第7章 复合材料成形.ppt

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1、12/21/20221第第7 7章章 复合材料成形复合材料成形 复合材料复合材料:两种或两种以上两种或两种以上不同性质的物质组合在一起的新材料不同性质的物质组合在一起的新材料7.1 7.1 复合材料成形基础复合材料成形基础 复复合合是是一一种种包包括括物物理理、化化学学、力力学学，甚甚至至生生物物学学相相互互作用的复杂过程。作用的复杂过程。7.1.1 影响复合材料性能的因素影响复合材料性能的因素 基体材料性能、增强体特征、组成物比例基体材料性能、增强体特征、组成物比例、界面性质界面性质、成成形方法和工艺参数形方法和工艺参数 组组成成物物基体材料基体材料：形成几何形状并起粘接作用，如：金形成几何

2、形状并起粘接作用，如：金 属、树脂、陶瓷属、树脂、陶瓷增强材料：增强材料：承受载荷，提高强度或韧性，如：一维承受载荷，提高强度或韧性，如：一维 的纤维、二维的片材、三维的颗粒的纤维、二维的片材、三维的颗粒12/21/20222基体材料性能基体材料性能：强度、弹性模量、化学稳定性强度、弹性模量、化学稳定性 增强体特征增强体特征：类型、粗细、强度类型、粗细、强度和和弹性模量弹性模量 增强纤维越细，增强纤维越细，复合材料的强度越高，刚复合材料的强度越高，刚 度越大；增强体颗粒细些，增强效果就会度越大；增强体颗粒细些，增强效果就会 好些好些，颗粒直径，颗粒直径0.010.1mm效果最好。效果最好。组成

3、物比例及分布等组成物比例及分布等：增强体增强体的的含量、排列方式含量、排列方式和和方向方向 以及和以及和基体间的界面粘结状况基体间的界面粘结状况，应进行适当控制。应进行适当控制。成形方法和工艺参数成形方法和工艺参数：不同不同的复的复合材料合材料应选择应选择合适合适 的成形的成形方法和工艺参数方法和工艺参数（压力、固化温度）（压力、固化温度）12/21/202237.1.2 复合材料的复合原则复合材料的复合原则 为为获获得得最最佳佳的的强强度度、刚刚度度和和韧韧性性，纤纤维维增增强强复复合合材材料料的生产应遵循下述原则：的生产应遵循下述原则：1 1纤维的性能：纤维的性能：高强度和高刚度高强度和高

4、刚度。有时还要求纤维。有时还要求纤维 的密度小，耐热性好。应用较多的纤维有玻璃纤的密度小，耐热性好。应用较多的纤维有玻璃纤 维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等（2）对纤维应有一定的粘结性能对纤维应有一定的粘结性能，并能保护纤维表面不，并能保护纤维表面不 受损伤。受损伤。2 2基体的性能基体的性能（1）一定的塑性和韧性一定的塑性和韧性，以防纤维断裂时裂纹扩展。，以防纤维断裂时裂纹扩展。v 聚合物和金属能较好地满足上述要求聚合物和金属能较好地满足上述要求12/21/202243 3纤维与基体间纤维与基体间应有合适的结合强应有合适的结合强度度，以利于载荷由基以利于载荷由基体

5、向纤维传递，充分体向纤维传递，充分发挥纤维的增强作用发挥纤维的增强作用4 4纤维必须有合理的含量、尺寸和分布纤维必须有合理的含量、尺寸和分布(1)(1)含量含量：纤维的纤维的体积容量越大体积容量越大，增强效果越好。，增强效果越好。(2)(2)尺寸：尺寸：纤维的纤维的直径越小、越长直径越小、越长，增强效果越好。，增强效果越好。(3)3)分布分布：纤维的排列可采用不同方向纤维的排列可采用不同方向交叉层叠交叉层叠方式，方式，以达到多方向的增强效果。以达到多方向的增强效果。12/21/202251 1材料制备与制品成形同时完成材料制备与制品成形同时完成 形形状状复复杂杂的的大大型型制制品品能能一一次次

6、整整体体成成形形，工工艺艺简简单单、生生产产周周期期短短、成成本本低低。减减少少甚甚至至取取消消了了接接头头，应应力力集集中中小小、制制品品质量轻、刚度和耐疲劳性高。质量轻、刚度和耐疲劳性高。2 2材料性能的可设计性材料性能的可设计性 基体材料和增强材料及其合适的比例基体材料和增强材料及其合适的比例 合理的排列方向和层数合理的排列方向和层数 合适的合适的复合工艺和参数复合工艺和参数制品结构合理、安全可靠、经济性好制品结构合理、安全可靠、经济性好7.1.3 复合材料成形的工艺特点复合材料成形的工艺特点成形过程：成形过程：原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱原材料制取、生产准备、制品成形、固化

7、、脱模和修整、检验模和修整、检验7.2 7.2 复合材料成形方法复合材料成形方法12/21/202267.2.1 树脂基复合材料树脂基复合材料的成形方法的成形方法树脂基复合材料是以树脂基复合材料是以树脂为基体、纤维为增强体树脂为基体、纤维为增强体复合而成的。复合而成的。1 1手糊法手糊法 脱模剂脱模剂表面胶表面胶增强材料增强材料刷刷树脂树脂至所需层数至所需层数固化固化脱模脱模修整和检验修整和检验 特点：特点：设备简单，不受制品尺寸限设备简单，不受制品尺寸限制，劳动条件差，制品质量不稳定、制，劳动条件差，制品质量不稳定、强度较低。强度较低。适用于适用于大型制品的小批量、多品大型制品的小批量、多品

8、种种生产。生产。应用：应用：船体、浴盆、波纹瓦、汽车壳体、风机叶片船体、浴盆、波纹瓦、汽车壳体、风机叶片 最早、目前仍广泛应用最早、目前仍广泛应用1-1-模具模具 2-2-脱模剂脱模剂 3-3-胶层胶层 4-4-玻璃纤维玻璃纤维5-5-手动压辊手动压辊 6-6-树脂树脂 12/21/202272喷射法喷射法 将手糊法成形操作中的将手糊法成形操作中的糊制工序糊制工序改由改由喷枪喷枪完成，将完成，将纤纤维和树脂液同时喷到模具维和树脂液同时喷到模具上，再经上，再经压实、固化压实、固化得到制品。得到制品。通常喷射速率为通常喷射速率为210kg/min。优点优点：喷射法成形为半：喷射法成形为半机械化操作

9、，生产率高；机械化操作，生产率高；制品的飞边少，无搭缝；制品的飞边少，无搭缝；整体性好。整体性好。缺点缺点：树脂含量高；制：树脂含量高；制品强度低；且操作现场粉品强度低；且操作现场粉尘大；工作环境差。尘大；工作环境差。11模具模具 2 2、55喷嘴喷嘴 33纤维纤维44切割器切割器 66手动压辊手动压辊 77制品制品 12/21/202283 3袋压法袋压法 将手糊法成形的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）将手糊法成形的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到放到模具模具内，并在制品上内，并在制品上覆盖橡胶袋覆盖橡胶袋或或塑料袋塑料袋，将，将气体压力气体压力施加到尚未固化的制品表面施加到尚未

10、固化的制品表面使其成形的工艺方法。使其成形的工艺方法。制品两面都比较平滑，质量好；成形周期短、适应制品两面都比较平滑，质量好；成形周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸受设备的限制。尺寸受设备的限制。(1)(1)真空袋压法真空袋压法11真空泵真空泵 2 2、88坯件坯件 33柔性膜柔性膜 4 4、55模具模具 66压力袋压力袋 77空气压缩机空气压缩机(2)(2)压力袋压法压力袋压法 12/21/202294 4缠绕法缠绕法 将将连续纤维或布带浸渍树脂连续纤维或布带浸渍树脂后，按照一定规律后，按照一定规律缠绕到芯缠绕到芯

11、模模上，通过上，通过固化、脱模固化、脱模而得到制品的方法。而得到制品的方法。用于：用于：缠绕圆柱体、球体等回转体制品，缠绕圆柱体、球体等回转体制品，如如压力罐、筒压力罐、筒、贮罐和火箭发动机壳体贮罐和火箭发动机壳体 特点：特点：制品比强度大、制品比强度大、精度高、质量好且易实精度高、质量好且易实现自动化生产。但制品现自动化生产。但制品轴向难以增强，设备投轴向难以增强，设备投资较大资较大。1-1-芯模芯模 2-2-树脂树脂 3-3-辊轮辊轮 4-4-纤维纤维12/21/2022105 5模压法模压法 将已将已干燥的浸胶纤维或织物干燥的浸胶纤维或织物等等放入金属模具放入金属模具内，通过内，通过加加

12、热、加压热、加压使使树脂塑化和熔融流动树脂塑化和熔融流动成形，经成形，经固化固化获得制品。获得制品。7.2.2 金属基复合材料的成形方法金属基复合材料的成形方法 以以金属为基体金属为基体，用，用纤维、颗粒等作为增强体纤维、颗粒等作为增强体特点：特点：模压法制品尺寸精确、表面光滑、力学性能高。模压法制品尺寸精确、表面光滑、力学性能高。应用应用：模压法工艺简便、应用广泛，常用于制造：模压法工艺简便、应用广泛，常用于制造船体船体、罩壳罩壳 和汽车车身等和汽车车身等制品。制品。12/21/2022111 1等离子喷涂法等离子喷涂法 在在惰性气体惰性气体保护下，由保护下，由等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔

13、融金属等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属，待其冷却凝固后形成复合材料的方法。待其冷却凝固后形成复合材料的方法。特点特点：界面结合紧密，成形过程中纤维界面结合紧密，成形过程中纤维不受损伤，但基体组织不够致密。不受损伤，但基体组织不够致密。2 2液态渗透法液态渗透法 以以金属液渗入增强体制金属液渗入增强体制成复成复合材料的方法，可以通过多种合材料的方法，可以通过多种铸造方法来实现铸造方法来实现 用于用于制造长、短纤维增强以制造长、短纤维增强以及混杂增强及混杂增强的金属基复合材料，的金属基复合材料，并并能制造形状复杂能制造形状复杂的制品。的制品。设备比较复杂，周期较长，设备比较复杂，周期较长，制造

14、大尺寸制品困难。制造大尺寸制品困难。真空压力铸造法原理真空压力铸造法原理1加热元件加热元件 2铸模铸模 3纤维预制件纤维预制件 4冷却块冷却块 5熔融金属熔融金属12/21/2022123 3热压扩散结合法热压扩散结合法 高高温温下下，对对排排布布好好的的纤纤维维和和金金属属基基体体施施加加静静压压力力，使使纤维和金属纤维和金属产生产生原子扩散和少量塑性变形原子扩散和少量塑性变形以完成粘接以完成粘接 加热温度低、纤维不易损伤，金属对纤维的润湿性和加热温度低、纤维不易损伤，金属对纤维的润湿性和纤维的取向性好，但生产周期长。纤维的取向性好，但生产周期长。是钛基、镍基等熔点较高的金属是钛基、镍基等熔

15、点较高的金属最主要的复合方法最主要的复合方法 用于用于制造板材、型材及形状复杂的壁板、叶片等。制造板材、型材及形状复杂的壁板、叶片等。a a）纤维与金属箔复合）纤维与金属箔复合 b b）有金属镀层的纤维复合）有金属镀层的纤维复合1 1、33纤维纤维 22金属箔金属箔 44金属镀层金属镀层 12/21/2022137.2.3 陶瓷基复合材料的成形方法陶瓷基复合材料的成形方法 陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料是是以以陶陶瓷瓷为为基基体体，采采用用纤纤维维、颗颗粒粒等等作作为增强体为增强体经复合而成的。经复合而成的。1 1粉浆浸渗法粉浆浸渗法 将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥将纤维增强体

16、编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。后进行烧结。不损伤增强体，无需模具且工艺简单，但制品的密度和不损伤增强体，无需模具且工艺简单，但制品的密度和力学性能不够高。力学性能不够高。2 2热压烧结法热压烧结法 将纤维或织物增强体用陶瓷浆料浸渍后组成一定结构将纤维或织物增强体用陶瓷浆料浸渍后组成一定结构的坯体，经干燥后在高温、高压下烧结成制品。的坯体，经干燥后在高温、高压下烧结成制品。制品的密度和力学性能均较高。制品的密度和力学性能均较高。12/21/2022143 3反应烧结法反应烧结法 使已与使已与增强材料混合的熔融金属增强材料混合的熔融金属直接直接氧化或氮化氧化或氮化制制成复合材料。

17、反应产物最初在金属与气相界面形成，成复合材料。反应产物最初在金属与气相界面形成，然后不断向金属内部扩展，直至形成相互贯通的呈三然后不断向金属内部扩展，直至形成相互贯通的呈三维网络的维网络的陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。成本较低、工艺简单；制品收缩很小、形状和尺成本较低、工艺简单；制品收缩很小、形状和尺寸不限；常温性能好。但制品的高温强度不高。寸不限；常温性能好。但制品的高温强度不高。12/21/2022157.3 7.3 复合材料制品的结构工艺性复合材料制品的结构工艺性 1 1纤维的分布应满足承载要求纤维的分布应满足承载要求 采用采用短切纤维短切纤维或或采用连续长纤维在几个方向上交叉铺采用连续

18、长纤维在几个方向上交叉铺设设，以使制品近似，以使制品近似获得各向同性获得各向同性。为提高板、壳面内的抗剪能力，通常为提高板、壳面内的抗剪能力，通常纤维的纵向纤维的纵向应应与板、壳的框、肋成与板、壳的框、肋成4545角。角。2 2构件弯折处应采用圆角过渡构件弯折处应采用圆角过渡 避避免免弯弯折折处处应应力力集集中中和和弯弯折折处处树树脂脂聚聚积积或或缺缺胶胶使使 强度降低现象强度降低现象3 3尽量采用整体结构尽量采用整体结构 利于简化制品结构、减少连接件数量和简化生产工艺，利于简化制品结构、减少连接件数量和简化生产工艺，有利于减轻制品质量、降低成本和提高制品的使用性能。有利于减轻制品质量、降低成

19、本和提高制品的使用性能。4 4采用刚性较好的结构采用刚性较好的结构 提高构件的承载能力和尺寸稳定性提高构件的承载能力和尺寸稳定性。12/21/2022167.4 复合材料制备与成形技术的发展趋势复合材料制备与成形技术的发展趋势 7.4.1 复合材料的智能化生产技术复合材料的智能化生产技术 在在同同一一过过程程中中进进行行材材料料设设计计和和制制造造出出零零部部件件或或器器件件。对对材材料料的的组组织织性性能能和和制制品品的的形形状状尺尺寸寸等等进进行行实实时时控控制制，大大大大提提高高了了制制品品质质量量的的可可靠靠性性和和稳稳定定性性，缩缩短短了了生生产产或或研研制制周期周期 7.4.2 创

20、新与继承相结合创新与继承相结合 继继承承和和吸吸取取金金属属材材料料和和高高分分子子材材料料成成形形技技术术的的精精华华，并加以发展。并加以发展。复合材料各种成形技术之间相互结合复合材料各种成形技术之间相互结合 7.4.3 新技术的开发与应用新技术的开发与应用12/21/202217本章小结本章小结复合材料由复合材料由基体材料基体材料和和增强材料增强材料组成。组成。金属基复合材料金属基复合材料以以金属为基体金属为基体，采用，采用纤维、颗粒等作为增强纤维、颗粒等作为增强体经体经 复合而成的。复合而成的。金属基复合材料成形方法金属基复合材料成形方法：等离子喷涂法、液态渗透法、热压扩：等离子喷涂法、

21、液态渗透法、热压扩 散结合法散结合法树脂基复合材料树脂基复合材料是以是以树脂为基体树脂为基体、纤维为增强体纤维为增强体复合而成的。复合而成的。树脂基复合材料成形方法：树脂基复合材料成形方法：手糊法、喷射法、袋压法、缠绕手糊法、喷射法、袋压法、缠绕 法、模压法法、模压法复合材料成形的工艺特点：复合材料成形的工艺特点：材料制备与制品成形同时完成、材料性能的可设计性材料制备与制品成形同时完成、材料性能的可设计性影响复合材料性能的因素：影响复合材料性能的因素：基体材料性能、增强体特征、基体材料性能、增强体特征、组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数原材料到形成制品一般都要经过：原材料到形成制品一般都要经过：原材料制取、生产准备、制原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱模和修整、检验品成形、固化、脱模和修整、检验等阶段。等阶段。