复合材料的成型工艺

复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺 第九章复合材料的成型工艺本章教学学时2本章重点内容金属基复合 材料 树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的成型工艺 应使学生掌握金属基复合材料 树脂基复合材料和陶瓷基复合材料 成型工艺常用方法的概念 特点及其应用 了解它们的一般工艺过 程以及在实际生产中存在的问题 本章难点内容金属基复合材料 树脂基复合材料和陶瓷基复合材料 的成型方法较多 其概念 应用的场合及优缺点等容易混淆 因此 学习中应明确概念 抓住重点 本章教学学方式课堂讲课与学生自学相结合主要内容第一节复合材 料简述 一 复合材料的基本概念根据复合材料的定义 木材 钢筋混凝土 梁 玻璃钢都属于复合材料 若从人工合成的角度来看 复合材料也可表述为由两种或两种以上 的物理和化学性质不同的物质 经人工合成的一种多相固体材料 例如胶合板 钢筋混凝土 玻璃钢 双金属片等 复合材料的最大优点 就是它的性能比其组成材料要好得多 一方面它可以改善组成材料的弱点 充分发挥其性能优势 另一方 面可以根据结构和受力要求制成预定的性能分布 对材料进行优化 设计 图9 1为复合材料结构示意图 图9 1复合材料结构示意图1 复合材料的分类 1 按材料的作用分类可分为结构复合材料和功能复合材料 2 按基体材料分类可分为树脂基复合材料 RMC 金属基复合材料 MMC 陶瓷基复合材料 CMC 水泥基复合材料和碳 碳复合材料等 3 按增强材料的性质和形态分类可分为层叠复合材料 细粒复合材 料 连续纤维复合材料 短切纤维复合材料 碎片增强复合材料和 骨架复合材料等 2 复合材料的特点 1 比强度和比刚度高 2 抗疲劳性好 3 高温性能好 4 减振性能好 5 断裂安全性高 可设计性好 二 复合材料用原料1 增强材料 1 碳纤维碳纤维是由有机物经固化反应转化为碳化合物的 若原材 料不同 碳化条件不同 形成的产物的结构也不同 此外表面处理方法不同 则其性能也各异 碳纤维的性能不仅与制备碳纤维的原料 工艺及碳纤维的结构有关 还与碳纤维的直径有关 碳纤维丝束的粗细一般以每束中纤维的根数表示 每束中纤维的根 数一般在260 320000根之间 丝束越粗 价格越低 现常用纤维束一般在100 12000根之间 纤维丝束只表示每个丝束的粗细 力学性能不受丝束大小的影响 直接影响强度的是纤维的直径 直径越细 强度越大 2 硼纤维硼纤维的制备较碳纤维复杂 它是在钨丝上经化学气相沉 积生成的 硼纤维增强材料的性能特点是强度大 弹性模量高 除用钨丝做核心载体外 现在还大量使用了碳芯硼纤维 3 芳纶芳纶是一种聚芳酰胺纤维 它由美国杜邦公司开发并生产 现在使用的主要品种有KEVLAR 29 KEVLAR 129 KEVLAR 49和KEVLAR 149 前两种多应用于轮胎 帘子线和防弹材料 后两种多用于航空航天 工业 其中 KEVLAR 149吸湿性较好 但受光的照射 受热及燃油的作用 强度会大幅度 下降 4 玻璃纤维玻璃纤维属于无定型结构纤维 其主要组分是以 SiO2 为骨架的聚合物 玻璃纤维具有较高的断裂和拉伸强度 但拉伸弹性模量较低 玻璃纤维广 价格低 断裂应变值高 在工程上常用玻璃纤维与碳纤维混用 制成混杂纤维复合材料 从 而弥补碳纤维的脆性并降低其成本 5 碳化硅纤维碳化硅纤维具有良好的力学性能和热稳定性 目前常用的碳化硅纤维有两种类型一种是在钨丝或碳丝上用气相沉 积法制造复合结构纤维 另一种是用烷基硅烷经聚合纺丝制成有机 纤维后 再经高温处理 最终形成 型微晶碳化硅连续纤维 碳化硅纤维的强度约为3445Mpa 弹性模量约为448Gpa 晶须晶须是指直径在0 1 2 m 长径比在10以上单晶短纤维 由于它直径小 缺陷少 原子排列高度有序 因此晶须的强度接近 理论值 而且晶须易于润湿 有利于与金属 陶瓷 树脂 玻璃等材料复合 是一种重要的增强材料 晶须通常采用气相生长方法制造 常用的晶须有铁晶须 镍晶须等 金属晶须和Al2O 3 SiC等陶瓷晶须 目前研究和应用较多的主要是陶瓷晶须 2 基体材料目前使用的复合材料基体仍以各种金属 树脂和陶瓷为 主 3 夹层结构材料在一些复合材料中 常用到夹层结构 采用这种结构主要目的是为了提高结构件的弯曲刚度和充分利用材 料的强度 夹层结构一般由两层簿的高强度板和中间夹着一层厚而轻的芯结构 构成 现在常用的夹层结构面板可以是碳纤维板 玻璃纤维板等复合材料 板 芯材有多种结构 常用的有微孔芯材和大孔芯材两种 三 复合材料的增强机制和复合原则1 增强原理细颗粒增强复合材 料 承受载荷的主要载体是基体 此时 增强材料的作用主要是阻 碍基体中位错的运动或阻碍分子链的运动 对于纤维增强的复合材料 承受载荷在很大程度上是增强纤维 2 复合原则复合材料的复合原则就是通过优化设计 使复合后的材 料能够获得最佳的强度 刚度等性能 下面以纤维增强复合材料为例 说明复合材料的复合原则 1 复合材料中基体起粘结作用 因而基体必须具备如下特点1 对 纤维具有好的润湿性 从而使基体与增强材料间具有较强的结合力 使分离的纤维粘为一个整体 保证纤维的合理分布 2 基体应具有较好的塑性和韧性 能够延缓裂纹的扩展 3 基体能够很好地保护纤维表面 不产生表面损伤 不产生裂纹 2 增强材料是承载的主要部分 因而纤维必须具有很高的强度和刚 度 3 增强材料与基体有好的结合强度 4 在复合材料中纤维必须具有适当的含量 直径和分布 5 除满足以上几个复合原则外 纤维和基体应有相近的热膨胀系数 在温度变化时 使纤维和基体的变形一致 第二节金属基复合材料成形工艺金属基复合材料复合工艺主要分为 三个大类 一 固态法固态法是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法 固态法制备金属基复合材料的方法主要包括扩散黏结法 热压法 热 等静压法 形变法 热轧法 热挤压法 热拉法 和粉末冶金法等 1 扩散黏结法如图9 2所示 扩散黏结是一种在较长时间 较高温度和压力下 通过固态 焊接工艺 使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工 艺方法 图9 2扩散黏结过程简图 1 热压法 将预制带或复合丝按要求铺在金属箔上 交替叠层 再放入金属模具中或封入真空不锈钢套内 加热 加压一定时间后 取出冷却 去除封套 2 热等静压法 将预制坯装人金属或非金属包套中 抽真空并封 焊包套 再将包套装入高压容器内 注入高压惰性气体 氦或氮 并加热 气体受热膨胀后均匀地对受压件施以高压 扩散黏结成复合材料 此法可制造形状较为复杂的零件 但设备昂贵 3 热轧法 经预处理的纤维 复合丝同铝箔交替排成坯料 用不 锈钢薄板包裹或夹在两层不锈钢薄板之间加热和多次反复轧制 制 成板材或带材 扩散黏结工艺的主要优点是可以焊接品种广泛的金属 易控制纤维 取向和体积分数 缺点主要是焊接需若干小时 较高的焊接温度和压力需要较高的生 产成本 只能制造有限尺寸的零件 目前该方法已经用于SiC Al SiC TiC Al B Al等复合材料制品的 生产 2 形变法形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点 通过热轧 热拉 热挤压等加工手段 使已复合好的颗粒 晶须 短纤维增 强金属基复合材料进一步加工成板材 3 粉末冶金法如图9 3所示 粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强 非连续增强型 金属基复合材料的传统固态工艺法 图9 3粉末冶金法成型工艺示意图 二 液态法液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的 方法 1 液态金属浸润法液态金属浸润法的实质是使基体金属呈熔融状态 时与增强材料浸润结合 然后凝固成型 1 挤压铸造法挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制 件中制造复合材料的方法 2 真空压力浸渍法如图9 所示 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下 使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法 3 液态金属搅拌铸造法图9 真空压力浸渍炉结构示意图液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒 直接加入金属熔体中 通过搅拌使颗粒均匀分散 然后浇铸成型制 成复合材料制品的方法 2 井喷沉积法井喷沉积法是运用特殊的喷嘴 将液态金属基体通过 惰性气体气流的作用后雾化成细小的液态金属流 将增强相颗粒加 入到雾化的金属流中 与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上 凝 固形成金属基复合材料的方法 图9 所示是采用井喷沉积法生产陶瓷颗粒增强金属基复合材料的示意 图 图9 井喷沉积法示意图 三 其他方法除固态法和液态法之外 还有一些制造金属基复合材料 的方法 它们是通过运用化学 物理等基本原理而发展的一些金属基复合材 料制造方法 如原位自生成法 物理气相沉积法和化学