复合材料的制备方法与工艺(11).pptx
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▪ 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 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 工艺；全质量概念及热塑性工艺。
预成形体的制造技术 （1）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 织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材 料。
主要的固相工艺
➢粉末冶金 ➢薄膜的扩散键合 ➢利用陶瓷-金属（陶瓷）间的反
应 ➢由有机聚合物的合成
Βιβλιοθήκη Baidu
主要的气相工艺
➢PVD(物理气相沉积) ➢CVD (化学气相沉积) ➢CVI (化学气相渗透)
聚合物基 金属基 陶瓷基 复合材料 复合材料 复合材料
液相工艺 固相工艺
➢液体状树脂的含 浸 ➢预浸料坯成形 ➢(玻璃钢)片状模 塑料 ➢热塑性塑料的注 射成形
➢热塑性塑料的热 压成形
➢压力熔浸与无压 熔浸 ➢搅拌铸造 ➢喷射沉积成形 ➢定向凝固共晶 ➢热喷射
➢定向氧化 ➢定向凝固共晶 ➢利用有机聚合物 的合成
➢粉末冶金（热压、 ➢粉体烧结 机械合金化、SPS） ➢反应成形 ➢合金箔扩散键合 ➢拉拔等机加工成 形
气相工艺
➢PVD（物理气相 沉积）
➢CVD（化学气相 沉积） ➢CVI（化学气相 渗透）
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
▪ 纤维增强金属层板（FRML）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。
▪ 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 变FRML的性能
▪ 主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高FRML 的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温 性。
（5） 针织
▪ 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。
塑料基复合材料的制备成形
4.2 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 和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60 年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4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 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。
▪ 美国的NASA。 ▪ 复合材料机翼，28m长的蒙皮复合材料预成形体。 ▪ 缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度3000针/
分。
▪ 相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降 低20%。
（2） 穿刺
▪ 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， 从而获得三维增强复合材料结构。
4. 复合材料的制备方法与工艺 概述
▪ 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 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 成。
4. 复合材料的制造方法
主要的液相工艺
➢压挤铸造与压挤渗透 ➢喷雾沉积 ➢热喷射 ➢浆体铸造 ➢定向凝固共晶 ➢金属的定向氧化
▪ 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。
（6） 经编
▪ 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。
▪ 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，
▪ 不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。 ▪ 两个优点： ▪ 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。
（2） 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 树脂浸渍技术。其成形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， 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 模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂 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。
▪ 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
不受限制。
（3） 三维机织
▪ 是一种高级纺织复合材料。 ▪ 纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、
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。
（4） 编织
▪ 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 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 的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
（3） 纤维缠绕
▪ 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 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 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 筒形件的低成本快速制造方法。
（4） 拉挤
▪ FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤 维
▪ 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
广泛的应用前景。
复合材料零件成形及制造技术
（1） 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 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 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 热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸 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 体有发展潜力的制造技术。
预成形体的制造技术 （1）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 织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材 料。
主要的固相工艺
➢粉末冶金 ➢薄膜的扩散键合 ➢利用陶瓷-金属（陶瓷）间的反
应 ➢由有机聚合物的合成
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主要的气相工艺
➢PVD(物理气相沉积) ➢CVD (化学气相沉积) ➢CVI (化学气相渗透)
聚合物基 金属基 陶瓷基 复合材料 复合材料 复合材料
液相工艺 固相工艺
➢液体状树脂的含 浸 ➢预浸料坯成形 ➢(玻璃钢)片状模 塑料 ➢热塑性塑料的注 射成形
➢热塑性塑料的热 压成形
➢压力熔浸与无压 熔浸 ➢搅拌铸造 ➢喷射沉积成形 ➢定向凝固共晶 ➢热喷射
➢定向氧化 ➢定向凝固共晶 ➢利用有机聚合物 的合成
➢粉末冶金（热压、 ➢粉体烧结 机械合金化、SPS） ➢反应成形 ➢合金箔扩散键合 ➢拉拔等机加工成 形
气相工艺
➢PVD（物理气相 沉积）
➢CVD（化学气相 沉积） ➢CVI（化学气相 渗透）
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
▪ 纤维增强金属层板（FRML）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。
▪ 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 变FRML的性能
▪ 主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高FRML 的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温 性。
（5） 针织
▪ 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。
塑料基复合材料的制备成形
4.2 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 和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60 年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4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 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。
▪ 美国的NASA。 ▪ 复合材料机翼，28m长的蒙皮复合材料预成形体。 ▪ 缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度3000针/
分。
▪ 相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降 低20%。
（2） 穿刺
▪ 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， 从而获得三维增强复合材料结构。
4. 复合材料的制备方法与工艺 概述
▪ 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 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 成。
4. 复合材料的制造方法
主要的液相工艺
➢压挤铸造与压挤渗透 ➢喷雾沉积 ➢热喷射 ➢浆体铸造 ➢定向凝固共晶 ➢金属的定向氧化
▪ 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。
（6） 经编
▪ 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。
▪ 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，
▪ 不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。 ▪ 两个优点： ▪ 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。
（2） 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 树脂浸渍技术。其成形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， 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 模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂 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。
▪ 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
不受限制。
（3） 三维机织
▪ 是一种高级纺织复合材料。 ▪ 纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、
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。
（4） 编织
▪ 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 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 的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
（3） 纤维缠绕
▪ 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 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 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 筒形件的低成本快速制造方法。
（4） 拉挤
▪ FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤 维
▪ 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
广泛的应用前景。
复合材料零件成形及制造技术
（1） 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 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 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 热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸 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 体有发展潜力的制造技术。