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复合材料的制备 徐波 李长青 冯玉立 1复合材料概况2几种重要的复合材料3复合材料的成型工艺 一复合材料概论 复合材料 compositematerial 是有机高分子 无机非金属或金属等几种不同材料 通过复合工艺组合而成的新型材料 或者说是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料 复合材料由两部分组成 基体相 连续相 和增强相 分散相 基体相是连续相材料 把改善性能的增强相材料粘结在一起 起粘结剂的作用 增强相大部分是高强物质 起提高强度或韧性的作用 复合材料按增强相形状可分为三类 1纤维增强复合材料2层合增强复合材料3颗粒增强复合材料 按基体相材料类型可分为三类 1树脂基复合材料2金属基复合材料3陶瓷基复合材料 复合材料结构示意图a 层叠复合b 连续纤维复合c 细粒复合d 短切纤维复合 复合材料的技术性能 1 比强度和比模量高比强度 抗拉强度与密度之比 和比模量 弹性模量与密度之比 高 说明材料轻而且刚性大 2 良好的抗疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质 复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展 3 减振性能好在工作过程中振动问题十分突出 复合材料为多相系统 大量的界面对振动有反射吸收作用 且自振动频率高 不易产生共振4 高温性能好复合材料在高温下强度和模量基本不变 二重要的复合材料 2 1纤维增强复合材料 1 玻璃纤维增强复合材料以树脂为基体 玻璃纤维为增强材料制成的复合材料 玻璃纤维是由熔融的玻璃经快速拉伸 冷却所形成的纤维 增强工程塑料即玻璃钢 2 碳纤维增强复合材料 碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称为碳纤维增强复合材料 这类材料保持了玻璃钢的许多优点 而且性能优于玻璃钢 因此可作宇宙飞行器的外层材料 人造卫星和火箭的机架 壳体等 3 硼纤维增强复合材料 硼纤维是一种强度 刚度均比碳纤维高的纤维 硼纤维增强复合材料是硼纤维增强材料与树脂基体组成的复合材料 用作高温材料 但因为价格昂贵 应用受到限制 主要用于航空工业 2 2层合增强复合材料 1 双层金属复合材料双层金属复合材料是将特性不同的两种金属 用胶合或者熔合铸造 热压 焊接 喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料 2 夹层复合材料夹层复合材料是性质完全不同的表面材料与芯材复合而成的一种材料 2 3颗粒增强复合材料 颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料 尼龙6 粘土纳米复合材料 三复合材料的成型工艺 1 聚合物基复合材料的成型工艺2 金属基复合材料的成型工艺3 陶瓷基复合材料的成型工艺 3 1聚合物基复合材料的成型工艺 聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后 主要决定于成型工艺 成型工艺主要包括以下两个方面 一是成型 即将预浸料按产品的要求 铺置成一定的形状 一般就是产品的形状 二是固化 即把已铺置成一定形状的叠层预浸料 在温度 时间和压力等因素影响下使形状固定下来 并能达到预期的性能要求 生产中采用的成型工艺 1 手糊成型 2 注射成型 3 真空袋压法成型 4 挤出成型 5 压力袋成型 6 纤维缠绕成型 7 树脂注射和树脂传递成型 8 真空辅助树脂注射成型 9 连续板材成型 10 拉挤成型 11 离心浇铸成型 12 层压或卷制成型 13 夹层结构成型 14 模压成型 15 热塑性片状模塑料热冲压成型 16 喷射成型 模具准备 涂脱模剂 手糊成型 树脂胶液配制 增强材料准备 固化 脱模 后处理 检验 制品 手糊成型工艺流程图 金属对模准备 涂脱模剂 膜压成型 模塑料 颗粒树脂 短纤维 固化 脱模 后处理 检验 制品 加热 加压 加热 冷却 膜压成型工艺流程图 层压板的生产工艺流程 增强材料 热固性树脂 浸胶 胶布 裁剪叠合 热压 脱模 切边 产品 玻璃纤维无捻粗纱 聚酯树脂 加热 引发剂 促进剂 静态混合 切割喷枪 模具 喷射成型 辊压 固化 脱模 喷射成型工艺流程图 缠绕工艺流程图 纱团 胶液配制 浸胶 烘干 络纱 胶纱纱绽 张力控制 纵 环向缠绕 芯模 纵 环向缠绕 张力控制 加热粘流 固化 脱模 打模喷漆 成品 湿法缠绕成型工艺 干法缠绕成型工艺 复合材料的成型 树脂基复合材料成型 手糊成型层压成型热压罐成型喷射成型对模模压成型缠绕成型 3 2金属基复合材料的成型工艺 根据各种方法的基本特点 把金属基复合材料的制备工艺分为四大类 1 固态法 2 液态法 3 喷射与喷涂沉积法 4 原位复合法 1 固态法 固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法扩散结合在一定的温度和压力下 把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属 通过表面原子的互相扩散而连接在一起 粉末冶金既可用于连续长纤维增强 又可用于短纤维 颗粒或晶须增强的金属基复合材料 2 液态法 液态法亦称为熔铸法 其中包括压铸 半固态复合铸造 液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等 3 喷射与喷涂沉积法 首先 将基体金属在坩埚中熔化后 在压力作用下通过喷咀送入雾化器 在高速惰性气体射流的作用下 液态金属被分散为细小的液滴 形成所谓 雾化锥 然后 通过一个或多个喷咀向 雾化锥 喷射入增强颗粒 使之与金属雾化液滴一齐在基板 收集器 上沉积 并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料 如下图所示 雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图 4 原位复合法 在复合材料制造过程中 增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法 原位自生成有三种方法1 共晶合金定向凝固法2 直接金属氧化法 DIMOXTM 3 反应自生成法 XDTM 3 3陶瓷基复合材料的成型工艺 1 传统的制备技术 2 新的制备技术 1 传统的制备技术 1 冷压和烧结法2 热压法 2 新的制备技术 新的制备技术主要指在20世纪70年代开始发展起来的技术 它包括渗透 直接氧化 以化学反应为基础的CVD CVI 溶胶 凝胶 聚合物热解 白蔓燃高温合成 SHS 等技术 渗透法 渗透法就是在预制的增强材料坯件中使基体材料以固态 液态或气态的形式渗透制成复合材料 其中 比较常用的是液相渗透 液相渗透工艺示意图 CVI法