复合材料及其成型技术.pdf

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1、复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料,从而满足各种不同的要求。复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料,其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍,还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性,因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强

2、的铝基复合材料,在 500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合,使用温度可达 1500,比超合金涡轮叶片的使用温度(1100)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨,构成耐烧蚀材料,已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小,用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片 弹 簧,其 刚 度 和 承 载 能 力 与 重 量 大5 倍 多 的 钢 片 弹 簧 相 当。复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多,有

3、手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM 成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下,通过施加压力实现成型,包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后,充填到增强体材料中,包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。复合材料的主要应用领域有:航空航天领域。由于复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结

4、构、太阳能电池翼和外壳、大型第 1 页,共 6 页运 载 火 箭 的 壳 体、发 动 机 壳 体、航 天 飞 机 结 构 件 等。汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性,可减振和降低噪声、抗疲劳性能好,损伤后易修理,便于整体成形,故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料,可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X 射线特性,可用于制造医用X 光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性,生物环境下稳定性

5、好,也用作生物医学材料。此外,复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。2.复合材料的加工方法与特点及加工方法的选择原则。复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽,复合材料工业得到迅速发镇,其老的成型工艺日臻完善,新的成型方法不断涌现,目前聚合物基符合材料的成型方法已有20 多种,并成功地用于工业生产,如:(1)手糊成型工艺湿法铺层成型法;(2)喷射成型工艺;(3)树脂传递模塑成型技术(RTM 技术);(4)袋压法(压力袋法)成型;(5)真空袋压成型;(6)热压罐成型技术;(7)液压釜法成型技术;(8)热膨胀模塑法成型技术;(9)夹层结构成型技术;(10

6、)模压料生产工艺;(11)ZMC 模压料注射技术;(12)模压成型工艺;(13)层合板生产技术;(14)卷制管成型技术;(15)纤维缠绕制品成型技术;(16)连续制板生产工艺;(17)浇铸成型技术;(18)拉挤成型工艺;(19)连续缠绕制管工艺;(20)编织复合材料制造技术;(21)热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺;(22)注射成型工艺;(23)挤出成型工艺;(24)离心浇铸制管成型工艺。根据所选用树脂基体材料的不同,上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产,有些工艺两者都适用。以下主要工艺及其特点:(1)手糊成型工艺。优点是成型不受产品尺寸和形状限制,适宜尺寸大、批量小、形状

7、复杂的产品的生产。设备简单、投资少、见效快。适宜我国乡镇企业第 2 页,共 6 页文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN

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14、,可在产品不同部位任意增补增强材料;制品的树脂含量高,耐腐蚀性能好。缺点是生产效率低、速度慢、生产周期长、不宜大批量生产。且产品质量不易控制,性能稳定性不高。产品力学性能较低。生产环境差、气味大、加工时粉尘多,易对施工人员造成伤害。(2)夹层结构成型工艺。夹层结构的共有特点:质轻、刚度大。多用于尺寸较大,刚度要求高,强度要求不高的场合。(3)RTM 成型技术。特点:可以制造两面光的制品;成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(20000 件/年以内);RTM 为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;原材料及能源消耗少;建厂投

15、资少,上马快。(4)模压成型。优点:制造费用低,所以投资少、见效快,为发展多品种、小批量的生产提供了有利条件,这也是模压成型工艺目前还在大量运用的原因之一。在模压成型过程中,由于塑料的流动距离很短,受填料的定向影响小,所以塑件的尺寸变动小,不易变形,尺寸稳定性好,机械性能稳定。相同吨位的压机可以成型较大平面的制品。模压成型工艺成熟,生产过程易于控制。缺点:生产周期长,生产效率低。较难实现生产自动化,因而劳动强度大。因为飞边厚,塑件厚度方向的尺寸难以控制,所以模压成型不能模压尺寸精度要求较的制品。(5)层压工艺。特点:生产的机械化、自动化程度较高。产品质量稳定。但一次 性投资较大,适合于批量生产

16、。(6)缠绕成型工艺。纤维缠绕成型的优点能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使能充分发挥纤维的强度;比强度高:一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻4060%;可靠性高:纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳定,精确;生产效率高:采用机械化或自动化生产,需要操作工人少,缠绕速度快(240m/min),故劳动生产率高;成本低:在同一产品上,可合第 3 页,共 6 页文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档

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23、I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8理配选若干种材料(包括树脂、纤维和内衬),使其再复合,达到最佳的技术经济效果。缠绕成型的缺点缠绕成型适应性小,不能缠任意结构形式的制品,特别是表面有凹的制品,因为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架空;缠绕成型需要有缠绕机,芯模,固化加热炉,脱模机及熟练的技术工人,需要的投资大,技术要求高,因此,只有大批量生产时才能降低成本,才能获得较的的技

24、术经济效益。在选择复合材料成型方法时,要综合考虑,同时满足材料性能、产品质量和经济效益等各种因素。具体应考虑的:(1)产品的外形构造和尺寸大小。(2)材料性能和产品质量要求,如材料的物化性能,产品的强度及表面粗糙度(光洁度)要求等。(3)生产批量大小及供应时间(允许的生产周期)要求。(4)企业可能提供的设备条件及资金。(5)综合经济效益,保证企业盈利。一般来讲,生产批量大,数量多及外形复杂的小产品,多采用模压成型。如机械零件,电工器材等;对造形简单的大尺寸制品,如浴盆,汽车部件等,适宜采用 SMC 大台面压机成型,亦可用手糊工艺生产小批量产品;对于压力管道及容器则宜用缠绕工艺;对批量小的大尺寸

25、制品,如船体外壳,大型储槽等,常采用手糊,喷射工艺;对于板材和线型制品,可采用连续成型工艺。3.什么是复合材料RTM 成型及 RTM 成型的应用?RTM 成型对树脂的要求,常用的树脂的特点?RTM 即树脂传递模塑,是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、后加工而成制品的工艺。RTM 成型技术的特点:可以制造两面光的制品;成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(20000 件/年以内);RTM 为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;原

26、材料及能源消耗少;建厂投资少,上马快。第 4 页,共 6 页文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7

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32、N1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8 RTM 技术适用范围很广,目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。已开发的产品有:汽车壳

33、体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、8.5m 长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等。RTM 成型工艺对环氧树脂的要求:(1)室温或工作温度下具有较低的粘度(0.51.5Ps),对增强材料浸润性好。能顺利地,均匀地通过模腔,浸透纤维,快速充满整个型腔;(2)固化放热低(80130),防止损伤玻璃钢模具;(3)固化时间短,一般凝胶时间为530min,固化时间不超过60min;(4)树脂固化收缩率小。4.什么是复合材料缠绕成型及缠绕的应用?缠绕成型对树脂的要求,常用的树脂的特点?缠绕成型工艺是指将浸过树脂胶液的连续纤维或布带,按照一定规律缠绕到

34、芯模上,然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程。缠绕成型的应用:军工方面:航空、航天、导弹(发动机壳体、高压容器、导弹发射筒等)。缠绕复合材料压力容器在航空、航天、造船等领域获得广泛应用。碳纤维和芳纶纤维缠绕的薄壁金属内衬高压容器结构效率高、性价比高,是航天飞机和人造地球卫星的首选。民用方面:化工、石油、环保、建筑等领域的管道、贮罐、压力容器等。充装介质有氮气、氧气、氢气和氦气,形状多为环形、球形和扁椭球形。美国纤维缠绕管道总长占整个运输工具的三分之一,所负担供应的能量(包括石油、天然 气、煤、电)占全国需用量的一半以上。我国工业生产中也已大量采用纤维缠绕管道。小型压力容器在个人生命保障系统获

35、得成功应用:消防员、登山队员的供氧器,特点:重量轻、便于携带、高疲劳寿命和高可靠性的综合特性。电气工程中应用:包括压力容器、车用压缩天然气气瓶、供养瓶,纤维缠绕技术制造输配电电线杆、天线杆及工程车臂杆、纤维缠绕车用飞轮转子、纤维缠绕天线杆。缠绕成型对环氧树脂的要求:(1)要求其在缠绕温度下具有较低的粘度,以及在该温度下保持较长时间的低粘度状态,即凝胶时间长;第 5 页,共 6 页文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1

36、P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 Z

37、R10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E

38、6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文

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42、Z7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8(2)对增强材料浸润性好,即与增强材料界面粘结强度高;(3)提供优秀的热机械性能,耐化学腐蚀性及耐自然老化性;(4)树脂固化收缩率小。第 6 页,共 6 页文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 Z

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44、6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文档编码:CN1X10C3Q8L7 HZ7L5U1P6R2 ZR10W7E6I2V8文

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