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1、机械工业出版社,第七章 复合材料成形,产品造型材料与工艺,2,7.1 复合材料概述 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。在同一基体的基础上，还可按照增强材料的不同进行分类，复合材料中基体材料与增强材料的综合优越性只有通过成形工序才能体现出来。 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
2、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。,第五章 高分子材料成形,3,7.2 常用复合材料成形工艺 7.2.1 树脂基复合材料成形 一、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 手糊成形是先在涂有脱模剂的模具上均匀涂上一层树脂混合液，再将裁剪成一定形状和尺寸的纤维增强织物，按制品要求铺设到模具上并使其平整。多次重复以上步骤逐层铺贴，直至所需层数，然后固化成形，脱模修整获得坯件或制品，其工艺流程如图7-1所示。,第五章 高分子材料成形,图7-1 手糊成形工艺流程图,
3、4,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 2.喷射成形 利用压缩空气将经过特殊处理而雾化的树脂胶液与短切纤维，同时通过喷射机的喷枪均匀喷射到模具上沉积，经过辊压、浸渍以及排出气泡等步骤后，再继续喷射，直至完成坯件制件，最后固化成制品的一种成形方法，图7-2为喷射成形原理图。,第五章 高分子材料成形,图7-2 喷射成形原理图,5,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 3.层压成形 将纸、棉布、玻璃布等片状增强材料，在浸胶机中浸渍树脂，经干燥制成浸胶材料，然后按层压制品的大小，对浸胶材料进行裁剪，并根据制品要求的厚度（或质量）计算所需浸胶材料的张
4、数，逐层叠放在多层压机上，进行加热层压固化，脱模获得层压制品，其工艺过程如图7-3所示。为使层压制品表面光洁美观，叠放时可于最上和最下两面放置24张含树脂量较高的面层用浸胶材料。,第五章 高分子材料成形,图7-3 层压成形工艺过程图,6,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 4.铺层法成形 用手工或机械手，将预浸材料按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴至所需厚度或层数，获得铺层坯件，然后将坯件装袋，经加热加压固化、脱模修整获得制品的成形方法。,第五章 高分子材料成形,图7-4铺层加压固化方法示意图,铺层成形法通常有真空袋法、加压袋法、热压罐法等，如图7-4所示。它们均可与
5、手糊成形、喷射成形或层压成形配套使用，用于坯件的加压固化成形，常作为复合材料坯件的后续成形加工方法。,7,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 5.缠绕法成形 采用预浸纱带、预浸布带等预浸料，或将连续纤维、布带浸渍树脂后，在适当的缠绕张力下按一定规律缠绕到一定形状的芯模上至一定厚度，经固化脱模获得制品的一种方法。该方法成形的制品结构合理、比强度高；制品精度高、质量好；易实现自动化生产，生产效率高；但需要专门的设备，投资较大。图7-5为缠绕法成形示意图。,第五章 高分子材料成形,图7-5 缠绕法成形示意图,8,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成
6、形 6.模压成形 将模塑料、预浸料以及缠绕在芯模上的缠绕坯料等在金属模具中，在压力和温度作用下经过塑化、熔融流动、充满模腔成形固化而获得制品。 模压成形方法适用于异形制品的成形，又可分为压制模压成形、压注模压成形与注射模压成形。 图7-6为压注模压成形示意图。,第五章 高分子材料成形,图7-6 压注模压成形原理图,9,7.2.1 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 7.离心浇注成形 利用筒状模具旋转产生的离心力将短切纤维连同树脂同时均匀喷洒到模具内壁形成坯件；或先将短切纤维毡铺在筒状模具的内壁上，再在模具快速旋转的同时，向纤维层均匀喷洒树脂液浸润纤维形成坯件，坯件达所需厚度后通
7、热风固化。 该成形方法的特点是制件壁厚均匀、外表光洁，适用于大直径筒、管、罐类制件的成形。,第五章 高分子材料成形,10,7.2.7 树脂基复合材料成形 一、热固性树脂基复合材料的成形 8.挤拉成形 如图7-7所示，将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带，在牵引机构拉力作用下，通过成形模定形，再进行固化，连续引拔出长度不受限制的复合材料管、棒、方形、工字形、槽形以及非对称形的异形截面等型材，如飞机和船舶的结构件，矿井和地下工程构件等。拉挤工艺只限于生产型材，设备复杂。,第五章 高分子材料成形,图7-7 挤拉成形示意图,11,7.2.7 树脂基复合材料成形 二、热塑性树脂基复合材料的成形 热塑性树脂基
8、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。,第五章 高分子材料成形,12,7.2.2 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
9、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。,第五章 高分子材料成形,13,7.2.2 金属基复合材料成形 1.颗粒增强金属基复合材料成形 （3）加压浸渍法。 将颗粒、短纤维或晶须增强体制成含一定体积分数的多孔预成形坯体，将预成形坯体置于金属型腔的适当位置，浇注熔融金属并加压，使熔融金属在压力下浸透预成形坯体（充满预成形坯体内的微细间隙），冷却凝固形成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
10、，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。,第五章 高分子材料成形,图7-8 加压浸渍工艺示意图,14,7.2.2 金属基复合材料成形 2.纤维增强金属基复合材料成形 （1）扩散结合法,第五章 高分子材料成形,图7-9 扩散结合法示意图,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
11、为扩散结合法示意图。,15,7.2.2 金属基复合材料成形 2.纤维增强金属基复合材料成形 （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。,第五章 高分子材料成形,图7-10 熔融金属渗透法示意图,16,7.2.2 金属基复合材料成形 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。其成形方法有轧合、双金属挤压、爆炸焊合
12、等。 （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2.520。 （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。 （）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。,第五章 高分子材料成形,17,7.2.2 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
13、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。 (1) 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。方法是将作为基体的陶瓷粉末和增强材料以及加入的粘接剂混合均匀后，冷压制成所需形状，然后进行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。 （2）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
14、大均匀。,第五章 高分子材料成形,18,7.2.2 陶瓷基复合材料成形 （3）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。 （4）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
15、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。,第五章 高分子材料成形,19,7.3 复合材料在工业设计中的应用 1.“隐者”螺形小桌 由法国设计师Vincent Becheau和玛丽劳尔波瓦尔设计的这款“隐者”螺形小桌以及属于同一系列的家具产品主要由复合材料制作而成，其主要特点是采用了与建筑墙面一样的一种特殊材料波纹聚酯板。图7-11为“隐者”螺形小桌和结构图。,第五章 高分子材料成形,图7-11 “隐者”螺形小桌,20,7.3 复合材料在工业设计中的应用 2.自行车手把包带 Cinell
16、i公司于1995年设计、1997年投产的自行车把手包带是自行车整体中的一部分，也是自行车竞赛中必不可少的。Cinelli公司用聚尿烷和木栓的混合物制成包带，当把它缠绕在车把手上时可以吸收手上的汗液，以确保能安全、舒适地握住车把。图7-12所示为自行车手把包带。,第五章 高分子材料成形,图7-12 自行车把手包带,21,7.3 复合材料在工业设计中的应用 3.“飞船”旋转扶手椅 由设计师William Bill Stumph和Don Chadwick于1992年设计的这款扶手椅，综合应用多种材料，包括压铸玻璃、强化聚酯纤维、聚氨酯泡沫、弹性薄膜、再生铝、聚合物以及强力纤维纱。扶手椅的主要特征是：拥有反扭弹簧装置和独一无二的被覆材料薄膜，图7-13所示为“飞船”旋转扶手椅。,第五章 高分子材料成形,图7-12 自行车把手包带,22,7.3 复合材料在工业设计中的应用 4.座椅和长条凳 用复合材料制成的座椅和长条凳，不仅重量减轻，其外观设计上也明显与众不同，如图7-14所示。,第五章 高分子材料成形,图7-14 座椅和长条凳,23,7.3 复合材料在工业设计中的应用 5
