复合材料及其成型技术

1.什么是复合材料？简述复合材料的特点与应用。 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： ①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构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 ②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。 ③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。 ④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）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。适宜我国乡镇企业的发展。且工艺简单、生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产。易于满足产品设计需要，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：①可以制造两面光的制品；②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）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④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；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。 (4)模压成型。优点：①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。②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。 ③相同吨位的压机可以成型较大平面的制品。④模压成型工艺成熟，生产过程易于控制。 缺点：①生产周期长，生产效率低。②较难实现生产自动化，因而劳动强度大。 ③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。 （6）缠绕成型工艺。纤维缠绕成型的优点 ①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；②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40～60%；③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；④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；⑤成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（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 ①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；②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：①可以制造两面光的制品；②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）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④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；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。 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（0.5～1.5P·s），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（80～130℃），防止损伤玻璃钢模具； （3）固化时间短，一般凝胶时间为5～30min，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； （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。