复合材料的成型工艺知识讲解课件.ppt
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- 复合材料 成型 工艺 知识 讲解 课件
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1、第九章 复合材料的成型工艺 复合材料复合材料(Composite Material)(Composite Material)是指将两种以上是指将两种以上的不同材料,用物理或化学的方法复合而成的一种新的不同材料,用物理或化学的方法复合而成的一种新材料材料。第九章第九章 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺第一节 复合材料简述一、复合材料基本概念一、复合材料基本概念 复合材料的最大优点,就是它的性能比其组成复合材料的最大优点,就是它的性能比其组成材料要好得多。一方面它可以改善组成材料的弱点,材料要好得多。一方面它可以改善组成材料的弱点,充分发挥其性能优势,例如玻璃和树脂的韧性和强度充分发挥其性能优
2、势,例如玻璃和树脂的韧性和强度都不高,但用它们制成的复合材料都不高,但用它们制成的复合材料-玻璃钢的比强玻璃钢的比强度、比刚度和韧性却很高;另一方面可以根据结构和度、比刚度和韧性却很高;另一方面可以根据结构和受力要求制成预定的性能分布,对材料进行优化设计受力要求制成预定的性能分布,对材料进行优化设计。图图9-19-1为复合材料结构示意图。为复合材料结构示意图。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述1.1.复合材料的分类复合材料的分类(1)(1)按材料的作用分类按材料的作用分类 结构复合材料和功能复合材料结构复合材料和功能复合材料 。(2)(2)按基体材料分类按基体材料分类 树脂基复合材料树脂基
3、复合材料(resin matrix composites-(resin matrix composites-RMC)RMC)、金属基复合材料、金属基复合材料(metallic matrix(metallic matrix composites-MMC)composites-MMC)、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料(ceramic(ceramic matrix composites-CMC)matrix composites-CMC)、水泥基复合材料和碳、水泥基复合材料和碳/碳复合材料等碳复合材料等 。(3)(3)按增强材料的性质和形态分类按增强材料的性质和形态分类 层叠复合材料、细粒复合材料、
4、连续纤维复层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等和骨架复合材料等。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述2.2.复合材料的特点复合材料的特点(1)(1)比强度和比刚度高比强度和比刚度高 (2)(2)抗疲劳性好抗疲劳性好(3)(3)高温性能好高温性能好 (4)(4)减振性能好减振性能好 (5)(5)断裂安全性高断裂安全性高 (6)(6)可设计性好可设计性好 第一节第一节 复合材料简述复合材料简述二、复合材料用原料二、复合材料用原料1.1.增强材料增强材料(1)(1)碳纤维碳纤维(Carbon Fi
5、ber)(Carbon Fiber)(2)(2)硼纤维硼纤维(Boron Filament)(Boron Filament)(3)(3)芳纶芳纶(Aramid Ring)(Aramid Ring)(4)(4)玻璃纤维玻璃纤维(Glass Fiber)(Glass Fiber)(5)(5)碳化硅纤维碳化硅纤维(Silicon Carbide Fiber)(Silicon Carbide Fiber)()晶须晶须(Whisker)(Whisker)2.2.基体材料基体材料 (1)(1)热固性树脂热固性树脂(Thermosetting Resin)(Thermosetting Resin)(2)(2
6、)热塑性树脂热塑性树脂(Thermoplastic Resin)(Thermoplastic Resin)3.3.夹层结构材料夹层结构材料(Sandwich Structure(Sandwich Structure Material)Material)夹层结构一般由两层簿的高强度板和中间夹着一层夹层结构一般由两层簿的高强度板和中间夹着一层厚而轻的芯结构构成厚而轻的芯结构构成。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述三、复合材料的增强机制和复合原则三、复合材料的增强机制和复合原则1.1.增 强 原 理增 强 原 理(T h e P r i n c i p l e o f(T h e P r i n
7、 c i p l e o f Reinforcement)Reinforcement)复合材料的复合不是由基体和增强两种材料简单复合材料的复合不是由基体和增强两种材料简单的组合而成,而是两种材料发生相互的物理、化学的组合而成,而是两种材料发生相互的物理、化学、力学等作用的复杂组合过程。、力学等作用的复杂组合过程。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述2.2.复合原则复合原则(Rule of Mixtures)(Rule of Mixtures)以纤维增强复合材料为例,说明复合材料的以纤维增强复合材料为例,说明复合材料的复合原则。复合原则。(1)(1)复合材料中基体起粘结作用,因而基体必须复合材
8、料中基体起粘结作用,因而基体必须具备如下特点:具备如下特点:1 1)对纤维具有好的润湿性,从而使基体与增)对纤维具有好的润湿性,从而使基体与增强材料间具有较强的结合力,使分离的纤维粘为强材料间具有较强的结合力,使分离的纤维粘为一个整体,保证纤维的合理分布。一个整体,保证纤维的合理分布。2 2)基体应具有较好的塑性和韧性,能够延缓)基体应具有较好的塑性和韧性,能够延缓裂纹的扩展。裂纹的扩展。3 3)基体能够很好地保护纤维表面,不产生表)基体能够很好地保护纤维表面,不产生表面损伤、不产生裂纹面损伤、不产生裂纹。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述(2)(2)增强材料是承载的主要部分,因而纤维必须
9、增强材料是承载的主要部分,因而纤维必须具有很高的强度和刚度。具有很高的强度和刚度。(3)(3)增强材料与基体有好的结合强度。增强材料与基体有好的结合强度。(4)(4)在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直径和分布。径和分布。(5)(5)纤维和基体应有相近的热膨胀系数。纤维和基体应有相近的热膨胀系数。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述四、复合材料的失效四、复合材料的失效(Failure of(Failure of Composite)Composite)复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。复合材料的失效一般是指其疲劳破坏过程。1.1.制造加工损伤制造加
10、工损伤 此种损伤产生初始缺陷。,它包括:纤维铺设此种损伤产生初始缺陷。,它包括:纤维铺设不均,扭结、死扣等,树脂不均;纤维切断、错排不均,扭结、死扣等,树脂不均;纤维切断、错排;固化不足;有孔隙、气泡;材质污染等。;固化不足;有孔隙、气泡;材质污染等。2.2.使用引起的损伤使用引起的损伤 此种损伤导致缺陷发展。它包括:树脂裂纹或此种损伤导致缺陷发展。它包括:树脂裂纹或老化;分层;纤维断裂;振动较大导致的纤维断裂老化;分层;纤维断裂;振动较大导致的纤维断裂;温度变化较大;机加工产生内应力;碰撞等。;温度变化较大;机加工产生内应力;碰撞等。第一节第一节 复合材料简述复合材料简述第二节 金属基复合材
11、料(MMC)成形工艺 (1)(1)固态法固态法 固态法是指基体处于固态下制造金固态法是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。属基复合材料的方法。(2)(2)液态法液态法 液态法是指基体处于熔融状态下制液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。造金属基复合材料的方法。(3)(3)其他制造方法其他制造方法 主要包括原位自生成法、物主要包括原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法、复合镀法等、复合镀法等。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)(MMC)成形工艺成形工艺一、固态法一、固态法 1.1.扩散黏结法
12、扩散黏结法(Diffusion Bonding)(Diffusion Bonding)如如图图9-29-2所示,扩散黏结是一种在较长时间所示,扩散黏结是一种在较长时间、较高温度和压力下,通过固态焊接工艺,使同、较高温度和压力下,通过固态焊接工艺,使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。工艺方法。2.2.形变法形变法(Plastic Forming)(Plastic Forming)形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特形变法就是利用金属具有塑性成型的工艺特点,通过热轧、热拉、热挤压等加工手段,使已点,通过热轧、热拉、热挤压等加工手段,使
13、已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。料进一步加工成板材。3.3.粉末冶金法粉末冶金法(Powder Metallurgy Method)(Powder Metallurgy Method)如如图图9-39-3所示,粉末冶金法是一种用于制备所示,粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强与成形颗粒增强(非连续增强型非连续增强型)金属基复合材料金属基复合材料的传统固态工艺法。的传统固态工艺法。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)(MMC)成形工艺成形工艺二、液态法二、液态法 1.1.液态金属浸润法液态金属浸润法 液态
14、金属浸润法的实质是使基液态金属浸润法的实质是使基体金属呈熔融状态时与增强材料浸润结合,然后凝固成体金属呈熔融状态时与增强材料浸润结合,然后凝固成型。型。(1 1)挤压铸造法)挤压铸造法(Squeeze Casting)(Squeeze Casting)挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。件中制造复合材料的方法。(2)(2)真 空 压 力 浸 渍 法真 空 压 力 浸 渍 法(V a c u u m P r e s s u r e(V a c u u m P r e s s u r e Infiltration)Infi
15、ltration)如如图图9-9-所示,真空压力浸渍法是在真空和高压惰所示,真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下,使熔融金属浸渗入预制件中制造性气体的共同作用下,使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法。金属基复合材料的方法。(3)(3)液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法(Stir-Casting Method of(Stir-Casting Method of Liquid Metal)Liquid Metal)液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接加入金属液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接加入金属熔体中,通过搅拌使颗粒均匀分散,然后浇铸成型制成熔体中,通过搅拌使颗粒均
16、匀分散,然后浇铸成型制成复合材料制品的方法复合材料制品的方法 。第二节第二节 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)(MMC)成形工艺成形工艺 2.2.井喷沉积法井喷沉积法(Spray Co-Deposition)(Spray Co-Deposition)井喷沉积法是运用特殊的喷嘴,将液态金井喷沉积法是运用特殊的喷嘴,将液态金属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的液态金属流,将增强相颗粒加入到雾化的金的液态金属流,将增强相颗粒加入到雾化的金属流中,与金属液滴混合在一起并沉积在衬底属流中,与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上,凝固形成金属基复合材料的方法
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