第八章 复合材料的成型加工技术

2）模具设计与制造 a.分类 a.分类 单模、对模 整体式、拼装式 b.模具材料 b.模具材料 玻璃钢、木材、石膏玻璃钢、木材、石膏-砂、石蜡、金属等 3）原材料准备 a.胶液准备 a.胶液准备 胶液粘度 适宜 凝胶时间 指一定温度条件下，从粘流态失 去流动性变成软胶状态的凝胶所需的时间
图 19-2 手糊成型模具分类
图 19-3 各层接缝示意图
5）固化 a.不饱和聚酯树脂的固化及工艺 a.不饱和聚酯树脂的固化及工艺 引发剂：分解产生游离基 促进剂：使引发剂在较低温度下产生大量游 离基 固化过程：凝胶阶段、定型阶段（硬化阶 段）、熟化阶段（完全固化阶段） b.固化度控制 b.固化度控制 固化度表明热固性树脂固化反应程度，以百 分率表示； 巴柯硬度; 巴柯硬度; 通过调控树脂胶液中的固化剂含量和固化温 度来控制固化度
图 19-1 手糊成型工艺流程
6）脱模、修整与装配 *工艺流程 （2）特点 可生产尺寸大、批量小、形状复杂件 设备简单、投资少 工艺简单 易满足产品设计要求，可在一些部位增补增 强材料 生产率低，环境差，不易控制产品质量
2.模压工艺 2.模压工艺 将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混 合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使 其熔化，并在压力下充满模腔，形成与模腔 相同形状制品，再经加热使树脂进一步发生 交联反应固化，或冷却使热塑性树脂硬化， 脱模得复合材料制品 （1）模压料 片状模压料（SMC） 片状模压料（SMC） 团状模塑料（DMC） 团状模塑料（DMC） 散状模塑料（BMC） 散状模塑料（BMC）
5. 爆炸焊接法 （二）液态法 1.压铸、离心铸造、熔模铸造 1.压铸、离心铸造、熔模铸造 （1）压铸： 高压下将液态金属基复合材料注射入铸型凝 固后成型 可制造表面质量高、尺寸精度高的CM铸件 可制造表面质量高、尺寸精度高的CM铸件 适于大批量生产 主要用于汽车、摩托车等零件
（2）离心铸造 利用铸型旋转产生的离心力使溶液中密度 不同的增强体和基体合金分离至内层或外 层形成复合铸件的工艺方法 适于管状、环状零件 （3）熔模铸造 2.真空压力浸渍法 2.真空压力浸渍法 （1）原理与过程 真空和高压惰性气体 增强材料预制件
图 19-19 典型底部压入式真空 压力浸渍炉结构
主要工艺参数： 预制件预热温度T 预制件预热温度TP TP↑，浸渍↑，界面反应↑ ，浸渍↑，界面反应↑ 金属熔体温度T 金属熔体温度Tm Tm ↑，浸渍↑，界面反应↑ ，浸渍↑，界面反应↑ 浸渍压力 压力↑，浸渍↑，增强材料偏聚↑ 压力↑，浸渍↑，增强材料偏聚↑ 冷却速度 （2）特点及应用 适用面广 可直接制成CM零件 可直接制成CM零件 无气孔、缩孔等，组织致密，性能好 简单易控，但设备复杂
9.层压成型工艺 9.层压成型工艺 （1）原材料 基体：热固性树脂、有机硅树脂 增强材料：玻璃布、纸、棉布 （2）工艺过程 连续片状增强材料、树脂（表面处理或干 燥）→浸渍→烘干→剪裁→ 叠块→ 燥）→浸渍→烘干→剪裁→ 叠块→层压 →脱模 →修整 （3）特点及应用
三、金属基复合材料的成型加工 1.对制造技术的要求 1.对制造技术的要求 2.制造上的难点及解决途径 2.制造上的难点及解决途径 （1）难点 制造温度高，界面反应控制困难 金属基体与增强材料间的浸润性差 将增强材料按设计要求的含量、方向均布于 基体中
图 19-9缠绕工艺流程图纤维能保持连续完整, 纤维能保持连续完整,按预定要求排列的规整 度和精度高; 度和精度高; 可实现等强度设计; 可实现等强度设计; 比强度、比模量高; 比强度、比模量高; 质量较稳定，生产效率较高； 设备投资大 适于制作承受一定内压的中空型容器，如固 体火箭发动机壳体、压力容器、大型贮罐、 管道等，还可制造异型截面型材和变截面型 材
3.RTM工艺 3.RTM工艺 树脂传递模塑 （1）工艺过程 将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备 分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀， 注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内， 经固化、脱模后加工成制品。 （2）特点
图 19-7 几种工艺的关系
主要设备投资少； 生产的制品两面光滑、尺寸稳定； 允许制品带有加强筋结、镶嵌件和附着物， 可将制品制成泡沫夹层结构，设计灵活； 制造模具时间短； 对树脂和填料的适用性广泛； 生产周期短，劳动强度低，原料损耗少； 产品后加工少； 闭模成型，环境污染小。
（2）特点及应用 质量好 连续纤维增强金属基复合材料最具代表性一 种常用的固相复合工艺 3.热等静压法 3.热等静压法 热压一种，惰性气体加压 （1）工艺过程
图 19-15
热等静压工作原理和设备
(2)特点及应用 (2)特点及应用 产品组织均匀致密，无缩孔、气孔，形状、 尺寸精确 适宜多种复合材料管、筒、柱及形状复杂零 件的制造，特别适宜Ti、金属间化合物、超 件的制造，特别适宜Ti、金属间化合物、超 合金基复合材料 4.热轧法、热挤压法、热拉法 4.热轧法、热挤压法、热拉法 （1）热轧法 颗粒、晶须、短纤维增强复合材料：粉末冶 金或热压成坯，再热轧成形 连续纤维增强金属基复合材料：预制片热轧 成板
6.拉挤成型工艺 6.拉挤成型工艺 （1）工艺过程
图 19-10 卧式拉挤成型过程原理图
树脂要求粘度低，适用期长，以热固性树 脂为主 过程：纤维输送、纤维浸渍、成型与固化、 夹持与拉拔、切割 （2）特点及应用
生产效率高，便于实现自动化； 制品重增强材料的含量一般为40％～ 制品重增强材料的含量一般为40％～ 80％，能充分发挥增强材料作用，产 80％，能充分发挥增强材料作用，产 品质量稳定； 不需要或仅需要进行少量加工； 制品的纵向和横向强度可任意调节； 树脂损耗少； 强度可根据需要切割。
b.增强材料准备 b.增强材料准备 表面处理 裁剪 简单件按模具型面展开图制成样板， 按样板裁剪；复杂件，分割成几部分，分别 制样板，再裁剪 注意布的经纬方向 c.胶衣糊准备 c.胶衣糊准备 用来制作表层胶衣层的 耐水性、自熄性、耐热性、柔韧耐磨性等
d.制品的厚度与层数计算 d.制品的厚度与层数计算 4）糊制 a.刷胶衣 a.刷胶衣 涂刷或喷涂 b.结构层的糊制 b.结构层的糊制 胶衣层全部凝胶后开始 c.铺层控制 c.铺层控制 纤维尽可能连续 拼接 对接 d.铺层的二次固化拼接 d.铺层的二次固化拼接
2）解决途径 加合金元素，提高浸润性 颗粒表面处理，提高浸润性，减少气孔 真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化、 吸气 有效的机械搅拌 （3）特点及应用 简单、价廉 适用于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的 主要方法
5.液态金属浸渍法（连铸法） 5.液态金属浸渍法（连铸法） 液态金属连续浸渍长纤维的复合材料预制件（带、 丝等） 6 .共喷沉积法 .共喷沉积法 （1）原理及过程 （2）特点及应用 颗粒增强复合材料 7.热喷涂法 7.热喷涂法 等离子喷涂、氧等离子喷涂、氧-乙炔焰喷涂
7.挤出成型 7.挤出成型 （1）工艺过程 热塑性树脂 粒状增强材料 过程： 加料、塑化、 成型、定型
图 19-11
挤出成型示意图
1． 转动机构； 2。止推轴承； 3。料斗；4。冷却系统； 5。加热器 ；6。 螺杆；7。机筒； 8。滤板； 9。 机头孔
（2）特点及应用
8.注射成型工艺 8.注射成型工艺 （1）工艺过程 粒状热塑性树脂（广）、热固性树脂 短纤维 步骤：加料、熔化、混合、注射、冷却硬化、 脱模 （2）特点及应用
图 19-13
粉末冶金法制造金属基复合材料的工艺流程图
(2)特点及应用 (2)特点及应用 金属基体必须制成金属粉末 制备非连续增强体金属基复合材料 增强体含量不受限制 2.热压法(热压扩散结合法) 2.热压法(热压扩散结合法) (1)工艺过程 (1)工艺过程 按制件形状、纤维体积密度及增强方向要求, 按制件形状、纤维体积密度及增强方向要求,将金 属基复合材料预制条带及基体金属箔或粉末布, 属基复合材料预制条带及基体金属箔或粉末布, 经裁剪、铺设、组装，在低于复合材料基体金 属熔点的温度下加压并保持一定时间，通过扩 散形成良好界面结合
（2）解决途径 增强材料表面处理 增强材料表面涂覆，以形成阻挡层或牺牲层， 降低界面反应，提高浸润性 加入合金元素 表面活性物质，富集于界面，提高浸润性，形 成扩散阻挡层 或优先与增强材料发生化学反应，提高浸润性， 形成扩散阻挡层 优化工艺参数和工艺方法
3.制造方法分类 3.制造方法分类 （1）固态法 （2）液态法 （3）其他制造法 （一）固态法 1.粉末冶金法 1.粉末冶金法 （1）工艺过程
a.装模 a.装模 使物料流程最短 对狭小流道及“死角”处，需预先铺设料 据制品使用受力情况，排列取向纤维，充分 发挥纤维的增强作用 物料铺设尽量均匀以改善制品的均匀性 尽可能使物料中纤维沿其流动方向取向
b.压制 b.压制 压力制度、温度制度、固化时间 温度制度：装模温度、升温速度、最 高温度、恒温、降温及后固化温度等 压力制度：成型压力、加压时间、放 气等 固化时间
（3）按基体材料 聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 （4）按材料作用 结构复合材料 功能复合材料 3.特点 3.特点 协同效应 性能可设计性 可制成所需任意形状产品，避免多次加工工序
二、聚合物基复合材料的成型加工技术 成型固化工艺： 成型：将预浸料根据产品要求，铺置成一定 形状，一般就是产品形状 固化：使已铺置成一定形状的叠层预浸料， 在温度、时间和压力等因素影响下，使形状 固定下来，并能达到预计性能 1.手糊工艺 1.手糊工艺 （1）工艺过程 1）原材料选择
第八章 复合材料的成型加工技术
一、复合材料简介 1.复合材料 两种或两种以上物理和化学性 1.复合材料 质不同的物质组合而成的一种多相固体 材料 组分材料相对独立 性能具有协同效应 组成：基体、增强材料 2.分类 2.分类 （1）按增强材料形态 连续纤维复合材料 短纤维复合材料
粒状填料复合材料 编织复合材料 （2）按增强纤维种类 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料 金属纤维复合材料 陶瓷纤维复合材料
4.喷射成型 4.喷射成型 （1）工艺过程
图 19-8 喷射成型工艺流程
（2）特点 利用粗纱带玻璃布，降低了材料费用 生产效率比手糊法高2~4倍 生产效率比手糊法高2~4倍 无搭缝，制品整体性好 减少了飞边、裁屑和胶液剩余损耗 树脂含量高、制品强度低、现场粉尘大
5.连续缠绕成型工艺 5.连续缠绕成型工艺 连续纤维或带经过树脂浸胶后，按一定规律缠绕 到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一 定形状制品 （1）工艺过程 （2）特点及应用
a.聚合物基体 a.聚合物基体 要求：能在室温下凝胶、固化，并在固化中 无低分子物产生 能配制成粘度适当的胶液 无毒或低毒 价格低 主要有: 主要有:不饱和聚酯树脂 环氧树脂 聚酰亚胺 聚马来酰亚胺
b.增强材料的选择 b.增强材料的选择 玻璃纤维及织物、碳纤维及织物、芳纶纤维等 c. 脱模剂 内脱模剂 外脱模剂：薄膜型：聚酯薄膜、聚乙烯醇 薄膜、玻璃纸 混合溶液型：聚乙烯醇溶液 蜡型：石蜡、硅酯、凡士林等
图 19-4 片状模塑料制造过程示意图
图 19-5 模压成型工艺流程
（2）模压工艺流程 1）压制前准备 a.模压料预热和预成型 a.模压料预热和预成型
加热：改善模压料的工艺性能；缩短固化时间，降 低成型压力 预成型
b. 装料量的计算 c. 脱模剂的选用 内外结合 2）压制 粘流、凝胶、硬固三阶段
3.挤压铸造法 3.挤压铸造法 （1）工艺过程 通过压机将液态金属压入增强材料的预制件中 压力比真空压力浸渍法高得多 工艺参数 （2）特点及应用 增强材料不需表面处理 熔体与增强材料在高温下接触时间短，不会 发生严重界面反应 成本低 主要用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须 增强铝、镁基复合材料
4.液态金属搅拌法 4.液态金属搅拌法 （1）工艺过程 将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定 方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中 并与之复合，然后浇注成锭坯、零件等 （2）存在的困难及解决途径 1）困难： 粒径小，增强效果显著，但浸润性下降，颗 粒不易进入和均匀分散在金属熔体中 强烈搅拌易造成金属的氧化、吸气