第四章-复合材料的制备-2015

,第四章复合材料的制备四川大学材料科学与工程学院周大利,2,复合材料(Composite),复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。,3,复合材料的组成,基体Matrix,增强体Reinforcement,界面Interface,4,复合材料分类,1.复合材料按用途分为：结构复合材料：通过复合，显著改善材料的机械性能，主要用于结构零件。功能复合材料：通过复合，显著改善材料的其他性能，形成多功能材料。,2.按基体类型分为树脂基复合材料RMC（如玻璃钢，ResinMatrixComposite）,也称纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics）；橡胶基复合材料（如轮胎）,5,金属基复合材料MMC（如纤维增强金属，MetalMatrixComposite）陶瓷基复合材料CMC（如钢筋混凝土、纤维增强陶瓷，CeramicMatrixComposite）,6,按增强材料分类：纤维增强复合材料（连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强纤维）：纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强塑料（玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维/铝锡合金）等。颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒-金属基（硬质合金），金属颗粒-塑料基等。,7,叠层复合材料：如双金属板，夹层玻璃，多层板等。夹层结构复合材料：如多孔性铁基和青铜基自润滑衬套。,8,复合材料特点,(l)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造，例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序，例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。,9,金属基复合材料的主要性能,(1)高比强度、比模量(2)导热、导电性能(3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好(4)良好的高温性能(5)耐磨性好(6)良好的疲劳性能和断裂韧性(7)不吸潮、不老化、气密性好,10,陶瓷基复合材料的主要性能,陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的优异性能，但陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。,11,复合材料的复合原则与性能,基体材料和增强相的类型和性质及两者之间的结合力，决定其性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程等也影响其性能。,12,一、增强机制,(1)颗粒增强复合材料(2)纤维增强复合材料(3)晶须增强复合材料,13,二、复合原则,纤维增强复合原则1.纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹性模量、热稳定性。2.基体起粘结剂作用，要求润湿性(对纤维)、塑性和韧性及保护不损伤表面性。3.纤维和基体之间高而适合的结合强度。过低的结合强度易裂，过高易脆断。4.纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。5.纤维和基体间不能有化学反应。,14,细粒增强复合原则1.颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。2.颗粒大小应适当。一般几微米到几十微米，过大易裂，过小起不到强化作用。3.颗粒的体积含量应在20以上，否则达不到强化效果。4.颗粒与基体之间有一定的结合强度。,15,由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。,结构复合材料主要作为承力结构使用的材料,16,结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。,17,包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。,功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。,18,未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和发展多功能、机敏、天然复合材料等领域。,19,a、是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片,（a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，(a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少.,20,b是未加相容剂的玻纤增强体系。,从中可以看出，而（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。,21,FigureMicrostructureofanaluminumcastingalloyreinforcedwithsiliconcarbideparticles.Inthiscase,thereinforcingparticleshavesegregatedtointerdendriticregionsofthecasting(125).(CourtesyofDavidKennedy,LesterB.KnightCostMetalsInc.),22,试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像,1250目CaCO3粒子/PP,2500目CaCO3粒子/PP,23,GF/CF不同的纤维种类,24,CompositematerialsconfigurationsMaterials:Glass/carbon/aramidfibreswiththermoset/thermoplasticresinsArchitecture:Unidirectionaltapes,woven,braided,choppedstrandmat,pultruded,filamentwound,RTM,injectionmoulded/www.merl-ltd.co.uk/./composites01.shtml,25,26,27,复合材料的特点,1.可设计性2.各相异性3.一次成型4.可制成各种形状5.能综合发挥各组分的优点，并具有多种性能。,28,树脂基复合材料的性能特点树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独立物理相，包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：（1）各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；表征其复合后材料的性能。,29,（2）不均质（或结构组织质地的不连续性）；（3）呈粘弹性行为；（4）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能差异；（5）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。,30,聚合物基复合材料的主要性能,优点：1.比强度、比模量高2.耐疲劳性好3.减震性好4.过载时安全性好5.具有多种功能性耐烧蚀性、耐腐蚀性好，高度的电绝缘，良好的摩擦性，特殊的光学、电性能6.良好的可加工性能,缺点：1.使用温度低，耐高温性能差（300度以下）2.材料强度一致性差3.耐老化性能差,31,增强体的性能,增强体的种类繁多，下页表列出了主要增强体的主要参数。增强体的特点是高强度、高模量。增强体直径较小，含有缺陷的机率少，所以保持了高强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的复合材料的增强体密度一般都低。,32,33,基体材料的性能,34,复合效应,复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。它表现为树脂基复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。,35,线性效应非线性效应界面效应尺寸效应各向异性效应,复合效应,线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。,36,1、线性效应（1）平均效应（混合效应）复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之加和。可用混合物定律描述：Kc=Kii（串联模型）1/Kc=i/Ki（并联模型）（2）平行效应复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。KcKi,37,（3）相补效应复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。C=AB（4）相抵效应复合材料各组分之间出现性能相互制约，使其性能低于混合物定律预测值。KcKii,38,以下举例对其中的重要效应简单作一说明平均效应又可称为加和效应(MeanProperties)，反映在复合材料的混合定则(RuleofMixture)中。该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即,式中p某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等Pc复合材料的某一性质；Pi原始i材料的某一性质；体积分数；iN种原始材料中第i种材料体积分数n由实验确定，其范围为-1n1,39,例题：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=35001=0.7,2=0.3n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51(MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91(MPa),40,相补效应和相抵相应,41,非线性效应中，乘积效应(ProductProPcnMs）又叫传递特性，交叉耦合效应。,例如对材料X输入时输出为Y，即一种转换功能材料Y/X(如磁场压力的换能材料)；而Y又作为另一种材料的第二次输入，产生输出Z，即为另一种换能材料ZY(如电阻磁场转换材料)。两种材料复合得出一新的机能材料，即YXZYZX(即电阻压力转换材料)。乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。,42,2、非线性效应相乘效应（X/Y）（Y/Z）=X/Z,43,当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。,44,原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。,超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。,45,由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或电磁信息）。它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。,46,复合材料的界面效应,(1)阻断效应(2)不连续效应(3)散射和吸收效应(4)感应效应(5)界面结晶效应(6)界面化学效应,47,复合材料的界面效应,(1)阻断效应起到阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中等。(2)不连续效应在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。,48,(4)感应效应在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变等。感应(或诱导)可以是一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构出了诱导作用而改变。(5)界面结晶效应基体结晶时易在界面上形核，界面形核诱发了基体结晶。(6)界面化学效应基体与增强材料间的化学反应，官能团、原子分子之间的作用。,49,阻止裂纹的扩展,50,不连续效应,电阻R1,电阻R1,电阻R2,51,散射和吸收效应,52,界面化学效应,R,O,M,H,O,H,O,H,M,H,O,O,H,Si,R,Si,H2O,R,M,H,O,O,H,Si,无机表面,聚合物表面,53,丁达尔效应和光散射1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质粒子太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，进行实验时，溶胶浓度不要太小。,54,丁达尔效应,55,界面化学、扩散效应,无机介质,扩散界面层,化学键连接界面,56,从复合材料结构单元和尺度上讲，把增强颗粒尺度为1-50m的叫颗粒增强复合材料，把0.01-1m尺度增强的叫分散强化(弥散强化)复合材料。而把亚微米至纳米级叫精细复合材料，其强化原理各不相同。,复合材料尺寸效应,57,功能材料有时要在微米至纳米尺度上进行复合。首先因为在电、磁、声、光等领域中，功能材料的使用频率越来越高。电磁波和弹性波在媒质中传播时的波长非常小，仅为500-5000nm。如果复合单元本身及其间隔大于激励波长时，那么波在材料中传播时特产生严重的散射或反常谐振，严重影响波的传播。在这种情况下，复合材料的优点难以发挥。,58,只有当尺度远小于激励波长时才能发挥复合结构所提供的优越性能。也就是说，材料的复合尺度应该在5-500nm左右，实际上就是微米复合材料或纳米复合材料，二者都可统称为精细复合材料。,59,式中F()-L长纤维在应力不超过时的破坏概率;尺度参数；形状参数,和均可由实验测出。,用于增强的纤维强度离散性多为韦布尔(Weibull)分布形式Weibull分布为,从以上公式可知，纤维破坏概率和纤维平均强度都与纤维的长度L有关。用纤维增强的复合材料的性能不仅与纤维的长度有关，与纤维的长径比L/d也有关，还与复合材料板的厚度有关。这些都是复合材料尺寸效应的体现。,60,常见复合材料,一.玻璃纤维复合材料-玻璃钢,增强剂：玻璃纤维（SiO2+其它氧化物）,比强度和比模量高，耐高温，化学稳定性好，电绝缘性较好。,热塑性玻璃钢粘结剂：热塑性树脂尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、(热塑性聚脂，聚碳酸脂)机械性能、介电性能、耐热性和抗衰老性能较好,61,(2)热固性玻璃钢粘结剂:热固性树脂-酚醛树脂，环氧树脂（不饱和聚酯树脂，有机硅树脂）性能：轻，比强度高(高于铜合金和铝合金，有的高于合金钢)，耐蚀性好,介电性能优越，成型性能良好,刚度较差，易老化，易蠕变。用途：玻璃纤维/尼龙轴承，轴承架，齿轮；玻璃纤维/聚苯乙烯汽车内装饰制品，机壳。,62,二.碳纤维复合材料,增强剂：碳纤维（石墨）高强度、高弹性模量且2000以上保持不变；-180不变脆。,(1)碳纤维树脂复合材料基体-环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯性能普遍优于玻璃钢；用途：航天材料-飞行器，火箭外层材料，天线支架，壳体，机架,齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器,63,(2)碳纤维金属复合材料基体-金属(主要为熔点较低的金属或合金，如碳纤/铝锡合金)性能特点：接近于金属熔点仍有很好的强度和弹性模量用途：碳纤/铝锡合金高强度高级轴承,其减磨性能优于铝锡合金。,64,2.硼纤维复合材料,增强剂：硼纤维-硼纤维沉积于钨丝,(1)硼纤维树脂复合材料基体环氧树脂，聚苯并咪唑，聚酰亚胺树脂性能：抗压强度为碳纤维复合材料的22.5倍，剪切强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，高疲劳强度（340390MN/m2），耐辐射，化学稳定（水，有机溶剂，燃料，润滑剂），导热性能和导电性能好，硼纤维是半导体。应用：航空和宇航材料，如：翼面，仪表盘，转子，叶片，直升机螺旋桨叶的传动轴等,65,(2)硼纤维金属复合材料基体铝镁及其合金，钛及其合金应用：航空、火箭性能：如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金和耐热铝合金，比强度高于钢和钛合金。,66,三.金属基复合材料,金属和陶瓷组成的复合材料，属颗粒增强复合材料，又称金属陶瓷。,硬质合金,性能及应用：具有高硬度，高耐磨性，高的热稳定性和抗氧化性。适用于各种高速切削刀具，各种高温下工作的耐磨件，如热拉丝模等。,67,1.钨钴类硬质合金由钴Co和碳化钨WC压制烧结而成,牌号：YG+Co的百分含量，如：YG3、YG6、YG8。Co的含量越高，其韧性越好。性能特点高硬度，高耐磨性，韧性较好。用途制作切削铸铁、有色金属和非金属材料等脆性材料的刀具。如：YG8刀具适合粗加工铸铁，YG3适合精加工铸铁，YG6适合半精加工铸铁。,68,2.钨钛钴类硬质合金由钴Co和碳化钨WCTiC压制烧结而成,牌号：YT+TiC的百分含量，如：YT5、YT15、YYT30。TiC含量越高，其韧性越好。性能特点硬度高于YG类，韧性，强度略低于YG类。用途制作切削各种钢的刀具。如：YT5刀具适合粗加工钢，YT15适合精加工钢，YT适合半精加工钢。,69,3.钨钛钽钴类硬质合金由钴CoWCTiCTaC压制烧结而成,牌号：YW如：YW1和YW2性能特点兼具YG，YT优点，又称通用硬质合金及万能硬质合金。用途制作切削耐热钢及合金等难加工材料的刀具。,70,树脂基复合材料的制备方法,复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。已在生产中采用的成型方法有：手糊成型湿法铺层成型；真空袋压法成型；压力袋成型；树脂注射和树脂传递成型；喷射成型；真空辅助树脂注射成型；夹层结构成型；模压成型；注射成型；挤出成型；纤维缠绕成型；拉挤成型；连续板材成型；层压或卷制成型；热塑性片状模塑料热冲压成型；离心浇铸成型等。,71,手糊工艺,手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程如下：,72,手糊工艺优缺点,优点：(1)手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产。(2)设备简单、投资少、设备折旧费低。(3)工艺简便。(4)易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料。(5)制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。缺点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；产品质量不易控制，性能稳定性不高；产品力学性能较低。,73,原料的选择,(l)聚合物基体的选择：能在室温下凝胶、固化。并在固化过程中无低分子物产生。能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为0.2-0.5Pa.s。无毒或低毒。价格便宜。(2)增强材料的选择：手糊成型工艺用量最多的增强材料是玻璃纤维及其织物，如无碱纤维、中碱纤维、有碱纤维、玻璃纤维无捻粗纱、短切纤维毡、无捻粗纱布、玻璃纤维细布和单向织物等。少量有碳纤维、芳伦纤维和其他纤维。,74,(3)脱模剂的选择：手糊成型用的是外脱模剂，常用的外脱模剂有：a薄膜型脱模剂：主要有聚醋薄膜，聚乙烯醇薄膜，玻璃纸等，其中聚醇薄膜用量较大b混合溶液型脱模剂：此类脱模剂中聚乙烯醇溶液应用最多。c蜡型脱模剂：蜡型脱模剂使用方便，省工省时省料，脱模效果好，价格也不高，因此得到最广泛的应用。,75,手糊成型模具的设计与制造,是手糊成型工艺中唯一的重要设备，合理设计和制造模具是保证产品质量和降低成本的关键。手糊成型模具分单模和对模两类。单模又分阳模和阴模两种，如图所示。,76,原材料准备,(1)胶液准备胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶时间：胶液粘度表征流动特性，对手糊作业影响大；凝胶时间指在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间。(2)增强材料准备,77,(3)胶衣糊准备(4)手糊制品厚度与层数计算：糊制品厚度与层数计算主要是根据材料质量、单位面积增强纤维硬基体树脂的厚度（厚度常数）和单位面积增强纤维的质量等参数来粗略估计。树脂基体的材料厚度常数k值见下表：,78,79,糊制,(l)刷胶衣胶衣层不宜太厚或太薄，厚度一般控制在0.25-0.5mm。胶衣层通常采用涂刷和喷涂两种方法。(2)结构层的糊制(3)铺层控制，下图给出了两种接缝的处理方法。,80,固化,不饱和聚酯树脂固化过程分为三个阶段：凝胶阶段、定型闭阶段（硬化阶段）、熟化阶段（完全固化阶段）。,脱模、修整与装配,当制品固化到脱模强度时，便可进行脱模。脱模最好用木制工具（或铜、铝工具），避免将模具或制品划伤。大型制品可借助千斤顶、吊车等脱模。脱模后的制品要进行机械加工，除去毛边、飞刺，修补表面和内部缺陷。,81,模压成型工艺,模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。,82,模压料,(1)片状模塑料(即SMC)SMC是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加荆、填料、内脱模剂、着色剂等混合成树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或薄膜包覆起来形成的片状模压成型材料。,83,(2)团状模塑料(DMC)和散状模塑料(BMC）团状模塑料(DMC)及散状模塑料(BMC)为预混模塑料。这类预混料主要是以聚醋为基体，因此又可称为“聚酯料团”。通过增稠处理的聚酯料团称做“散状模塑料”。在成型方法上主要采用压制法，此外还可采用压铸法和注射法。在此类预混料中，一般含有树脂系统（包括引发剂）、填科、增稠剂和增强材料等四种主要成分。,84,模压工艺,模压工艺流程图如图所示,85,(l)压制前准备,模压料预热和预成型装料量的估算脱模机的选用,86,(2)压制,在模压过程中，物料宏观上历经粘流、疑胶和硬固三个阶段。微观上分子链由线型变成了网状体型结构。这种变化是以一定的温度、压力和时间为条件的。温度制度包括装模温度、升温速度、最高温度、恒温、降温及后固化温度等。成型温度取决于树脂糊的固化体系、制品厚薄、生产效率和制品结构的复杂程度。,87,压力制度主要包括成型压力、加压时机、放气等。成型压力随物料的增稠程度、加料面积、制品结构、形状、尺寸的不同而异。固化时间（即保温时间）一般按40s/mm计算。,88,连续缠绕成型工艺,工艺流程图如下所示：,89,芯模的结构形式,(l)实心或空心整体式芯模。用可溶或易熔盐类、低熔点金属、由可溶或易熔粘结剂粘起来的集合体等制成。(2)组合装配式芯模。有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等。如下图所示。,90,(3)石膏隔板组合式芯模。由芯轴、预制石膏板、铝管及石膏面层等部分构成。适用于生产大型制品。(4)管道芯模。通常分为整体式或开缩式两种。,91,缠绕规律,缠绕线型必须满足如下两点要求：纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面。纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。缠绕线型可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三类，如图所示。,92,螺旋缠绕线型,线型：线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布形式。完整循环：螺旋缠绕时，纤维自芯模上某点开始，导丝头经过若干次往复运动后，又缠回到原来的起始点上，这一段缠绕称为一个完整循环。转速比：指单位时间内，芯模转效与导丝头往返次数之比。,93,缠绕工艺过程,缠绕工艺过程一般由下列各工序组成：芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕、固化、检测等。,纤维缠绕机,纤维缠绕机的种类很多，新老并存，主要有机械控制式缠绕机、数字程序控制缠绕机、微机控制的纤维缠绕机等。,94,金属基复合材料制备方法,金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。按基体来分类：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料等；按增强体来分类：颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料等。,95,铝基复合材料的制备,铝基复合材料的特点：航空、航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料。硼一铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件。这在航空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。(3)改进硼一铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。,96,铝基复合材料的制造,常用的工艺有两种：一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种方法是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。,97,挥发性粘合剂工艺,所用的纤维排列方法有两种：单丝滚筒缠绕（如下图）和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带。,98,等离子喷涂工艺,这种工艺的优点是：纤维在缠绕简上就被基体固定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带的耐久性和强度好于复合粘结。硼一铝的压合中有下述一些必要的限制：(l)纤维损伤问题限制了时间一温度参数；(2)为保证铝的结合并消除孔隙度，时间一温度一压力参数必须低于极限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程；(3)高压力会增加纤维的断裂；(4)为防止硼氧化，要求仔细控制气氛。,99,铝基复合材料的二次加工,二次加工是指对基本的复合材料如平板、粱和管等所进行的加工，包括成型、连接机械加工和热处理等工艺过程。,100,镍基复合材料,高温合金大多数是镍基的，因此在研制高温复合材料时，镍也是优先考虑的基体。所介绍的材料大多数都是用纯镍或简单镍铬合金作为基体的。而增强物则以单晶氧化铝（Al2O3蓝宝石）为主，它的突出优点是：高弹性模量、低密度、纤维形态的高强度、高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。,101,1蓝宝石晶须和蓝宝石杆蓝宝石晶须仍然属于迄今所发现的强度最高的固体形态。它的强度是截面积的函数。下图表示可获得的最大体积分数和晶须直径、涂层厚度的函数关系。,102,限制Al2O3蓝宝石晶须增强复合材料的缺点对细晶须来说，为达到实用的体积比，涂层厚度要小于0.5m，这样薄的金属涂层，在液态镍或镍铬合金中几秒钟就熔解了，从而使得晶须表面不润湿，还造成纤维强度下降。这种晶须的制造成本太高，而且还没有研制出经济可靠的方法把有缺陷的晶须同其它生长碎片淘汰掉。,103,镍基复合材料的制造和性能,制造镍基复合单晶蓝宝石纤维复合材料的主要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热。这种方法通常称为扩散结合。从目前的情况来看，寻找有用的蓝宝石纤维增强的镍基复合材料实际上没有取得成功。虽然不能说这种基体的复合材料没有希望了，但显然要达到按混合定则预测的性能还将遇到很多困难。这其中很多困难对脆性陶瓷纤维增强的所有金属基复合材料系来说是共同的。,104,钛基复合材料,钛基复合材料的使用温度超过塑料基体的温度极限，同时在一般的结构材料中钛合金的比强度最高活性的钛与硼发生严重的反应使得早期在这方面的研究没能取得成功。,105,相容性问题,解决相容性问题的六种方法：1）最大限度减小反应的高速工艺；2）最大限度减少反应的低温工艺；3）研制低活性的基体；4)研制最大限度减少反应的涂层；5）选择具有较大反应容限的系列；6）设计上尽量减少强度降低的影响。,106,钛基复合材料的研制,下图为解决相容性问题的工艺示意图：,107,钛一硼复合材料的进一步研究得出以下的几条主要结论：1)使用制造连续带材的方法能获得非常均匀的性能。这种结果是否和带材的小尺寸有关尚不清楚，但有一点可以肯定，即均匀的间隔和均匀的残余应力分布对性能的均匀性有显著的有利影响。2)对纤维和基体之间的相互作用应加以控制以便制造出符合混合定则性能的复合材料。,108,3)控制纤维和基体之间的反应，使其在550时有效寿命能达几千小时。4)虽然分离出来的纤维具有明显降低了的强度，但钛一硼复合材料仍能获得符合混合定则的性能。,109,钛基复合材料的发展前景,钛基复合材料的主要优点：工作温度较高；不需交叉叠层就可获得较高的非轴向强度；高的抗腐蚀性和抗损伤性；较小的残余应力以及强度和模量的各向异性较小等。缺点：相对密度较高，制造困难和成本高。,110,石墨纤维增强金属基复合材料,由于碳纤维和石墨纤维的强度高、刚度高、密度低以及大规模生产时具有降低成本的潜力，因此作为金属基复合材料的增强物颇为人们所注意。这种强度高、重量较轻的复合材料会有很多结构用途。,111,石墨纤维与许多金属元素缺乏化学相容性，同时在制备时还存在一些问题，这些因素妨碍了石墨增强金属的发展。就目前的情况看，铝、镁、镍和钴同石墨的相容性较好，而钛由于易形成碳化物，因此不能与石墨纤维复合，除非在复合材料的基体和纤维之间加上一层稳定的扩散阻挡层将钛和石墨隔开。,112,石墨纤维由于碳可分为不同的形式，从很硬、很脆而刚性很大的类似金刚石的结构到软的、无刚性的、但牢固而且耐热的石墨，因此这类碳质原丝纤维中，有些能通过改变原始成分和热处理而达到特殊的性能。,113,石墨一铝复合材料,下表列出了目前获得应用的一些石墨纤维增强复合材料的制造方法。,114,Sara和Wincer等人采用如下图所示的装置，对石墨纤维的外部加压渗铝进行了研究。,115,连续铸造法，下图为这种工艺的装置示意图。,116,下图则给出了这种复合材料抗拉强度同纤维体积含量的关系。,117,碳一铝复合材料的研究现状可得出如下几点认识：1)这种石墨铝复合尚没有单一的或综合的制造方法能得到稳定的符合混合定则的增强作用。2)对这种石墨纤维的表面性质尚未给予足够的重视，也尚未进行细致的研究。3)尝试过的许多制造方法都忽视了孔隙度，纤维损伤、碳化物构成等所造成的明显的最终影响。,118,4)由于化学气相沉积和电镀能使纤维免于机械损伤，故可作为涂层制造工艺。5)对固态复合材料进行热加工会破坏复合材料的完整性，从而使纤维增强原理失去作用。6)纤维的金属镀层和非金属涂层有希望成为Al+CAl4C3反应的扩散阻挡层。7)为了达到预期的目标，液态渗透是最有希望的一种工艺方法。,119,陶瓷基复合材料,现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但它同时也具有致命的弱点，即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此，陶瓷材料的韧化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。,120,陶瓷基复合材料的基体与增强体,陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。结构复杂。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、轻重量和价格低等优点。陶瓷复合材料的增强体及其制备陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维（长、短纤维）、晶须和颗粒三类。,121,常用的纤维：碳纤维：高模量，拉伸模量约为400GPa拉伸强度约为1.7GPa；低模量，拉伸模量约为24OGPa，拉伸强度约为2.5GPa玻璃纤维硼纤维：它属于多相的，又是无定形的，因为它是用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或者碳纤维上形成的。,122,123,晶须增强体：晶须为具有一定长径比(直径0.3一1m，长30100m)的小单晶体。特点：没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷颗粒增强体：几何尺寸上看，它在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Si3N4等,124,纤维增强陶瓷基复合材料的成型与加工,1纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法(l)泥浆浇铸法这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。(2)热压烧结法将长纤维切短(3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。(3)浸溃法这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。,125,2纤维增强陶瓷基复合材料的制备过程(l)碳纤维增强氧化镁(2)石墨纤维增强LiO-Al2O3.nSi2O3(3)碳纤维增强无定型二氧化硅(4)碳化硅连续纤维增强氮化硅(5)氧化锆纤维增强氧化锆,126,晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备,1配料干法和湿法2成型三种不同的情况：(l)经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；(2)把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保持浆状供给成型工序；(3)用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成