第7章 复合材料及其成形 Composite Material and Its Forming

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1 第7章 复合材料及其成形 Composite Material and Its Forming
适用班级：090108班 主讲教师：李 明 二〇一一年四月

2 复合材料是将两种或两种以上成分不同、性质不同的材料组合在一起，构成性能比各组成材料优异的一类新型材料。
7.1 复合材料成形概述 复合材料是将两种或两种以上成分不同、性质不同的材料组合在一起，构成性能比各组成材料优异的一类新型材料。 复合材料由两类物质组成：一类为形成几何形状并起粘接作用的基体材料，如树脂、陶瓷、金属等；另一类为提高强度或韧性的增强材料，如纤维、颗粒、晶须等。 根据基体的不同，复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等。 复合材料的成形工艺主要取决于复合材料的基体，一般情况下，其基体材料的成形工艺方法也常常适用于以该类材料为基体的复合材料，特别是以颗粒、晶须及短纤维为增强体的复合材料。

3 7.2.1 树脂基复合材料成形 1.热固性树脂基复合材料的成形 热固性树脂基复合材料以热固性树脂为基体，以无机物、有机物为增强材料。
7.2 常用复合材料成形工艺 7.2.1 树脂基复合材料成形 1.热固性树脂基复合材料的成形 热固性树脂基复合材料以热固性树脂为基体，以无机物、有机物为增强材料。 （1）手糊成形

4 （5）缠绕法成形 （2）喷射成形 （3）层压成形 （4）铺层法成形 1-树脂罐与泵 2-纤维 3-喷枪 4-模具 片状增强材料树脂
表面干燥处理 浸渍 烘干 剪裁 叠块 层压 脱模 整修 （4）铺层法成形 （5）缠绕法成形

5 （6）模压成形 （7）离心浇注成形 （8）挤拉成形

6 热塑性树脂基复合材料由热塑性树脂和增强材料组成。 热塑性树脂基复合材料成形时，基体树脂不发生化学变化，而是靠树脂的物理状态的变化来完成。
2.热塑性树脂基复合材料的成形 热塑性树脂基复合材料由热塑性树脂和增强材料组成。 热塑性树脂基复合材料成形时，基体树脂不发生化学变化，而是靠树脂的物理状态的变化来完成。 其过程主要由加热熔融、流动成形和冷却硬化三个阶段组成。 已成形的坯件或制品，在加热熔融后还可以二次成形。 粒子及短纤维增强的热塑性树脂基复合材料可采用挤出成形、注射成形和模压成形，其中，挤出成形和注射成形占主导地位。

7 7.2.2 金属基复合材料成形 1.颗粒增强金属基复合材料成形 （1）粉末冶金法
先将金属粉末或预合金粉末和增强相均匀混合，然后压制成锭块或预制成形坯，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材或零件的方法，是制备金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基复合材料的主要工艺方法。 （2）铸造法 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的成形法。 （3）加压浸渍法 多孔预成形坯体→置位→浇注并加压→冷却凝固→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7-8为加压浸渍工艺示意图。 （4）挤压或压延成形法。 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，获得棒材、型材和管材的方法。

8 2.纤维增强金属基复合材料成形 1）扩散结合法 按制件形状及增强方向要求，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，获得制件的成形法，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。图7-9为扩散结合法示意图。 图7-9 扩散结合法示意图

9 （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的方法，如图7-10所示。常用于连续制取圆棒、管子和其它截面形状的型材，而且加工成本低。 （3）等离子喷涂法 在惰性气体保护下，等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属微粒子。 图7-10 熔融金属渗透法示意图

10 层合金属基复合材料是由两层或多层不同金属相互紧密结合组成的材料，可根据需要选择不同的金属层。
3.层合金属基复合材料成形 层合金属基复合材料是由两层或多层不同金属相互紧密结合组成的材料，可根据需要选择不同的金属层。 （1）轧合 将不同的金属层通过加热、加压轧合在一起，形成整体结合的层压包覆板。包覆层金属的厚度范围一般是层压板厚度的2.5％～20％。 （2）双金属挤压 将由基体金属制成的金属芯，置于由包覆用金属制成的套管中，组装成挤压坯，在一定压力、温度条件下挤压成带无缝包覆层的线材、棒材、矩形和扁型材等。 （3）爆炸焊合 利用炸药爆炸产生的脉冲高压对材料进行复合成形的方法，通常用于将两层或多层的异种金属板、片、管与增强相结合在一起形成复合板材或管材。

11 7.2.3 陶瓷基复合材料成形 陶瓷基复合材料的成形方法分为两类，一类是针对陶瓷短纤维、晶须、颗粒等增强体，其成形工艺与陶瓷基本相同，如料浆浇铸法、热压烧结法等；另一类是针对碳、石墨、陶瓷连续纤维增强体，其成形工艺常采用料浆浸渗法、热压烧结法和化学气相渗透法。 粉末冶金法 又称为压制烧结法或混合压制法，广泛应用于制备特种陶瓷以及某些玻璃陶瓷。 方法：陶瓷粉末+增强材料+粘接剂混合→冷压制成所需形状→烧结或直接热压烧结制成陶瓷基复合材料。前者称为冷压烧结法，后者称为热压烧结法。 料浆浸渗法 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。 该方法与粉末冶金法的不同之处在于混合体采用浆料形式，其优点是不损伤增强体，工艺较简单，无需模具；缺点是增强体在陶瓷基体中的分布不大均匀。

12 料浆浸渍热压成形法 将纤维或织物增强体置于制备好的陶瓷粉体浆料里浸渍，然后将含有浆料的纤维或织物增强体布成一定结构的坯体，干燥后在高温、高压下热压烧结为制品。 浆料浸渍热压法的优点是加热温度比晶体陶瓷低，不易损伤增强体，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率较低，获得的强度高；而且该方法采用的工艺比较简单，无需成形模具，能生产大型零件。缺点是不能制作形状太复杂的零件，基体材料必须是低熔点或低软化点的陶瓷。 化学气相渗透工艺 又称CVI法，是将增强纤维编织成所需形状的预成形体，并置于一定温度的反应室内，然后通入某种气源，在预成形体孔穴的纤维表面上产生热分解或化学反应沉积出所需陶瓷基质，直至预成形体中各孔穴被完全填满，获得高致密度、高强度、高韧性的制件。

13 7.3 复合材料在工业设计中的应用 1.“隐者”螺形小桌

14 2.自行车手把包带 3.“飞船”旋转扶手椅

15 4.座椅和长条凳 5.小桥

16 6.空中客车A380 7.华硕F9F笔记本

17 8.梅赛德斯SLR 9.美格终结者系列 10.Osorom公共场所座椅

18 7-1 试述热固性树脂基复合材料成形的主要方法。 7-2 试述金属基复合材料成形的主要方法。 7-3 陶瓷基复合材料的成形方法主要有哪些？
复习思考题 7-1 试述热固性树脂基复合材料成形的主要方法。 7-2 试述金属基复合材料成形的主要方法。 7-3 陶瓷基复合材料的成形方法主要有哪些？ 7-4 举例说明复合材料在工业设计中的应用。 18

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