复合材料的制备

1、复合材料的制备第1页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二1复合材料概述2第2页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二一、 复合材料的提出三大材料： -金属材料 -无机非金属材料 -有机高分子材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料复合材料： -取长补短 -协同优化 -产生原来单一材料所没有的新性能3第3页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二二、复合材料的定义国际标准化组织：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，把两种或两种以上的有机聚合物材料或无机非金属

2、材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成一类新型材料。4第4页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二材料科学技术百科全书：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。5第5页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二三、复合材料的特点（1）复材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在明显的界面；

3、（2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；（3）复合材料具有可设计性，可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。6第6页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二四、基体和增强材料（Matrix and reinforcement）基体连续相增强材料分散相 也称为增强体、增强剂和增强相； 显著增强材料的性能 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料在基体和增强体之间存在在界面。7第7页，共121页

4、，2022年，5月20日，13点21分，星期二Schematic illustration of composite constituent8第8页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二五、复合材料的历史古代近代先进复合材料天然复合材料 竹子、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成古代，使用和效仿 半坡人，草埂合泥筑墙，沿用至今 漆器，麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画，泥胎，宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆9第9页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二近现代第一代：19401960年，玻璃纤维增强塑料

5、第二代：19601980年，先进复合材料 1965年，英国科学家研制出碳纤维 1971年，美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年，先进复合材料“碳纤维增强，及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”，用于飞机、火箭的主承离件上。第三代：19801990年，碳纤维增强金属基复合材料以及铝基复合材料的应用最广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。10第10页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二六、复合材料的分类按增强材料形态分类1、纤维增强复合材料 （a）连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处； （b）非

6、连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中。2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中。3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体。11第11页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二Classes of composites12第12页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二纤维增强复合材料的种类： 玻璃纤维复合材料； 碳纤维复合材料； 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料； 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； 陶瓷纤

7、维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂复合材料： 由两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料。 可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。13第13页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二按基体材料分类1、金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体。2、无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（包括玻璃和水泥）为基体。3、聚合物复合材料：以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体。14第14页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二按材料作用分类1、结构复合材料：用于制造受力构件。2、功能复合材料：具有

8、各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦和屏蔽等）。15第15页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛应用金属基复合材料 开发阶段， 应用于某些结构件的关键部位陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段， 有不少科学技术问题有待解决16第16页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二1. 共同特点：（1）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能；（2）可按照对材料性能的需要进行材料的设计和制造；（3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。七、 复合材料

9、的性能17第17页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二2. 影响复合材料性能的因素主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况。作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，不论对于哪一类复合材料就是同一类复合材料的性能也不是个定值，而只能给出其主要性能。18第18页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二仿照竹子从表皮到内层纤维有密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度和性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，

10、由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40%。仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料，内层是硬泡沫塑料。八、 复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展19第19页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二复合材料基体材料20第20页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金属无机非金属有机聚合物用于450 C以下金属基体用于450 700C的金属基体：用于1000 C高温的金属基体钛及其合金环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷碳（石墨）基体材料热固

11、性聚合物：热塑性聚合物：通用塑料：聚丙烯、聚氯乙烯等工程塑料：尼龙、聚碳酸酯等特种耐高温聚合物：聚酰胺、聚醚砜、 聚醚醚酮等铝及其合金镁及其合金高温合金金属间化合物21第21页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二1、用于450 C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）（1）铝及其合金: 面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660C，密度2.7g/cm3。塑性优异，导热、导电性能好；化学活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、镁、锌、锰和硅等。 可分变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金可分为: 防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝。一、 金属22第22页，共121页，2022年，5月

12、20日，13点21分，星期二（2）镁及其合金: 镁具有密排六方结构，密度为1.74g/cm3。镁的强度和模量都很低，但比强度、比模量较高。其室温和低温塑性较低，但高温塑性好，可进行各种形式的热变形加工。 镁的合金化也是利用固溶强化和时效强化来提高合金的常温和高温性能。其合金化元素有铝、锌 、锆、锰和稀土等。镁合金主要有Mg-AL-Zn系和Mg-Zn-Zr系，分变形镁合金和铸造镁合金。23第23页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二2、用于450700C复合材料的金属基体（钛及其合金） 钛的密度为4.51g/cm3 ，熔点1678C，热膨胀系数7.3510-6/K，导电和导

13、热性差，耐腐蚀性良好。 钛有两种同素异构结构。882.5C 以下为密排六方结构（-Ti）；882.5 C 以上至熔点为体心立方结构（-Ti）。24第24页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 3、用于1000 C高温复合材料的金属基体（1） 高温合金高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总称，在高温下具有很的持久、蠕变和疲劳强度。 为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必 须保证产生在高温下强而稳定的显微组织。强化方式：固溶强化、弥散强化和析出硬化。 25第25页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二（2）金属间化合物 概念：金属与金属或金属与类金属之间形

14、成的中间相化合物。根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。金属间化合物晶体结构虽然复杂，但从原子结合上仍具有金属特性。然而其电子云分布并非完全均匀，存在一定方向性，具有某种程度的共价键特征，导致熔点升高及原子间键出现方向性。金属间化合物往往具有一定的固溶度，偏离当量成分，有序度降低，缺陷增加。 26第26页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二二、聚合物1、聚合物及其分类 聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。（1）热固性聚合物: 通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。 27第27

15、页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使 用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化（120C左右）和高温固化（170C以上）。这类高分子通常为无定 型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。28第28页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 （2）热塑性聚合物: 它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工而无化学变化。 包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐

16、高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。29第29页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。 通常结晶度在20-85% 之间。具有质轻、比强度高、 电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高 等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松 弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂 延伸率；抗冲击性能较好。30第30页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二三、陶瓷 陶瓷是金属与与非金属的固体化合物， 以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚 石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合 键结合在一起。

17、陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃 相和气相（孔）等不同的相组成。31第31页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定 性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小 强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工 作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方 面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重 要的功能材料。 陶瓷材料的致命弱点：是脆性大、韧性差，常因 存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的 灾难性后果。 32第32页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧性的有效途径。用于

18、复合材料陶瓷基体主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。33第33页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二复合材料增强剂34第34页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二纤维及其织物、晶须、颗粒 一、复合材料增强剂的特点 1、具有很低的比重； 2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期； 3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合； 4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。35第35页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二纤维无机纤维玻璃纤维碳纤维陶瓷纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维二

19、、纤维36第36页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二三、晶须 晶须是指具有一定长径比和截面积小于 5210-5cm2的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米, 长度为数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米,长径比在5100之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。37第37页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二ZnO晶须微观形貌 38第38页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二SiC晶须微观形貌 39第39页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二具有高强度、高模

20、量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低，易于批量生产。 四、颗粒另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement），主要为金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。 40第40页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二复合材料系统组合41第41页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二聚合物基复合材料的成

21、型工艺 42第42页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二一、聚合物基复合材料概述1. 发展历史1868年，“赛璐珞”最初的塑料20世纪初期，最初的低分子合成塑料苯酚塑料诞生了。自此以后，尿素树脂、丙烯酸树脂等相继研制成功。1930年，聚合物学的完成更推进了聚合物塑料研究的发展，聚乙烯树脂、尼龙纤维、环氧树脂等相继问世。1942年，玻璃纤维增强塑料问世。此后，随着现代工业的发展，高比刚度、高比强度的纤维增强聚合物基复合材料更加引起注目。43第43页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二2.定义聚合物基复合材料(PMCs: Polymer matrix c

22、omposites)是由一种或多种细小形状(直径为微米级)的材料(分散相或称增强体)分散于聚合物塑料(基本相)中组成的。3.分类按分散相分类：纤维、颗粒、晶须按基体分类：热固性和热塑性44第44页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二二、聚合物基复合材料的制造工艺和方法0. 概述聚合物基复合材料的原材料主要涉及问题：（1）怎样将增强体均匀地分散在基体的树脂中；（2）怎样按产品的设计要求实现成型、固化等。纤维等增强体聚合物基体材料45第45页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺主要

23、包括以下两个方面：一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;二是固化，即把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，并能达到预期的性能要求。46第46页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：1. 手糊成型工艺47第47页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和

24、铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。 48第48页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：49第49页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图50第50页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二为了得到良好的脱模效果和理想的制品，同时使用几种脱模剂，可以发挥多种脱模剂的综合性能。51第51页

25、，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二手糊成型工艺优点不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；设备简单、投资少、设备折旧费低; 工艺简单；易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料;制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。52第52页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二手糊成型工艺缺点 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。 产品质量不易控制，性能稳定性不高。 产品力学性能较低。53第53页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成

26、型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。2. 模压成型工艺54第54页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模压成型工艺过程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，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。55第55页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金属对模准备涂脱模剂膜压成型模塑料、颗粒树脂短纤维固化脱模后处理检验制品加热、加压加热冷却膜压成型工艺流程图56第56页，共121页，20

27、22年，5月20日，13点21分，星期二模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。57第57页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模压成型工艺缺点模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。58第58页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，

28、制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。59第59页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。60第60页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。3. 层压成型工艺61第61页，共121页，2022年，5月20日，13点21

29、分，星期二层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等。复合材料层压板的生产工艺流程如下62第62页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二层压板的生产工艺流程增强材料热固性树脂浸胶胶布裁剪叠合热压脱模切边产品63第63页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二层压成型工艺的优点是制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。层压成型工艺的缺点是只能生产板材，且产品的尺寸大小受设备的限制。64第64页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）

30、喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。4. 喷射成型工艺65第65页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。其具体工艺流程图如下：66第66页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂加热引发剂促进剂静态混合切割喷枪模具喷射成型辊压固化脱模喷射成型工艺流程图67第67页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二喷射成型对所用原材料有一定要求，例如树脂体系的粘度

31、应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和浸润纤维以及不带静电等。最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。68第68页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。69第69页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二用喷射成型方法虽然可以制成复杂形状的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。70第70页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定

32、规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如下图所示：5. 连续缠绕成型工艺71第71页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺72第72页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。73第73页，

33、共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二利用纤维缠绕工艺制造压力容器时，一般要求纤维具有较高的强度和模量，容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以及缠绕时不起毛、不断头等。74第74页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点。75第75页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二其次，用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。76第76页，共1

34、21页，2022年，5月20日，13点21分，星期二连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。77第77页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；6. 挤压成型工艺78第78页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。79第79页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预

35、固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。卧式拉挤成型过程原理图制品切割纤维树脂槽挤胶器预成型拉拢热模80第80页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。81第81页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。82第82页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二拉挤成型的优点生产效率高，易

36、于实现自动化； 制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。83第83页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二目前，随着科学和技术的不断发展，正向着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。84第84页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重

37、要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。 7. 注射成型工艺85第85页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二注射成型工艺原理注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。86第86页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维

38、混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。 87第87页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二在加工过程中，由于熔体混合物的流动会使纤维在树脂基体中的分布有一定的各向异性。如果制品形状比较复杂，则容易出现局部纤维分布不均匀或大量树脂富集区，影响材料的性能。88第88页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二因此，注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，一般在30-40左右。89第89页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控

39、制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。90第90页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金属基复合材料的成型技术91第91页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二1. 概述最初关于金属基复合材料的研究集中在航空航天领域。研究较多的是铝合金、钛合金和镁合金。根据不向的设计和使用性能要求，相续研究和开发了铜基、镍基、铝基、银基、锡基、铅基、钟基、铁基和钢为基体的多种金属基复合材料。92第92页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金属基复合材料（MMC）是一类以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒

40、状组分为增强相的非均质混合物。其共同点是具有连续的金属基体。分类按基体分：铝基、镁基、镍基、钦基和金属间化合物基复合材料。按增强相分：纤维增强型、颗粒增强型等。93第93页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金属基复合材料工艺研究内容 金属基体与增强材料的结合和结合方式； 金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制； 增强材料在金属基体中的分布； 防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤； 优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。 2. 金属基复合材料制备技术94第94页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二根据各种方法的基本特点，

41、把金属基复合材料的制备工艺分为：(1) 固态法；(2) 液态法；(3) 其他方法；95第95页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二金届基复合材料的主要制造方法及适用范围96第96页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二(1) 固态制造技术固态法是指在金属基复合材料中基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。金属粉末或铝箔增强体+加热加压复合黏结在一起工艺过程： 在整个过程中金属基体和增强体均处于固体状态。固态法包括：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法和挤压法等。97第97页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 粉末冶金法 粉末冶

42、金成型主要包括：混合、固化和压制三个过程。 基体合金粉末和颗粒的混合均匀程度以及如何防止基体粉末的氧化问题是整个工艺过程的关键。98第98页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 固态扩散结合法固态扩散结合法固态扩散法是将固态的纤维与金属适当地组合，在加压、加热条件下，使它们相互扩散结合成为复合材料的方法。扩散黏结法变形法热压扩散法热等静压法热轧法热压和热挤压99第99页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 它是在较长时间高温及其塑性变形不大的作用下，利用金属粉末之间和基体粉末与增强体之间接触部位的原子在高温下相互扩散，进而使纤维与基体金属结合到一起的

43、复合方法。扩散黏结法：100第100页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二热压扩散法 特点：利用静压力使金属基体产生塑性变形、通过扩散而焊合，并将增强纤维固结在其中而成为一体。101第101页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二热等静压法工艺过程：将金属基体和增强材料混合排列放入金属包套中抽气密封后102第102页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 变形法就是利用金属具有塑性成型工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使复合好的的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成型。变形压力加工法103第103页，共121页

44、，2022年，5月20日，13点21分，星期二热轧法 热轧法主要用来将已用粉末冶金或热压工艺复合的颗粒晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材，或直接将纤维与金属箔材热轧成复合材料。热拉和热挤压主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料的进一步加工制成各种形状的管材、型材、棒材等。热拉和热挤压104第104页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二 爆炸焊接法 爆炸焊接法是采用炸药的爆炸为能源，由于炸药的高速引爆和冲击作用下，在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点附近产生高达104107s-1的应变速率和104MPa的高压，使材料发生塑性变形，在基体中和基体与增强体的

45、接触处产生焊接从而成型复合材料。105第105页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二(2) 液态制造技术 液态法是指在金属基复合材料制造过程中，金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。液态法铸造法熔铸复合法熔融金属浸渍法真空压力浸渍法喷射沉积法搅拌铸造法真空吸铸法高压凝固铸造法压力铸造法106第106页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二高压凝固铸造法 高压凝固铸造法是将纤维与黏结剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将熔融金属注入模具中，迅速合模加压，使液态金属以一定的速度浸透到预制件中，而其中的黏结剂受热分解除去，经冷却后得到复合材料制品。107第107页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二真空吸铸法 真空吸铸法是我国设计出的一种制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。它是在铸型内形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。 108第108页，共121页，2022年，5月20日，13点21分，星期二搅拌铸造法基本原理：在一定条件下，对处于熔化和半熔化状态的金属液，施加强烈的机械搅拌，使其能形成高速流动的旋涡，使颗粒随旋涡进入基体金属液中，当在搅拌力作用下增强颗粒弥散分布后浇注成型。109第109页，共121页