复合材料及其成型工艺作业.doc

姓名： 班号： 复合材料及其成型工艺（作业）1. 纤维增强树脂基复合材料的特点？列举纤维增强树脂基复合材料在日常生活中的应用实例？（至少列举三例）答：特点：（1）优点：1） 比强度高，比模量大；2） 耐疲劳性好；3） 减震性好；4） 耐烧蚀性好；5） 工艺性好：工艺简单，一次成型；易加工成型；加工周期短。（2） 缺点：1）性能分散大，工艺质量不稳定；2）耐高温性差；3）层间剪切强度差。应用实例：以碳纤维增强复合材料应用为例（1） 航空航天领域碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75%，而强度却提高4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。早在1970 年代初期，美国军用F-14战斗机就部分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空领域，如波音767和空中客车A310中，碳纤维复合材料也占到了结构质量的3%和5%左右。近几年随着碳纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等。（2） 体育休闲领域体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行车零组件方面的应用也非常广泛。（3） 交通运输领域碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨大。早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33%，汽油的利用率提高了44%，同时大大降低了振动和噪音。2. 现需要设计一件防弹衣，你准备采用哪种纤维材料？为什么？你所设计的防弹衣结构是怎样的？（画出防弹衣结构示意图）。答：选用芳纶纤维，例如凯夫拉纤维，用作防弹衣纤维材料，因为凯夫拉由多种化学物质融合而成，其特点是密度高，重量轻，强度高，韧性好，耐高温，乃化学腐蚀，绝缘性能和纺织性好等，用凯夫拉代替尼龙和玻璃纤维，可使避弹衣的重量减轻50%：在单位面积质量相同的情况下，其防护力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韧性。用这种材料制成的防弹衣仅重2-3千克，而且穿着舒适，行动方便。 防弹衣结构：防弹衣的结构主要由衣套和防弹层两部分组成。衣套常用化纤织物制作，起覆盖和保护防弹层的作用，有的衣套也有一定的防弹作用。防弹层用金属、玻璃钢、陶瓷、尼龙、凯夫拉（芳纶）等硬质和软质材料单一或复合制作，使弹头、弹片弹开和嵌住，并消释子弹、弹片的冲击动能，对人体起保护作用。衣套由过去单一的覆盖防弹层的作用，发展到今天的具有防火、防水、伪装等功能的高性能防弹衣套。防弹层的厚度，根据不同使用对象，以防护性能与穿着舒适之间的最佳平衡数来确定。防弹层的结构有单一的，也有复合的。复合的有多种防弹材料的复合，也有防弹材料与减震材料的复合。防弹材料有的做成整体，也有的做成片状再一片一片搭接起来。整体的活动不便，目前，刚性材料一般做成片状，穿上身上活动度大，软性防弹材料一般都做也整体性的。 防弹衣结构参见图1，由软面材料制成的防弹衣2和一组防弹块5组成。防弹块5分别依次装入防弹衣2前、后片上缝制的边沿相互重叠搭接的夹袋1内，以形成鱼鳞状排列的防弹层。软面材料可以选用透气性好的棉布或其它化纤织布。防弹块5装入夹袋1后，再将口部缝合，使防弹块5被一个与其形状相当的夹袋完全包覆固定。夹袋边沿之间的相互重叠部分的宽度在1015mm范围，以使防弹层形成一个无缝隙又柔软的整体结构。图1中，3是夹袋的左、右侧边沿重叠部分，4是夹袋的顶侧和底侧的边沿重叠部分。图2示出了防弹块5的结构，为了增加防弹效果，该防弹块5的表面呈有一定弧度的曲面结构。所述防弹块5的长、宽尺寸在100mm至120mm为宜。3. 现在需要制备一批飞机用透波雷达天线罩，你准备采用哪种纤维？哪种树脂？为什么？答：选用纤维材料：玻璃纤维或者石英纤维；因为高性能机载雷达罩一般要求所用的增强材料具有高强度、高模量，界面性能好、耐侯性能好而且介电性能好。玻璃纤维是应用较广泛的增强材料，有S、E、D、R等类另外还有空心S-2玻璃纤维，其密度低，仅为1.8g/cm3，制得的复合材料拉伸强度可达1.5GPa。还有一种低介电常数的D玻璃纤维，是一种硅硼纤维(72%-75%的SiO2，23%的B2O3)，已达到改善电性能、减小电器件厚度、降低实心雷达罩件重的目的。石英纤维的电性能优异，热胀系数约为零，硬度高，用该种纤维代替普通的玻璃纤维，可以获得高性能的机载雷达罩，这种雷达罩的透波率大大提高，使用寿命长，减重效果好。选用树脂材料：氰酸酯树脂；氰酸酯树脂是高性能机载雷达罩及其它要求透波性制品的理想材料，在美国及其它部分国家已经商品化，如氰酸醋5575-2/玻璃纤维和石英预浸料系列。它们与METL-BOND2555胶膜及X6555人工介质做成的准实心壁天线罩在X(812GHz)、Ka(26.540GHz)和W(75100GHz)时，介电常数（）和介质损耗角正切(tg)变化很小，只有典型的环氧和BMI树脂的85%90%，tg值只有其1/3，同时、tg占值随频率(8100GHz)及温度(23232)变化很小，是理想的毫米波高性能雷达罩基体材料。4. 手糊工艺的特点？手糊工艺的流程图？采用手糊工艺你想做什么复合材料制品？（列举两例）答：特点：（1）优点：手工操作为主，设备投资低，成本低，适用于多品种，小批量生产，不受制品尺寸和形状限制。（2） 缺点：生产效率低，劳动条件差，劳动强度大，制品质量不易控制，性能稳定性差，制品强度低。工艺流程图：湿法干法模具储备涂脱模剂胶液准备增强材料准备糊制固化脱模修整检验浸渍烘干胶布手糊工艺成型制品：（1）生产玻璃钢船艇与一般的玻璃钢制品相比，生产过程较为繁琐。由于船艇尺寸较大，弧面也较多，需要一种可以使产品一体成型的工艺，玻璃钢手糊成型工艺正符合这一条件，它可以很好地完成玻璃钢船艇的制造工作。到目前为止，手糊成型工艺已经成为了玻璃钢船艇制造中的主要工艺之一。 （2）手糊/喷射成型汽车零部件，其工艺过程包括：1.模具制作；2.涂布胶衣；3.结构层施工；4.产品后处理、产品检验。 5. 假如你是某个大型复合材料厂厂长，你的产品为食堂等公共场所用复合材料桌椅（年销量很大），为使利润最大化，你准备采用哪种纤维？哪种树脂（列出树脂配方）？哪种成型方法？为什么？答：纤维用木材边角料、木屑、锯末、竹屑和各种天然植物纤维，如秸杆，豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉杆等农村废弃物。树脂用热塑性树脂：包括所有的通用塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和其他回收料等。配方：PVC（SG-5）100份，木粉45份，DOP（邻苯二甲酸二辛脂）6份，CaCO35份，ACR-4012份，稳定剂4.5份，铝酸脂偶联剂-XL-955，过氧化苯甲酰等其它助剂等。成型方法：挤出工艺，其中对纤维塑料挤出时，采用二步预先造粒混合加工法方法。理由：稳定的原材料是一个正常挤出的首要前提，为了保证对纤维材料的可靠计量，通常有必要采用两步法挤出工艺，对纤维材料进行造粒预先压缩，与一步法直接挤出松散纤维相比，这种预混料方式可以把粉体密度增加到所需要的水平，从而挤出产量可以达到接受的程度，易于流动性得到改进。再加上粉体密度的均匀性，就保证了挤出过程的一致性。6. 假如你是某型火箭发动机的设计师，你需要设计制造一个圆筒形火箭发动机壳体，在不考虑成本的前提下，为使所制备的发动机壳体性能最佳，你准备采用哪种纤维预浸料？那类连续纤维预浸料（如：胶布、胶纱带等）？哪种成型方法？为什么？答：采用碳纤维预浸料；连续纤维预浸料采用胶纱带；采用缠绕成型工艺；理由： 固体火箭发动机壳体要求复合材料具有高的比强度、比模量和断裂应变。拉伸模量为265320GPa，拉伸强度在5GPa左右，断裂延伸率约为1.7%的高强中模碳纤维是理想的壳体增强材料。碳纤维复合材料壳体PV/W值是K49/环氧的1.31.4倍，可使壳体重量再度减轻30%，使发动机质量比高达0.93以上。此外，碳纤维复合材料还具有有机纤维/环氧所不及的其它优良性能：比模量高，热胀系数小、尺寸稳定性好，层间剪切强度及纤维强度转化率都较高，不易产生静电聚集，使用温度高、不会产生热失强，并有吸收雷达波的隐身功能。另外，目前最有希望解决未