复合材料的成型工艺讲稿.ppt
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1、复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺第一页,讲稿共三十四页哦第一节 复合材料简述一、复合材料基本概念一、复合材料基本概念 复复合合材材料料的的最最大大优优点点,就就是是它它的的性性能能比比其其组组成成材材料料要要好好得得多多。一一方方面面它它可可以以改改善善组组成成材材料料的的弱弱点点,充充分分发发挥挥其其性性能能优优势势,例例如如玻玻璃璃和和树树脂脂的的韧韧性性和和强强度度都都不不高高,但但用用它它们们制制成成的的复复合合材材料料-玻玻璃璃钢钢的的比比强强度度、比比刚刚度度和和韧韧性性却却很很高高;另另一一方方面面可可以以根根据据结结构构和和受受力力要要求求制制成成预预定定的的性性能能分分布
2、,对材料进行优化设计。布,对材料进行优化设计。图图9-19-1为复合材料结构示意图。为复合材料结构示意图。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第二页,讲稿共三十四页哦1.1.复合材料的分类复合材料的分类(1)(1)按材料的作用分类按材料的作用分类 结构复合材料和功能复合材料结构复合材料和功能复合材料 。(2)(2)按基体材料分类按基体材料分类 树树脂脂基基复复合合材材料料(resin(resin matrix matrix composites-RMC)composites-RMC)、金金属属基基复复合合材材料料(metallic(metallic matrix matrix composi
3、tes composites-MMC)-MMC)、陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料(ceramic(ceramic matrix matrix composites-CMC)composites-CMC)、水水泥泥基复合材料和碳基复合材料和碳/碳复合材料等碳复合材料等 。(3)(3)按增强材料的性质和形态分类按增强材料的性质和形态分类 层层叠叠复复合合材材料料、细细粒粒复复合合材材料料、连连续续纤纤维维复复合合材材料料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第三页,讲稿共三十四页哦2.2.复合材料
4、的特点复合材料的特点(1)(1)比强度和比刚度高比强度和比刚度高 (2)(2)抗疲劳性好抗疲劳性好(3)(3)高温性能好高温性能好 (4)(4)减振性能好减振性能好 (5)(5)断裂安全性高断裂安全性高 (6)(6)可设计性好可设计性好 第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第四页,讲稿共三十四页哦二、复合材料用原料二、复合材料用原料1.1.增强材料增强材料(1)(1)碳纤维碳纤维(Carbon Fiber)(Carbon Fiber)(2)(2)硼纤维硼纤维(Boron Filament)(Boron Filament)(3)(3)芳纶芳纶(Aramid Ring)(Aramid Ring)
5、(4)(4)玻璃纤维玻璃纤维(Glass Fiber)(Glass Fiber)(5)(5)碳化硅纤维碳化硅纤维(Silicon Carbide Fiber)(Silicon Carbide Fiber)()晶须晶须(Whisker)(Whisker)2.2.基体材料基体材料 (1)(1)热固性树脂热固性树脂(Thermosetting Resin)(Thermosetting Resin)(2)(2)热塑性树脂热塑性树脂(Thermoplastic Resin)(Thermoplastic Resin)3.3.夹层结构材料夹层结构材料(Sandwich Structure Material)
6、(Sandwich Structure Material)夹夹层层结结构构一一般般由由两两层层簿簿的的高高强强度度板板和和中中间间夹夹着着一一层层厚厚而轻的芯结构构成而轻的芯结构构成。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第五页,讲稿共三十四页哦三、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1.1.增强原理增强原理(The Principle of Reinforcement)(The Principle of Reinforcement)复复合合材材料料的的复复合合不不是是由由基基体体和和增增强强两两种种材材料料简简单单的的组组合合而而成成,而而是是两两种种材材料料发发生生
7、相相互互的的物物理理、化化学学、力力学学等等作作用用的的复杂组合过程。复杂组合过程。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第六页,讲稿共三十四页哦2.2.复合原则复合原则(Rule of Mixtures)(Rule of Mixtures)以以纤纤维维增增强强复复合合材材料料为为例例,说说明明复复合合材材料料的的复复合原则。合原则。(1)(1)复复合合材材料料中中基基体体起起粘粘结结作作用用,因因而而基基体体必必须须具具备备如如下下特点:特点:1 1)对对纤纤维维具具有有好好的的润润湿湿性性,从从而而使使基基体体与与增增强强材材料料间间具具有有较较强强的的结结合合力力,使使分分离离的的纤纤维
8、维粘粘为为一一个个整体,保证纤维的合理分布。整体,保证纤维的合理分布。2 2)基基体体应应具具有有较较好好的的塑塑性性和和韧韧性性,能能够够延延缓缓裂裂纹的扩展。纹的扩展。3 3)基基体体能能够够很很好好地地保保护护纤纤维维表表面面,不不产产生生表表面面损伤、不产生裂纹损伤、不产生裂纹。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第七页,讲稿共三十四页哦(2)(2)增增强强材材料料是是承承载载的的主主要要部部分分,因因而而纤纤维维必必须须具具有有很很高高的的强度和刚度。强度和刚度。(3)(3)增强材料与基体有好的结合强度。增强材料与基体有好的结合强度。(4)(4)在在复复合合材材料料中中纤纤维维必必
9、须须具具有有适适当当的的含含量量、直直径径和和分分布。布。(5)(5)纤维和基体应有相近的热膨胀系数。纤维和基体应有相近的热膨胀系数。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第八页,讲稿共三十四页哦四四、复复 合合 材材 料料 的的 失失 效效(Failure(Failure of of Composite)Composite)复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。1.1.制造加工损伤制造加工损伤 此此种种损损伤伤产产生生初初始始缺缺陷陷。,它它包包括括:纤纤维维铺铺设设不不均均,扭扭结结、死死扣扣等等,树树脂脂不不均均;纤纤维维切切断断、错错排排;固固化化
10、不不足足;有有孔孔隙隙、气气泡;材质污染等。泡;材质污染等。2.2.使用引起的损伤使用引起的损伤 此此种种损损伤伤导导致致缺缺陷陷发发展展。它它包包括括:树树脂脂裂裂纹纹或或老老化化;分分层层;纤纤维维断断裂裂;振振动动较较大大导导致致的的纤纤维维断断裂裂;温温度度变变化化较大;机加工产生内应力;碰撞等。较大;机加工产生内应力;碰撞等。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第九页,讲稿共三十四页哦第二节 金属基复合材料(MMC)成形工艺 (1)(1)固固态态法法 固固态态法法是是指指基基体体处处于于固固态态下下制制造造金金属属基复合材料的方法。基复合材料的方法。(2)(2)液液态态法法 液液态
11、态法法是是指指基基体体处处于于熔熔融融状状态态下下制制造造金金属属基复合材料的方法。基复合材料的方法。(3)(3)其其他他制制造造方方法法 主主要要包包括括原原位位自自生生成成法法、物物理理气气相相沉沉积积法法、化化学学气气相相沉沉积积法法、化化学学镀镀和和电电镀镀法法、复复合合镀镀法等法等。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)成形工艺成形工艺第十页,讲稿共三十四页哦一、固态法一、固态法 1.1.扩散黏结法扩散黏结法(Diffusion Bonding)(Diffusion Bonding)如如图图9-29-2所所示示,扩扩散散黏黏结结是是一一种种在在较较长长时时间间、较较高高
12、温温度度和和压压力力下下,通通过过固固态态焊焊接接工工艺艺,使使同同类类或或不不同同类类金金属属在在高高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。2.2.形变法形变法(Plastic Forming)(Plastic Forming)形形变变法法就就是是利利用用金金属属具具有有塑塑性性成成型型的的工工艺艺特特点点,通通过过热热轧轧、热热拉拉、热热挤挤压压等等加加工工手手段段,使使已已复复合合好好的的颗颗粒粒、晶晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。3.3.粉末冶金法粉末冶金法(Powder Metallurgy
13、Method)(Powder Metallurgy Method)如如图图9-39-3所所示示,粉粉末末冶冶金金法法是是一一种种用用于于制制备备与与成成形形颗颗粒粒增增强强(非非连连续续增增强强型型)金金属属基基复复合合材材料料的的传传统统固态工艺法。固态工艺法。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)成形工艺成形工艺第十一页,讲稿共三十四页哦二、液态法二、液态法 1.1.液液态态金金属属浸浸润润法法 液液态态金金属属浸浸润润法法的的实实质质是是使使基基体体金金属属呈熔融状态时与增强材料浸润结合,然后凝固成型。呈熔融状态时与增强材料浸润结合,然后凝固成型。(1 1)挤压铸造法)挤压
14、铸造法(Squeeze Casting)(Squeeze Casting)挤挤压压铸铸造造是是通通过过压压机机将将液液态态金金属属压压入入增增强强材材料料预预制制件件中中制制造复合材料的方法。造复合材料的方法。(2)(2)真空压力浸渍法真空压力浸渍法(Vacuum Pressure Infiltration)(Vacuum Pressure Infiltration)如如图图9-9-所所示示,真真空空压压力力浸浸渍渍法法是是在在真真空空和和高高压压惰惰性性气气体体的的共共同同作作用用下下,使使熔熔融融金金属属浸浸渗渗入入预预制制件件中中制制造造金金属属基基复复合材料的方法。合材料的方法。(3)
15、(3)液液态态金金属属搅搅拌拌铸铸造造法法(Stir-Casting(Stir-Casting Method Method of of Liquid Metal)Liquid Metal)液液态态金金属属搅搅拌拌铸铸造造法法是是将将增增强强相相颗颗粒粒直直接接加加入入金金属属熔熔体体中中,通通过过搅搅拌拌使使颗颗粒粒均均匀匀分分散散,然然后后浇浇铸铸成成型型制制成成复复合合材材料料制制品品的的方方法法 。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)成形工艺成形工艺第十二页,讲稿共三十四页哦 2.2.井喷沉积法井喷沉积法(Spray Co-Deposition)(Spray Co-Dep
16、osition)井井喷喷沉沉积积法法是是运运用用特特殊殊的的喷喷嘴嘴,将将液液态态金金属属基基体体通通过过惰惰性性气气体体气气流流的的作作用用后后雾雾化化成成细细小小的的液液态态金金属属流流,将将增增强强相相颗颗粒粒加加入入到到雾雾化化的的金金属属流流中中,与与金金属属液液滴滴混混合合在在一起并沉积在衬底上,凝固形成金属基复合材料的方法。一起并沉积在衬底上,凝固形成金属基复合材料的方法。图图9-9-所所示示是是采采用用井井喷喷沉沉积积法法生生产产陶陶瓷瓷颗颗粒粒增强金属基复合材料的示意图。增强金属基复合材料的示意图。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)成形工艺成形工艺第十三页,
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