树脂基复合材料成形工艺

二、液态法
• 井喷沉淀法（spray co-deposition） 井喷沉淀法（ ）
– 金属熔化 液态金属雾化 颗粒加入、混合 金属熔化→液态金属雾化 颗粒加入、混合→ 液态金属雾化→颗粒加入 沉积→凝固 沉积 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， 晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀； 晶粒细，组织均匀；增强颗粒分布均匀；复合 材料气孔率大→ 挤压处理→ 致密材料。 材料气孔率大 挤压处理 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， 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。
– 基体起粘接作用
• • • 基体对纤维的润湿性好； 基体对纤维的润湿性好； 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；
– 热塑性树脂（thermoplastic resin） 热塑性树脂（ ）
• 施工快，周期短，可重复使用，易修补、耐蚀、抗冲击； 施工快，周期短，可重复使用，易修补、耐蚀、抗冲击； • 聚醚醚酮（PEEK） 聚醚醚酮（ ）
• 夹层结构材料（sandwich structure material） ）
• 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；但设备复杂， 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 结构示意图
•液态金属浸润法 液态金属浸润法
一、固态法
• 扩散粘结法
– 热压法 • 铺层→放入模具或缸套内 加热、加压→ 铺层 放入模具或缸套内→加热、加压 放入模具或缸套内 加热 冷却、 冷却、取出 – 热等静压法 • 预制坯 放入包套 抽真空 高压容器 预制坯→放入包套 抽真空→高压容器 放入包套→抽真空 高压容器→ 注入高压惰气、加热→均匀高压 均匀高压→扩散粘 注入高压惰气、加热 均匀高压 扩散粘 结
– 纤维增强复合材料：纤维承载。 纤维增强复合材料：纤维承载。
• • • • • 纤维裂纹少； 纤维裂纹少； 纤维承载能力大； 纤维承载能力大； 纤维断裂，基体阻碍裂纹扩展； 纤维断裂，基体阻碍裂纹扩展； 纤维拔出； 纤维拔出； 多为延性破坏。 多为延性破坏。
三、复合材料的增强机制和复合原则
• 复合原则
–液态金属搅拌铸造法（stir-casting method 液态金属搅拌铸造法（ 液态金属搅拌铸造法 of liquid metal） ） •增强相颗粒 加入金属熔体 搅拌均匀 增强相颗粒→加入金属熔体 搅拌均匀→ 增强相颗粒 加入金属熔体→搅拌均匀 浇铸成形 •团聚；氧化 团聚； 团聚 •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， 工艺简单 种基体和颗粒。 种基体和颗粒。
第九章
• 本章内容： 本章内容：
复合材料的成形工艺
– 金属基复合材料的成形工艺 – 树脂基复合材料的成形工艺 – 陶瓷基复合材料的成形工艺
• 本章重点： 本章重点：
– 树脂基复合材料成形工艺
§9-1 复合材料简介
一、复合材料基本概念
复合材料（ ）：由两种或两 复合材料（composite material）：由两种或两 ）： 种以上物理化学性质不同的物质， 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： 结构复合材料：如玻璃钢 功能复合材料： 功能复合材料：如双金属片
二、复合材料使用的原材料
• 包括基体材料（matrix material）、增强材 包括基体材料（ ）、增强材 基体材料 ）、 ）、夹层结构材料 料（reinforced material）、夹层结构材料 ）、 等。 • 增强材料
– 碳纤维（carbon fiber）：足够的σb、E、δ 碳纤维（ ）：足够的 、 ）：足够的 – 硼纤维（boron fiber）： σb、E高 硼纤维（ ）： 高 – 芳纶纤维（aramid fiber） 芳纶纤维（ ） – 玻璃纤维（glass fiber）： σb高、E低 玻璃纤维（ ）： 低 – 碳化硅纤维（silicon fiber）： 碳化硅纤维（ ）： – 晶须（whisker）：陶瓷晶须 晶须（ ）：陶瓷晶须 ）：
2. 复合材料的特点
• 比强度和比刚度高； 比强度和比刚度高； • 抗疲劳性好； 抗疲劳性好；
如碳纤维/树脂基复合材料疲劳强度 如碳纤维 树脂基复合材料疲劳强度=70-80%σb 树脂基复合材料疲劳强度
• 高温性能好； 高温性能好；
增强纤维的熔点、 增强纤维的熔点、高温强度和弹性模量高
• 减振性好；自振频率 减振性好；自振频率∞(E/ρ)1/2 • 断裂安全性高； 断裂安全性高； • 可设计性好. 可设计性好
一、固态法
• 形变法（plastic forming） 形变法（ ）
– 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、 – 热轧法 • 坯料用不锈钢薄板包裹 加热、反复轧制 板 坯料用不锈钢薄板包裹→加热 反复轧制→板 加热、 材、带材 – 生产率高，材料利用率高，用于 生产率高，材料利用率高，用于C/Al、Al2O3/Al等 、 等 复合材料。 复合材料。
• 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，
– 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
• 失效（failure of composite）：疲劳破坏 失效（ ）：疲劳破坏 ）：
•粉末冶金法（powder metallurgy method） 粉末冶金法（ 粉末冶金法 ）
–制备成形颗粒增强金属基复合材料 制备成形颗粒增强金属基复合材料 制备成形
挤压成形
合金粉末
混合除气
热压成形
坯料
轧
制
制件
增强物 冷压成形 烧结
锻
造
二、液态法
• 液态金属浸润法
– 挤压铸造法（squeeze casting） 挤压铸造法（ ） • 预制件→放入模具中（预热） →浇铸熔融金属→加压 放入模具中（预热） 浇铸熔融金属
一、手糊成形（hand laying-up） 手糊成形（ ）
原材料准备，模具准备， 原材料准备，模具准备，涂脱模剂 喷涂胶衣， 喷涂胶衣，糊制成形 固化， 固化，脱模 修边，装配， 修边，装配，验收 操作简便，投资少，可设计性好， 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。 • • • • •
1. 复合材料的分类
• 按材料的作用分： 按材料的作用分： 结构复合材料和功能复合材料 • 按基体材料分： 按基体材料分： 树脂基复合材料（ 树脂基复合材料（resin matrix composites） ） 金属基复合材料（ 金属基复合材料（metallic matrix composites） ） 陶瓷基复合材料（ 陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites） ） 水泥基复合材料和碳/碳复合材料 水泥基复合材料和碳 碳复合材料 • 按增强材料的性质和形态分： 按增强材料的性质和形态分： 层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、 层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、 短切纤维复合材料、碎片增强复合材料、骨架复合 短切纤维复合材料、碎片增强复合材料、 材料等。 材料等。
– 提高构件弯曲刚度和充分利用材料强度。 提高构件弯曲刚度和充分利用材料强度。
三、复合材料的增强机制和复合原则
• 增强原理
– 颗粒增强复合材料：基体承载， 颗粒增强复合材料：基体承载，
• 颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动； 颗粒阻碍基体中位错运动或分子链运动； • 第二相强化，颗粒直径0.01-0.1µm 第二相强化，颗粒直径
9.2 金属基复合材料成形工艺
• 制备金属基复合材料（metal matrix composites, 制备金属基复合材料（ 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， 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 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， 强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、 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）、 ）、形变法 爆炸焊接法等。 爆炸焊接法等。 • 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。 渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。 渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。 • 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、 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。
二、复合材料使用的原材料
• 基体材料
– 热固性树脂（thermosetting resin） 热固性树脂（ ）
• 环氧树脂（epoxy resin）：固化工艺性好，但脆； 环氧树脂（ ）：固化工艺性好 ）：固化工艺性好，但脆； • 聚酰亚胺树脂（polyimide resin）：耐热性好，但成 ）：耐热性好 聚酰亚胺树脂（ ）：耐热性好， 形困难； 形困难； • 双马来酰亚胺树脂（bismaleimide resin）：耐热 双马来酰亚胺树脂（ ）：耐热 ）：
– 基体开裂、脱粘 损伤 分层，部分纤维拉断、 基体开裂、脱粘→损伤 分层，部分纤维拉断、 损伤→分层 拔出→整体破坏 拔出 整体破坏
• 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
– 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，碰撞，疲劳损伤等 内应力，碰撞，疲劳损伤等。
三、其他方法
• 原位自生成法
– 定向凝固法 – 反应自生成法
• 物理气相沉积法
– 升华 凝结法 升华-凝结法 – 分子束法 – 阴极溅射法
ຫໍສະໝຸດ Baidu• 化学气相沉积法
– 化学运输法 – 气体分解法 – 气体合成法
§9-3 树脂基复合材料成形工艺
• • • • • • • • 材料成形与构件成形同时完成 手糊成形 喷射成形 袋压成形 纤维缠绕成形 挤压成形 层压成形 注射成形
→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、 复合材料
– 真空压力浸渍法（vacuum pressure infiltration） 真空压力浸渍法（ ）
一、固态法
• 包括扩散粘结法、形变法和粉末冶金法 包括扩散粘结法 扩散粘结法、 • 扩散粘结法（diffusion bonding） 扩散粘结法（ ）
– 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 界面扩散、渗透 界面消失 粘结表面接触→界面扩散 渗透→界面消失 界面扩散、 – 影响因素：温度、压力、时间 影响因素：温度、压力、 – 优点：金属品种广，纤维取向、含量易控制 优点：金属品种广，纤维取向、 – 缺点：焊接时间长，温度、压力高，成本高， 缺点：焊接时间长，温度、压力高，成本高， 零件尺寸受限 – 应用：SiC/Al、B/Al等。 应用： 、 等