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1、常用复合材料制品的成形 一、纤维增强复合材料及其成形工艺 玻璃纤维树脂复合材料(俗称玻璃钢) 玻璃钢有较高的比强度,其值超过铜、铝合金,甚至超过钢。 它的耐蚀性和介电性能优良,故在电气、机械石油化工等工程上 得到广泛应用。 根据树脂的不同,可把玻璃钢分为热固性玻璃钢和热塑性玻 璃钢（玻璃塑料）。玻璃塑料比未增强的塑料,其强度提高23 倍,抗蠕变能力提高25倍,冲击韧性提高24倍,耐热性显著提高。 玻璃塑料主要用于制造各种仪表盘、收音、录音机机壳， 电气元件,代替有色金属制造精密的轴承座、轴承和齿轮等零件。 1纤维增强树脂复合材料及其成形工艺 1）种类及用途 此类复合材料比重轻、比强度、比弹性模
2、量大(大于钢),冲 击 韧性好；摩擦系数小,耐水温、化学稳定性、导热性高，耐X射 线 能力强；其强度优于玻璃钢；但价格较贵。 碳纤维树脂复合材料 主要用于宇航和航空工业,如制造压气机叶片、直升飞机转轴； 螺旋浆叶片、仪表盘、转子等零件。 硼纤维树脂复合材料 主要用于宇航、人造卫星、 火箭发动机的壳体、机架、天 线构架等零件生产及轴承、齿轮、活塞、密封圈、化工零件等耐 磨、减摩、耐蚀的零件材料。 这类复合材料的基体和纤维之间粘接性能好；压缩强度、剪 切强度、硬度高、钢性好。稳定性、导电、导热性较好。但硼纤 维制造成本高。 2）成形方法及工艺过程 原理及工艺过程: 此法设备简单,生产成本 低；对制
3、品形状的适应性较 好；制品质量、尺寸不够稳定；生产率低。 主要用于大型整体件的制造(如汽车顶、雷达罩、船体等)。 应用： 特点: 在成形模具上先涂刷一 层加入固化剂的树脂,贴上一 层纤维组织物，用刷子刷平 后再涂上一层树脂，又贴上 一层纤维，直至达到所需要 的厚度为止。然后施加一定 的压力, 在2550温度范围 内固化成形，脱模。 A 手糊法 B 缠绕法 将浸渍树脂的纤维按一定 规律缠绕在芯模上,经固化制成 所需要的构件。 设备简单；易于实现机械 化,生产率高；产品质量稳定； 形状局限性大。 应用： 常用于成形球形，圆筒形 等回转壳体类构件。 特点: 原理及工艺过程: 增强纤维1经过张力 棍、
4、纤维导辊、进入树脂槽后， 被缠在模具上，并在一定温度 (25120)下固化 成形，脱 模后即得所需制品。 其过程为： C 模压法 将模压料(胶布、纤维预浸料、预成形坯等)置于模具中,借 助于一定的温度、压力压制所需要的形状、尺寸，再固化成 形。 生产效率高；产品结构致密，尺寸精确，质量稳定；二 次加工量小。模具设计、制造复杂，投资大。 适用于在常温下能固结的树脂为基的中、小型、大批量玻 璃钢制品(如玻璃钢阀门) 应用： 特点： 原理及工艺过程: D 喷射法 它是利用压缩空气将树脂,硬化剂和短纤维同喷到模具表 面, 经过辊压压实,排除气泡后于2550温度范围内固化,即得 所需制品。 可制备无缝、
5、异形 制品，适应性强；生产 率高。劳动条件较差， 污染较大。操作控制较 严。 喷射法可用来成形 船体、浴盆、汽车车身、 容器等；适于生产大尺 寸制品和大批量生产。 原理及工艺过程： 特点： 应用： E 注射和挤压成形 原理及工艺过程与塑料加工方法相同。将粒状或粉状塑料 以及短纤维混合料 送入注射机或挤出机，通过模具注射或挤 出成形。 注射或挤出成形适用于短纤维树脂复合材料制品的生产。 应用： 原理及过程： 2纤维增强金属复合材料及成形工艺 1）种类及用途 这种复合材料较单一金属或合金具有高的热强性和热弹性 模量，高的耐磨性。可用于飞机发动机风扇叶片，耐压容器、 防弹钢板、轴承材料等。 这类复合
6、材料具有高的比模量、比强度、疲劳极限、热稳 定性。 这类复合材料的纤维和基体之间润湿性好，易于制造；其 强度、高温强度和弹性模量很高，而且还有高的韧性和塑性。 钨、钼等增强镊钛合金复合材料 硼纤维增强铝、镁、钛及其合金等复合材料 碳纤维增强铝、镁等复合材料(碳铝、镁及合金) 此类材料在宇航、航天、火箭技术中有重要用途。但因硼 纤维制造成本高，应用范围受到一定限制。 此种材料可用于飞机上许多重要耐热结构件的制造。如火 箭推进器，喷气发动机，蜗轮机，压气机中的密封元件。超音 速飞机。 2）成形方法及工艺过程 A 浸铸法 原理： 用液态金属浸铸纤维成形法原理 如图所示。纤维按一定方向进入熔融 液态金
7、属中。经过冷却成形圈被拉出。 形成所需形状的制品。 特点： 此种方法能够连续生产棒材。 生产效率高，成本低。常用于生产 铝、镁等低熔点金属为基的纤维增 强复合材料。 B 热压扩散结合法(热扩散焊接法) 原理及工艺过程： 利用静压力扩散结合，若条件适当有可能不损失纤维的力 学性能，并有良好的结合界面；工艺参数易于精确控制，纤维 在制件中的空间位置可按构件受力情况进行精细铺排，制件质 量好。 但是由于型模加压的单向性，此工艺限于制作形状较为简 单的板材，如铝合金纤维增强板材及某些型材或叶片等制件。 特点： 按制件形状、纤维体积密度及增强方向的要求， 将金属基复合材料预制条带及基体金属箔或粉末布，经
8、剪 裁、铺设、叠层、组装，然后在低于复合材料基体金属的熔点 温度下加压并保持一定时间，基体金属产生蠕变与扩散，使纤 维与基体间形成良好的界面结合，得到复合材料制件。 工艺过程为： 在高温下施加静压力,使纤维与基体扩散结合在一起的方法。 C 喷涂法 将高温熔融金属喷涂到纤维上，待金属冷凝后将纤维粘结 成形的方法，称为喷涂成形法，其中的等离子喷涂是最有发 展前途的一种喷涂法。 原理及工艺过程： 在惰性气体保护下，等离子弧迅速将金属粉末熔化，并随 等离子流从等离子喷枪喷向整齐排列于心轴的纤维上。 熔融金属粒子与纤维结合紧密，纤维与基体的界面接触较 好，且微粒子在离开喷嘴后是急速冷却的，因此几乎不与纤
9、维 发生化学反应。此外，还可以采用一边向纤维喷涂熔融金属微 粒子，一边把纤维缠绕在芯模上的缠绕作业。 将短纤维与粉末金属混合，然后在烧结温度下进行热压。 特点： D 粉末冶金法 等离子喷涂法成形的制品比较疏松，在喷涂成形后还应进 行一次热压成形，以提高制品的密度和尺寸的精确度。 3纤维增强陶瓷复合材料 石墨纤维增强陶瓷复合材料，性能优良，如耐1400C 高温，比强度、比模量高。CSiC已用作喷气发动机的涡 轮叶片、内燃机的部份零件。 这类材料的代表是W、Mo丝Al203、ZrO。它们之间 结合紧密,不发生化学反应,其高温强度、热稳定性、韧性、 耐蚀性都较单一金属或陶瓷有较大的改善。这类材料主要
10、应 用于要求高温强度，热稳定性，冲击韧性高，又耐急冷急 热的飞机、火箭等构件的制造。如火箭喷管喉部前锥体， 隔热层，密封垫等零件的制造。 金属纤维陶瓷复合材料 1）种类及用途 碳纤维陶瓷复合材料(CSiC) 2）成形方法及工艺过程 将纤维分散在陶瓷泥浆中，然后浇铸在石膏模中，干燥后 脱模再进行焙烧。此法工艺简单，制品不受形状限制，成本低 但制品致密度较低。 纤维或其织物浸渗基体（陶瓷浆料）后，放入模具中在高 温、高压下成形。高压基体填充织物空隙，增加了制品密度和 提高了力学性能。 泥浆浇铸法 热压法 这是以一种或多种增强颗粒均匀分散在基体材料内而制成 的复合材料。 在Al液中加入颗粒状石墨，经
11、浇注可制成具有优良减摩、 消振的颗粒增强复合材料。它是优良的新型轴承材料。 最常见的颗粒增强复合材料有： 1定义、种类、用途 增强相为氧化物（Al203、MgO、BeO、ZrO）和碳化物 （TiC、WC、SiC）。基本材料通常是Fe、Co、Mo、Cr、Ni、 Ti等金属。它是优良的切削刀具、磨具材料。如硬质合金刀具。 1）金属陶瓷 二、颗粒增强复合材料及成形工艺 2）石墨铝（Al） 成形方法及工艺过程 将增强颗粒均匀分散浸铸熔融金属后，再进行浇铸成形， 可直接生产机器零件。如轴承等。 挤压成形就是利用挤压机使短纤维晶须及颗粒增强复合材 料坯料，发生塑性变形，制取棒材、型材和管材的工艺方法。 一
12、般在加压状态下进行。 压铸成形是在高压下将液态金属或金属基复合材料注射进 入铸型，凝固后成形的铸造工艺方法。应用压铸工艺可制得尺 寸精度高，表面质量好的复合材料铸件。 主要用于可重熔颗粒增强铝、镁、锌基合金复合材料（可 按普通合金压铸工艺浇铸零件）和陶瓷颗粒增强合金复合材料 的制件。 适用范围：压铸法是一种适合大批量生产的工艺方法， 主要用于汽车、摩托车等零件的生产。 铸造法： 挤压成形法 压铸成形法 将增强颗粒材料和金属基体粉末混合，然后压制、烧结成 形。 粉末冶金法 将液态或半液态颗粒增强金属基复合材料在压力作用下充 满铸型和凝固的铸造工艺方法。 挤压铸造成形法（液态模锻） 由于在零件成形
13、和凝固过程中，铸型加压部分或冲 头处于可移动状态， 故可使零件在压力下结晶，并产生一定程 度的变形，可获得细密的组织和较高的力学性能。 主要用于制造形状简单而性能、质量要求高的复合 铸件。如可重熔颗粒增强铝合金铸件。 特点： 应用： 三、叠层复合材料及成形工艺 由两层或两层以上的不同材料复合成叠层材料。 此类叠层复合材料典型代表有钢与锡基巴氏合金、普通 钢表面镀铬、普通钢不锈钢叠层复合钢板等。可提高基体 耐磨、耐蚀等能力。 、双金属叠层复合材料及成形工艺 1）种类及用途 双金属叠层复合材料主要用于制作耐磨、耐蚀的结构件。 如滑动轴承，化工容器、医药器械等。 2）成形方法及工艺过程 将两种液态合
14、金浇入高速旋转的铸型中，在其离心力的 作用下，根据各自比重不同而受离心力大小不同而分层充填 铸型并结晶，从而获得铸件的一种方法。 此法主要用于生产管、套类另件。如钢与锡基巴氏合金 制作的双金属轴承套。 利用喷枪将具有耐高温、耐磨、耐蚀等特殊性能的高温 熔融金属喷涂到普通金属表面上，得到一层耐热、耐蚀、耐 磨或具有其它特殊性能的复合层。 此法主要用于制作表面有特殊性能要求的机械零件。如模 具、量具、不锈钢器具等只需表层（0.030.5mm）耐磨、耐 蚀等特殊要求的零件。 在基体表面覆上一层具有特殊性能的其他金属的方法还有 电镀法，化学气相沉积等。 离心铸造 喷涂法 将包覆用的金属和基体金属组装成
15、挤压坯，在一定压力、 温度条件下挤压成材。这种技术特别适合于制造连续的长线材 、棒材和矩形扁型材以及无缝包层的核燃料部件和缆索。 挤压过程是金属芯通过导孔进入挤压室，加热的包覆金属 在挤压室中被挤压包覆在金属芯上，并从挤压模的出口挤出。 双金属挤压 塑料-金属叠层复合材料 酚醛环氧层压板上覆一层铜箔，用作印刷线路板；普通钢 板上覆一层聚氯乙烯塑料，用作耐腐蚀材料；聚四氟乙烯塑料 、 多孔铜和钢叠合组成的复合材料用于制造自润滑轴承是这类复 合材料的典型例子。 这类材料的成形通常是采用涂覆与压制相结合的方法。 （如在多孔铜薄板上喷涂一层0.050.3mm厚的聚四氟乙烯塑 料再与一定厚度的钢板叠合，
16、多孔铜作中间层，然后放入压 机加热加压成叠合层板。 成形方法及工艺过程 种类及用途 覆铜箔印刷线路板的成形是将浸渍过的酚醛胶纸或胶布， 按压制厚度要求配叠成板坯，在板坯的一面或两面层放上经阳 极化及上胶的铜箔，配成叠合本，然后放入液压机的热板间加 热加压而制成。 夹层结构复合材料 种类及用途： 这类材料由两层强而薄的面板，一层或多层厚、轻而弱的 芯层复合而成。面板的作用是提高复合材料的强度、表面光洁 度，通常用金属、玻璃板、增强塑料板制成。芯层一般由比重 较轻的木屑、石棉、金属箔、玻璃钢、泡末塑料等制成实心或 蜂窝格子结构。此类材料比重小，重量轻，有一定的刚度和抗 压稳定性；能得到隔音、绝热、绝缘等特殊性能。故在航空、 机械、运输、建筑等部门得
