《工程材料及成形技术基础》课件 第12章 非金属材料成型技术

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第十二章非金属材料成型技术重点：掌握工程塑料、陶瓷的常用成型工艺原理、特点及应用；橡胶制品成型工艺过程；金属基复合材料的粉末冶金技术，包括金属3D打印技术和粉末注射成型技术，聚合物基复合材料的RTM成型技术以及碳/碳复合材料的制备流程。难点：工程塑料成型工艺原理、橡胶制品的成型方法。主要内容高分子材料成型陶瓷材料成型技术塑料成型技术橡胶成型技术第十二章非金属材料成型技术干坯料成型可塑性坯料成型浆料成型复合材料成型技术金属基复合材料成型技术陶瓷基复合材料成型技术聚合物基复合材料成型技术碳/碳复合材料成型技术新型材料成型技术生物可降解材料成型技术超高温陶瓷材料制备技术气凝胶制备技术第一节高分子材料成型技术●挤出塑料成型方法●

注塑●

模塑●

机械加工高分子材料可以采用注射、挤出、压制、压延、吹塑等方法来成型制品，还可以采用车、磨、刨、铣、锉、钻以及抛光等方法来进行二次加工。挤出成型制品及设备第一节高分子材料成型技术一、塑料成型技术挤出成型视频第一节高分子材料成型技术注射成型制品及设备第一节高分子材料成型技术注射成型视频第一节高分子材料成型技术二、橡胶成型技术橡胶制品的共同特点是具有特殊的高弹性，优异的耐磨、减震、绝缘和密封等性能。橡胶制品的生产工艺一般是由塑炼、混炼、挤出、压延、成型、硫化等组成。橡胶材料常用成型方法橡胶材料成型-生胶与各种配合剂经一系列物理化学变化制得橡胶制品。一般包括以下过程：塑炼-降低分子量；混炼-配方混合均匀；定型-确定形状；硫化-交联。确定形状：压延；挤出；注射。第一节高分子材料成型技术压延是利用压延机辊筒的挤压力作用使胶料与骨架材料通过压动和变形，并延展成为具有一定断面形状的胶片，或在纺织物表面上挂胶的加工工艺。轮胎胎面半成品压延示意图挤出工艺是通过挤出机将胶料连续挤压成各种断面形状半成品的过程。主要应用于轮胎胎面、电线电缆和各种断面形状的空心半成品。注射对于立体结构较为复杂的橡胶制品，模压成型的方式难以生产，多采用注射成型的方式进行生产。第一节高分子材料成型技术第二节陶瓷材料成型技术一、干坯料成型干坯料是指混合均匀粉末制成的坯料中，液体很少（小于6%~7%）或不含液体成分，其他成型剂或润滑剂的含量也极少，坯料呈现出固相颗粒的流动特性。1、压制成型方法压制成型法是将粉料与少量黏结剂均匀混合进行造粒后，置于金属模中，经模压设备的加压作用形成一定形状的坯体。2、等静压成型法等静压成型是将待压试样置于高压容器中，利用液体介质从各个方向对试样进行均匀施压并成型。成型模具等静压成型模具及设备第二节陶瓷材料成型技术二、可塑性坯料成型可塑成型是利用模具运动产生的压力、剪切力及挤压外力对具有可塑性坯料进行加工，使坯料发生变形的成型方法，适合于成型具有回转中心的圆形产品。1、挤压成型法挤压成型法是将挤压成型是将真空炼制泥料放入挤制机内，在外力的作用下通过挤压模具挤成一定形状的坯体。2、轧膜成型法轧膜成型是将准备好的陶瓷粉末拌以定量的有机黏结剂和溶剂，通过粗轧和精轧成膜片后再进行冲片成型。挤压设备轧膜机第二节陶瓷材料成型技术3、注射成型法陶瓷注射成型是将陶瓷原料与黏结剂均匀混合，在一定的压力与温度作用下将混合原料注射到模具的型腔内制成毛坯。待其冷却后取出已固化的成型坯体，在一定的温度条件下去除的黏结剂，再进行烧结获得所需形状、尺寸的陶瓷制件。注射成型产品第二节陶瓷材料成型技术三、浆料成型浆料成型是湿法成型工艺，与干法成型相比，该方法能有效地控制团聚，减少坯体的缺陷。浆料中主要含水分、粉末颗粒、极少量的分散剂。粉末颗粒依靠分散剂的作用呈分散状态悬浮在水中，呈固液两相混合的浆料，并呈现出具有一定黏度的流体的流动性质。1、注浆成型法注浆成型法是将陶瓷粉末分散在液体中形成具有良好流动性的悬浮液，将悬浮液注入模具中，通过模具的吸水作用固化制成生坯的成型方法。2、注凝成型法注凝成型工艺是一种新颖胶态成型工艺，其将传统陶瓷工艺和有机聚合物化学相结合，将低黏度、高固相含量的粉体-溶剂悬浮体系中加入少量的有机单体，然后利用催化剂和引发剂，使使液态浆料原位固化成型。第二节陶瓷材料成型技术3、热压铸成型法热压铸成型方法是利用石蜡受热溶化后的流动性，将无可塑性的陶瓷粉料与热蜡液均匀混合形成浆料，在一定的压力作用下注入金属模具中进行成型，等待冷却固化后再脱模取出成型好的坯体。坯体加热脱脂处理，再烧结成陶瓷制件。4、流延成型法流延成型是将粉料与有机塑化剂混合制成具有一定黏度的浆料，刮压涂覆在专用的基带上，经过干燥、固化后从上剥下，制成生坯带的薄膜。然后，根据制件的形状、尺寸需要进行加工处理，最终制成待烧结的毛坯。热压铸成型零件流延成型陶瓷手机背板第三节复合材料成型技术一、金属基复合材料成型技术1、固态制备技术固态制备技术是指在金属基体处于固态情况下，制成复合材料体系的方法。分类：粉末冶金法、热压法、轧制法、挤压法、拉拔法和爆炸焊接法等。粉末冶金是将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料混合均匀后，经过成型和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。粉末冶金工艺制备的发动机零部件粉末冶金法工艺流程图第三节复合材料成型技术一、金属基复合材料成型技术2、液态制备技术液态制备技术是指在金属基体处于熔融状态下，与增强体混合形成复合材料体系的方法。分类：液态金属浸渗法（真空、压力、无压浸渗）、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、喷射沉积法、热喷涂法等。3、反应合成技术反应合成技术是指借助合金设计，在一定条件下于基体金属内原位反应形核生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。分类：气-液反应，固-液反应、固-固反应等反应类型。第三节复合材料成型技术二、陶瓷基复合材料成型技术分类：浆料浸渗-热压烧结法、直接氧化法、先驱体转化法、化学气相渗积法、反应性熔体浸渗法和溶胶-凝胶法。化学气相渗积法（CVI）是在化学气相沉积法（CVD）基础上发展起来的一种制备陶瓷基复合料的新方法。与CVD法相比，CVI法能将反应物气体渗入到多孔体内部，发生化学反应并进行沉积，因此特别适用于制备由连续纤维增强的陶瓷基复合材料。第三节复合材料成型技术三、聚合物基复合材料成型技术聚合物基复合材料（PMC）是目前结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广、规模最大的一类。分类：①热固性复合材料的制造方法：手工成型法、喷涂成型法、压缩成型法、注射成型法、SMC压缩成型法、RTM成型技术、真空热压成型法、连续缠绕成型和连续拉挤成型法；②热塑性复合材料的制造方法：压缩成型法、注射成型法、RTM成型技术、真空热压成型法、连续缠绕成型法等。第三节复合材料成型技术四、碳基复合材料成型技术碳/碳复合材料是指以碳纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过致密化和石墨化处理制成的全碳质复合材料。制备工艺：①预制体成型；②预制体致密化；③石墨化处理。碳/碳复合材料的制备工艺流程第四节新型材料成型技术一、生物可降解材料的成型技术1、低温粉末烧结低温粉末烧结是成型立构复合型聚乳酸的一种新型方法。2、3D打印技术基于熔融沉积的3D打印技术最早是由ScottCrump在1989年发明并申请以FDM为核心的专利技术。聚合物FDM技术一种热辅助的打印技术，它主要是将热塑性聚合物（如ABS塑料、聚乳酸、聚碳酸酯、聚苯砜等）的丝状材料通过加热喷头，借助一定压力被熔融挤出，同时喷头通过软件控制按照一定轨迹移动，被挤出的材料逐层累积，最终形成3D打印产品。第四节新型材料成型技术二、超高温陶瓷制备技术超高温陶瓷材料的制备工艺主要包括热压烧结（HP）、放电等离子烧结（SPS）、反应热压烧结（RHP）及无压烧结（PS）。其中，热压烧结是使用最广泛的烧结方式。1、热压烧结在材料高温烧结的同时对其施加一定的压力，从而实现材料的致密化。2、放电等离子烧结放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温陶瓷复合材料的制备。3、反应热压烧结反应热压烧结，超高温陶瓷复合材料的合成及致密化可以通过原位反应在施加压力或无压的情况下一步合成，目前通常采用Zr，B4C和Si原位反应制备超高温陶瓷复合材料，通过原始材料比例的设计可以实现对合成材料组分及含量的调控。第四节新型材料成型技术三、气凝胶制备技术制备二氧化硅气凝胶的主要流程包括三个部分：①溶胶-凝胶化过程：通过硅源的前驱反应得到溶胶后添加催化剂发生