复合材料及其成型技术

1 什么是复合材料 简述复合材料的特点与应用 复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料 各种 组成材料在性能上能互相取长补短 产生协同效应 使复合材料的综合性能优 于原组成材料 从而满足各种不同的要求 复合材料的组成包括基体和增强材 料两个部分 复合材料中以纤维增强材料应用最广 用量最大 其特点是比重小 比强 度和比模量大 例如碳纤维与环氧树脂复合的材料 其比强度和比模量均比钢 和铝合金大数倍 还具有优良的化学稳定性 减摩耐磨 自润滑 耐热 耐疲 劳 耐蠕变 消声 电绝缘等性能 石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎 等于零的材料 纤维增强材料的另一个特点是各向异性 因此可按制件不同部 位的强度要求设计纤维的排列 以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料 在 500 时仍能保持足够的强度和模量 碳化硅纤维与钛复合 不但钛的耐热 性提高 且耐磨损 可用作发动机风扇叶片 碳化硅纤维与陶瓷复合 使用温 度可达 1500 比超合金涡轮叶片的使用温度 1100 高得多 碳纤维增强 碳 石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨 构成耐烧蚀材料 已用于航天器 火箭导弹和原子能反应堆中 非金属基复合材料由于密度小 用于汽车和飞机 可减轻重量 提高速度 节约能源 用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料 片弹簧 其刚度和承载能力与重量大 5 倍多的钢片弹簧相当 复合材料的成型方法按基体材料不同各异 树脂基复合材料的成型方法较 多 有手糊成型 喷射成型 纤维缠绕成型 模压成型 拉挤成型 RTM 成型 热压罐成型 隔膜成型 迁移成型 反应注射成型 软膜膨胀成型 冲压成型 等 金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法 前者是在低于基 体熔点温度下 通过施加压力实现成型 包括扩散焊接 粉末冶金 热轧 热 拔 热等静压和爆炸焊接等 后者是将基体熔化后 充填到增强体材料中 包 括传统铸造 真空吸铸 真空反压铸造 挤压铸造及喷铸等 陶瓷基复合材料 的成型方法主要有固相烧结 化学气相浸渗成型 化学气相沉积成型等 复合材料的主要应用领域有 航空航天领域 由于复合材料热稳定性好 比强度 比刚度高 可用于 制造飞机机翼和前机身 卫星天线及其支撑结构 太阳能电池翼和外壳 大型 运载火箭的壳体 发动机壳体 航天飞机结构件等 汽车工业 由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性 可减振和降低噪声 抗疲劳性能好 损伤后易修理 便于整体成形 故可用于制造汽车车身 受力 构件 传动轴 发动机架及其内部构件 化工 纺织和机械制造领域 有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而 成的材料 可用于制造化工设备 纺织机 造纸机 复印机 高速机床 精密 仪器等 医学领域 碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收 X 射线特性 可用于制造医用 X 光机和矫形支架等 碳纤维复合材料还具有生物组织相容性 和血液相容性 生物环境下稳定性好 也用作生物医学材料 此外 复合材料 还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等 2 复合材料的加工方法与特点及加工方法的选择原则 复合材料的加工方法与特点及加工方法的选择原则 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件 随着复合材料应用 领域的拓宽 复合材料工业得到迅速发镇 其老的成型工艺日臻完善 新的成 型方法不断涌现 目前聚合物基符合材料的成型方法已有 20 多种 并成功地用 于工业生产 如 1 手糊成型工艺 湿法铺层成型法 2 喷射成型工艺 3 树脂传递模塑成型技术 RTM 技术 4 袋压法 压力袋法 成型 5 真空袋压成型 6 热压罐成型技术 7 液压釜法成型技术 8 热膨胀模塑法成型技术 9 夹层结构成型技术 10 模压料生产工艺 11 ZMC 模压料注射技术 12 模压成型工艺 13 层合板生产技术 14 卷制管成型技术 15 纤维缠绕制品成型技术 16 连续制板生产 工艺 17 浇铸成型技术 18 拉挤成型工艺 19 连续缠绕制管工艺 20 编织复合材料制造技术 21 热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压 成型工艺 22 注射成型工艺 23 挤出成型工艺 24 离心浇铸制管 成型工艺 根据所选用树脂基体材料的不同 上述方法分别适用于热固性和热 塑性复合材料的生产 有些工艺两者都适用 以下主要工艺及其特点 1 手糊成型工艺 优点是成型不受产品尺寸和形状限制 适宜尺寸大 批 量小 形状复杂的产品的生产 设备简单 投资少 见效快 适宜我国乡镇企 业的发展 且工艺简单 生产技术易掌握 只需经过短期培训即可进行生产 易于满足产品设计需要 可在产品不同部位任意增补增强材料 制品的树脂含 量高 耐腐蚀性能好 缺点是生产效率低 速度慢 生产周期长 不宜大批量生产 且产品质量 不易控制 性能稳定性不高 产品力学性能较低 生产环境差 气味大 加工 时粉尘多 易对施工人员造成伤害 2 夹层结构成型工艺 夹层结构的共有特点 质轻 刚度大 多用于尺寸 较大 刚度要求高 强度要求不高的场合 3 RTM 成型技术 特点 可以制造两面光的制品 成型效率高 适 合于中等规模的玻璃钢产品生产 20000 件 年以内 RTM 为闭模操作 不 污染环境 不损害工人健康 增强材料可以任意方向铺放 容易实现按制品 受力状况例题铺放增强材料 原材料及能源消耗少 建厂投资少 上马快 4 模压成型 优点 制造费用低 所以投资少 见效快 为发展多品种 小批量的生产提供了有利条件 这也是模压成型工艺目前还在大量运用的原因 之一 在模压成型过程中 由于塑料的流动距离很短 受填料的定向影响小 所以塑件的尺寸变动小 不易变形 尺寸稳定性好 机械性能稳定 相同吨 位的压机可以成型较大平面的制品 模压成型工艺成熟 生产过程易于控制 缺点 生产周期长 生产效率低 较难实现生产自动化 因而劳动强 度大 因为飞边厚 塑件厚度方向的尺寸难以控制 所以模压成型不能模压 尺寸精度要求较的制品 5 层压工艺 特点 生产的机械化 自动化程度 较高 产品质量稳定 但 一次 性投资较大 适合于批量生产 6 缠绕成型工艺 纤维缠绕成型的优点 能够按产品的受力状况设计 缠绕规律 使能充分发挥纤维的强度 比强度高 一般来讲 纤维缠绕压力 容器与同体积 同压力的钢质容器相比 重量可减轻 40 60 可靠性高 纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产 工艺条件确定后 缠出来的产品质 量稳定 精确 生产效率高 采用机械化或自动化生产 需要操作工人少 缠绕速度快 240m min 故劳动生产率高 成本低 在同一产品上 可合 理配选若干种材料 包括树脂 纤维和内衬 使其再复合 达到最佳的技术经 济效果 缠绕成型的缺点 缠绕成型适应性小 不能缠任意结构形式的制品 特别 是表面有凹的制品 因为缠绕时 纤维不能紧贴芯模表面而架空 缠绕成型 需要有缠绕机 芯模 固化加热炉 脱模机及熟练的技术工人 需要的投资大 技术要求高 因此 只有大批量生产时才能降低成本 才能获得较的的技术经 济效益 在选择复合材料成型方法时 要综合考虑 同时满足材料性能 产品质量 和经济效益等各种因素 具体应考虑的 1 产品的外形构造和尺寸大小 2 材料性能和产品质量要求 如材料的物化性能 产品的强度及表面粗 糙度 光洁度 要求等 3 生产批量大小及供应时间 允许的生产周期 要求 4 企业可能提供的设备条件及资金 5 综合经济效益 保证企业盈利 一般来讲 生产批量大 数量多及外形复杂的小产品 多采用模压成型 如机械零件 电工器材等 对造形简单的大尺寸制品 如浴盆 汽车部件等 适宜采用 SMC 大台面压机成型 亦可用手糊工艺生产小批量产品 对于压力 管道及容器则宜用缠绕工艺 对批量小的大尺寸制品 如船体外壳 大型储槽 等 常采用手糊 喷射工艺 对于板材和线型制品 可采用连续成型工艺 3 什么是复合材料什么是复合材料 RTM 成型及成型及 RTM 成型的应用 成型的应用 RTM 成型对树脂的要求 成型对树脂的要求 常用的树脂的特点 常用的树脂的特点 RTM 即树脂传递模塑 是将液态热固性树脂及固化剂 由计量设备分别从 储桶内抽出 经静态混合器混合均匀 注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封 模内 经固化 脱模 后加工而成制品的工艺 RTM 成型技术的特点 可以制造两面光的制品 成型效率高 适合于 中等规模的玻璃钢产品生产 20000 件 年以内 RTM 为闭模操作 不污染 环境 不损害工人健康 增强材料可以任意方向铺放 容易实现按制品受力 状况例题铺放增强材料 原材料及能源消耗少 建厂投资少 上马快 RTM 技术适用范围很广 目前已广泛用于建筑 交通 电讯 卫生 航空 航天等工业领域 已开发的产品有 汽车壳体及部件 娱乐车构件 螺旋浆 8 5m 长的风力发电机叶片 天线罩 机器罩 浴盆 沐浴间 游泳池板 座椅 水箱 电话亭 电线杆 小型游艇等 RTM 成型工艺对环氧树脂的要求 1 室温或工作温度下具有较低的粘度 0 5 1 5P s 对增强材料浸润 性好 能顺利地 均匀地通过模腔 浸透纤维 快速充满整个型腔 2 固化放热低 80 130 防止损伤玻璃钢模具 3 固化时间短 一般凝胶时间为 5 30min 固化时间不超过 60min 4 树脂固化收缩率小 4 什么是复合材料缠绕成型及缠绕的应用 缠绕成型对树脂的要求 常用的树什么是复合材料缠绕成型及缠绕的应用 缠绕成型对树脂的要求 常用的树 脂的特点 脂的特点 缠绕成型工艺是指将浸过树脂胶液的连续纤维或布带 按照一定规律缠绕 到芯模上 然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程 缠绕成型的应用 军工方面 航空 航天 导弹 发动机壳体 高压容器 导弹发射筒等 缠绕复合材料压力容器在航空 航天 造船等领域获得广泛应 用 碳纤维和芳纶纤维缠绕的薄壁金属内衬高压容器结构效率高 性价比高 是航天飞机和人造地球卫星的首选 民用方面 化工 石油 环保 建筑等领 域的管道 贮罐 压力容器等 充装介质有氮气 氧气 氢气 和氦气 形状多为环形 球形和扁椭球形 美国 纤维缠绕管道总长占整个运输工具的 三分之一 所负担供应的能量 包括石油 天然 气 煤 电 占全国需用量的一半以上 我国工业生产中也已大量采用纤 维缠绕管道 小型压力容器在个人生命保障系统获得成功应用 消防员 登 山队员的供氧器 特点 重量