最新复合材料3精品课件.ppt
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1、7.2 7.2 聚合物复合材料的性能聚合物复合材料的性能(1 1)高比强、高比模量。)高比强、高比模量。(2 2)设计性强、成型工艺简单。)设计性强、成型工艺简单。 (3 3)热膨胀系数低,尺寸稳定。)热膨胀系数低,尺寸稳定。(4 4)耐腐蚀、抗疲劳性能好。)耐腐蚀、抗疲劳性能好。 (5 5)减震性能好。)减震性能好。(6 6)高温性能好。)高温性能好。 (7 7)安全性能好。)安全性能好。(2)压力成型:)压力成型: a.袋压成型:袋压成型: 真空袋成型;真空袋成型; 压力袋成型压力袋成型 ; 袋压成型是最早最广泛用于袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型预浸料成型的工艺之一。将的工艺之一。将铺
2、层铺放在模具中,依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋铺层铺放在模具中,依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等,在膜等,在热压下固化热压下固化。经过所需的固化周期后,材料形成。经过所需的固化周期后,材料形成具有一定结构形状的构件具有一定结构形状的构件 。 b.热压罐成型热压罐成型工艺过程:铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥工艺过程:铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物,发物,在真空条件下在热压罐中加热、加压固化在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力。固化压力通常在通常在0.35 - 0.7MPa0.35 - 0.7MPa。1- 橡皮囊;橡皮囊;2-成型套;成型套;3-模具;模
3、具;4-毛坯;毛坯; 5-弓形夹;弓形夹; 6-热压罐;热压罐; 7-底板;底板; (3) 缠绕成型:缠绕成型:缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。化成型的一种复合材料制造工艺。 (4)拉挤成型:是高效率生产连续、恒定截面复合拉挤成型:是高效率生产连续、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。其特点是:连续纤维浸型材的一种自动化工艺技术。其特点是:连续纤维浸渍树脂后,通过具有一定截面形状的模具成型并固化。渍树脂后,通过具有一定截面形状的模具成型
4、并固化。(5 5)模压成型)模压成型:对模模压成型是最普通的模压成型技术。对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类:坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料它一般分为三类:坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。模压。 (6 6)挤出成型)挤出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料(粉料或粒料)从料斗进入挤出机热塑性塑料(粉料或粒料)从料斗进入挤出机加热料筒,料筒中螺杆旋转,物料沿螺槽前移。加热料筒,料筒中螺杆旋转,物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体,熔体受螺
5、杆轴向推力的加热逐渐熔融成熔体,熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模,获得与口模形状相似的作用通过机头和口模,获得与口模形状相似的连续体。的连续体。 挤出成型工艺示意图挤出成型工艺示意图 (7 7)注射成型)注射成型 注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法,注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法, 多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要 为短切纤维,纤维含量通常有为短切纤维,纤维含量通常有20 、30%两种。两种。(8 8)喷射成型)喷射成型 这是一种半机械化成型技术。它是将混有引这是一种半机械化成型技术。它是将混有引发剂发剂的树脂和混有促进剂的
6、树脂分别从喷枪两侧的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出,同时将纤维用切断器切断并喷出或混合后喷出,同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出,与树脂一起均匀地沉积在模具从喷枪中心喷出,与树脂一起均匀地沉积在模具上,待材料在模具上沉积一定厚度后,用手辊压上,待材料在模具上沉积一定厚度后,用手辊压实,除去气泡并使纤维浸透树脂,最后固化成制实,除去气泡并使纤维浸透树脂,最后固化成制品。品。 喷射成型原理图喷射成型原理图 (9 9)树脂传递成型:先将增强剂置于模具中形成)树脂传递成型:先将增强剂置于模具中形成 一定形状,再将树脂注射进入模具、浸渍并固化一定形状,再将树脂注射进入模具、浸渍
7、并固化 的一种复合材料生产工艺,是的一种复合材料生产工艺,是FRP(纤维增强塑(纤维增强塑 料)料)的主要成型工艺之一。的主要成型工艺之一。 特点是:污染小,为闭模操作系统,另外在制品特点是:污染小,为闭模操作系统,另外在制品 可设计性、可方向性增强、制可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优品综合性能方面优 于于SMCSMC、BMCBMC。 树脂传递成型示意图树脂传递成型示意图 7.3.3 PMC7.3.3 PMC的界面的界面 (1)PMC(1)PMC的界面特点:的界面特点: (A)大多数界面为物理粘结,结合强度较低,大多数界面为物理粘结,结合强度较低, 结合力主要来自如色散力、偶极力、氢
8、键等物理结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理 粘结力。偶联剂与纤维的结合(化学反应或氢键)粘结力。偶联剂与纤维的结合(化学反应或氢键) 也不稳定,可能被环境(水、化学介质等)破坏。也不稳定,可能被环境(水、化学介质等)破坏。 (B B)PMCPMC的界面一般在较低温度下使用,其界的界面一般在较低温度下使用,其界面可保持相对稳定。面可保持相对稳定。 (C C)PMCPMC中增强剂本身一般不与基体材料反应。中增强剂本身一般不与基体材料反应。(2)PMC(2)PMC界面设计界面设计 基本原则:改善浸润性、提高界面结合强度。基本原则:改善浸润性、提高界面结合强度。 (A)(A)使用偶联剂使用偶联
9、剂 偶联剂是一种化合物,其分子两端含有不同的偶联剂是一种化合物,其分子两端含有不同的基团,一端可与增强剂发生化学或物理作用,另一基团,一端可与增强剂发生化学或物理作用,另一端则能与基体材料发生化学或物理作用,从而使增端则能与基体材料发生化学或物理作用,从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。(B)(B)增强剂表面(活化)处理增强剂表面(活化)处理 由于碳纤维本身的结构特征(沿纤维轴向择优由于碳纤维本身的结构特征(沿纤维轴向择优 取向的同质多晶)以及石墨表面能低,纤维不能被取向的同质多晶)以及石墨表面能低,纤维不能被 树脂很好浸润。可通过适当的
10、表面处理以改变纤维树脂很好浸润。可通过适当的表面处理以改变纤维 表面形态、结构,使其表面能提高,以改善浸润性表面形态、结构,使其表面能提高,以改善浸润性 或使表面生成一些能与树脂反应形成化学键的活性或使表面生成一些能与树脂反应形成化学键的活性 官能团,如引入官能团,如引入 -COOH-COOH、- OH- OH、 - NH- NH2 2、C=OC=O等,等, 从而提高纤维与基体的相容性以及结合强度。从而提高纤维与基体的相容性以及结合强度。 (C) (C)使用聚合物涂层使用聚合物涂层 改善基体和纤维的润湿性以及界面改善基体和纤维的润湿性以及界面 粘接状态;改善界面应力状态。使用溶粘接状态;改善界
11、面应力状态。使用溶 液涂敷、电化学及等离子聚合等方法可液涂敷、电化学及等离子聚合等方法可 获得聚合物涂层。获得聚合物涂层。第八章第八章 金属基复合材料(金属基复合材料(MMC)制备工艺)制备工艺 8.1 8.1 概述概述 8.1.1 金属基复合材料的研究重点金属基复合材料的研究重点 1 1)不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的)不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的 设计和性能;设计和性能; 2 2)增强相)增强相/ /基体的界面优化、界面设计;基体的界面优化、界面设计; 3 3)制备工艺的研究,以提高复合材料的性能和降低成本;)制备工艺的研究,以提高复合材料的性能和降低成本; 4 4)
12、新型增强剂的研究开发;)新型增强剂的研究开发; 5 5)复合材料的扩大应用。)复合材料的扩大应用。 8.1.2 金属基复合材料制备工艺的分类:金属基复合材料制备工艺的分类: 1)固态法:真空热压扩散结合、热等静压、固态法:真空热压扩散结合、热等静压、 超塑性成型超塑性成型 / / 扩散结合、模压、粉末冶金法。扩散结合、模压、粉末冶金法。 2 2)液态法:液态浸渗、真空压铸、反压铸造、)液态法:液态浸渗、真空压铸、反压铸造、 半固态铸造。半固态铸造。 3 3)喷射成型法:等离子喷涂成型、喷射成型。)喷射成型法:等离子喷涂成型、喷射成型。 4 4)原位生长法。)原位生长法。8.1.3 连续增强相金
13、属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固态、液态法固态、液态法 碳纤维碳纤维 镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法 硼纤维硼纤维 钛合金钛合金 固态法固态法 SiCSiC纤维纤维 高温合金高温合金固态法固态法 氧化铝纤维氧化铝纤维 金属间化合物金属间化合物固态法固态法8.1.48.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金固态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒颗粒 镁合金镁合金液态法液态法 晶须晶须 钛合金钛合金固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法 短纤维短纤维 高温
14、合金高温合金原位生长法原位生长法 金属间化合物金属间化合物粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法8.2 先驱(预制)丝(带、板)的制备先驱(预制)丝(带、板)的制备 8.2.1粉末法纤维粉末法纤维/ /基体复合丝基体复合丝 首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末制成基体粉末/ /聚合物粘接剂胶体,然后将纤聚合物粘接剂胶体,然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽,在纤维表维通过带有一定孔径毛细管的胶槽,在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体,干燥后形面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体,干燥后形成一定直径的纤维成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。基体粉末复
15、合丝。 8.2.2 PVDPVD法纤维法纤维/ /基体复合丝基体复合丝 采用磁控溅射等物理气相沉积(采用磁控溅射等物理气相沉积(PVDPVD)手段将基体金)手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上,形成纤维属均匀沉积到纤维表面上,形成纤维/ /基体复合丝。基体复合丝。 PVD法纤维法纤维/基体复合丝原理图基体复合丝原理图 8.2.38.2.3等离子喷涂纤维等离子喷涂纤维 / / 基体箔材先驱(预制)带(板):基体箔材先驱(预制)带(板): 8.2.58.2.5熔池法纤维熔池法纤维 / / 基体复合丝基体复合丝 这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增
16、强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。生成会严重影响复合材料的性能。 对石墨纤维进行对石墨纤维进行Ti-B或(液态)金属钠表面涂层处理可以增加纤维或(液态)金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性,防止过量的脆性相与铝液的润湿性,防止过量的脆性相Al4C3生成。生成。8.3 8.3 金属基复合材料(金属基复合材料(MMCMMC)制备方法)制备方法 8.3.1粉末冶金法(非连续增强相金属基复合材料制备工艺)粉末冶金法
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