复合材料制造工艺

第一章概述材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把材料、信息、能源作为社会文明的支柱；80年代以高技术群为代表要方面。鉴于材料的重要的基础地位和作用，每一次科学技术的突飞猛进，都对材料的性能提出了越来越高、越来越严和越来越多的要求。加广阔的领域——复合材料。个介绍。（InternationalOrganizationforStandardization,）为复合材料下的定义，复合材料（ComposeMaterial）是由两种或者两种以上物理和是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按照需要设计，复合成为综合性能优异的新型材料。可以预见，如果用材料作为历史分期的依据，那么，继石器、青铜、铁器、钢铁时代之后，在21世纪，将是复合材料的时代。的一些基本内容。一、复合材料的命名和分类料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”或简写。复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：a.按增强材料形态分：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b.c.按基体材料分类：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，d.按材料作用分类：结构复合材料，功能复合材料二、复合材料的基本性能复合材料是由多相材料复合而成，其共同特点为：（1具有天然材料所没有的性能。（2）可按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，可避免多次加工的工序。主要性能：Ⅰ聚合物基复合材料ⅰ）比强度，比模量大。ⅱ）耐疲劳性能好。ⅲ）减震性好。ⅳ）过载时安全性能好。ⅴ）具有多种功能性，耐烧蚀性能，摩擦性能好，电绝缘性能高，耐腐蚀性能优良，有特殊的光学、电学、磁学特性。ⅵ）有很好的加工工艺性。Ⅱ金属基复合材料ⅰ）高比强度，高比模量。ⅱ）导热、导电性能高。ⅲ）热膨胀系数小，尺寸稳定性好。ⅳ）良好的高温性能。ⅴ）耐磨性好。ⅵ）良好的抗疲劳性能和断裂韧性。ⅶ）不吸潮，不老化，气密性好。Ⅲ陶瓷基复合材料强度高，硬度大，耐高温，抗氧化，高温下抗磨损性好，耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比重较小，制成复合材料以后抗弯强度高，断裂韧性高。Ⅳ水泥基复合材料压缩强度、热能方面性能优异，制成复合材料以后抗拉性能和耐腐蚀性能增强，重量降低。通过以上的一些叙述，我们对复合材料的一些根本点有了初步的了解，下面就进入正题，对复合材料的制造工艺进行一些探讨。第二章加工中的理论问题原理，以便对以后的工艺和技术的使用有一个理论基础。一、基体与增强材料的选择由于基体材料的不同，我们有必要将这些材料分开论述。首先来看一下金属基复合材料的基体选择。金属基复合材料构（零）件的使用性能要求是选择金属基体材料料基体。在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是最重有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作，需选用钛件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低，适合批量生产，则使用铝合金做基体材料。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高导热率的Ag、Cu、Al等金属为基体。由于增强物的性质和增强机理的不同，在基体材料的选择原则上（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，其强强金属基复合材料基体的选择完全不同。下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成脆性的反映层，对复合材料的强度影响很大。再者，由于基体金属中往往含有不与增强物的反应程度和生成的反应物都不同，须在选用基体合金成分时充分考虑。接下来看无机胶凝材料，无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑隙尺寸1～102可起保护作用，但对大多数矿物纤维不利。水泥基体的水化过程相当复杂，物理化学变化多样。由于篇幅有限，故在此略过不述。第三，我们看看陶瓷材料，陶瓷使金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子。基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。另外一类重要的基体是聚合物基体，顾名思义，此基体的主要组分是聚合物。其种类多样，常用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚来说有三种主要作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。由于没有在本系中涉及此类材料，所以简略说明，合材料具有重要作用。界面的效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。于两相中的任一相，从结构来分，这一界面区有五个亚层组成（图和性质、复合材料的成型方法等密切相关。论。所以对于界面只能简单罗列一下各个理论。为：界面浸润理论；化学键理论；物理吸附理论；变形层理论；拘束层理论；扩散层理论；减弱界面局部应力作用理论。2-1类型Ⅰ类型Ⅱ类型Ⅲ纤维与基体互不反纤维与基体不反纤维与基体相互反应形成钨丝/铜-钛合金镀铬的钨丝/铜碳纤维/镍碳纤维/铝（>580℃）钨丝/镍合金共晶体丝/同一合金2硼纤维/镁表2-1金属基纤维复合材料界面的类型应结合。在实际情况中，界面的结合方式往往不是单纯的一种类型。与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基复合材料的主要特面的因素外，还应注意增强纤维与金属基体的物理相容性。厚度成为第二临界厚度。接下来我们对于不同的增强材料的表面处理做一个讨论：玻璃纤维：本世纪40年代初期发展起来的玻璃纤维增强塑料即玻璃钢，具有质轻、高强、耐腐蚀、绝缘性好等优良性能，已经被广泛应用于航空、汽车、机械、造船、建材和体育器材等方面。玻璃纤维的表面状态及其与基体之间的界面状况对玻璃纤维复合材料的性的界面粘结性不好，故常采用偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。用表面处理剂处理玻璃纤维的方法，目前采用的有三种：前处理法、后处理法、迁移法。较低。可用于碳纤维表面处理的方法较多，有：氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子体处理等。Kevlar纤维：与碳纤维相比，适于此纤维表面处理的方法不多，性能。超高分子量聚乙烯纤维：有一种力学性能优异的高强高模纤维。料的整体力学性能。目前交常用的改型方法为等离子体处理。维的浸润性和抑制纤维与金属基体之间界面反应层的生成。第三章制备工艺与方法在上一章中，我们比较全面概括地说明了复合材料在加工过程中设备。一、聚合物基复合材料成型加工技术复合材料的性能在纤维与树脂体系确立以后，主要决定适于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容，一是成形，就是将预浸料根据产品的要求，辅置成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使一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，并能达到预计的性能要求。复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用20世纪40年代聚合物及复合用的成型方法有：[1]手糊成型—湿法铺层成型。[2]真空袋压法成型。[3]压力袋成型。[9]注射成型。[10]挤出成型。[11]纤维缠绕成型。[4]树脂注射和树脂传递成型。[5]喷射成型。[12]拉挤成型。[13]连续板材成型。[6]真空辅助树脂注射成型。制成型。[14]层压或卷[15]热塑性片[16]离心浇铸[7]夹层结构成型。状膜塑料热冲压成型。[8]模压成型。成型。上述[9]、[10]、[15]为热塑性树脂基复合材料成型工艺，分别增强材料。[5]制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。Molding,简称RTM与其他工艺的关系如图3-2所示。4．其他工艺要有铸造法、加压或非加压含浸法以及原生（in-situ）复合法。粉末冶金复合法是颗粒强化复合材料的最常用的制备方法。其工艺过程见图3-6。搅拌法：通过高速旋转的搅拌使金属液产生漩涡，然后向旋涡中逐渐投入颗粒，使其分散，见图3-7。二、陶瓷基复合材料加工技术纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，故在实际中针为了能获得性能更为优良的材料。目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法主要有以下几种：[1]泥浆烧铸法：在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。[2]热压烧结法：将长纤维切短，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法及可制得高性能的复合材料。[3]浸渍法：适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。四、水泥基复合材料凡是细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固的交接在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。纤维增强水泥，无论在用途上还是制法上，都是处于开发的新材料。这是以玻璃纤维为例来介绍纤维增强水泥的成型工艺。[1]直接喷射法：是目前最常用的成型方法，将水泥、砂子、水浇铸成型后养护。[2]喷射脱水法：砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直强度板状玻璃纤维增强水泥的方法。[3]预混料浇铸法：水泥、砂子、水、外加剂和切成适当长度的入到振动着的模具里进行成型。[4]压力法：预混料注入到模具里后，加压除去剩余水分，即使脱模，可以提高生产率，并能获得良好的表面尺寸精度。[5]离心成型法：在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆。[6]抄造法：使用耐碱玻璃纤维时，一般是预先把玻璃纤维混合泥粒子，所以通常必须使用一定程度的砂浆和石棉作为内部过滤材料。另外，现在正在进行挤出成型和注射成型工艺的研究。动机，其机翼的翼盒蒙皮、前机身、水平安定面、升降舵、方向舵、襟翼、副翼与翼上整流罩都是用碳纤维/环氧树脂复合材料重新设计与制造的。这种材料也用来制造“鹰鹞”式（HawkerHarrier）机的件，最后即使出现故障，飞机没有它也会很好的飞行。当然复合材料并不一定用在军事用途的飞机上。下面的一个表格可以很好的表现复合材料的优越性：碳纤维增强复合材料零件名称金属（CFRP）梁盒前部10736524端盒546翼尖1212连接件（标准件）49381201表41由于复合材料的特殊性能，在飞机的各个部件上，总有合适的复机的性能得以提高。二、复合材料在外科医学上的应用1．原先的“铁制呼吸器”是一种必须的但又笨重，不便使用的装置，因而人民做了许多努力来设计一种轻便的形式，使病人可以坐着或在室外几小时随身带着活动。一种用混杂的玻璃纤维碳纤维/象龟背，沿周边有一极为柔软的与病人胸部相配的密封垫，由胸甲的拱形中央——大致在胸骨之上连着一根铠装软管，使轻便的泵可抽去和注入空气的呼吸器被设计出来。在胸甲内压力的变化作用在隔膜上，使人能在正常速度下呼吸。2．ChasABlatchford与Sons有限公司研制出的一系列碳纤维/连接到病人适宜的膝关节与踝关节处。如此使用的结构管材和外部软包覆件一起在压缩强度与弯曲强度以及扭转方面的性能都很好。比且在重量上有很大的节省，因而有助于老年与体弱的截肢者。3．此外，复合材料在骨科，脑外科，韧带，假牙等方面都有很大的运用，由于篇幅有限不做一一表述。三、复合材料在体育用品上的应用鱼竿、弓、高尔夫球杆、球拍与球棒、雪橇等体育用品在强度、线来打球的？四、复合材料在汽车制造上的应用由于汽车制造涉及到很多的方面，故只举两个例子来体现复合材料的优越性。Jaguar）—6型赛车是有史以来第一辆运动Kevlar（杜邦公司的纤维）复合而成。完全采用碳纤维来制造的一台原型高级轿车，重量可节省约565kg（12461700kg3748相当多的燃油。另外，在风力涡轮，船舶，航天结构，机械工程，乐器，化工厂等方面。复合材料都有很大的用武之地。其实，正如本文一开头所说在发挥越来越大的作用。复合材料是材料发展的一个重要方向。21世纪的材料发展中，复合材料将占很大的一部分。第五章结束语在结束本文的时候，写一些在做这篇小论文的时候的一些心得体会。首先，对于我来说，由于第一次写算得上比较正式的小论文，所以觉得很累，从选题，到找资料，再到后来的资料整理和输入电脑，高学校，我想他一定没有做过像这样的论文。可以这样说，通过这次论文，再一次吊起了我学材料的胃口。其次，在写论文的过程中，找资料的整个过程是对人这一方面能在实践中得到了提高。第三，论文也使自己学到了不少东西，可以说是更加知道这一方面的材料学的知识了。第四，在写论文的同时，与同学的交流和互相帮助是少不了的，所以这次让我对团队合作的重要性有了很深的体会。总的来说，这篇论文是我的第一篇，如果有欠缺的地方，还请老师予以指出，以便在以后的论文中得到改正和改进。第六章参考资料1主编，张显友主审，1999）2欧国荣、倪礼忠编著，华东化工学院出1991）3英]LeslieNPhillips等1992）4.《未来新金属材料》宁兴龙/金属世界.2000,(2).-2-35.《金属陶瓷复合材料的组织结构与性能研究》于同仁/马钢科研.2000,(1).-17-22制造工程.1999,28(2).-5-77.《非晶合金复合材料的研究进展》陈文智/国家非晶微晶合金工程技术研究中心/金属功能材料.1999,6(1).-1-78.《金属基复合材料的进展,问题与前景展望》王俊英杨启志/青岛建筑工程学院机械工程系/青岛建筑工程学院学报.1999,20(4).-90-95陈建华/郑州轻金属研究院/轻金属.1997,(6).-60-6210.《钛基复合材料的研究与发展》罗国珍/西北有色金属研究所/稀有金属材料与工程.1997,26(2).-1-711.《颗粒强化铝基复合材料的制备与应用》谢建新刘静安/铝加工.1996,19(5).-36-4112.《铝基复合材料镶嵌铸造工艺》费铸铭胡文彬/上海交通大学复合材料研究所/中国有色金属学报.1996,6(4).-78-8213.《高压差充型制备金属基复合材料》秦富生陈美怡/上海交通大学/铸造设备研究.1996,(6).-19-21,2614.《铝基复合材料熔铸生产的最新发展》张利明阎承康/轻合金加工技术.1996,24(1).-2-515.《铸造金属基颗粒复合材料》李俊钱翰城/机械.1996,23(3).-44-4616.《离心铸造复合材料轧辊综述》张