第八章 复合材料的成型加工技术

第八章复合材料的成型加工技术

一、复合材料简介1.复合材料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组分材料相对独立性能具有协同效应组成：基体、增强材料2.分类（1）按增强材料形态连续纤维复合材料短纤维复合材料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（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3.特点协同效应性能可设计性可制成所需任意形状产品，避免多次加工工序二、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1）原材料选择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

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5）固化a.不饱和聚酯树脂的固化及工艺引发剂：分解产生游离基促进剂：使引发剂在较低温度下产生大量游离基固化过程：凝胶阶段、定型阶段（硬化阶段）、熟化阶段（完全固化阶段）b.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*工艺流程（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（1）模压料片状模压料（SMC）团状模塑料（DMC）散状模塑料（BMC）（2）模压工艺流程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b.装料量的计算c.脱模剂的选用内外结合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，需预先铺设料据制品使用受力情况，排列取向纤维，充分发挥纤维的增强作用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b.压制压力制度、温度制度、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。（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。4.喷射成型（1）工艺过程（2）特点利用粗纱带玻璃布，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（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）特点及应用生产效率高，便于实现自动化；制品重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。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、树脂（表面处理或干燥）

浸渍

烘干

剪裁

叠块

层压

脱模

修整（3）特点及应用三、金属基复合材料的成型加工1.对制造技术的要求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（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(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