《复合材料工艺及设备 (2)讲义教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料工艺及设备 (2)讲义教材（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、复合材料工艺及设备,主讲人：董抒华,目 录,1 绪论 2 手糊成型工艺及设备 3 夹层结构成型工艺及设备 4 模压成型工艺 5 模压成型模具与液压机 6 层压工艺及设备,7 缠绕成型工艺 8 缠绕设备 9 无机非金属基成型工艺及设备,目 录,文库专用,5,9.1 概述,9.1.1 发展概况,无机非金属基复合材料，通常是指各种类型的纤维（或晶须）为增强材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体，通过不同的成型方法复合而成的一类新型的多相固态材料。,文库专用,6,传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，如抗腐蚀、耐高温等。这使得许多行业的科学家都对它情有独钟，然
2、而，它也有质脆、经不起热冲击的弱点，又使它的应用范围受到了一定的限制。,文库专用,7,无机非金属材料复合材料,特性：,1、能承受高温，强度高,2、具有电学特性,3、具有光学特性,4、具有生物功能,文库专用,8,文库专用,9,F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。,文库专用,10,文库专用,11,1 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite）发展概况,陶瓷具有高硬度、高强度、耐高温和耐腐蚀等十分突出的优秀性能，但它又有脆性的缺点，这限制了它的更
3、广泛应用。工艺上采取陶瓷纤维加入陶瓷基质的办法，来增大它的韧性，取得有效的结果，既达到增韧又不降低强度。现在已经可以满足12001900高温范围内使用的要求。,文库专用,12,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。 其复合材料的类型如图所示。,文库专用,13,不同增强材料的陶瓷基复合材料,连续纤维,片状或层状纤维,文库专用,14,陶瓷基复合材料中，提高强度不是其目的，最主要的是提高其韧性。,炭纤维和陶瓷纤维（晶须）增强陶瓷基复合材料有较高的韧性。但炭纤维和陶瓷基体之间相容性较差，且其成本高。所以重点研究和开发陶瓷纤维（晶须）增强
4、陶瓷基复合材料。,文库专用,15,所用的陶瓷纤维（或晶须）有SiC、Si3N4和Al2O3等。,陶瓷基复合材料主要有四大系列：Al2O3-ZrO2系列；SiC-SiC系列； Si3N4系列；SiC- Si3N4系列。其成型方法有：烧结法、热压法、反应烧结法、化学气相沉积法和浸渍法等。,文库专用,16,氧化锆陶瓷刀具,氧化锆陶瓷刀具,文库专用,17,2. 水泥基复合材料（Glassfiber Reinforced Cement）发展概况,1964年，丹麦Krenchel博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料的机理。 1967年英国的Majumdar试制成功含锆的抗碱玻璃纤维，并研究
5、了抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆，取得了专利。 1971年此种复合材料开始小规模生产。,文库专用,18,我国在50年代曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆。进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥。,纤维增强水泥基复合材料的纤维种类有：石棉纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、炭纤维、Kevlar纤维和植物纤维等。,文库专用,19,成型工艺方法：喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法、离心法、抄取法和流浆法。,文库专用,20,二、陶瓷基和水泥基复合材料性能及其应用,1.陶瓷基复合材料性能及应用,文库专用,21,稀土离子掺杂YAG透明 陶瓷的显微结构,无压烧结氮化硅陶瓷材料
6、 的显微结构,文库专用,22,碳化物陶瓷制品（SiC密封件、SiC轴承球、SiC燃烧室）,Si3N4及陶瓷制品,文库专用,23,2. 水泥基复合材料性能及应用,特点：轻质高强、具有良好的断裂韧性。,增强材料：石棉纤维、玻璃纤维和有机合成纤维等。,（1）玻璃纤维增强水泥的性能及应用,广泛用于建筑物中。,文库专用,24,文库专用,25,文库专用,26,文库专用,27,文库专用,28,（2）石棉水泥基复合材料性能及应用,由于石棉粉尘的危害性，使其应用受到了限制。 主要应用：石棉瓦、石棉水泥管。,文库专用,29,（3）钢纤维水泥复合材料性能及应用,钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。
7、通常称为“钢纤维增强混凝土”（Steel Fiber Reinforced Concrete）。,主要应用领域：隧道、巷道、机场跑道、桥梁、高速公路等。,文库专用,30,（4）聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用,是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。统称为聚丙烯纤维增强混凝土（Polypropylene Fiber Reinforced Concrete）。,特点：抗冲击强度增大、韧性增高。,主要应用领域：可做半承重的预制品，还可用于现场浇注、地板和复合楼板等。,文库专用,31,9.3 陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料发展现状 陶瓷基复合材料所用原材料 陶瓷基复合材料成型工艺及设备 连续纤维增强
8、陶瓷基复合材料生产工艺,文库专用,32,重点： 陶瓷基复合材料纤维（晶须）与基体间的相容性；低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则；陶瓷基复合材料成型方法及烧结原理。,文库专用,33,难点： 低温制备技术；陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则；陶瓷基复合材料烧结过程及原理。,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,文库专用,35,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。,文库专用,36,我国在20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料研究，取得了一系列创新性成果。纤维补强陶瓷基复合材料在我
9、国独创性地应用于战略导弹上，被列入为定型产品，并另被应用于各类卫星天线窗的保护框上。,文库专用,37,假如一辆普通的汽车在沙漠中行驶，在零部件不坏的前提下最怕遇到什么问题？,文库专用,39,近十年来，我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，研制成功一系列新的陶瓷材料，并带出许多应用。,广州本田新雅阁发动机,“枭龙”战斗机,发动机,文库专用,41,2004年3月我国国防科技工业领域惟一的女院士、西北工业大学教授张立同率领的科技创新团队，以“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究”荣获国家技术发明一等奖。,氮化硅与碳化硅基陶瓷材料应用于机械密封、金属加工切削和金属冶炼工业中。氧化铝、氧化锆基增
10、韧陶瓷部件应用于集成电路基片、光纤连接器关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域。,文库专用,43,不足： 与其他复合材料相比，陶瓷基复合材料的发展较慢。,原因：制备工艺复杂；缺少耐高温的纤维。,文库专用,44,研究方向： 主要集中于纤维与基体之间的相容性；低温制备技术；纤维表面处理技术。,文库专用,45,(1)要大力提高陶瓷纤维或晶须的性能。,1. 纤维（晶须）与晶体间的相容性,(2)必须考虑纤维或晶须与基体在化学上和物理上的相容性。,文库专用,46,低温制备技术的研究，近年来十分活跃。,2. 低温制备技术,文库专用,47,目的：主要改善纤维（晶须）与基体在物理上和化学上的相容性，提高纤维（晶
11、须）与基体的结合强度，减少或避免纤维与基体之间的有害化学反应的发生，从而提高复合材料的性能。,3. 纤维（晶须）表面处理技术,文库专用,48,常用的表面处理方法有：化学气相沉淀、化学气相浸渍、化学反应沉积、熔态浸渍、等离子喷涂、电镀和化学镀等。,文库专用,49,原材料如何？,文库专用,50,1. 增强材料,陶瓷基复合材料所用增强材料 有：Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2等氧化物晶须和Si3N4、SiC、TaC和BN等非氧化物晶须。 所用纤维有C纤维、B纤维、SiC纤维、BN纤维和Al2O3纤维等。,9.3.2 陶瓷基复合材料所用原材料,文库专用,51,晶须放大照片,碳化硅晶须样
12、品,文库专用,52,2. 基体材料,常用的有SiC、Si3N4、 Al2O3、C、BN、 ZrO2、MgO和SiO2等。,碳化硅（SiC）是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。,2. 基体材料,文库专用,53,碳化硅陶瓷的特点 高温强度高，在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa，而其它陶瓷材料到12001400 时强度水平显著降低。 具有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。 具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性能。,碳化硅,文库专用,54,强度高，反应烧结氮化硅室温抗弯强度为200 MPa，到1200-1350仍保持较高强度。热压
13、氮化硅室温抗弯强度可达500 MPa。 抗热震性能和抗高温蠕变性能比其它陶瓷材料好； 硬度高，摩擦系数低，为0.1-0.2，是一种极其优良的耐磨材料； 具有自润滑性，可在无润滑的磨损条件下工作；,氮化硅陶瓷的特点,文库专用,55,具有良好的耐腐蚀性能，除HF外，可耐所有无机酸和某些碱性溶液的腐蚀； 可抵抗熔融有色金属的侵蚀； 抗氧化温度高达1000 ； 良好的电绝缘性能。,文库专用,56,3. 陶瓷纤维（晶须）与陶瓷基体复合过程中的匹配原则,（1）增强材料弹性模量要高。 （2）增强材料和基体材料热膨胀系数相近。 （3）在制造过程中，应避免纤维或晶须与基体在高温处理时两者发生化学反应。 （4）确
14、保增强材料与基体材料界面之间的结合强度。,文库专用,57,工艺如何？,文库专用,58,9.3.3 陶瓷基复合材料成型工艺及设备,陶瓷基复合材料的成型方法主要有：注浆法、浸渍法、气相沉积法和热压法等。,陶瓷和粉末冶金工艺通常包括粉末制备、坯块成型和烧结工艺三个工序。,文库专用,59,1. 注浆成型（Slip Casting）,注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低；此法易于成型大尺寸、外形复杂的薄壁部件。,注浆成型包括石膏模制做、粉浆制备和粉浆浇注。注浆成型的关键是浆料的制备。在制备浆料时，需要加入分散悬浮剂、粘结剂、除气剂和滴定剂。,文库专用,60,成型过程：将物料和水
15、经研磨后制成一定浓度的悬浮粉浆，注入具有所需形状的石膏模具，空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出；拆开模具取注件，干燥，烧结。,文库专用,61,注浆成型工艺过程,注浆成型研究论文,文库专用,62,为缩短吸浆时间，提高注件质量，可采用压力注浆、离心注浆和真空注浆。,离心成型（Centrifugal casting）也称为离心注浆成型。是将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成型，较适合于空心柱状部件，不足之处是坯体的密度沿离心方向变化。,文库专用,63,2. 压力渗滤工艺(Pressure filtration)和离心成形(Centrifugal cas
16、ting),压力渗滤工艺综合了注浆和注射工艺的优点，可得到异形的复合材料制品，可避免超细粉或晶须在整个制备过程中发生团聚和再团聚现象。特别适合于晶须增韧陶瓷基复合材料的成型。,文库专用,64,压力渗滤法生产过程： 首先将晶须(短切纤维)预成型为坯件，然后经表面处理，置于石膏模具中，在压力作用下使料浆充满晶须(短切纤维)预成型坯件的缝隙。料浆中的液体经过过滤器排入过滤腔，而留在模具内的经加压烧结形成晶须(短切纤维)补强陶瓷基复合材料。,文库专用,65,压力渗滤工艺示意图,1-加压器；2-压头活塞；3-泥浆及预成型坯件； 4-过滤器；5-过滤腔；6-石膏模具,文库专用,66,将晶须或短切纤维进行预处理，然后采用分散技术分布于陶瓷基体料浆中，再利用上图所示的装置直接加压渗滤，经过烧结后也可以获得晶须(短团纤维)补强陶瓷基复合材料。,特点：可避免粉料团聚和重团聚现象，坯体密度高，非常适合于晶须和纤维补强复合材料的成型。,文库专用,67,3.流延法成型（Tape Casting/Doctor Blade）,流延法成形与注浆成形类似，不同之处在于所成型的制品形状、尺寸
