复合材料成型

1、一一 复合材料的定义、分类和性能复合材料的定义、分类和性能第七章 复合材料成型复合材料(composite materials)：由两种或两种以上：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质通过组合而成的一种多物理和化学性质不同的物质通过组合而成的一种多相固体材料。相固体材料。这是国际标准化组织这是国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)为复合材料下为复合材料下的定义。的定义。1 复合材料定义复合材料定义2 复合材料的分类复合材料的分类有按基体和增强材料分类等多种分法：有按基体和增强材料分类等多种分法： 在复合材料中，

2、通常一相为连续相，称为在复合材料中，通常一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分散相可以是面。分散相可以是增强纤维、颗粒状或弥散的填料。常用的增强相有：常用的增强相有： 长纤维、短纤维、晶须、颗粒以及无机非金属长纤维、短纤维、晶须、颗粒以及无机非金属材料（陶瓷碳纤维、石墨纤维）等。材料（陶瓷碳纤维、石墨纤维）等。复合复合材料材料金属基复合材料金属基复合材料高分子复合材料高分子复合材料无机非金属无机非金属基复合材料基复合材料水泥或混泥土基复

3、合材料水泥或混泥土基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料1) 按基体材质分按基体材质分复合复合材料材料颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增纤维增强复合强复合材料材料分散强化复合材料分散强化复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料片晶增强复合材料片晶增强复合材料连续纤维强连续纤维强化复合材料化复合材料不连续纤维强不连续纤维强化复合材料化复合材料短纤维短纤维晶须晶须玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维有机纤维有机纤维2) 按增强材料分按增强材料分B2隐形轰炸、隐形轰炸、歼击机。大量歼击机。大量使用了复合材使用了复合材料。料。C纤维增强复合材料制作纤维增强复合材料制作的构件，用于卫星上固的构件，用于卫星上

4、固定仪器的框架。定仪器的框架。全部由金属基复合材料全部由金属基复合材料制造的曲轴连杆机构。制造的曲轴连杆机构。复合装饰材料复合装饰材料玻璃纤维玻璃纤维/ /树脂复合材树脂复合材料制作的反射器料制作的反射器B/Al叶片、管件叶片、管件C纤维纤维3 复合材料的性能：复合材料的性能：1) 复合材料的比强度和比模量较高复合材料的比强度和比模量较高2) 复合材料抗疲劳性能好复合材料抗疲劳性能好3) 复合材料减振性能好复合材料减振性能好4) 复合材料耐热性高温性能好复合材料耐热性高温性能好二二 纤维复合材料成型过程纤维复合材料成型过程 各类复合材料中使用最多且最重要的是纤维复各类复合材料中使用最多且最重要

5、的是纤维复合材料，故主要介绍制造机器构件的纤维复合材料合材料，故主要介绍制造机器构件的纤维复合材料成型过程。成型过程。1 纤维制取方法纤维制取方法 纤维复合材料中的纤维，主要有纤维复合材料中的纤维，主要有玻璃纤维、碳玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维和金属细丝纤维、陶瓷纤维和金属细丝。碳纤维碳纤维玻璃纤维玻璃纤维1) 熔体抽丝法熔体抽丝法将所制取材料熔化成液体，然后从将所制取材料熔化成液体，然后从液体中以极快的速度抽出细丝。此法主要用于制取玻液体中以极快的速度抽出细丝。此法主要用于制取玻璃、氧化铝等纤维。璃、氧化铝等纤维。晶须晶须2) 热分解法热分解法将人造或天然纤维在将人造或天然纤维在200300

6、的空的空气中预氧化，然后在气中预氧化，然后在1000 2000的氮气中碳化，可制得的氮气中碳化，可制得碳纤维。若将碳纤维在碳纤维。若将碳纤维在2500 3000氩气中石墨化可得石氩气中石墨化可得石墨纤维墨纤维。此法主要用于获得连续的碳纤维或石墨纤维。此法主要用于获得连续的碳纤维或石墨纤维。3) 拔丝法拔丝法将冶炼或粉末压制生产的金属坯料，在将冶炼或粉末压制生产的金属坯料，在高温且有保护性气氛中反复拉拔成细丝。此法主要用高温且有保护性气氛中反复拉拔成细丝。此法主要用于获得长的金属细丝。于获得长的金属细丝。4) 气相沉积法气相沉积法主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅主要用于制取硼、碳化硼、碳化硅等纤维

7、。等纤维。晶须晶须2 纤维复合材料成形方法纤维复合材料成形方法按基体材料在成型时的状态分为两大类：按基体材料在成型时的状态分为两大类：1) 固态法固态法基体和增强物在成型过程中均为基体和增强物在成型过程中均为固态固态 此法是将基体材料或箔与增强物按设计要求此法是将基体材料或箔与增强物按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于模具中，在经加热加压使基体与增强物复合粘结而模具中，在经加热加压使基体与增强物复合粘结而制成复合材料零件或制品。制成复合材料零件或制品。 基体材料主要是塑性好的基体材料主要是塑性好的Al、Cu、Ti及其合金及其合金等等

8、金属基体和陶瓷基体金属基体和陶瓷基体。当增强物为短纤维、晶须。当增强物为短纤维、晶须或颗粒时，其成型过程与粉末冶金相似。或颗粒时，其成型过程与粉末冶金相似。 具体方法有：具体方法有：粉末压制法、热压固结法粉末压制法、热压固结法、热等热等静压法静压法、拉拔法拉拔法、扎制法扎制法、挤压法挤压法等。等。2) 液态法液态法 即基体材料在成型时处于即基体材料在成型时处于熔融熔融状态，与固体增状态，与固体增强物复合后，通过基体材料的固化或凝固而获得复强物复合后，通过基体材料的固化或凝固而获得复合材料零件或制品的方法。合材料零件或制品的方法。 液态法中基体材料采用最多的是液态法中基体材料采用最多的是树脂树脂

9、，也有，也有金金属材料属材料。可以直接用来制造纤维复合材料零件，也。可以直接用来制造纤维复合材料零件，也广泛用来制造纤维复合丝、复合带、复合板、锭坯广泛用来制造纤维复合丝、复合带、复合板、锭坯等作为二次加工成零件的原材料。等作为二次加工成零件的原材料。 由玻璃、碳、硼纤维等与树脂形成复合材料制由玻璃、碳、硼纤维等与树脂形成复合材料制品的液态法就有许多种，按成型过程的特征主要有：品的液态法就有许多种，按成型过程的特征主要有：喷射成型法、压制成型法、纤维缠绕成型法、连续喷射成型法、压制成型法、纤维缠绕成型法、连续成型法、层压成型法等成型法、层压成型法等。 喷射成形法喷射成形法把切成小段的把切成小段

10、的( (玻璃玻璃) )纤维和树脂一纤维和树脂一起喷涂到模具表面，然后固化成型。起喷涂到模具表面，然后固化成型。喷射成形喷射成形1树脂混合物；树脂混合物；2纤维丝；纤维丝；3切断切断装置；装置；4喷枪；喷枪；5压缩空气压缩空气压制成形法压制成形法在模具上铺好玻璃纤维制品，然后浇在模具上铺好玻璃纤维制品，然后浇上配好的室温固化树脂加压固化成型。上配好的室温固化树脂加压固化成型。压制成形压制成形1下模；下模；2上模；上模；3加热通道；加热通道；4制品制品纤维缠绕成形法纤维缠绕成形法把连续纤维一边浸以树脂，一边缠绕在芯轴上，然后把连续纤维一边浸以树脂，一边缠绕在芯轴上，然后固化成型。主要用于制造管子、

11、压力筒、圆筒形件等。固化成型。主要用于制造管子、压力筒、圆筒形件等。缠绕成形缠绕成形1纤维；纤维；2型模型模(芯轴芯轴)；3树脂浴槽树脂浴槽连续成形法连续成形法 把纤维连续不断地浸以树脂，并通过模口和固把纤维连续不断地浸以树脂，并通过模口和固化炉，固化成板、棒或其它型材。化炉，固化成板、棒或其它型材。连续成形连续成形1纤维；纤维；2树脂浴槽；树脂浴槽；3成形模；成形模；4固化炉；固化炉；5牵引装置牵引装置层压成形法层压成形法 把纤维制品或纸板、织物、石棉、木材等经浸渍把纤维制品或纸板、织物、石棉、木材等经浸渍或涂敷树脂后叠堆，在加热加压下固化成各种夹层结或涂敷树脂后叠堆，在加热加压下固化成各种

12、夹层结构，以获得复合纤维板、棒、管和其它形状。构，以获得复合纤维板、棒、管和其它形状。层压成形层压成形1纤维；纤维；2树脂浴槽；树脂浴槽；3牵引装置；牵引装置；4切割；切割；5层压固化；层压固化；6制品制品3 复合材料成形的系统优化复合材料成形的系统优化主要解决基体与增强相之间的相容性问题主要解决基体与增强相之间的相容性问题复合材复合材料相容料相容性性物理相容性物理相容性化学相容性化学相容性润湿润湿界面反应界面反应力学性能相容性力学性能相容性热容性热容性密度相容性密度相容性三三 颗粒增强复合材料成形过程颗粒增强复合材料成形过程 常用增强颗粒有常用增强颗粒有TiC、 TiN、Ti(CN)、AlN

13、、Al2O3、SiC等主要用于增强金属基复合材料。等主要用于增强金属基复合材料。主要介绍原位生成法主要介绍原位生成法(In Situ Production)。1 原位生成法概念及特点：原位生成法概念及特点： 在一定条件在一定条件( (高温高温) )下，通过元素之间或元素与下，通过元素之间或元素与化合物之间发生化学反应，在金属基体内部原位生化合物之间发生化学反应，在金属基体内部原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的高硬相成一种或几种高硬度、高弹性模量的高硬相( (陶瓷陶瓷颗粒颗粒) )，从而达到强化基体的目的。，从而达到强化基体的目的。 与外加颗粒复合材料相比，原位生成复合材料的优点：1）因其颗

14、粒是在基体中通过原位生成的，在热力学）因其颗粒是在基体中通过原位生成的，在热力学上是稳定相，没有污染、润湿及界面反应的问题。上是稳定相，没有污染、润湿及界面反应的问题。2）原位生成的颗粒，其尺寸非常小）原位生成的颗粒，其尺寸非常小(5 )且分布且分布均匀，可减少偏析和偏聚。均匀，可减少偏析和偏聚。m3）成本较低。因为省去了增强相颗粒的制备、加）成本较低。因为省去了增强相颗粒的制备、加入，工艺简单。入，工艺简单。4）用原位复合的方法，可采用铸造法来制造形状复）用原位复合的方法，可采用铸造法来制造形状复杂、尺寸较大的净近形铸件。杂、尺寸较大的净近形铸件。2 原位生成法具体介绍原位生成法具体介绍 V

15、LS法法1) 气气液相反应法液相反应法 是将含有是将含有C或或N的气体通入到高温的金属熔体中，的气体通入到高温的金属熔体中，使气体中的使气体中的C或或N与金属熔体中的元素发生反应，生与金属熔体中的元素发生反应，生成高硬度、高弹性模量的碳化物或氮化物。成高硬度、高弹性模量的碳化物或氮化物。DIMox法法(直接氧化法直接氧化法) 在铝液表面生成氧化膜，使其氧化膜内有细小在铝液表面生成氧化膜，使其氧化膜内有细小的管道，使其下部的铝液不断的氧化，这样生成陶的管道，使其下部的铝液不断的氧化，这样生成陶瓷材料瓷材料Al2O3。2) 固固液相反应法液相反应法 直接反应法直接反应法 在氩气的保护下，将配备的碳

16、粉加入到在氩气的保护下，将配备的碳粉加入到1500 的的Cu-Ti合金中，开始碳粉浮在金属液表面，随着保温合金中，开始碳粉浮在金属液表面，随着保温的进行，碳粉逐渐减少直至消失，的进行，碳粉逐渐减少直至消失，Ti+CTiC(颗粒颗粒)，搅拌，则生成了铜基复合材料。搅拌，则生成了铜基复合材料。 1200 的的Al-Si(Si30%)中，加入碳粉，保温一段时中，加入碳粉，保温一段时间，间， Si+CSiC(颗粒颗粒)，从而得到，从而得到SiC颗粒增强的铝颗粒增强的铝基复合材料。基复合材料。还原反应法还原反应法 将不太稳定的化合物加入到高温溶液中，其与溶液将不太稳定的化合物加入到高温溶液中，其与溶液中的某个组元发生反应，生成更加稳定的某种颗粒。中的某个组元发生反应，生成更加稳定的某种颗粒。3) 固固固反应法固反应法 自曼延高温合成法自曼延高温合成法 两种反应物能发生强放热反应