复合材料的制备方法与工艺.ppt

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1、4.复合材料的制备方法与工艺复合材料的制备方法与工艺 概述概述复合材料的重要领域之一。复合材料的重要领域之一。复合材料中至关重要、且为该领域的研究者复合材料中至关重要、且为该领域的研究者非常感兴趣的课题。非常感兴趣的课题。将最终制品的制造与复合材料的成形一起完将最终制品的制造与复合材料的成形一起完成。成。4.复合材料的制造方法复合材料的制造方法u主要的液相工艺主要的液相工艺压挤铸造与压挤渗透压挤铸造与压挤渗透喷雾沉积喷雾沉积热喷射热喷射浆体铸造浆体铸造定向凝固共晶定向凝固共晶金属的定向氧化金属的定向氧化主要的固相工艺主要的固相工艺粉末冶金粉末冶金薄膜的扩散键合薄膜的扩散键合利用陶瓷利用陶瓷-金

2、属（陶瓷）间的反金属（陶瓷）间的反应应由有机聚合物的合成由有机聚合物的合成主要的主要的气气相工艺相工艺PVD(物理气相沉积物理气相沉积)CVD(化学气相沉积化学气相沉积)CVI(化学气相渗透化学气相渗透)聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料液相工艺液相工艺液体状树脂的含液体状树脂的含液体状树脂的含液体状树脂的含浸浸浸浸预浸料坯成形预浸料坯成形预浸料坯成形预浸料坯成形(玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢)片状模片状模片状模片状模塑料塑料塑料塑料热塑性塑料的注热塑性塑料的注热塑性塑料的注热塑性塑料的注射成形射成形射成形射成形压力熔浸与无压压力熔浸与无压压力

3、熔浸与无压压力熔浸与无压熔浸熔浸熔浸熔浸搅拌铸造搅拌铸造搅拌铸造搅拌铸造喷射沉积成形喷射沉积成形喷射沉积成形喷射沉积成形定向凝固共晶定向凝固共晶定向凝固共晶定向凝固共晶热喷射热喷射热喷射热喷射定向氧化定向氧化定向氧化定向氧化定向凝固共晶定向凝固共晶定向凝固共晶定向凝固共晶利用有机聚合物利用有机聚合物利用有机聚合物利用有机聚合物的合成的合成的合成的合成固相工艺固相工艺热塑性塑料的热热塑性塑料的热热塑性塑料的热热塑性塑料的热压成形压成形压成形压成形粉末冶金（热压、粉末冶金（热压、粉末冶金（热压、粉末冶金（热压、机械合金化、机械合金化、机械合金化、机械合金化、SPSSPS）合金箔扩散键合合金箔扩散键

4、合合金箔扩散键合合金箔扩散键合拉拔等机加工成拉拔等机加工成拉拔等机加工成拉拔等机加工成形形形形粉体烧结粉体烧结粉体烧结粉体烧结反应成形反应成形反应成形反应成形气相工艺气相工艺PVDPVD（物理气相（物理气相（物理气相（物理气相沉积）沉积）沉积）沉积）CVDCVD（化学气相（化学气相（化学气相（化学气相沉积）沉积）沉积）沉积）CVICVI（化学气相（化学气相（化学气相（化学气相渗透）渗透）渗透）渗透）塑料基复合材料的制备成形塑料基复合材料的制备成形4.2 树脂基复合材料树脂基复合材料 先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性先进复合材料

5、具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪6060年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4 4大材料大材料大材料大材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料之一。

6、随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占有重要地位。有重要地位。有重要地位。有重要地位。航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起；高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周

7、高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术；先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化工艺；全质量概念及热塑性工艺。工艺；全质量概念及热

8、塑性工艺。工艺；全质量概念及热塑性工艺。工艺；全质量概念及热塑性工艺。预成形体的制造技术预成形体的制造技术（1）缝合技术缝合技术采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。料。料。料。美国的美国的美国的美国的NASANASA。复合材料机翼，复合材料机翼，复合材料机翼，复合材料机翼，28m28m长的蒙皮复

9、合材料预成形体。长的蒙皮复合材料预成形体。长的蒙皮复合材料预成形体。长的蒙皮复合材料预成形体。缝合超过缝合超过缝合超过缝合超过25mm25mm厚的碳纤维层，缝合速度厚的碳纤维层，缝合速度厚的碳纤维层，缝合速度厚的碳纤维层，缝合速度30003000针针针针/分。分。分。分。相对于同样的铝合金零件重量减少相对于同样的铝合金零件重量减少相对于同样的铝合金零件重量减少相对于同样的铝合金零件重量减少25%25%，成本降，成本降，成本降，成本降低低低低20%20%。（2）穿刺穿刺 利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，时插入二维的

10、碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。从而获得三维增强复合材料结构。改进了复合材料的断裂韧性。改进了复合材料的断裂韧性。比缝合技术更具发展潜力，节省成本，尺寸比缝合技术更具发展潜力，节省成本，尺寸不受限制。不受限制。（3）三维机织三维机织 是一种高级纺织复合材料。是一种高级纺织复合材料。纺织异型整体织物，如纺织异型整体织物，如T形、形、U形、工形、形、工形、十字形等型材和圆管等，还可以创造出许多十字形等型材和圆管等，还可以创造出许多新的复杂形状织物。新的复杂形状织物。（4）编织编织 编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向

11、互相交织形成整体结构上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。（5）针织针织 针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大力

12、较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产前国外已生产了先进的工业针织机，能够快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方复杂的近无余量结构，而且材料浪

13、费少。用这种方复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于法制造的预成形体可以加入定向纤维有选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的某些部位增强结构的机械性能。另外，这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复针织结构在受到外力时很容易变形，因此适于在复合材料上成形孔

14、，比钻孔具有很大优势。但是它较合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较合材料上成形孔，比钻孔具有很大优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛应用。低的机械性能也影响了它的广泛应用。低的机械性能也影响了它的广泛应用。低的机械性能也影响了它的广泛应用。（6）经编经编 采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制造的多轴多层经向针织织物。造的多轴多层经向针织织物。造的多轴多层经向针织织物。造的多轴多层经向针织织物。由于不

15、弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。两个优点：两个优点：两个优点：两个优点：成本低；有潜力超过传统的二维预浸带层压板成本低

16、；有潜力超过传统的二维预浸带层压板成本低；有潜力超过传统的二维预浸带层压板成本低；有潜力超过传统的二维预浸带层压板预计未来将在飞机制造中广泛应用。预计未来将在飞机制造中广泛应用。预计未来将在飞机制造中广泛应用。预计未来将在飞机制造中广泛应用。（7）层板及蜂窝结构制造技术层板及蜂窝结构制造技术 纤维增强金属层板（纤维增强金属层板（纤维增强金属层板（纤维增强金属层板（FRMLFRML）是由金属薄板和纤维）是由金属薄板和纤维）是由金属薄板和纤维）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。树脂预浸料交

17、替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变变变变FRMLFRML的性能的性能的性能的性能主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高FRMLFRML的

18、比刚度，使用钛合金可大大可提高的比刚度，使用钛合金可大大可提高的比刚度，使用钛合金可大大可提高的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRMLFRML的耐温的耐温的耐温的耐温性。性。性。性。FRMLFRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维维维维具有良好的比强度和比刚度具有良好的比强度和比刚度具有良好的比强度和比刚度具有良好的比强度和比刚度在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当在未来的大型军

19、用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。广泛的应用前景。广泛的应用前景。广泛的应用前景。复合材料零件成形及制造技术复合材料零件成形及制造技术（1）树脂转移模塑成形技术树脂转移模塑成形技术 在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排合模腔，模具具有周边密封和紧

20、固以及注射及排合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预

21、浸料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机体有发展潜力的制造技术。体有发展潜力的制造技术。体有发展潜力的制造技术。体有发展潜力的制造技术。（2）树脂浸渍技术树脂浸渍技术 一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术。其成形过程是将树脂制备成树脂浸渍技术。其成形

22、过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部，树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部，其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。由下向上抽吸。目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。（3）纤维缠绕纤维缠绕 该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各管路及油箱。纤维束通过一个树脂池

23、后以各种方向和速度缠绕到芯轴上，方向和速度由种方向和速度缠绕到芯轴上，方向和速度由纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。筒形件的低成本快速制造方法。（4）拉挤拉挤 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通

24、过挤压模具成型、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分发挥高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分发挥高；纤维含量高

25、，浸胶在张力下进行，能充分发挥高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量求；较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质

26、量稳定，重复性好，长度可任意切断。稳定，重复性好，长度可任意切断。稳定，重复性好，长度可任意切断。稳定，重复性好，长度可任意切断。（5）自动铺放技术自动铺放技术 该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经在速度和准确度上有很大增长，而且计算机在速度和准确度上有很大增长，而且计算机技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所增长。增长。（6）丝束铺放技术丝束铺放技术 丝束铺放丝束铺放(Tow Placement)相对较新，并在近相对较新，并在近年格外受到关

27、注。它兼顾了自动铺叠与纤维年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。而且有极大减少生产成本纤维角度不限制。而且有极大减少生产成本的潜力。未来的开发包括最佳化控制系统、的潜力。未来的开发包括最佳化控制系统、铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高质量产品。质量产品。纤维含浸于低黏度的树脂纤维含浸于低黏度的树脂 成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏

28、度的树脂，可以有多种含浸方法。可以有多种含浸方法。可以有多种含浸方法。可以有多种含浸方法。将纤维配置在研磨的模具上，进行锟压含浸或喷涂将纤维配置在研磨的模具上，进行锟压含浸或喷涂将纤维配置在研磨的模具上，进行锟压含浸或喷涂将纤维配置在研磨的模具上，进行锟压含浸或喷涂)含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在常温下进行。常温下进行。常温下进行。常温下进行。近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方近来开展

29、了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为50m50m船体船体船体船体的制造，在造船界也得到了广泛的应用。的制造，在造船界也得到了广泛的应用。的制造，在造船界也得到了广泛的应用。的制造，在造船界也得到了广泛的应用。长纤维的编织长纤维的编织(树脂基复合材料的压挤渗透用树脂基复合材料的压挤渗透用)汽车储气罐门型纤维编织成形机门型纤维编织成形机碳纤维强化网球拍的成形装置碳纤维强化网球拍的成形装置Beech Starship飞机飞机翅膀的成型中使用翅膀的成型中使用的的autoclave(高压高压)成形成形