复合材料的成型加工技术

复合材料的成型加工技术第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六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第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（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第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六3.特点协同效应：复合材料具有优于组分性能的性能复合材料的基本性能主要取决于3个方面：1.增强材的性能、含量及分布情况2.基体材料的性能及含量3.界面的结合情况燃烧性能主要取决于2、3力学性能主要取决于1、2、3导热、电、耐腐蚀等性能主要取决于2、3第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六轻质高强是复合材料最突出、重要的特点，也是研究最多的特点。可以用比强度（强度/密度），比弹性模量（弹性模量/密度）来定量描述。第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六性能可设计性

是复合材料区别于传统材料的根本特点之一。可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，在结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在以下两个方面：*力学设计——一定的强度和刚度*功能设计——除力学性能外的其他性能工艺性能好，可制成所需任意形状产品，避免多次加工工序。第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六以上是复合材料通有的特性。玻璃纤维增强树脂基复合材料，还具有：热性能好导热系数小，是金属材料1/100-1/1000；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温耐腐蚀性能好可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六电性能好a、电绝缘性能好，不受电磁作用；b、微波穿透性好；c、可制作成不带静电的制品。其它特点：耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六但一般情况下：弹性模量低比钢材小10倍长期耐热性差易老化表面硬度低、耐磨性差高性能复合材料

如碳纤维复合材料就有强度高、模量高、耐高温性能好等第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六二、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）工艺过程第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六1）原材料选择选用的原材料必须满足3点要求产品设计的性能要求手糊成型工艺要求价格便宜、材料容易取得第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六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:不饱和聚酯树脂环氧树脂聚酰亚胺聚马来酰亚胺

第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六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、凡士林等第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2）模具设计与制造a.分类单模、对模整体式、拼装式b.模具材料玻璃钢、木材、石膏-砂、石蜡、金属等3）原材料准备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第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六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、柔韧耐磨性等第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六d.制品的厚度与层数计算4）糊制a.刷胶衣涂刷或喷涂b.结构层的糊制胶衣层全部凝胶后开始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第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5）固化a.不饱和聚酯树脂的固化及工艺固化是通过引发剂引发聚酯分子中的双键，与可聚合的乙烯类单体(如苯乙烯)进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子交联成三维网状的体形大分子结构。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）第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六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;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6）脱模、修整与装配第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（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，不易控制产品质量第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2.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第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（1）模压料片状模塑料（SMC）、团状模塑料（DMC）、散状模塑料（BMC）第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（2）模压工艺流程第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六1）压制前准备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室温下预压成与制品相似的形状b.装料量的计算c.脱模剂的选用内外结合第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2）压制粘流、凝胶、硬固三阶段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第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六b.压制温度制度、压力制度、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、放气等固化时间第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六3.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。第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六PressurizedResinAirAirTheRTMProcess第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（2）特点主要设备投资少；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。第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4.喷射成型（1）工艺过程第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（2）特点利用粗纱代玻璃布，降低了材料费用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、现场粉尘大第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5.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）工艺过程第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（2）特点及应用纤维能保持连续完整,按预定要求排列的规整度和精度高;可实现等强度设计;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。第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6.拉挤成型工艺（1）工艺过程树脂要求粘度低，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）特点及应用第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六生产效率高，便于实现自动化；制品中增强材料的含量一般为40％～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。应用广栏杆、格栅、各种型材、钓鱼杆、帐篷杆等第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7.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（2）特点及应用第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8.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）特点及应用第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六9.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（表面处理或干燥）、树脂浸渍烘干剪裁叠块层压脱模修整（3）特点及应用第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六三、金属基复合材料的成型加工1.对制造技术的要求（1）使增强材料以设计的体积分数和排列均匀地分布于基体中；（2）不得使增强材料和金属基体原有性能下降；（3）尽量避免增强材料和金属基体之间各种不利化学反应的发生，得到合适的界面结构和性能；（4）简单易行，适于批量生产。第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2.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、方向均布于基体中困难第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（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第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六3.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）工艺过程第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六(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)(1)工艺过程按制件形状、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,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第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六扩散粘结过程可分为三个阶段：（1）粘结表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜(通常是氧化膜)破坏；（2）随着时间的延长发生界面扩散和体扩散，使接触面紧密粘结；（3）由于热扩散结合界面最终消失，粘结过程完成。影响扩散粘结过程的主要参数:温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度最为重要，气氛对产品质量也有影响。第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（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的一种常用的固相复合工艺3.热等静压法热压一种，惰性气体加压（1）工艺过程第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六(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、超合金基复合材料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：预制片热轧成板第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六(2)热挤压和热拉

主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等5.爆炸焊接法（二）液态法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、尺寸精度高的复合材料铸件适于大批量生产。主要用于汽车、摩托车等零件第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六（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（1）原理与过程真空和高压惰性气体增强材料预制件第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六主要工艺参数：预制件预热温度TPTP，浸渍，界面反应金属熔体温度Tm

Tm，浸渍，界面反应浸渍压力压力，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