第四章+复合材料的焊接(2)--作业

3、树脂基复合材料的焊接性
• 树脂基复合材料能否熔化连接取决于树脂基体的类型。
2.1 热固性树脂基复合材料的焊接性 热固性树脂不能进行焊接
→热固性树脂基复合材料无焊接性而言
↓ 机械连接、胶接 2.2 热塑性树脂基复合材料的焊接性 热塑性树脂可焊→热塑性树脂复合材料可焊
⑴ 焊接温度
非晶态：粘态流动温度Tf之上，热分解温度Td之下
• 当连接压力降低0.690MPa时，接头的抗剪强度极低，为0-2.6MPa， 全部断在结合处，因此这是一种弱的结合，而且在接头中存在更
多孔洞。
• 可见，连接压力对接头抗剪强度的影响非常显著，会直接影响连 接质量。
1、碳／碳复合材料的分类
定义:碳碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维为增强材料, 以碳化或石墨化的树脂或用化学蒸气沉积的碳作为基体材
物理性能
• 热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为金属材 料的1/5～1/10； • 导热系数高：室温时约为0.38～0.45 cal/cm·s·℃（铁： 0.13），当温度为1650℃时，降为0.103 cal/cm·s·℃。
• 比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能， 室温比能约为0.3 kcal/kg·℃（铁：0.11）,1930℃时为 0.5 kcal/kg·℃。 • 密度：<1.7～1.9。
减少。
化学稳定性
• C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上
都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。 • 耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定 性； • 氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为 400℃，高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成 型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。
尽管碳／碳复合材料的室温强度低于其他几种复合材料，但其使用 温度远远高于其他材料，见图5．1。
（1）C/C复合材料的性能
C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及
基体碳的微观结构等密切相关。 • 力学性能 • 热物理性能 • 烧蚀性能
• 化学稳定性
力学性能
C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量 以及纤维与基体界面结合程度有关； • 室温强度和模量 一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa 先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可达700MPa。 （通用钢材强度500～600MPa） • 高温力学性能：室温强度可以保持到2500℃，在1000℃以 上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。 • 对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样 严重的力学性能损失。
②7075-T6：Al-Zn-Mg-Cu合金，是宇航中的重要合金。
方法：内藏电阻加热焊
将加热元件放置在连接表面间，加热元件中直接通入电
流，通电后，电阻元件产生热量，依靠电阻热加热工件，连
接加压时不将加热元件取出，因此，连接结束后，加热元件
残留在接头中，成为接头的一个组成部分。所以必须要求植 入的加热元件与被连接的树脂基复合材料之间具有很好的相 容性。
• 湿法
– 湿法缠绕是将纤维束（或带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯 模上。 – 劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化；
• 半干法
– 纤维浸胶后，到缠绕机芯模途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中 的溶剂除掉。
缠绕工艺流程
缠绕机
五轴驱动卧式缠绕机
绕臂式缠绕机
适 用 于 干 法 缠 绕 中 小 型 短 粗 筒 形 容 器
模压料的组成
组成
• 合成树脂：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯 基树脂、呋喃树脂等； • 增强材料：GF开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续纤维束、 玻璃布、玻璃纤维毡等； • 辅助材料：固化剂、促进剂、稀释剂、表面处理剂（偶联 剂）、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂（颜料）和填料。
压制工艺流程
• 生产率高，节省原材料，制品整体性高，形状尺寸不限。
• 树脂含量高，制品强度低，工作环境差
• 不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器等大型部件。
（3）袋压成形工艺（bag moulding）
• 加压袋法 –手糊或注射成形未固化玻璃钢→橡胶袋→加压→加热 固化 • 真空袋法 –手糊或注射成形未固化玻璃钢→橡胶袋→抽真空→固 化 • 制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高； • 适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大 件制品。
0.013cm厚的PEEK膜
• 在连接功率为160kW/m2、连接压力为1.034MPa和连接时间为60s的
条件下，所得接头的抗剪强度最高为17.7-19.9MPa，断裂一部分
发生在结合处，另一部分发生在加热元件。 • 当加热时间缩短到50s时，接头抗剪强度降低6.2-8.9MPa，连接头
的微观分析发现有一些空洞。
半晶态：熔化温度Tm之上，热分解温度Td之下 ⑵ 焊接压力 增强相的存在会影响到加热熔化连接时的热过程、熔融树 脂的流动和流动的致密性→压力→促使界面紧密接触、高分 子链扩散、消除显微空洞 ⑶ 冷却速度 影响晶体的比例，较高的晶体比例会降低复合材料的韧性
4、热塑性树脂基复合材料的连接方法
大多数适合于连接热塑性塑料的焊接方法都能用于 连接热塑性树脂基复合材料。如： • 热气焊
• 纤维增强塑料（GFRP）用作输油管道
• 聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（GFRP）用作储油设备
• 碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片
• 芳纶纤维增强树脂用于刹车片
• 纤维增强热塑性塑料用于电路板
• 芳纶纤维增强塑料用于建筑材料
• 玻璃纤维增强树脂用于采光板
Hale Waihona Puke Baidu 2、树脂基复合材料成形工艺
（1）手糊成形（hand laying-up）
（4）层压成形工艺（lamination process）
• 层叠胶布→模板之间→加热、加压固化→冷却、脱模、修 整→层压板 • 制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高 • 只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。
（5）模压成形工艺（press moulding）
• 方法：将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，将加
（6）缠绕成形工艺（winding process）
• 树脂配制→纤维烘干→浸胶→胶纱烘干→缠绕→固化→检验、 加工→制品 • 制造回转体复合材料 • 干法：
– 采用经过预浸渍处理的预浸纱或带，在缠绕机上经过加热软化至粘 流态后缠绕到芯模上。 – 制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低。
第四章 复合材料的焊接
第二节 树脂、C-C基复合材料的焊接
1、树脂基复合材料——聚合物基复合材料
• 纤维增强热固性塑料 • 纤维增强热塑性塑料 优点：密度小，强度高，抗蚀、隔热，吸音，设计和成形自 由度大等 缺点：热稳定性差 应用：广泛应用于航天、航空、船舶、车辆制造、建筑工程、 电器设备、化工以及体育、医疗等领域。
• 原材料准备，模具准备，涂脱模剂
• 喷涂胶衣，糊制成形
• 固化，脱模 • 修边，装配，验收 • 操作简便，投资少，可设计性好，可生产大型、复杂件。 • 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。
（2）喷射成形工艺（spray moulding）
• 半机械化手糊法，与手糊成形工艺基本相同，但糊制→喷 枪机械作业
固结在两层PEEK/S2玻璃纤维 预浸料中的0.018mm厚的不锈钢
作为电阻加热元件
放在PEEK/C和7075-T6铝合金 的搭接接头连接界面间
两层PEEK/S2预浸料作为不锈
钢网的托架，并使网与Al合金之 间绝缘 加热元件的两端接到电阻焊设 备 在加热元件的两侧为了改善树
脂的润湿和结合，还需放置一层
• 碳纤维的增强形式有单向(1D)、双向(2D)及多向。单向增强 可以在一个方向上得到最高拉伸强度的碳/碳；双向织物提 高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制成大尺寸形状复杂的 部件，有广泛的应用基础。三向及多向编织具有更好的结构 完整性和各向同性。
碳纤维织物结构形式
2、碳／碳复合材料的性能及应用
滚转式缠绕机
由 于 滚 翻 机 构 不 宜 过 大 ， 只 适 用 于 缠 绕 小 型 制 品
轨道式缠绕机 —适用于生产大型制品
球形缠绕机
（7）拉挤成形工艺（pultrusion process）
• • • • 送纱→浸胶→预成形→固化成形→牵引→恒定截面型材 设备价低，生产率高，原料利用率高 制品方向性强，剪切强度低 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。
• 熔点：4100℃。 • 耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各 种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。
烧蚀性能
• 烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、 气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的 质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。 • C/C的升华温度高达3600℃，在这样的高温度下，通过表面 升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地
压力袋法示意图
真空袋压法示意图
袋压成型注意事项 ① 模具要有足够的强度：能承受成型过程中的热压作用和 外力冲击；
② 防止漏气：模具和橡胶袋使用前要仔细检查气密性，模
具材料和橡胶袋材料不被溶剂浸蚀； ③ 排气：真空压力很小，成型大尺寸制品时，胶袋表面真 空度不均匀，需用刮板加压排出气泡； ④ 加压排气应在树脂凝胶之前开始，加热固化应在排气和 凝胶之后进行。
• 热板焊
• 超声波焊 • 高频感应电焊 • 内藏电阻加热焊 • 红外焊
• 激光焊
5、树脂基复合材料与金属的连接
例如：碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料C/PEEK与铝合金 7075-T6的连接 材料分析： ①复合材料C/PEEK ： PEEK：聚醚醚酮的半结晶性热塑性树脂基，具有较强的耐热 性、优异的抗蠕变性和耐动态疲劳的热性，是高性能复合材 料的热塑性树脂基体。 长碳纤维增强的PEEK复合材料具有更高的强度和刚度，是用 于航空航天的高性能树脂基复合材料，如用于制造直升机的 尾翼等。
料的复合材料。
特点:比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲击、 化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍能保持很 高强度。适用于高温的最佳的最佳先进复合材料。
• 根据增强材料与基体材料的不同，碳／碳复合材料可分为三种：
碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳、石墨纤维增强石墨。
• 根据纤维的类型或编制方式，碳／碳复合材料可分为： 短纤维增强的碳／碳复合材料、单向连续纤维增强的碳／碳复合 材料、层合织物(碳布重叠或原丝制毡)增强的碳／碳复合材料及 三维立体编织物增强的碳／碳复合材料等多种。
碳/碳复合 材料
摩擦材料领域
根据先进的制造技术，制造出的优良的耐磨产品，可用作夹具， 刹车片，火车导电架的滑板等。
高机械性能领域
质量轻，耐热性好，热膨胀小，高强度，高弹性等优点于一身， 可满足产业界多种多样的需要。
3、C/C复合材料的成型技术
• C/C复合材料制备：液体浸渍分解法和气相沉积法
其他性能
• 生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的 优良替代材料；
• 安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的
数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是 1mim，而C/C是51mim。
（2）C/C复合材料的应用领域
耐热材料领域
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧 制垫板，以及高温炉内耐高温材料。可以提供成品率及生产效率
• 短纤维复合材料的成本低，容易加工，但强度不高； • 连续纤维复合材料仅在纤维方向具有较高的强度； • 层合织物可在纤维平面上提供高强度和良好的抗冲击性能，而在 垂直于纤维平面的方向上力学性能较差； • 三维织物增强的复合材料比其他几种形式的复合材料性能皆佳， 整体性强，层间剪切强度高，但制造成本亦高。
热、加压固化成型的方法。 • 生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价 低，自动化程度高，无需辅助加工； • 模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻璃钢制品。
• 短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压
法、缠绕模压法、织物模压法、定向铺设模压法、预成形 坯模压法、片状模塑料模压法等。