第四章 复合材料制备与加工技术

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《飞行器制造工艺与装备》
课程名称:《飞行器制造工艺与装备》
第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.1固态制备法 (粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法及拉拔法)
粉末冶金法
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.3 新型制备方法
主要包括: 原位自生成法 物理气相沉积法 化学气相沉积法 化学镀法 电镀法 复合镀法
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
2 金属基复合材料的性能与应用
2.1 金属基复合材料的性能 金属基复合材料与一般金属相比,具有耐高温、高比强度与高比刚度、线胀系 数小和耐磨损等特点,但其塑性和加工性能差,这是影响其应用的一个重要障碍。 金属基复合材料与树脂基复合材料相比,不仅剪切强度高、对缺口不敏感,物 理和化学性能更稳定,如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁 脉冲、抗阻尼,膨胀系数小、导电和导热性好。 金属基复合材料更适合于空间环境使用,是理想的航天器材料。在航天、航空、 先进武器系统、新型汽车等领域具有广阔的应用前景。
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
2 金属基复合材料的性能与应用
2.2 金属基复合材料的应用
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
2 金属基复合材料的性能与应用
2.2 金属基复合材料的应用
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
3 金属基复合材料的切削加工性能
3.1 切削加工机理和工件表面形态
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
3 金属基复合材料的切削加工性能
3.1 切削加工性能
车削加工 铣削加工 钻削加工 磨削加工 螺纹加工 特种加工
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第三节 聚合物基复合材料的制备与加工技术
第三节 聚合物基复合材料的制备与加工技术
1 聚合物基复合材料的类型和性能
聚合物基复合材料是以热固性或热塑固性有机聚合物为基体,短切的或连续 纤维及其织物为增相,经复合而成。 1.1 增强纤维的种类和性能
玻璃纤维
由玻璃球熔融拉丝而成,品种多,性能各异,其化学组成是纤维性能的决定 因素。主要品种有高硼低碱玻璃纤维和高强高模玻璃纤维。
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第四章 复合材料制备与加工技术
第四章 复合材料制备与加工技术
第一节 绪

第一节
1 复合材料概念与特点
1.1 复合材料的概念


广义上讲,复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的祖坟组合而成的材料。 广义上讲,复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的祖坟组合而成的材料。 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质,通过复合工艺制成 在现代材料学界,复合材料专指由两种或两种以上不同组态的组分所组成的材料。 在现代材料学界,复合材料专指由两种或两种以上不同组态的组分所组成的材料。 的多相新型固体材料。它不是不同组分材料的简单混合,而是在保留原组分材料优 复合材料定义:用经过选择的一定数量比的两种或两种以上的组分(或称组元), 复合材料定义:用经过选择的一定数量比的两种或两种以上的组分(或称组元), 点的情况下,通过材料设计使各组分材料的性能互相补充并彼此关联,从而获得新 通过多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。 通过多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。 的优越性能。 1.2 复合材料特点 可改善或克服组成材料的弱点,具有性能可设计性,充分发挥其优点,即 “扬长避短”。如,玻璃的韧性及树脂的强度都较低,但二者的复合物——玻 璃钢却有较高的强度和韧性,且质量很轻。 可按构件结构和受力的要求,给出预定的、分布合理的配套性能,进行材料 的最佳设计。如:用缠绕法制成的玻璃钢容器或火箭壳体,当玻璃纤维方向与 主应力方向一致时,可将该方向上的强度提高到树脂的20倍以上。 可获得单一组成材料不易具备的性能或功能,具有优异的物理化学性能。 性能可设计性、材料与构件制造的一致性、优异的物理化学性能(轻质高强、 性能可设计性、材料与构件制造的一致性、优异的物理化学性能(轻质高强、 耐化学腐蚀、抗疲劳性能好、减振性能好、减摩耐磨自润滑、绝缘导电导热、 耐化学腐蚀、抗疲劳性能好、减振性能好、减摩耐磨自润滑、绝缘导电导热、 耐热性好) 耐热性好)
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.2 液态制备法 主要包括:挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属搅拌铸造法、 液态金属浸渍法、共喷沉积法和热喷涂法
液态金属浸渍法 是用液态金属连续浸渍长纤维得到预制复合带或丝,也称连铸法
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第三节 聚合物基复合材料的制备与加工技术
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结构复合材料按不同基体分类
结构复合材料按不同增强体形态分类
第一节
1 复合材料概念与特点
1.4 复合材料常用的基体材料


金属基复合材料、无机非金属基复合材料和树脂基复合材料
《飞行器制造工艺与装备》
第一节
1 复合材料概念与特点
1.4 复合材料常用的基体材料


金属基复合材料、无机非金属基复合材料和树脂基复合材料
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第一节
2 复合材料应用与发展


2.2 航天工业的应用 纤维增强金属基复合材料应用于人造卫星仪器支架,L波段平面天线,望远镜 及扇形反射面,抛物天线肋,仪器舱支柱等航天领域。
应用部位 箭体结构 材料 高强轻质铝合金材料 高性能碳-环氧复合材料 碳-双马来酰亚胺复合材料 碳-聚酰亚胺复合材料 高强可焊铝锂合金材料 高性能碳-环氧复合材料 蜂窝夹层结构材料技术 大型整流罩成型新工艺技术 高性能环氧复合材料 高强轻质铝合金材料 碳-环氧复合材料 高性能轻质金属结构材料 技术要求 实现弹体结构轻质化,减轻结构质量
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.1固态制备法 (粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法及拉拔法)
热轧法、热挤压法和热拉法 热轧法主要用于金属基复合材料进一步轧制加工成板材。 热挤压和热拉法主要用于金属基复合材料毛坯制成各种形状的管材、 型材及棒材等。 爆炸焊接法
是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力,通 过使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处金属 局部扰动以及热过程使材料焊接而成复合材 料。爆炸焊接法可制造形状复杂的零件和大 尺寸的板材,必要时一次作业可得多块复合 板。
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.2 液态制备法 主要包括:挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属搅拌铸造法、 液态金属浸渍法、共喷沉积法和热喷涂法
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.1固态制备法 (粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法及拉拔法)
热压法和热等静压法 ——扩散粘结法(加压焊接、扩散焊接法) 热压法的基本原理:将增强纤维与金属基体制成复合材料预制片,然后 将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布,将叠层放入模具内, 进行加热加压,最终形成复合材料或零件。 热等静压法基本原理:在高压容器内设置惰性气体加压器,将金属基体 粉末与增强材料(纤维、晶须、颗粒)按一定比例混合后,装入热等静压 装置中加热,加压,复合成金属基复合材料
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第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.2 液态制备法 主要包括:挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属搅拌铸造法、 液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法
等离子体热喷涂法 是利用微波、灯丝、射频等 激励等离子体产生等离子弧的高 温将金属粉末溶化后喷射到衬底 基体上,冷却并沉积下来的一种 复合方法。具体过程实现将纤维 缠绕在包有金属箔的圆筒上,纤 维之间保持一定间隔,然后放在 喷涂室中喷涂,喷涂结束后剪开 取下,得到复合材料预制片,经 热压火热等静压等二次处理,最 终得到型材或零件。
推进剂贮箱 整流罩 仪器框架 地面设备
使液氢和液氧贮箱比用常规铝合金减轻结构质量 整流罩刚度的优先设计减少整流罩的弯曲变形 使设备小型化、轻质化,减轻结构重量 地面设备轻质化,减轻地面设备如发射筒等结构 质量
新一代 运载火 箭对新 材料和 工艺的 要求
2.3 汽车工业的应用 20世纪70年代中期,玻璃纤维增强复合材料GFRP代替了汽车镀锌后部天窗盖及 安全防污染控制装置,降低了汽车的自重。 2.4 纺织机械、化工设备、建筑和体育器材等方面得到了广泛应用 1979年日本已制成玻璃纤维GF,碳纤维CF混杂增强聚脂树脂复合材料75 m 长输 送槽,风力发电机的叶片和机匣。
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第一节
1 复合材料概念与特点


1.5 复合材料常用的增强相材料及其性能
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第一节
1 复合材料概念与特点
1.6 复合材料的系统组成


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第一节
2 复合材料应用


2.1 航空工业的应用 复合材料作为结构零件的应用始于20世纪60年代中期,主要从航空工业开始, 其应用可分为三个阶段。 应用于非受力或受力不大的零部件上,如飞机的口盖和地板等 应用于受力较大件,如飞机尾翼、机翼、发动机风扇叶片、尾段机身等 应用于受力大且复杂零部件上,如机翼与机身结合处、涡轮等
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影响复合材料界面效应的因素及其与复合材料性能的关系 增强材料:纤维、晶须、颗粒、片状 基体:聚合物、金属、陶瓷、碳等
第一节
1 复合材料概念与特点
1.3 复合材料的分类


按使用性能不同分类 结构复合材料和功能复合材料等。 按基体材料的类型分类 金属基复合材料、无机非金属基复合材料和树脂基复合材料。 按增强相形态分类 纤维增强复合材料、纤维织物、编织体增强复合材料、 片状材料增强复合材料、颗粒增强复合材料和纳米复合材料。 按增强相的类型分类 玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、有机纤维复合材料、 陶瓷纤维复合材料等。 其中: 纤维增强又可分为长纤维增强、短纤维增强和晶须增强复合材料等。 纤维增强复合材料又称为连续增强复合材料。 颗粒、短纤维或晶须增强又称非连续增强复合材料。
第二节 金属基复合材料的制备与加工技术
1 金属基复合材料的制备工艺技术
1.2 液态制备法 主要包括:挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属搅拌铸造法、 液态金属浸渍法、共喷沉积法和热喷涂法
共喷沉积法 是液态金属通过特殊的喷嘴, 在惰性气体气流作用下分散成细小 的液态金属雾化(微料)流,在金 属液喷射物化的同时,将增强颗粒 加入到雾化的金属流中,与金属液 滴混合,并一起沉积在衬底上,凝 固形成金属基复合材料。
挤压铸造法 是通过施加外压液态金属渗入增强材料的预制件缝隙中制造金属基 复合材料。 真空压力浸渍法 真空压力浸渍法是在真空或高压惰性气体共同作用下,将液态金属 压入增强材料制成的预制件,在制备金属基复合材料制品,兼备真空吸 铸和压力铸造的优点。 液态金属搅拌铸造法 是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,然后浇铸成锭坯、铸件等。
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第一节
2 复合材料应用与发展


2.1 航空工业的应用 波音767大型客机上使用先进复合材料作为主承力结构,不仅减轻了重量,还提 高了飞机各项飞行性能。
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第一节2 复Biblioteka 材料应用与发展绪论
2.2 航天工业的应用 哥伦比亚号航天飞机采用大量复合材料,主货舱门用CFRP制造,长18.2 m×宽 4.6 m,压力容器用Kevlar纤维增强复合材料KFRP制造,硼铝复合材料制造主机身隔 框和翼梁,碳/碳复合材料C/C制造发动机喷管和喉衬,硼纤维增强钛合金复合材料 制成发动机传力架,整个机身上的防热瓦片用耐高温的陶瓷基复合材料制造。在航 天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基三类复合材料。
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