复合材料概论

复合材料概论第一章概论复材制造技术的特点复合材料是树脂基和增强体纤维按一定比例复合而成的特点：（1）材料和产品形状的生成是同步完成的（2）产品制造质量的影响因素错综复杂（3）对产品制造缺陷进行修复的空间窄小，复合材料内部纤维如在修复过程中被切断，在尺寸超出容差范围情况下可以通过机械加工将产品尺寸修复到要求范围，但是加工后的组分（纤维连续性，纤维/树脂相对比例），一般会相差甚远；热固性树脂一旦固化，降低粘度以重视流动性的可能就不复存在（4）存在特殊制造过程数字化和自动化问题（5）提供实现高度整体化产品的可能性复材制造技术的类型所采用的增强纤维是连续纤维还是短切纤维预浸料中的纤维通过所浸树脂的粘性而黏附于预浸料载体之上，后续铺叠操作中，纤维不易发生滑移和弯曲。

预浸料所制的产品内部纤维方向的准确性和一致性可以得到有效控制。

由于预浸料具有各向异性的力学性能，广泛使用于高性能结构设计的产品当中。

RTM RTI VARI 树脂转移成型工艺第二章预浸料的制造方法预浸料的概述定义：增强纤维经过浸渍树脂后形成的片状、带状或束状材料，预浸料固化后形成复合材料。

（1）热压罐成型工艺为主要固化成型工艺方法。

（2）真空压力成形：将预浸料叠层用真空袋封装后，通过抽真空加压，在要求的温度下固化成型。

优点：成本比热压罐成型低。

（3）模压成形：将预浸料叠层放入闭合模具中，再将模具置于压机上，并在要求的温度和压力下固化成形。

优点：制件尺寸精度高，表面光洁。

发展趋势：1、提高预浸料的韧性；2、大力发展真空袋成形；3、自动铺丝、自动铺带代表的自动化制造技术预浸料。

增强体纤维：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。

热固性树脂：1、酚醛树脂：耐热、耐燃，自灭，电绝缘性能好，化学稳定性好，优异的阻燃性能。

2、环氧树脂：种类多和牌号多，性能各异。

3、双马来酰亚胺树脂：150-220℃长期使用。

4、聚酰亚胺树脂：耐高温耐磨。

5、氰酸酯树脂：优良高温力学性能，不同的结构会有不同的性能，常温下呈固态或者半固态，也有某些品种为液体。

热塑性树脂：具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。

凡具有热塑性树脂其分子结构都属线型。

它包括含全部聚合树脂和部分缩合树脂。

预浸料制备工艺方法：1、热固性树脂预浸料制备工艺连续浸渍法是一种连续制备预浸料的方法，生产效率高，适用于大批量生产预浸料。

基本过程是：丝束从纱架上分丝后，进入装有胶液的浸渍槽，经压实，最后收卷。

2、溶液法预浸料制备工艺溶液法制备预浸料存在制备工序繁杂、制备效率低、树脂含量控制难度大等缺点。

另外,溶液法制备预浸料时,在树脂中加入了大量溶剂,容易造成环境污染,给工作带来危害。

3、热熔法预浸料制备工艺热熔法制备的预浸料分含量低，复合材料中空隙的来源主要是预浸料铺层时裹入的空气和预浸料中树脂从环境中吸收的水分。

这些夹杂空气和水分在温度升高时会发生膨胀和汽化，产生气泡并最终形成空隙。

热压罐外压，树脂和纤维承受树脂压力。

树脂压力抑制气泡的形成。

树脂压要大于临界树脂压力，与温度有关。

4、胶膜法两步法是先将熔融后的树脂均匀涂覆在离型纸上制成树脂模，然后树脂模和纤维以“三明治”结构复合，树脂在热压辊作用下熔融浸渍纤维形成预浸料。

胶黏剂（环氧胶黏剂，双马胶黏剂）作用：1、将结构元素组合为一体；2 、提高结构元素界面的性能，强度和韧性。

填充材料：1、整体结构中填充材料的位置；2、一般整体结构R区的填充材料多为单向带预浸料；3、高韧性填充材料。

第三章铺层固化预浸料铺层时指用连续排列的平行纤维或编织布浸渍树脂基体制成的层片，在复合材料中通常以单向预浸带或预浸布的形式提供。

1、铺层组：多个具有相同特性的铺层构成的连续铺层。

2、坐标方向与铺层方向：定义方向坐标系来实现的，“45”“0”“90”“-45” 4个方向。

3、铺层顺序：铺层在层合板中的铺叠排列顺序，层合板铺层结构的具体体现。

4、铺层递减：针对给定的使用要求，选择，铺层比，确定铺层顺序和铺层递减等细节的层合板设计过程。

固化成型抽真空：通过抽真空产生负压，对产品均匀加压，同时去除铺层间气体，使产品更加密实、力学性能更好。

产品尺寸较大，通常每铺2-3层进行预压实一次，时间3-5分钟。

热压罐加压原理：利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料毛坯件进行加热、加压以完成固化成形的方法。

压力容器投资大。

工艺流程：模具准备--预浸料裁切--预浸料铺层--预压实---抽真空打袋---固化成型---脱模----后处理----无损检测(孔隙率)---称重----终检---包装每一层要用橡胶板或刮板将预浸料展开刮平，尽量出去层间的空气，必要时可用电吹风辅助铺层。

1、固化压力：根据不同树脂基体材料选择合理的固化压力能有效地控制纤维体积含量和降低孔隙率。

2、固化温度和保温时间：对基体来说固化成都提高意味着交联密度的增加，玻璃化转变温度提高，层间强度和耐热性提高。

3、升温/降温速率：应该根据所用材料的特性、制件厚度和尺寸大小来综合考虑升温速率。

4、真空度：有利于材料内部气泡的排出。

固化前真空袋进行真空度检查是非常重要的环节。

工艺质量控制：1、原材料质量控制2、设备及模具控制3、操作人员控制4、工艺控制5、环境6、缺陷产生及控制方法1）内部质量缺陷： a.非等厚层板缺陷分析;b.曲率之间缺陷分析。

2）固化变形缺陷：a.热变形; b.树脂固化收缩;c.温度梯度和树脂固化度;d.压力分布于树脂流动;e.模具与制件的相互作用。

固化缺陷：由固化变形导致的尺寸变化，包括翘曲和回弹，从过程诱导力和变形产生机理可分为热应力，固化收缩应力，温度梯度与固化度，压力分布和树脂流动，模具与制件的相互作用等。

褶皱：纤维层没有贴平滑，出现粘黏形成褶皱的现象。

架桥：纤维层之间或者纤维与模具之间不贴实出现空隙的现象。

翘曲：固化之后的制件由于应力不均匀等出现的不与模具型面相符的翘曲现象。

第四章成型模具的结构设计和制造成型模具的材质：1.普通钢：制造简单，组合精度差。

2.殷钢：膨胀系数小，强度硬度不高，导热系数低，塑性韧性高。

3.铝合金：热膨胀系数大，不适用于对型面尺寸要求较高零件的成形模具材料硬度较低，成型模具在使用过程中以备，使用寿命较短4.复合材料：比强度，比模量高，热膨胀系数小，可设计性好，易于整体成型。

5.碳泡沫：低密度，高热导率。

6.热膨胀橡胶设计原则：模具的结构设计与制造：方形大开口形式一般用于型面曲率较小的模具，优点是通风效果好，重量最轻；斜筋开口和十字筋开口主要用于对刚度要求较大或需要局部加强的区域。

成型工艺适用性：主要看成型工艺与所设计的模具是否合适，以及操作难度的问题。

系统评价特征主要指反映结构固化质量的描述属性，包括：纤维体积含量、厚度分布、孔隙率、温度分布、固化变形、固化度、固化度分布和残余应力。

优点和局限性优点：1．预浸料是树脂在严格控制的条件下浸渍增强材料，树脂含量可以精确控制，制品、纤维体积分数可控。

2．预浸料的可设计性，可根据产品强度和刚度要求进行设计，充分发挥纤维的性能3．预浸料可以直接使用，劳动强度减少，工作条件改善性能稳定，可以保证产品重复生产，质量稳定4．进料浸渍完全，无气泡，可生产出优质表面产品。

5．孔隙率低，可以提高制品的品质和均衡性。

局限性：1．复杂结构可铺覆性的局限性2．复杂结构纤维取向的局限性3．厚度尺寸精确控制的局限性4．厚度方向增强的局限性第五章结构的整体化制造技术概述结构元件：梁、墙、桁、肋、框、蒙皮。

整体化结构的特殊接头、整体化制造技术的难点及对策、模具技术、整体化结构应用注意的一些问题。

第六章制造技术的自动化和数字化概述先进复合材料具有重量轻、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造等优点，可可有效减轻飞机结构重量、提高飞机的可靠性，复合材料在飞机上的用量日益增多、应用范围从次承力结构发展到承力结构，复合材料的用量的多少已经成为飞机先进性的重要技术指标之一。

自动铺带技术：平面铺带技术、曲面铺带技术。

自动铺带机：自动铺带机不仅要精确控制铺带头运动轨迹，而且要实现铺带头内部预浸带输送、铺放和切割等运动，并可对预浸带质量(宽度、夹杂、缺纱等)、预浸带进给、切割质量、成型温度、成型压力和铺带间隙等技术指标进行精确控制。

自动铺带材料：预浸料自动铺带编程系统：铺带规划、铺带编程、后置处理自动铺带工艺的实施：缠绕成型、自动铺放成型（铺带、铺丝）、拉挤、编织、缝合和RTM等。

自动铺丝工艺技术：压辊压力和预浸带加热温度及铺放速度。

自动铺放工艺过程中的监控技术、铺放工艺过程中的计算机模拟也是重要指标。

第七章复合材料产品的质量控制概述生命周期三个阶段：设计、制造、使用。

质量控制复合材料质量控制的困难：1．复合材料的制造缺陷的形成机理研究还不够透彻；2．复合材料产品的制造缺陷的影响因素机器影响规律研究还不够深入；3．复合材料产品检测手段凸显不足。

缺陷类型：1.可量化缺陷：气孔、分层、富脂、贫胶、夹杂。

2.不可量化缺陷：空隙。