《材料成型工艺基础》课件第8章

第8章复合材料及其成型8.1复合材料

8.2复合材料成型工艺高分子材料、无机材料和金属材料是当今三大材料，它们各有特点但也有其缺点，如高分子材料易老化、不耐高温，陶瓷材料缺韧性、易碎裂。人们设想如果将这三大类不同的材料，通过复合组成新的材料，使它既能保持原材料的长处，又能弥补其自身短处，优势互补，提高材料的性能，扩大应用范围。因此，复合材料应运而生。复合材料就是将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起，构成的性能比其组成材料优异的一类新型材料。

8.1.1复合材料的定义

复合材料大多由以连续相存在的基体材料与分散于其中的增强材料两部分组成。增强材料是指能提高基体材料力学性能的物质，有细颗粒、短纤维、连续纤维等形态。因为纤维的刚性和抗拉伸强度大，所以增强材料大多数为各类纤维。8.1复合材料所用的纤维可以是玻璃纤维、碳或硼纤维、氧化铝或碳化硅纤维、金属纤维(钨、铂、钽和不锈钢等)，也可以是复合纤维。纤维是复合材料的骨架，其作用是承受负荷、增加强度，它基本上决定了复合材料的强度和刚度。基体材料的主要作用是使增强材料黏合成型，且对承受的外力起传导和分散作用。基体材料可以是高分子聚合物、金属材料、陶瓷材料等。

复合材料把基体材料和增强材料各自的优良特性加以组合，同时又弥补了各自的缺陷，因此，复合材料具有高强轻质、比强度高、刚度高、耐疲劳、抗断裂性能高、减震性能好、抗蠕变性能强等一系列的优良性能。此外，复合材料还有抗震、耐腐蚀、稳定安全等特性，因而后来居上成为应用广泛的重要新材料。8.1.2复合材料的分类

复合材料按基体材料可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。

1.聚合物基复合材料

聚合物基复合材料主要是指纤维增强聚合物材料，如将硅纤维包埋在环氧树脂中使复合材料强度增加，用于制造网球拍、高尔夫球棍和滑雪橇等。玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的复合体，可用作结构材料，如汽车和飞机中的某些部件、桥体的结构材料和船体等，其强度可与钢材相比。增强的聚酰亚胺树脂可用于汽车的“塑料发动机”，使发动机重量减轻，节约燃料。玻璃钢是由玻璃纤维和聚酯类树脂复合而成的，是复合材料的杰出代表，具有优良的性能。它的强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性好，已广泛应用于飞机、汽车、船舶、建筑甚至家具等生产。

2.金属基复合材料

金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、晶须、颗粒、薄片等为增强体的复合材料。基体金属多采用纯金属及合金，如铝、铜、银、铅、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、镍合金等。增强材料采用陶瓷颗粒、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、陶瓷晶须、金属纤维、金属晶须、金属薄片等。

铝基复合材料(如碳纤维增强铝基复合材料)是应用最多、最广的一种。由于其具有良好的塑性和韧性，加之具有易加工性、工程稳定性和可靠性及价格低廉等优点，受到人们的广泛青睐。镍基复合材料的高温性能优良，这种复合材料被用来制造高温下工作的零部件。镍基复合材料应用的一个重要目标，是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽机的工作温度，预计可达到1800℃以上。

钛基复合材料比其他结构材料具有更高的强度和刚度，有望满足更高速新型飞机对材料的要求。钛基复合材料的最大应用障碍是制备困难、成本高。

3.陶瓷基复合材料

陶瓷本身具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀等优点，但其脆性大，若将增强纤维包埋在陶瓷中可以克服这一缺点。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须等。陶瓷基复合材料具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性，是一类新型结构材料，已应用于或即将应用于刀具、滑动构件、航空航天构件、发动机制作、能源构件等领域。

复合材料成型的工艺方法取决于基体和增强材料的类型。以颗粒、晶须或短纤维为增强材料的复合材料，一般都可以用基体材料的成型工艺方法进行成型加工；以连续纤维为增强材料的复合材料的成型方法则不相同。8.2复合材料成型工艺复合材料成型工艺和其他材料的成型工艺相比，有一个突出的特点，即材料的成型与制品的成型是同时完成的，因此，复合材料的成型工艺水平直接影响材料或制品的性能。一种复合材料制品可能有多种成型方法，在选择成型方法时，除了考虑基体和增强材料的类型外，还应根据制品的结构形状、尺寸、用途、产量、成本及生产条件等因素综合考虑。8.2.1聚合物基复合材料的成型工艺

随着聚合物基复合材料工业的迅速发展和日渐完善，新的高效生产方法不断出现。目前，成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产。在生产中常用的成型方法有手糊成型法、缠绕成型法、模压成型法、喷射成型法、树脂传递模塑成型法等。

1.手糊成型法——湿法层铺成型

手糊成型法是指以手工作业为主，把玻璃纤维织物和树脂交替地层铺在模具上，然后固化成型为玻璃钢制品的工艺。具体作法是：先在涂有脱模剂的模具上均匀涂上一层树脂混合液，再将裁剪成一定形状和尺寸的纤维增强织物，按制品要求铺设到模具上，用刮刀、毛刷或压棍使其平整并均匀浸透树脂、排除气泡。多次重复以上步骤层层铺贴，直至所需层数，然后固化成型，脱模修整获得坯件或制品。其工艺流程如图8-1所示。

图8-1手糊成型工艺流程示意图手糊成型法操作简单，适于多品种、小批量生产，不受制品尺寸和形状的限制，可根据设计要求手糊成型不同厚度、不同形状的制品。但这种成型方法生产效率低，劳动条件差且劳动强度大；制品的质量、尺寸精度不易控制，性能稳定性差，强度较其他成型方法低。

手糊成型可用于制造船体、储罐、储槽、大口径管道、风机叶片、汽车壳体、飞机蒙皮、机翼、火箭外壳等大中型制件。

2.缠绕成型法

缠绕成型法是采用预浸纱带、预浸布带等预浸料，或将连续纤维、布带浸渍树脂后，在适当的缠绕张力下按一定规律缠绕到一定形状的芯模上至一定厚度，经固化脱模获得制品的一种方法，图8-2为缠绕成型法示意图。与其他成型方法相比，缠绕法成型可以保证按照承力要求确定纤维排布的方向、层次，充分发挥纤维的承载能力，体现了复合材料强度的可设计性及各向异性，因而制品结构合理、比强度高；纤维按规定方向排列整齐，制品精度高、质量好；易实现自动化生产，生产效率高；但缠绕法成型需缠绕机、高质量的芯模和专用的固化加热炉等，投资较大。图8-2缠绕成型法示意图缠绕成型法可大批量生产需承受一定内压的中空容器，如固体火箭发动机壳体、压力容器、管道、火箭尾喷管、导弹防热壳体及各类天然气气瓶、大型储罐、复合材料管道等。制品外形除圆柱形、球形外，也可成型矩形、鼓形及其他不规则形状的外凸型及某些复杂形状的回转型。

3.模压成型法

模压成型是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法，其基本过程是将一定量的经过一定预处理的模压料放入预热的压模内，施加较高的压力使模压料充满模腔。在预定的温度条件下，模压料在模腔内逐渐固化，然后将制品从压模内取出，再进行必要的辅助加工即得到最终制品。

模压成型方法适用于异形制品的成型，生产效率高，制品的尺寸精确、重复性好，表面粗糙度小、外观好，材料质量均匀、强度高，适于大批量生产。结构复杂制品可一次成型，无需有损制品性能的辅助机械加工。其主要缺点是模具设计制造复杂，一次投资费用高，制件尺寸受压机规格的限制。一般限于中小型制品的批量生产。

模压成型工艺按成型方法可分为压制模压成型、压注模压成型与注射模压成型。

1)压制模压成型

将模塑料、预浸料(布、片、带需经裁剪)等放入金属对模(由凸模和凹模组成)内，由压力机(大多为液压机)将压力作用在模具上，通过模具直接对模塑料、预浸料进行加压，同时加温，使其流动充模，固化成型。

压制模压成型工艺简便，应用广泛，可用于成型船体、机器外罩、冷却塔外罩、汽车车身等制品。

2)压注模压成型

将模塑料在模具加料室中加热成熔融状，然后通过流道压入闭合模具中成型固化，或先将纤维、织物等增强材料制成坯件置入密闭模腔内，再将加热成熔融状态的树脂压入模腔，浸透其中的增强材料，然后固化成型，如图8-3所示。

图8-3压注模压成型示意图压注模压成型法主要用于制造尺寸精确、形状复杂、薄壁、表面光滑、带金属嵌件的中小型制品，如各种中小型容器及各种仪器、仪表的表盘、外壳等，还可制作小型车船外壳及零部件等。

3)注射模压成型

注射模压成型是将模塑料在螺杆注射机的料筒中加热成熔融状态，通过喷嘴小孔，以高速、高压注入闭合模具中固化成型，是一种高效率自动化的模压工艺，适于生产小型复杂形状零件，如汽车及火车配件、纺织机零件、泵壳体、空调机叶片等。

4.喷射成型法

喷射成型法是将调配好的树脂胶液(多采用不饱和聚酯树脂)与短切纤维(长度为25～50mm)同时喷到模具上，再经压实、固化得到制品。如图8-4所示，将配制好的树脂液分别由喷枪的两个喷嘴喷出，同时，切割器将连续玻璃纤维切碎，由喷枪的第三个喷嘴均匀地喷出，并与胶液均匀混合后喷射到模具表面上沉积，每喷一层(厚度应小于10mm)，即用辊子滚压，使之压实、浸渍并排出气泡，再继续喷射，直至完成坯件制作，最后固化成制品。喷射成型法的生产效率高，劳动强度较低，适于批量生产大尺寸制品，制品无搭接缝，整体性好；但场地污染大，制品树脂含量高(质量分数约65%)，强度较低。喷射法可用于成型船体、容器、汽车车身、机器外罩、大型板等制品。图8-4喷射成型工艺示意图(两罐系统)

5.树脂传递模塑成型法

树脂传递模塑成型法(RTM)是一种较新的工艺，一般是指在模具的型腔里预先放置增强材料(包括螺栓、聚氨酯泡沫塑料等嵌件)，夹紧后，在一定温度及压力下从设置的注入孔将配好的树脂注入模具中，使之与增强材料一起固化，最后起模、脱模，从而得到制品。此法能制造出表面光洁、高精度的复杂构件，是近年来迅速发展起来的成型工艺，因其具有经济性好、可设计性、挥发性物质少、环保效果好、产品尺寸精度高和表面质量好等优点，在我国玻璃钢行业中所占的比重越来越大。

6.热压罐法成型

热压罐法是利用金属压力容器——热压罐，对置放于模具上的铺层坯件加压(通过压缩空气实现)和加热(通过热空气、蒸汽或模具内加热元件产生的热量)，使其固化成型。

热压罐法可获得压制紧密、厚度公差范围小的高质量制件，适用于制造大型和复杂的部件，如机翼、导弹载入体、部件胶接组装等。但该法能源利用率低，热压罐重量较大、结构复杂，设备费用高。

7.层压成型法

层压成型法是将纸、棉布、玻璃布等片状增强材料，在浸胶机中浸渍树脂，经干燥制成浸胶材料，然后按层压制品的大小，对浸胶材料进行裁剪，并根据制品要求的厚度(或质量)计算所需浸胶材料的张数，逐层叠放在多层压机上，进行加热层压固化，脱模获得层压制品。为使层压制品表面光洁美观，叠放时可于最上和最下两面放置2～4张含树脂量较高的面层用浸胶材料。

8.离心浇注成型法

离心浇注成型法是利用筒状模具旋转产生的离心力将短切纤维连同树脂同时均匀喷洒到模具内壁形成坯件；或先将短切纤维毡铺在筒状模具的内壁上，再在模具快速旋转的同时，向纤维层均匀喷洒树脂液浸润纤维形成坯件，坯件达到所需厚度后通热风固化。

离心浇注成型法的特点是制件壁厚均匀，外表光洁，可应用于大直径筒、管、罐类制件的成型。

9.拉挤成型法

拉挤成型法是将浸渍树脂胶液的连续纤维，在牵引机构的拉力作用下，通过成型模定形，再进行固化，连续引拔出长度不受限制的复合材料管、棒、方形、工字形、槽形，以及非对称形的异形截面等型材，如飞机和船舶的结构件、矿井和地下工程构件等。拉挤成型的工艺如图8-5所示。拉挤工艺只限于生产型材，设备复杂。

成型方法可进行“复合”，即用几种成型方法同时完成一件制品。例如成型一种特殊用途的管子，在采用纤维缠绕的同时，还用布带缠绕或用喷射方法复合成型。

图8-5拉挤成型工艺示意图8.2.2金属基复合材料的成型工艺

金属基复合材料的成型工艺以复合时金属基体的物态不同可分为固相法和液相法。由于金属基复合材料的加工温度高，工艺复杂，界面反应控制困难，成本较高，因此应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。目前，金属基复合材料主要应用于航空、航天领域。

1.颗粒增强金属基复合材料成型

对于以各种颗粒、晶须及短纤维增强的金属基复合材料，其成型通常采用以下方法。

1)粉末冶金法

粉末冶金法是一种成熟的工艺方法。这种方法可以直接制造出金属基复合材料零件，主要用于颗料、晶须增强材料。其工艺与金属材料的粉末冶金工艺基本相同，首先将金属粉末和增强体混合均匀，制得复合坯料，再压制烧结成锭，然后可通过挤压、轧制和锻造等二次加工制成型材或零件。采用粉末冶金法制造的复合材料具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于汽车、飞机和航天器等的零件、管、板和型材中。

2)铸造法

铸造法是一边搅拌金属或合金熔融体，一边向熔融体逐步投入增强体，使其分散混合，形成均匀的液态金属基复合材料，然后采用压力铸造、离心铸造和熔模精密铸造等方法形成金属基复合材料。

3)加压浸渍法

加压浸渍法是将颗粒、短纤维或晶须增强体制成含一定体积分数的多孔预成型坯体，将预成型坯体置于金属型腔的适当位置，浇注熔融金属并加压，使熔融金属在压力下浸透预成型坯体(充满预成型坯体内的微细间隙)，冷却凝固形成金属基复合材料制品。采用此法已成功制造了陶瓷晶须局部增强铝活塞。图8-6为加压浸渍工艺示意图。

图8-6加压浸渍工艺示意图

4)挤压或压延法

挤压或压延法是将短纤维或晶须增强体与金属粉末混合后进行热挤或热轧，获得制品。

2.纤维增强金属基复合材料成型

对于以长纤维增强的金属基复合材料，其成型方法主要有以下几种。

1)扩散结合法

扩散结合法是连续长纤维增强金属基复合材料最具代表性的复合工艺。按照制件形状及增强方向的要求，将基体金属箔或薄片以及增强纤维裁剪后交替铺叠，然后在低于基体金属熔点的温度下加热、加压并保持一定时间，基体金属产生蠕变和扩散，使纤维与基体间形成良好的界面结合，获得制件。图8-7为扩散结合法示意图。

图8-7扩散结合法示意图(a)金属箔复合法；(b)金属无纬带重叠法；(c)表面镀有金属的纤维结合法扩散结合法易于精确控制，制件质量好，但由于加压的单向性，使该方法限于制作较为简单的板材、某些型材及叶片等制件。

2)熔融金属渗透法

在真空或惰性气体介质中，使排列整齐的纤维束之间浸透熔融金属，如图8-8所示。该方法常用于连续制取圆棒、管子和其他截面形状的型材，而且加工成本低。

图8-8熔融金属渗透法示意图(a)毛细管上升法；(b)