复合材料的制备方法与工艺

（2） 树脂浸渍技术
▪ 一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种 树脂浸渍技术。其成形过程是将树脂制备成 树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部， 其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤 维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将 模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂 由下向上抽吸。
▪ 目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。
主要的固相工艺
➢粉末冶金 ➢薄膜的扩散键合 ➢利用陶瓷-金属（陶瓷）间的反
应 ➢由有机聚合物的合成
主要的气相工艺
➢PVD(物理气相沉积) ➢CVD (化学气相沉积) ➢CVI (化学气相渗透)
聚合物基 金属基 陶瓷基 复合材料 复合材料 复合材料
液相工艺 固相工艺
➢液体状树脂的含 浸 ➢预浸料坯成形 ➢(玻璃钢)片状模 塑料 ➢热塑性塑料的注 射成形
▪ 预成形体是接近最终成品的形状。。 ▪ 在熔融金属的凝固过程中，纤维附近的金属最后固化。 ▪ 希望界面一般也不会形成氧化膜。得到纤维与金属优
异的结合的界面。
短纤维的悬浮液体内沉积
颗粒材料的成形与预烧结
▪ 混合（加成形剂）→ 成形 → 烧结
成形的方法
▪ 模压 ▪ 等静压 ▪ 注射成形 ▪ 凝胶注模成形 ▪ 轧制 ▪ 挤压 ▪ 松装烧结
▪ 利用半固态浆液的特性分散增强相，在压力 下充型凝固成形。
▪ 是一种两相工艺，局限于大结晶范围的合金。
4） 浆体铸造(复合铸造)
▪ 工艺简介 原理：将液态金属与陶瓷粉末混合，使
整个混合体凝固 特点：简单、经济 现状：已经有商业化生产 （Al/SiC） ▪ 难点 ： 成形的困难 微观组织不均匀 界面反应
颗粒或短纤维增强金属基复合材料的复合铸造
（1）液态金属／陶瓷颗粒搅拌铸造法 ▪ 通过机械搅拌在液态金属中产生涡流从而
▪ FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤 维
▪ 具有良好的比强度和比刚度 ▪ 在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当
广泛的应用前景。
复合材料零件成形及制造技术
（1） 树脂转移模塑成形技术
▪ 在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料 预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭 合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排 气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全 部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加 热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸 料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效 率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机 体有发展潜力的制造技术。
引人陶瓷颗粒并使其分布均匀。采用这种 方法制造铝基复合材料，陶瓷颗粒尺寸可 小到10μm，增强相的体积分数可达25％。
（2）熔体浸渗铸造与挤压铸造法
▪ 即前面已经介绍过的压挤铸造与压挤渗透。 ▪ 挤压铸造法：先用机械搅拌法制备复合浆料，
然后将液态复合浆料倒入挤压模(需预热)内， 起动液压机，使液态浆料在一定的比压下凝 固成形。
4. 复合材料的制备方法与工艺 概述
▪ 复合材料的重要领域之一。
▪ 复合材料中至关重要、且为该领域的研究者 非常感兴趣的课题。
▪ 将最终制品的制造与复合材料的成形一起完 成。
4. 复合材料的制造方法
主要的液相工艺
➢压挤铸造与压挤渗透 ➢喷雾沉积 ➢热喷射 ➢浆体铸造 ➢定向凝固共晶 ➢金属的定向氧化
（6） 经编
▪ 采用经向针织技术，并与纤维铺放概念相结合，制 造的多轴多层经向针织织物。
▪ 由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。经编技 术可以获得厚的多层织物且按照期望确定纤维方向，
▪ 不需要铺放更多的层数，极大提高经济效益。 ▪ 两个优点： ▪ 成本低；有潜力超过传统的二维预浸带层压板 ▪ 预计未来将在飞机制造中广泛应用。
（5） 针织
▪ 针织用于复合材料的增强结构的方向强度、冲击 抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有 很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构 件。目前国外已生产了先进的工业针织机，能够 快速生产复杂的近无余量结构，而且材料浪费少。 用这种方法制造的预成形体可以加入定向纤维有 选择地用于某些部位增强结构的机械性能。另外， 这种线圈的针织结构在受到外力时很容易变形， 因此适于在复合材料上成形孔，比钻孔具有很大 优势。但是它较低的机械性能也影响了它的广泛 应用。
▪ 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维 束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模 具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃 钢型材。
▪ 优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效 率高；纤维含量高，浸胶在张力下进行，能充分 发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横 向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品 的使用要求；较其它工艺省工，省原料，省能耗； 制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。
2） 喷雾沉积
Ospray工艺 20世纪70年代后期英国 Kg/s 级 适用于颗粒增强MMC ~孔隙度% 后续挤压加工
Ospray工艺
▪ 将液体状的原材料（金属与强化相颗粒）吹 散雾化，沉积为块状材料。
▪ 英国的Osplay公司所开发。 ▪ 主要问题：强化相颗粒难以均匀分散，陶瓷
层的扩散。 ▪ 一般具备5-20％的孔隙。通常需要二次加工。
纤维含浸于低黏度的树脂
▪ 成形的基本是将干燥的纤维含浸于低黏度的树脂，
可以有多种含浸方法。 ▪ 将纤维配置在研磨的模具上，进行锟压含浸或喷涂)
含浸。将树脂与硬化剂压成形之前混合，硬化通常在 常温下进行。 ▪ 近来开展了大尺寸成形体的研究，作为一般的成形方 法已开始广泛应用。例如可以适用于长度为50m船体 的制造，在造船界也得到了广泛的应用。
▪ 航空工业中制备复合材料制件的主要要求为：可支付得起； 高度自动化；好的质量控制；降低模具成本及缩短生产周 期。为了达到这些要求，航空工业正着眼于：编织技术； 先进的铺带技术；非热压罐技术；注射工艺；先进的固化 工艺；全质量概念及热塑性工艺。
预成形体的制造技术 （1）缝合技术
▪ 采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维 织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材 料。
1/ 2
d
50dm
m
NWe
1
jm jg
为动力学粘度，j为物质流率，下
标m与g分别表示熔体与气体，为 韦伯系数
3） 热喷射
用电弧或气体加热颗粒（或线材） ，并喷射到物体的表面，得到 块状的MMC，具有成分梯度的涂层。 特点：沉积速度低（< g/s）颗粒速度大 200m/s以上
熔射
▪ 将在高温炉焰中熔融，由高温运动的颗粒而喷射。 ▪ 堆积速度小（通常1g/s）。但颗粒的速度大（200-
金属基复合材料的制备成形
4.3.1主要的液相工艺
1）压挤铸造与压挤渗透(无压熔浸)
对液体状态的基体加压，使之进入由强化体材料组 成的预成形体。
预成形体的制备 ➢ 长纤维的编织 ➢ 短纤维的悬浮液体内沉积 ➢ 颗粒材料的成形与预烧结
压力熔浸(无压熔浸)
▪ 将熔融的金属压力熔浸于成形模具内的预成形体（可 以由长纤维、短纤维或所颗粒构成）而成形。
预烧结
维持形状 具有一定的强度
压 挤 渗 透 的 设 备
与压力铸造相比
压头连续移动
弥补收缩
移动速度慢
外加压力大
压力熔浸成形设备
压挤渗透双压头
保证熔体压力；避免孔隙；避免 不完全渗透
采用双重压头
PCAL* f
* fCL2 f 4
f 1 fCL
2 1 2
1/ 2
f为预成形体内纤维所占的体积分数，Φ和ξ分 别为平面间距与交叉连接纤维长度及与平面内 纤维间距之比
塑料基复合材料的制备成形
4.2 树脂基复合材料
▪ 先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性 和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60 年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4大材料 之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料 未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占 有重要地位。
▪ 改进了复合材料的断裂韧性。 ▪ 比缝合技术更具发展潜力，节省成本，尺寸
不受限制。
（3） 三维机织
▪ 是一种高级纺织复合材料。 ▪ 纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、
十字形等型材和圆管等，还可以创造出许多 新的复杂形状织物。
（4） 编织
▪ 编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以 上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构 的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂 形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺 寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类 的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
▪ 纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维 树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。
▪ 改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴 顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改 变FRML的性能
▪ 主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高FRML 的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温 性。
（3） 纤维缠绕
▪ 该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如 管路及油箱。纤维束通过一个树脂池后以各 种方向和速度缠绕到芯轴上，方向和速度由 纤维进给机控制。这是一项已经发展较为成 熟的技术，无论是在自动化、速度、变厚度、 质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是 筒形件的低成本快速制造方法。
（4） 拉挤
（3）高能超声法
▪ 金属熔化后，利用超声施加振动，加入陶瓷 颗粒，实现均匀混合以后浇注成形。
▪ 陶瓷颗粒制成预制件，浇入液体金属后，施 加超声进行熔体浸渗。
▪ 在极短的时间里(数十秒)实现颗粒的均匀分 布。
பைடு நூலகம்
（4）流变铸造法（半固态铸造）
▪ 对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形 成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒
长纤维的编织(树脂基复合材料的压挤渗透用)
汽车储气罐
门型纤维编织成形机
碳纤维强化网球拍的成形装置
Beech Starship飞机 翅膀的成型中使用 的autoclave (高压) 成形
4.3 金属基复合材料的制备方法
▪ 发展得较晚，仍处于幼年期。 ▪ 使用的领域也受到限制。 ▪ 研究是方兴未艾。 ▪ 有已经得到了工业化的应用。 ▪ 液相的方法成本较低。
Pi
1 r1
1 r2
Pi
d
2
f
1 fCL
1/ 2
1
压挤渗透材料的组织分析
▪ 预成形体内的纤维分布决定复合体内的纤维 分布
▪ 避免缺陷：微观孔隙、宏观空洞、纤维断裂 等
▪ 熔体黏度： ✓高——减小涡流、减少空气吸入、压力大、
内耗大 ✓低——易流动、压力小，产生涡流
北京科技大学研制的Al/SiC复合材料简介
m/s）。 ▪ 得到的材料孔隙度小（2-3％）。 ▪ 优点，在对偶材料的非熔融状态下成形，缩短高温
下熔射的时间。 ▪ 孔隙的存在等能够通过热处理而得到改善。能够减
少或避免纤维与金属基体的反应。 ▪ 对纤维喷射熔融金属也有相当的难度。难以成形空
隙率为10％以下的复合材料。 ▪ 开发通过涂层而避免纤维的损伤。
▪ 美国的NASA。 ▪ 复合材料机翼，28m长的蒙皮复合材料预成形体。 ▪ 缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度3000针/
分。
▪ 相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降 低20%。
（2） 穿刺
▪ 利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化 时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中， 从而获得三维增强复合材料结构。
（5） 自动铺放技术
▪ 该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并 取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经 在速度和准确度上有很大增长，而且计算机 技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所 增长。
（6） 丝束铺放技术
▪ 丝束铺放(Tow Placement)相对较新，并在 近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤 维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件， 对纤维角度不限制。而且有极大减少生产成 本的潜力。未来的开发包括最佳化控制系统、 铺放头位置反馈、在线快速检测、准确和高 质量产品。
➢热塑性塑料的热 压成形
➢压力熔浸与无压 熔浸 ➢搅拌铸造 ➢喷射沉积成形 ➢定向凝固共晶 ➢热喷射
➢定向氧化 ➢定向凝固共晶 ➢利用有机聚合物 的合成
➢粉末冶金（热压、 ➢粉体烧结 机械合金化、SPS） ➢反应成形 ➢合金箔扩散键合 ➢拉拔等机加工成 形
气相工艺
➢PVD（物理气相 沉积）
➢CVD（化学气相 沉积） ➢CVI（化学气相 渗透）