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1、复合材料及其成型复合材料及其成型8.1 复合材料概述1.1.定义定义n由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。n有连续相的基体(如聚合物树脂、金属、陶瓷等)与分散相的增强体材料(如各种纤维、织物及粉末填料等)组成的多相体系。第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型2、分类A、按用途分类n结构复合材料：以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。n功能复合材料：以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的
2、功能要求。B、按基体分类金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料C、按增强相分类：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料金属基复金属基复合材料合材料非金属基非金属基复合材料复合材料复合材料复合材料高聚物基高聚物基复合材料复合材料陶瓷基复陶瓷基复合材料合材料树脂基复树脂基复合材料合材料橡胶基复橡胶基复合材料合材料热固性树脂热固性树脂基复合材料基复合材料热塑性树脂热塑性树脂基复合材料基复合材料第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维连续纤维复合材料复合材料不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料层合层合
3、结构结构复合复合材料材料缠绕缠绕结构结构复合复合材料材料颗粒强化颗粒强化复合材料复合材料弥散强化弥散强化复合材料复合材料多向多向编织编织复合复合材料材料短切短切纤维纤维复合复合材料材料晶须晶须复合复合材料材料 颗粒直径范围颗粒直径范围150m，颗颗粒体积含量粒体积含量2570%，增强颗增强颗粒之间的距离一般大于粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用：由于颗粒本身的颗粒的作用：由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强刚硬阻止基体变形而起到增强作用。作用。颗粒直径范围颗粒直径范围0.010.1 m，颗粒体积含量颗粒体积含量115。颗颗粒的作用：阻止基体材料的粒的作用：阻止基体材料的位错运动而起到增强
4、作用。位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维由无纬布或纤维织物铺叠而成织物铺叠而成由纤维粗纱缠由纤维粗纱缠绕或纤维织物绕或纤维织物带按一定缠绕带按一定缠绕规律卷绕而成规律卷绕而成由纤维在三维多由纤维在三维多方向编织而成方向编织而成第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型3、组成：基体材料(连续相)：粘结、保护纤维，并传递应力增强材料(分散相)4、命名方法(1)强调基体 强调了基体材料的种类和特征。如：酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等(2)强调增强体 强调增强材料的种类和性质。如：碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等(
5、3)基体与增强体并用 即同时出现基体材料和增强体材料碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。复合材料结构示意图a)a)叠层复合材料b)b)、d)d)纤维增强复合材料c)c)颗粒增强复合材料3 4 5 10 20 30 40E/r(106cm)钢钢铝铝玻璃玻璃/环环氧氧Al2O3晶须晶须/NiAl2O3晶须晶须/铝铝碳化硼碳化硼/铝铝硼硼/环氧环氧碳碳/环氧环氧铍铍硼硼/钼钼硼硼/镍镍硼硼/铝铝/r(106cm)2 3 4 5 10几种常用材料和纤几种常用材料和纤维增强复合材料比维增强复合材料比强度、比模量的比强度、比模量的比较较(1)组分材料密度都较低；组分材料密度都
6、较低；(2)由于纤维具有很小的直径，其由于纤维具有很小的直径，其内部缺陷要比块状形式的材料少内部缺陷要比块状形式的材料少得多，所以强度较高。得多，所以强度较高。复合材料在飞机上使复合材料在飞机上使用量已作为当代飞机用量已作为当代飞机先进性的指标之一先进性的指标之一第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型二、复合材料的特点n比强度高、比模量高材料名称材料名称材料名称材料名称比比比比强强强强度度度度比模量比模量比模量比模量钢钢钢钢0.130.130.270.27铝铝铝铝0.170.170.260.26玻玻玻玻纤纤纤纤/聚聚聚聚酯酯酯酯CMCM0.530.530.210.21碳碳碳碳纤纤纤纤
7、/环环环环氧氧氧氧CMCM1.031.030.210.21第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型n对缺口和应力集中的敏感性小n阻止疲劳裂纹扩展或改变裂纹扩展路径三种材料的疲劳强度比较第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型n高温性能优良如用碳纤维增强铝合金后，400400时强度和弹性模量基本不变n减振性能好l结构自振频率材料比模量的平方根，避免构件共振l纤维与基体界面吸收振动能量，使振动很快衰减第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型n复合材料既是一种材料又是一种结构n复合材料具有可设计性：可设计性好是复合材料区别于传统材料的根本特点之一n复合材料结构设计包含材料设计
8、：一般情况下结构设计和材料设计一次完成，包括力学设计和功能设计单层的种类单层的种类 (a)无纬单层无纬单层 (b)经纬交织单层经纬交织单层层合结构复合材材料层合结构复合材材料由纤维与基体所组成的单由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成层以不同方向层合而成n复合材料力学性能的特点(1)(1)各向异性性能各向异性性能(2)(2)非均质性非均质性(3)(3)层间强度低层间强度低第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型三、常用增强材料三、常用增强材料1 1、纤维增强材料、纤维增强材料第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型三、常用增强
9、材料2、颗粒增强材料三、增强机制简介1、纤维增强（1）纤维增强机制n与块状材料相比，纤维具有更高的强度和n被基体保护的纤维，不易受损伤，受载时不易产生裂纹，使材料承载能力增大n纤维断裂时，基体能阻止裂纹扩展并改变扩展方向n纤维与基体间适当的界面结合强度，使纤维断裂而从基体中难以拔出第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型（2）纤维增强复合条件n纤维的强度和弹性模量应远高于基体n纤维与基体间应有适当的界面结合强度n纤维的排列方向应与构件受力方向一致n纤维与基体的热膨胀系数应匹配n纤维与基体之间不应发生使结合强度降低的化学反应n纤维所占体积分
10、数、纤维长度L L 和直径d d及长径比L/d L/d 等应满足一定要求第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型2.颗粒增强n高度弥散分布于基体中的增强颗粒使主要承受载荷的基体的强度得到提高n对于金属基体，增强颗粒阻碍基体中位错的运动n对于高聚物基体，增强颗粒阻碍基体中分子链的运动n增强颗粒直径一般在0.010.010.10.1m m 范围时增强效果最好第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型四、复合材料的应用四、复合材料的应用n n在航空宇航领域的应用在航空宇航领域的应用n n在汽车工业及交通运输的应用在汽车工业及交通运输的应用 n n在机械工业的应用在机械工业的应用n n在
11、化学工业的应用在化学工业的应用 n n在建筑领城的应用在建筑领城的应用第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型一、聚合物基复合材料成型工艺1、手糊成型工艺纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温(或加热或加热)、无压、无压(或低压或低压)条件下固化，脱模成制品的工艺方法。条件下固化，脱模成制品的工艺方法。8.2 复合材料成型工艺模具模具准备准备树脂胶树脂胶液配制液配制增强材增强材料准备料准备涂涂脱模剂脱模剂手糊成型手糊成型固化固化脱模脱模后处理后处理检验检验制品制品手糊成型工艺流程手糊成型工艺流程手糊成型工艺流程手糊成型工艺流程第第8 8
12、章章 复合材料及其成型复合材料及其成型2、喷射成型工艺n为改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺的变形。n将混有引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂从喷枪喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。工艺流程玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂引发剂引发剂促进剂促进剂加热加热静态混合静态混合切割切割喷枪喷枪喷射喷射成型成型模具模具辊压辊压固化固化脱模脱模第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型3、模压成型工艺 将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。4、层压工艺 将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。5、缠绕成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。基本纤维缠绕机第第8 8章章 复合材料及其成型复合材料及其成型6、挤出成型工艺n 先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。7、注射成型工艺