最新复合材料的成形工艺PPT课件.ppt

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1、9-1 复合材料简介复合材料简介一、复合材料基本概念一、复合材料基本概念复合材料（复合材料（composite material）：由两种或两）：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工合成的种以上物理化学性质不同的物质，经人工合成的一种多相固体材料。一种多相固体材料。优点：优点： 充分发挥组成材料的性能；材料优化设计。充分发挥组成材料的性能；材料优化设计。结构复合材料：如玻璃钢结构复合材料：如玻璃钢功能复合材料：如双金属片功能复合材料：如双金属片三、复合材料的增强机制和复合原则三、复合材料的增强机制和复合原则 复合原则复合原则 基体起粘接作用基体起粘接作用 基体对纤维的润湿性好；基体对

2、纤维的润湿性好； 基体的塑性和韧性好；基体的塑性和韧性好； 基体能保护好纤维表面。基体能保护好纤维表面。 增强材料承载大部分增强材料承载大部分； 强度、刚度要高，密度小，热稳定性高；强度、刚度要高，密度小，热稳定性高； 增强体与基体结合强度高增强体与基体结合强度高； 纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团 纤维的含量、直径、长度、分布适当；纤维的含量、直径、长度、分布适当； 纤维、基体热胀系数相近。纤维、基体热胀系数相近。四、复合材料的失效四、复合材料的失效 失效（失效（failure of composite）：）：疲劳破坏疲劳破坏 基体开裂、脱

3、粘基体开裂、脱粘损伤损伤分层，部分纤维拉断、分层，部分纤维拉断、拔出拔出整体破坏整体破坏 制造加工损伤制造加工损伤 纤维铺设不均，树枝不均，固化不足，孔隙等；纤维铺设不均，树枝不均，固化不足，孔隙等； 使用引起的损伤使用引起的损伤 树脂裂纹、老化，分层，纤维断裂，温度变化大，树脂裂纹、老化，分层，纤维断裂，温度变化大，内应力，内应力，碰撞，疲劳损伤碰撞，疲劳损伤等。等。9.2 金属基复合材料成形工艺金属基复合材料成形工艺 制备金属基复合材料（制备金属基复合材料（metal matrix composites, MMC），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润与），关键在于获得基体与增强体之间良

4、好的浸润与合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难，主合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难，主要分为三大类：要分为三大类： 固态法固态法 基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、爆炸焊接法等。爆炸焊接法等。 液态法液态法 基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。渍法

5、、共喷沉淀法、热喷涂法等。 其他制造方法其他制造方法 包括原位自生成法、物理气相沉淀法、化包括原位自生成法、物理气相沉淀法、化学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。一、固态法一、固态法 包括包括扩散粘结法、形变法和粉末冶金法扩散粘结法、形变法和粉末冶金法 扩散粘结法（扩散粘结法（diffusion bonding） 长时间、高温、高压下，通过固态焊接工艺，长时间、高温、高压下，通过固态焊接工艺，使金属互相扩散而粘结在一起的工艺。使金属互相扩散而粘结在一起的工艺。 粘结表面接触粘结表面接触界面扩散、渗透界面扩散、渗透界面消失界面消失 影响因素：温度、压力、时

6、间影响因素：温度、压力、时间 优点优点：金属品种广，纤维取向、含量易控制：金属品种广，纤维取向、含量易控制 缺点缺点：焊接时间长，温度、压力高，成本高，：焊接时间长，温度、压力高，成本高，零件尺寸受限零件尺寸受限 应用：应用：SiC/Al、B/Al等。等。一、固态法一、固态法 扩散粘结法扩散粘结法 热压法热压法 铺层铺层放入模具或缸套内放入模具或缸套内加热、加压加热、加压冷却、取出冷却、取出 热等静压法热等静压法 预制坯预制坯放入包套放入包套抽真空抽真空高压容器高压容器注入高压惰气、加热注入高压惰气、加热均匀高压均匀高压扩散粘扩散粘结结一、固态法一、固态法 形变法（形变法（plastic fo

7、rming） 利用金属塑性成形特点，热轧、热挤、热拉等利用金属塑性成形特点，热轧、热挤、热拉等 热轧法热轧法 坯料用不锈钢薄板包裹坯料用不锈钢薄板包裹加热、反复轧制加热、反复轧制板板材、带材材、带材 生产率高，材料利用率高生产率高，材料利用率高，用于，用于C/Al、Al2O3/Al等等复合材料。复合材料。粉末冶金法（粉末冶金法（powder metallurgy method）制备成形制备成形颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料合金粉末合金粉末增强物增强物混合除气混合除气冷压成形冷压成形热压成形热压成形坯料坯料挤压成形挤压成形轧轧 制制锻锻 造造制件制件烧结烧结二、液态法二、液态法 液

8、态金属浸润法液态金属浸润法 挤压铸造法（挤压铸造法（squeeze casting） 预制件预制件放入模具中（预热）放入模具中（预热） 浇铸熔融金属浇铸熔融金属加压加压凝固成形凝固成形 成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品；成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品； 用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料复合材料 真空压力浸渍法（真空压力浸渍法（vacuum pressure infiltration） 组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，易控制，生产率高；但设

9、备复杂，成本高易控制，生产率高；但设备复杂，成本高 用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生产。用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生产。真空压力浸渍炉真空压力浸渍炉结构示意图结构示意图液态金属浸润法液态金属浸润法液态金属搅拌铸造法（液态金属搅拌铸造法（stir-casting method of liquid metal）增强相颗粒增强相颗粒加入金属熔体加入金属熔体搅拌均匀搅拌均匀浇铸成形浇铸成形团聚；氧化团聚；氧化工艺简单，生产率高，成本低，适用于多工艺简单，生产率高，成本低，适用于多种基体和颗粒。种基体和颗粒。二、液态法二、液态法 井喷沉淀法（井喷沉淀法（spray co-deposi

10、tion） 金属熔化金属熔化液态金属雾化液态金属雾化颗粒加入、混合颗粒加入、混合沉积沉积凝固凝固 工艺简单，生产率高；冷却速度快，复合材料工艺简单，生产率高；冷却速度快，复合材料晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合材料气孔率大材料气孔率大 挤压处理挤压处理 致密材料。致密材料。 适用面广，多种基体和增强颗粒，可生产空心适用面广，多种基体和增强颗粒，可生产空心管、板、锻坯和挤压锭等。管、板、锻坯和挤压锭等。 制造颗粒增强金属基复合材料。制造颗粒增强金属基复合材料。三、其他方法三、其他方法 原位自生成法原位自生成法 定向凝固法定向凝固法 反应自生成法反应

11、自生成法 物理气相沉积法物理气相沉积法 升华升华-凝结法凝结法 分子束法分子束法 阴极溅射法阴极溅射法 化学气相沉积法化学气相沉积法 化学运输法化学运输法 气体分解法气体分解法 气体合成法气体合成法9-3 树脂基复合材料成形工艺树脂基复合材料成形工艺 材料成形与构件成形同时完成材料成形与构件成形同时完成 手糊成形手糊成形 喷射成形喷射成形 袋压成形袋压成形 纤维缠绕成形纤维缠绕成形 挤压成形挤压成形 层压成形层压成形 注射成形注射成形一、手糊成形（一、手糊成形（hand laying-up） 原材料准备，模具准备，涂脱模剂原材料准备，模具准备，涂脱模剂 喷涂胶衣，糊制成形喷涂胶衣，糊制成形 固

12、化，脱模固化，脱模 修边，装配，验收修边，装配，验收 操作简便，投资少，可设计性好，可生产操作简便，投资少，可设计性好，可生产大型、复杂件。大型、复杂件。 生产率低，劳动强度大，质量不易控制，生产率低，劳动强度大，质量不易控制，用于小批量、多品种及大型制品。用于小批量、多品种及大型制品。二、喷射成形工艺（二、喷射成形工艺（spray moulding） 半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相同，但糊制同，但糊制喷枪机械作业喷枪机械作业 生产率高，节省原材料，制品整体性高，生产率高，节省原材料，制品整体性高，形状尺寸不限。形状尺寸不限。 树脂含量高，制品强度低，

13、工作环境差树脂含量高，制品强度低，工作环境差 不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器等大型部件。等大型部件。三、袋压成形工艺（三、袋压成形工艺（bag moulding） 加压袋法加压袋法 手糊或注射成形未固化玻璃钢手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋橡胶袋加压加压加热加热固化固化 真空袋法真空袋法 手糊或注射成形未固化玻璃钢手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋橡胶袋抽真空抽真空固固化化 制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高；制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高； 适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大件制

14、品。复杂、大件制品。四、层压成形工艺（四、层压成形工艺（lamination process） 层叠胶布层叠胶布模板之间模板之间加热、加压固化加热、加压固化冷却、脱模、修整冷却、脱模、修整层压板层压板 制品表面光，质量好且稳定，设备简单，制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高生产率高 只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。劳动轻度大。五、模压成形工艺（五、模压成形工艺（press moulding） 生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅表面光洁，价低，自动化程度高

15、，无需辅助加工；助加工； 模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻璃钢制品。璃钢制品。 短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、片状模塑料模压法等。片状模塑料模压法等。六、缠绕成形工艺（六、缠绕成形工艺（winding process） 树脂配制树脂配制纤维烘干纤维烘干浸胶浸胶胶纱烘干胶纱烘干缠缠绕绕固化固化检验、加工检验、加工制品制品 制造回转体复合材料制造回转体复合材料 干法：干法

16、： 制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低；强度低； 湿法湿法 劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化；化； 半干法半干法七、拉挤成形工艺（七、拉挤成形工艺（pultrusion process） 送纱送纱浸胶浸胶预成形预成形固化成形固化成形牵引牵引恒定截面恒定截面型材型材 设备价低，生产率高，原料利用率高设备价低，生产率高，原料利用率高 制品方向性强，剪切强度低制品方向性强，剪切强度低 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。9-4 陶瓷基复合材料成形工艺陶瓷基复合材料成形工艺 模压成形：形状简单小件模压成形：形状简单小件 等静压成形：要求高的电子元件等等静压成形：要求高的电子元件等 注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件 热压成形：形状复杂件热压成形：形状复杂件 注射成形：高温工程陶瓷大规模生产注射成形：高温工程陶瓷大规模生产 直接氧化法直接氧化法 化学气相渗透法化学气相渗透法35 结束语结束语