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1、第7章 复合材料成形,复合材料:两种或两种以上不同性质的物质组合在一起的新材料,7.1 复合材料成形基础 复合是一种包括物理、化学、力学，甚至生物学相互作用的复杂过程。,7.1.1 影响复合材料性能的因素 基体材料性能、增强体特征、组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数,基体材料性能：强度、弹性模量、化学稳定性,增强体特征：类型、粗细、强度和弹性模量 增强纤维越细，复合材料的强度越高，刚 度越大；增强体颗粒细些，增强效果就会 好些，颗粒直径0.010.1mm效果最好。,组成物比例及分布等：增强体的含量、排列方式和方向 以及和基体间的界面粘结状况，应进行适当控制。,成形方法和工艺参数：不同的复
2、合材料应选择合适 的成形方法和工艺参数（压力、固化温度）,7.1.2 复合材料的复合原则 为获得最佳的强度、刚度和韧性，纤维增强复合材料的生产应遵循下述原则：,1纤维的性能：高强度和高刚度。有时还要求纤维 的密度小，耐热性好。应用较多的纤维有玻璃纤 维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等,（2）对纤维应有一定的粘结性能，并能保护纤维表面不 受损伤。,2基体的性能（1）一定的塑性和韧性，以防纤维断裂时裂纹扩展。,聚合物和金属能较好地满足上述要求,3纤维与基体间应有合适的结合强度，以利于载荷由基体向纤维传递，充分发挥纤维的增强作用,4纤维必须有合理的含量、尺寸和分布(1)含量：纤维的体积容量越大，增强效果
3、越好。(2)尺寸：纤维的直径越小、越长，增强效果越好。(3)分布：纤维的排列可采用不同方向交叉层叠方式，以达到多方向的增强效果。,1材料制备与制品成形同时完成 形状复杂的大型制品能一次整体成形，工艺简单、生产周期短、成本低。减少甚至取消了接头，应力集中小、制品质量轻、刚度和耐疲劳性高。,2材料性能的可设计性 基体材料和增强材料及其合适的比例 合理的排列方向和层数 合适的复合工艺和参数制品结构合理、安全可靠、经济性好,7.1.3 复合材料成形的工艺特点,成形过程：原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱模和修整、检验,7.2 复合材料成形方法,7.2.1 树脂基复合材料的成形方法树脂基复合材料是
4、以树脂为基体、纤维为增强体复合而成的。,1手糊法 脱模剂表面胶增强材料刷树脂至所需层数固化脱模修整和检验,特点：设备简单，不受制品尺寸限制，劳动条件差，制品质量不稳定、强度较低。适用于大型制品的小批量、多品种生产。,应用：船体、浴盆、波纹瓦、汽车壳体、风机叶片 最早、目前仍广泛应用,1-模具 2-脱模剂 3-胶层 4-玻璃纤维5-手动压辊 6-树脂,2喷射法 将手糊法成形操作中的糊制工序改由喷枪完成，将纤维和树脂液同时喷到模具上，再经压实、固化得到制品。通常喷射速率为210kg/min。,优点：喷射法成形为半机械化操作，生产率高；制品的飞边少，无搭缝；整体性好。缺点：树脂含量高；制品强度低；且
5、操作现场粉尘大；工作环境差。,1模具 2、5喷嘴 3纤维4切割器 6手动压辊 7制品,3袋压法 将手糊法成形的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到模具内，并在制品上覆盖橡胶袋或塑料袋，将气体压力施加到尚未固化的制品表面使其成形的工艺方法。,制品两面都比较平滑，质量好；成形周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸受设备的限制。,4缠绕法 将连续纤维或布带浸渍树脂后，按照一定规律缠绕到芯模上，通过固化、脱模而得到制品的方法。,用于：缠绕圆柱体、球体等回转体制品，如压力罐、筒、贮罐和火箭发动机壳体,特点：制品比强度大、精度高、质量好且易实现自动化生产。但制品轴向难以增强，
6、设备投资较大。,1-芯模 2-树脂 3-辊轮 4-纤维,5模压法 将已干燥的浸胶纤维或织物等放入金属模具内，通过加热、加压使树脂塑化和熔融流动成形，经固化获得制品。,7.2.2 金属基复合材料的成形方法 以金属为基体，用纤维、颗粒等作为增强体,特点：模压法制品尺寸精确、表面光滑、力学性能高。应用：模压法工艺简便、应用广泛，常用于制造船体、罩壳 和汽车车身等制品。,1等离子喷涂法 在惰性气体保护下，由等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属，待其冷却凝固后形成复合材料的方法。,特点：界面结合紧密，成形过程中纤维不受损伤，但基体组织不够致密。,2液态渗透法 以金属液渗入增强体制成复合材料的方法，可以通
7、过多种铸造方法来实现,用于制造长、短纤维增强以及混杂增强的金属基复合材料，并能制造形状复杂的制品。设备比较复杂，周期较长，制造大尺寸制品困难。,真空压力铸造法原理1加热元件 2铸模 3纤维预制件 4冷却块 5熔融金属,3热压扩散结合法 高温下，对排布好的纤维和金属基体施加静压力，使纤维和金属产生原子扩散和少量塑性变形以完成粘接,加热温度低、纤维不易损伤，金属对纤维的润湿性和纤维的取向性好，但生产周期长。是钛基、镍基等熔点较高的金属最主要的复合方法 用于制造板材、型材及形状复杂的壁板、叶片等。,a）纤维与金属箔复合 b）有金属镀层的纤维复合1、3纤维 2金属箔 4金属镀层,7.2.3 陶瓷基复合
8、材料的成形方法 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，采用纤维、颗粒等作为增强体经复合而成的。,1粉浆浸渗法 将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。不损伤增强体，无需模具且工艺简单，但制品的密度和力学性能不够高。,2热压烧结法 将纤维或织物增强体用陶瓷浆料浸渍后组成一定结构的坯体，经干燥后在高温、高压下烧结成制品。制品的密度和力学性能均较高。,3反应烧结法 使已与增强材料混合的熔融金属直接氧化或氮化制成复合材料。反应产物最初在金属与气相界面形成，然后不断向金属内部扩展，直至形成相互贯通的呈三维网络的陶瓷基复合材料。,成本较低、工艺简单；制品收缩很小、形状和尺寸不限；常温性能好。但
9、制品的高温强度不高。,7.3 复合材料制品的结构工艺性,1纤维的分布应满足承载要求 采用短切纤维或采用连续长纤维在几个方向上交叉铺设，以使制品近似获得各向同性。为提高板、壳面内的抗剪能力，通常纤维的纵向应与板、壳的框、肋成45角。,2构件弯折处应采用圆角过渡 避免弯折处应力集中和弯折处树脂聚积或缺胶使 强度降低现象,3尽量采用整体结构 利于简化制品结构、减少连接件数量和简化生产工艺，有利于减轻制品质量、降低成本和提高制品的使用性能。,4采用刚性较好的结构 提高构件的承载能力和尺寸稳定性。,7.4 复合材料制备与成形技术的发展趋势,7.4.1 复合材料的智能化生产技术 在同一过程中进行材料设计和
10、制造出零部件或器件。对材料的组织性能和制品的形状尺寸等进行实时控制，大大提高了制品质量的可靠性和稳定性，缩短了生产或研制周期,7.4.2 创新与继承相结合 继承和吸取金属材料和高分子材料成形技术的精华，并加以发展。复合材料各种成形技术之间相互结合,7.4.3 新技术的开发与应用,本章小结,复合材料由基体材料和增强材料组成。,金属基复合材料以金属为基体，采用纤维、颗粒等作为增强体经 复合而成的。金属基复合材料成形方法：等离子喷涂法、液态渗透法、热压扩 散结合法,树脂基复合材料是以树脂为基体、纤维为增强体复合而成的。树脂基复合材料成形方法：手糊法、喷射法、袋压法、缠绕 法、模压法,复合材料成形的工艺特点：材料制备与制品成形同时完成、材料性能的可设计性,影响复合材料性能的因素：基体材料性能、增强体特征、组成物比例、界面性质、成形方法和工艺参数,原材料到形成制品一般都要经过：原材料制取、生产准备、制品成形、固化、脱模和修整、检验等阶段。,
