复合材料的成型工艺知识讲解课件.ppt

《复合材料的成型工艺知识讲解课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料的成型工艺知识讲解课件.ppt（34页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第九章 复合材料的成型工艺 复复合合材材料料(Composite(Composite Material)Material)是是指指将将两两种种以以上上的的不不同同材材料料，用用物物理理或或化化学学的的方方法法复复合合而而成成的的一一种种新新材料材料。第九章第九章 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺第一节 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

2、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布，对对材材料料进进行行优优化化设设计计。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

3、(resin matrix matrix composites-composites-RMC)RMC)、金金 属属 基基 复复 合合 材材 料料(metallic(metallic matrix matrix composites 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)、水水泥泥基基复复合合材材料料和和碳碳/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

4、材材料料、连连续续纤纤维维复复合合材材料料、短短切切纤纤维维复复合合材材料料、碎碎片片增增强强复复合合材材料料和和骨骨架复合材料等架复合材料等。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述2.2.复合材料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

5、 Fiber)(2)(2)硼纤维硼纤维(Boron Filament)(Boron Filament)(3)(3)芳纶芳纶(Aramid Ring)(Aramid Ring)(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

6、(Thermoplastic Resin)(Thermoplastic Resin)3.3.夹夹 层层 结结 构构 材材 料料(Sandwich(Sandwich Structure Structure Material)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而轻的芯结构构成厚而轻的芯结构构成。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 Rein

7、forcement)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相相互互的的物物理理、化化学学、力学等作用的复杂组合过程。力学等作用的复杂组合过程。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述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合原则。复合原则。(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如下特点：备如下特点：1 1）对对纤纤

8、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维粘粘为为一个整体，保证纤维的合理分布。一个整体，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纹的扩展。裂纹的扩展。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损伤、不产生裂纹面损伤、不产生裂纹。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述(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很高的强度和刚度。有很高的强度和刚度。(3)(3

9、)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须须具具有有适适当当的的含含量量、直直径径和分布。和分布。(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

10、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；固化不足；有孔隙、气泡；材质污染等。固化不足；有孔隙、气泡；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；温度变化较大；机加工产生内应力；碰撞等。温度变化较大；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基复

11、合材料的方法。属基复合材料的方法。(2)(2)液液态态法法 液液态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金属基复合材料的方法。造金属基复合材料的方法。(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、复合镀法等复合镀法等。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

12、是是一一种种在在较较长长时时间间、较较高高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温下下互互扩扩散散而而黏黏结结在在一一起起的的工工艺方法。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、晶晶须须、短短纤纤维维增增强强金金属属基基复复合合材材料进一步加工成板材。料进一步加工成板材。3.3.粉末冶金法粉末冶金

13、法(Powder Metallurgy 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统固态工艺法。传统固态工艺法。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呈熔熔融融状状态态时时与与增增强强材材料料浸浸润润结结合合，然然后后凝凝固固成成型。型。（1 1）挤压

14、铸造法）挤压铸造法(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中制造复合材料的方法。件中制造复合材料的方法。(2)(2)真真 空空 压压 力力 浸浸 渍渍 法法(Vacuum(Vacuum Pressure Pressure Infiltration)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属基复合材料的方法。金属基

15、复合材料的方法。(3)(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合材料制品的方法复合材料制品的方法 。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 2.2.井喷沉积法井喷沉积法(Spray Co-Deposition)(Spray Co-Depos

16、ition)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一一起起并并沉沉积积在在衬衬底底上，凝固形成金属基复合材料的方法。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增强金属基复合材料的示意图。粒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)成形工艺成形工艺三、其他方法三

17、、其他方法 通通过过运运用用化化学学、物物理理等等基基本本原原理理而而发发展展的的一一些些金金属属基基复复合合材材料料制制造造方方法法，如如原原位位自自生生成成法法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。物理气相沉积法和化学气相沉积法等。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三节 树脂基复合材料(RMC)成型工艺 一、一、手糊成型工艺手糊成型工艺(hand laying-up)(hand laying-up)所所谓谓手手糊糊成成型型工工艺艺，是是指指用用手手工工或或在在机机械械辅辅助助下下将将增增强强材材料料和和热热固固性性树树脂脂铺铺覆覆在在模模具具上上，树树脂脂

18、固固化化形形成复合材料的一种成型方法，如成复合材料的一种成型方法，如图图9 96 6所示。所示。二、喷射成型工艺二、喷射成型工艺(Spray Moulding)(Spray Moulding)喷喷射射成成型型工工艺艺是是利利用用喷喷枪枪将将短短纤纤维维及及树树脂脂同同时时喷喷到到模模具具上上，压压实实固固化化成成制制件件的的工工艺艺方方法法，如如图图9 97 7所所示。示。第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺三、袋压成形工艺三、袋压成形工艺(Bag Moulding)(Bag Moulding)袋袋压压成成型型工工艺艺是是在在手手糊糊成成型型的的制制品品上上，装

19、装上上橡橡胶胶袋袋或或聚聚乙乙烯烯、聚聚乙乙烯烯醇醇袋袋，将将气气体体压压力力施施加加到到未未固固化化的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。四、层压成型工艺四、层压成型工艺(Lamination Process)(Lamination Process)层层压压成成型型工工艺艺，是是把把一一定定层层数数的的浸浸胶胶布布(纸纸)叠叠在在一一起起，送送入入多多层层液液压压机机，在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下压压制制成板材的工艺。成板材的工艺。第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺五、模压成型工艺五、模压成型工艺(Pre

20、ssure Molding)(Pressure Molding)模模压压成成型型工工艺艺是是指指将将模模压压料料置置于于金金属属对对模模中中，在在一一定定的的温温度度下下，加加压压固固化化为为复复合合材材料料制制品品的的一一种种成成型型工工艺艺，是是一一种种对对热热固固性性树树脂脂和和热热塑塑性性树树脂脂都都适适用用的的纤纤维维增增强强复复合材料的成型方法。合材料的成型方法。1 1短纤维料模压法短纤维料模压法 该该法法是是将将经经过过预预混混或或预预浸浸后后的的短短纤纤维维状状物物料料在在模模具具中成型为复合材料制品中成型为复合材料制品 。2 2毡料模压法毡料模压法 该该法法是是将将浸浸毡毡机

21、机组组制制备备的的连连续续玻玻璃璃纤纤维维预预浸浸毡毡剪剪裁裁成所需形状，在金属对模中压制成制品。成所需形状，在金属对模中压制成制品。3 3碎布料模压法碎布料模压法 该该法法是是将将浸浸渍渍过过树树脂脂的的玻玻璃璃布布或或其其他他织织物物的的下下脚脚料料剪成碎块，在模具中压制成型剪成碎块，在模具中压制成型 。第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺 4 4层压模压法层压模压法 该该法法是是介介于于层层压压与与模模压压之之间间的的一一种种工工艺艺，系系将将预预浸浸渍渍的的玻玻璃璃布布或或其其他他织织物物裁裁剪剪成成所所需需形形状状，在在金金属对模中层叠铺设压制成异型制

22、品。属对模中层叠铺设压制成异型制品。5 5缠绕模压法缠绕模压法 该该法法是是结结合合缠缠绕绕成成型型与与模模压压成成型型的的一一种种工工艺艺，系系将将预预浸浸渍渍的的玻玻璃璃纤纤维维或或布布带带缠缠绕绕在在模模型型上上，再再在在金属对模中加热加压成型制品金属对模中加热加压成型制品 。6 6织物模压法织物模压法 该该法法是是将将预预先先织织成成所所需需形形状状的的二二维维或或三三维维织织物物浸渍树脂后，在金属对模中压制成型。浸渍树脂后，在金属对模中压制成型。第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺7.7.定向铺设模压法定向铺设模压法 该该法法是是按按制制品品的的受受力

23、力状状态态进进行行定定向向铺铺设设，然然后后将将定定向铺设的坯料放在金属对模内成型。向铺设的坯料放在金属对模内成型。8 8预成型坯模压法预成型坯模压法 先先将将玻玻璃璃纤纤维维用用吸吸附附法法制制成成与与制制品品形形状状相相似似的的预预成成型型坯坯，再再把把它它放放人人金金属属模模具具内内，预预成成型型坯坯上上倒倒入入配配制好的树脂，在一定的温度压力下压制成型。制好的树脂，在一定的温度压力下压制成型。9 9片状模塑料模压法片状模塑料模压法 片片状状模模塑塑料料是是用用不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂作作为为黏黏结结剂剂充充分分浸渍短切纤维或毡片，经增稠而得。浸渍短切纤维或毡片，经增稠而得。第三节第

24、三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺六、缠绕成型工艺六、缠绕成型工艺(Winding Process)(Winding Process)将将连连续续纤纤维维或或带带浸浸渍渍树树脂脂胶胶液液后后的的纤纤维维，按按照照一一定定的的规规律律缠缠绕绕到到芯芯模模上上，然然后后在在加加热热或或常常温温下下固固化化，制制成成一定形状制品的工艺称为缠绕成型工艺。一定形状制品的工艺称为缠绕成型工艺。1.1.干法干法 干干法法缠缠绕绕采采用用预预浸浸渍渍带带，即即在在缠缠绕绕前前预预先先将将玻玻璃璃纤纤维维制制成成预预浸浸渍渍带带，然然后后卷卷在在卷卷盘盘上上待待用用。使使用用时时将将浸

25、浸渍渍带加热软化后绕制在芯模上。带加热软化后绕制在芯模上。2.2.湿法湿法 缠缠绕绕成成型型时时玻玻璃璃纤纤维维经经集集束束后后进进入入树树脂脂胶胶槽槽浸浸胶胶，在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成型。在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成型。3.3.半干法半干法 第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺七、拉挤成型工艺七、拉挤成型工艺(Pultrusion Process)(Pultrusion Process)拉拉挤挤成成型型工工艺艺是是将将浸浸渍渍了了树树脂脂胶胶液液的的连连续续纤纤维维，通通过过成成型型模模具具，在在模模腔腔内内加加热热固固化化成成型型

26、，在在牵牵引引机机拉拉力力作作用用下下，连连续续拉拉拔拔出出型型材材制制品品。如如图图9-9-是是拉拉挤挤成成型工艺示意图。型工艺示意图。第三节第三节 树脂基复合材料树脂基复合材料(RMC)成型工艺成型工艺第四节 陶瓷基复合材料成型工艺一、模压成型一、模压成型(Dry-Pressing(Dry-Pressing)模模压压成成型型又又称称干干压压成成型型,是是将将粉粉料料装装入入钢钢模模内内，通通过过冲冲头头对对粉粉末末单单向向或或双双向向压压力力，压压制制成成具具有有一一定定形形状状和和尺尺寸寸压坯的成型方法。压坯的成型方法。二、等静压成型二、等静压成型(Isostatic Forming)(

27、Isostatic Forming)等等静静压压成成型型是是利利用用液液体体或或橡橡胶胶等等在在各各个个方方向向传传递递压压力相等的原理对坯体进行压制的。力相等的原理对坯体进行压制的。三、注浆成型三、注浆成型(Slip Casting)(Slip Casting)注注浆浆成成型型首首先先将将陶陶瓷瓷颗颗粒粒悬悬浮浮于于液液体体中中，然然后后注注入入多多孔孔质质模模具具，由由模模具具的的气气孔孔把把料料浆浆中中的的液液体体吸吸出出，而而在在模模具具内内留留下下坯坯体体，经经脱脱模模、干干燥燥后后获获得得具具有有一一定定形形状状和和强强度度的的坯体坯体。第四节第四节 陶瓷基复合材料成型工艺陶瓷基复

28、合材料成型工艺四、热压成型四、热压成型(Hot Injection Molding)(Hot Injection Molding)热热压压成成型型时时，先先将将粉粉料料与与蜡蜡或或有有机机高高分分子子粘粘结结剂剂混混合合、加加热热，利利用用蜡蜡类类材材料料热热熔熔冷冷固固的的特特点点，把把粉粉料料与与熔熔化化的的蜡蜡料料等等粘粘合合剂剂迅迅速速搅搅合合成成具具有有流流动动性性的的料料浆浆，然然后后将将混混合合料料加加压压注注入入模模具具，冷冷却却凝凝固固后后成成型型，即即可可得得致致密密的、较硬实的坯体。的、较硬实的坯体。五、注射成型五、注射成型(Injection Molding)(Inje

29、ction Molding)注注射射成成型型是是从从塑塑料料的的注注射射成成型型工工艺艺借借鉴鉴来来的的，它它将将粉粉料料与与热热塑塑性性树树脂脂等等有有机机物物混混合合后后，加加热热混混炼炼，制制成成粒粒状状粉粉料料，用用注注射射成成型型机机在在一一定定的的压压力力和和温温度度下下注注射射入入金金属属模模具具中中，迅迅速速冷冷却却后后，脱脱模模取取出出坯坯体体，经经脱脱脂脂后后就就可可按常规工艺烧结。按常规工艺烧结。第四节第四节 陶瓷基复合材料成型工艺陶瓷基复合材料成型工艺六、直接氧化法（六、直接氧化法（LanxideLanxide法）法）将将熔熔融融金金属属直直接接与与氧氧化化剂剂发发生生

30、氧氧化化反反应应制制备备陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的方方法法，称称为为直直接接氧氧化化法法，商商业业上上称称为为anxideanxide工艺。工艺。七七、化化学学气气相相渗渗透透工工艺艺(Chemical(Chemical Vapor Vapor Infil-trationInfil-tration，CVI)CVI)将将化化学学气气相相沉沉积积技技术术运运用用在在将将大大量量陶陶瓷瓷材材料料渗渗透透进进增增强强材材料料预预制制坯坯件件的的方方法法称称为为化化学学气气相相渗渗透透工工艺艺，如如图图9-99-9所示。所示。第四节第四节 陶瓷基复合材料成型工艺陶瓷基复合材料成型工艺本章学习指南本

31、章学习指南 1.1.重重点点内内容容：金金属属基基复复合合材材料料、树树脂脂基基复复合合材材料料和和陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的成成型型工工艺艺。应应掌掌握握金金属属基基复复合合材材料料、树树脂脂基基复复合合材材料料和和陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料成成型型工工艺艺常常用用方方法法的的概概念念、特特点点及及其其应应用用，了了解解它它们们的的一一般般工工艺艺过过程程以以及及在在实实际际生生产产中中存在的问题。存在的问题。2.2.难难点点内内容容：金金属属基基复复合合材材料料、树树脂脂基基复复合合材材料料和和陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的成成型型方方法法较较多多，其其概概念念、应应用用的的场场

32、合合及及优优缺缺点等容易混淆，因此，学习中应明确概念，抓住重点。点等容易混淆，因此，学习中应明确概念，抓住重点。3.3.本本章章与与其其他他章章节节的的联联系系：复复合合材材料料与与金金属属材材料料、无无机机非非金金属属材材料料和和有有机机高高分分子子材材料料等等密密不不可可分分，它它的的成成型型工工艺艺是是在在传传统统材材料料的的成成型型工工艺艺（例例如如液液态态成成形形、半半固固态态成成形形、固固态态塑塑性性变变形形、连连接接（粘粘接接）成成形形及及粉粉末末冶冶金金成成形形等等）的的基础上发展起来的。基础上发展起来的。本章学习指南本章学习指南第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表第九章第九章 图表图表