抽真空→固化•制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高；•适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大件制品。四、层压成形工艺（laminationprocess）•层叠胶布→模板之间→加热、加压固化→冷却、脱模、修整→层压板•制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高•只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。五、模压成形工艺（pressmoulding）•生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅助加工；•模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻璃钢制品。•短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、片状模塑料模压法等。六、缠绕成形工艺（windingprocess）•树脂配制→纤维烘干→浸胶→胶纱烘干→缠绕→固化→检验、加工→制品•制造回转体复合材料•干法：–制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低；•湿法–劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化；•半干法七、拉挤成形工艺（pultrusionprocess）•送纱→浸胶→预成形→固化成形→牵引→恒定截面型材•设备价低，生产率高，原料利用率高•制品方向性强，剪切强度低•适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。§9-4陶瓷基复合材料成形工艺•模压成形：形状简单小件•等静压成形：要求高的电子元件等•注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件•热压成形：形状复杂件•注射成形：高温工程陶瓷大规模生产•直接氧化法•化学气相渗透法