复合材料的焊接作业课件

1、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一、树脂基复合材料的焊接优点：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。 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2、树脂基复合材料成形工艺（1）手糊成形（ha

2、nd laying-up）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

3、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。压力袋法示意图真空袋压法示意图袋压成型注意事项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；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；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；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。（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，

4、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。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

5、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（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。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

6、绕中小型短粗筒形容器 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。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 焊接温度非晶态：粘态流动温度Tf

7、之上，热分解温度Td之下半晶态：熔化温度Tm之上，热分解温度Td之下 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 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： 复合材料C/PEEK ： PEEK：聚醚醚酮的半结

8、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。 7075-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。固结在两层PEEK/S2玻璃

9、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。当连接压力降低0.690MPa时

10、，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。二、C/C基复合材料的焊接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

11、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。 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。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，

12、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51。 （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7

13、00MPa。（通用钢材强度500600MPa）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。 物理性能热膨胀性能低：常温下为-0.41.810-6/K，仅为金属材料的1/51/10；导热系数高：室温时约为0.380.45 cal/cms（铁：0.13），当温度为1650时，降为0.103 cal/cms。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）,193

14、0时为0.5 kcal/kg。密度：1.71.9。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/

15、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。 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。碳/碳复合材料（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摩擦材料领域高机械性能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

16、滑板等。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碳纤维预制体浸渍热固性树脂碳化、石墨化C/C复合材料化学气相沉积法 通入C、H化合物气体加热分解、沉积液体浸渍分解法（1）预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；多向编织物：编织成四、五、七、十一向增强的预制体，使其接近各向同性。（2）预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化

17、，以实现预制体和碳基体的复合。渗碳方法：液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。 液体浸渍分解法1）浸渍用基体的先驱体选择：选择先驱体时应考虑下列特 性-黏度、碳收获率、碳的微观结构和晶体结构。 通常有热固性树脂和沥青两大类。 其中常用的有酚醛树脂和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为50%60%；沥青：常压下产碳率为50%左右，在10MPa氮压和550下产碳率可高达90%。2）低压浸渍预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加一定压力。固化及碳化：若

18、先驱体为树脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度范围为6501100；石墨化：为提高模量有必要进行石墨化，通常在惰性气氛炉中进行，温度范围26002750 。 低压浸渍很难得到高致密度的C/C，其密度一般为1.61.85，空隙率约为810%。 3）高压浸渍PIC工艺：浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术使浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产碳率降低空隙率。当外压增加到6.9MPa时产碳率显著增加，高密度C/C复合材料需要51.7103.4MPa的外压。气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。技术关键

19、：热分解的碳均匀沉积到预制体中。影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。工艺方法：等温法、温度梯度法、差压法。 1）等温法工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物分解后，碳沉积在预制体中。工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉积速度。特点：该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使材料表面产生热裂纹。 2）温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。特点：与

20、等温法相比，沉积速度快，但一炉只能处理一件，不同温度得到的沉积物的微观结构有差别。 3）差压法工艺方法：通过在织物厚度方向上形成的压力梯度促使气体通过植物间隙。将预制体的底部密封后放入感应炉中等温加热，碳氢化合物以一定的正压导入预制体内，在预制体壁两边造成压差，迫使气体流过空隙，加快沉积速度。4、C/C复合材料的焊接（1） 碳碳复合材料的焊接性 在连接过程中如何保证C/C复合材料原有的优异性能不受破坏，这是制订连接工艺要解决的问题。 如何获得C/C复合材料性能相匹配的接头区，这是连接材料选择时要解决的问题。C/C复合材料的连接性能类似于石墨。根据石墨的连接经验，在各种连接饭方法中，真空扩散连接和钎焊时比较成功的连接技术。 （2） 碳/碳复合材料的扩散连接 碳碳复合材料的扩散焊的基本思路是通过焊接过程中的物理、化学反应，在两个被连接件之间生成石墨或高温稳定的化合物中间层而将被连接件连接起来，为此，必须在连接表面上涂敷一定的中间层反应材料。 可选用的中间