材料制备与加工

1.什么是复合材料？简述复合材料的特点与应用。

复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

特点： 1、复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。2、复合材料的力学性能可以设计，即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能完全不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。3、复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。4、复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。 5、复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。6、复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。

应用：复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。

由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X 光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

2.复合材料的加工方法与特点及加工方法的选择原则。

加工方法：复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。

后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

特点：激光束加工的特点是切缝小、速度快、能大量节省原材料和可以加工形状复杂的工件。高压水切割的特点是切口质量高、结构完整性好、速度快，特别适宜金属基复合材料的切割。电火花加工的优点是切口质量高、不会产生微裂纹，唯一不足是工具磨损太快。超声波加工的特点是加工精度高，适宜在硬而脆的材料上打孔和开槽。电子束加工属微量切削加工，其特点是加工精度极高，没有热影响区，适宜在大多数复合材料上打孔、切割和开槽，它的不足是会产生裂纹和界面脱粘开裂。电化学加工的优点是不会损伤工件，适宜于大多数具有均匀导电性复合材料(前提是不吸湿)的开槽、钻孔、切削和复杂孔腔的加工。

选择原则：采用有足够间隙的超锋利切削刃，在获得光洁的切削效果的同时将刀具与工件间的摩擦降到最低。

3.什么是复合材料RTM成型及RTM成型？RTM成型对树脂的要求，常用的树脂的特点？

树脂传递模塑法简称RTM法，是通过较低的成型压力将一定配比的树脂基体输送到预放了增强材料的闭合模中，在闭合模中浸渍增强材料而获得复合材料制品的方法。

RTM对高性能基体树脂工艺性的要求主要包括:室温或工作温度下具有低的粘度(一般应小于10Pas)及一定的贮存期;树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性、粘附性;树脂在固化温度下具有良好的反应性,且后处理温度不应过高；固化树脂具有良好的力学性能和耐热性能。

环氧树脂：密度小、比醋酸纤维轻20%-30%，着色性、尺寸稳定性好，收缩性差，耐热性极佳，可加热到200℃。硬度强、光泽性好，强度大。

不饱和聚酯：(1)工艺性能优良；(2)耐化学腐蚀性；(3)耐热性；(4)优良的电性能；

(5)力学性能好。

聚酰亚胺的特点：(1)具有最高的热稳定性和耐热性；(2)具有优越的综合性能；(3)相对于其他芳杂环高分子，比较容易合成；(4)已经合成了几千个品种，有十多个品种已经产业化；(5)有很广泛的应用面。

酚醛树脂：(1)粘结强度；(2)高残碳率；(3)低烟低毒；(4)抗化学性；(5)需要热处理。

4.什么是复合材料缠绕成型及缠绕的应用？缠绕成型对树脂的要求，常用的树脂的特点？

缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。缠绕成型工艺用树脂体系应满足如下要求：对纤维有良好的浸润性和粘结力；固化后有较强的强度和与纤维相适应的延伸率；较低的起始粘度和较好的贮存稳定性；较低的固化收缩率和低毒性，来源广泛且价格低廉。常用数值有不饱和聚酯和环氧树脂。

不饱和聚酯：(1)工艺性能优良；(2)耐化学腐蚀性；(3)耐热性；(4)优良的电性能；(5)力学性能好。

环氧树脂：密度小、比醋酸纤维轻20%-30%，着色性、尺寸稳定性好，收缩性差，耐热性极佳，可加热到200℃。硬度强、光泽性好，强度大。