非金属材料成形(4) 之 复合材料的成形

    复合材料：将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起，构成的性能比其组成材料优异的一类新型材料。复合材料由两类物质组成：一类作为基体材料，形成几何形状并起粘接作用，如树脂、陶瓷、金属等；另一类作为增强材料，起提高强度或韧度作用，如纤维、颗粒、晶须等。 

    复合材料特点：增强材料与基体材料的综合优越性只有通过成形工序才能体现出来，复合材料具有的可设计性以及材料和制品一致性的特点，都是由不同的成形工艺赋予的，因此应当根据制品的结构形状和性能要求来选择成形方法。 

    复合材料结构：复合材料是由连续的基体相包围以某种规律分布于其中的分散强化相而形成的多相材料。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。 

    复合材料举例：金属材料的各种成形工艺多适用于颗粒、晶须及短纤维增强的金属基复合材料，包括压力铸造、熔模铸造、离心铸造、挤压、轧制、模锻等。在形成复合材料的过程中，增强材料通过其表面与基体粘接并固定于基体之中，其本体材料的性状结构不发生变化。而与此有显著区别的是，基体材料要经历性状的巨大变化。 

一、树脂基复合材料成形

    用作树脂基复合材料的基体有热固性与热塑性树脂两类，其中，以热固性树脂为最常用。 

（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。常用的热固性树脂有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等，常用的增强材料有碳纤维（布）、玻璃纤维（布、毡）、有机纤维（布）、石棉纤维等。其中，碳纤维常用以增强环氧树脂，玻璃纤维常用以增强不饱和聚酯树脂。热固性树脂基复合材料的成形方法主要有： 

1．手糊成形、喷射成形与铺层法成形

（1）手糊成形  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，用刮刀、毛刷或压棍使其平整并均匀浸透树脂、排除气泡。多次重复以上步骤层层铺贴，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1所示。 

    手糊成形特点：操作技术简单，适于多品种、小批量生产，不受制品尺寸和形状的限制，可根据设计要求手糊成形不同厚度、不同形状的制品。但这种成形方法生产效率低，劳动条件差且劳动强度大；制品的质量、尺寸精度不易控制，性能稳定性差，强度较其它成形方法低。手糊成形可用于制造船体、储罐、储槽、大口径管道、风机叶片、汽车壳体、飞机蒙皮、机翼、火箭外壳等大中型制件。 

（2）喷射成形  喷射成形是将调配好的树脂胶液（多采用不饱和聚酯树脂）与短切纤维（长度25～50mm），通过喷射机的喷枪（喷嘴直径1.2～3.5mm，喷射量8～60g/s）均匀喷射到模具上沉积，每喷一层（厚度应小于10mm），即用棍子滚压，使之压实、浸渍并排出气泡，再继续喷射，直至完成坯件制作，最后固化成制品，如图2所示。 

    喷射成形法特点：生产效率提高，劳动强度降低，适于批量生产大尺寸制品，制品无搭接缝，整体性好。但场地污染大，制品树脂含量高（质量分数约65%），强度较低。喷射法可用于成形船体、容器、汽车车身、机器外罩、大型板等制品。 

（3）铺层法成形  用手工或机械手，将预浸材料（将连续纤维或织物、布浸渍树脂，烘干而成的半成品材料，如胶布、无纬布、无纬带等）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。铺层成形的制品强度较高，铺贴时，纤维的取向、铺贴顺序与层数可按受力需要，根据材料的优化设计来确定。 

    应用：高级复合材料已广泛用在航天飞机上，如飞机机翼、舱门、尾翼、壁板、隔板等薄壁件、工字梁等型材。有的已代替金属材料作为主要承力构件。 

    铺层坯件的加温加压固化方法通常有真空袋法、压力袋法、热压罐法等，如图5-38所示。 

    真空袋法产生的压力较小，约为0.05～0.07MPa，故难以取得密实制品。 

    压力袋法是通过向弹性压力袋充入压缩空气，实现对置放于模具上的铺层坯件均匀施加压力的，压力可达0.25～0.5MPa。 

    热压罐法是利用金属压力容器——热压罐，对置放于模具上的铺层坯件加压（通过压缩空气实现）和加热（通过热空气、蒸汽或模具内加热元件产生的热量），使其固化成形。 

    热压罐法可获得压制紧密，厚度公差范围小的高质量制件，适用于制造大型和复杂的部件，如机翼、、部件胶接组装等。但该法能源利用率低，热压罐重量较大、结构复杂，设备费用高。 

    真空袋法、压力袋法和热压罐还可用于手糊成形或喷射成形坯件的加压固化成形。 

2.缠绕法成形  是采用预浸纱带、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。与其它成形方法相比，缠绕法成形可以保证按照承力要求确定纤维排布的方向、层次，充分发挥纤维的承载能力，体现了复合材料强度的可设计性及各向异性，因而制品结构合理、比强度高；纤维按规定方向排列整齐，制品精度高、质量好；易实现自动化生产，生产效率高；但缠绕法成形需缠绕机、高质量的芯模和专用的固化加热炉等，投资较大。 

    主要用途：大批量成形需承受一定内压的中空容器，如固体火箭发动机壳体、压力容器、管道、火箭尾喷管、、贮罐、槽车等。制品外形除圆柱形、球形外，也可成形矩形、鼓形及其它不规则形状的外凸型及某些复杂形状的回转型。图5-39为缠绕法成形示意图。 

3．模压成形  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。模塑料是由树脂浸渍短切纤维经过烘干制成的，如散乱状的高强度短纤维模塑料（纤维含量高）、成卷的片状模塑料(片料宽度1.0mm，厚度2.0mm)、块状模塑料（一定重量和形状的料块）、成形坯模塑料（结构、形状、尺寸与制品相似的坯料）等。模压成形方法适用于异形制品的成形，生产效率高，制品的尺寸精确、重复性好，表面粗糙度小、外观好，材料质量均匀、强度高，适于大批量生产。结构复杂制品可一次成形，无需有损制品性能的辅助机械加工。其主要缺点是模具设计制造复杂，一次投资费用高，制件尺寸受压机规格的限制。一般限于中小型制品的批量生产。 

    模压成形工艺按成形方法可分为压制模压成形、压注模压成形与注射模压成形。 

（1）压制模压成形 将模塑料、预浸料（布、片、带需经裁剪）等放入金属对模（由凸模和凹模组成）内，由压力机（大多为液压机）将压力作用在模具上，通过模具直接对模塑料、预浸料进行加压，同时加温，使其流动充模，固化成形。整个模压过程是在一定温度、压力、时间下进行的，所以温度、压力和时间是控制模压成形工艺的主要参数，其中温度的影响尤为重要。压制模压成形工艺简便，应用广泛，可用于成形船体、机器外罩、冷却塔外罩、汽车车身等制品。 

（2）压注模压成形  将模塑料在模具加料室中加热成熔融状，然后通过流道压入闭合模具中成形固化，或先将纤维、织物等增强材料制成坯件置入密闭模腔内，再将加热成熔融状态的树脂压入模腔，浸透其中的增强材料，然后固化成形，如图5所示。 

    主要用于：制造尺寸精确、形状复杂、薄壁、表面光滑、带金属嵌件的中小型制品，如各种中小型容器及各种仪器、仪表的表盘、外壳等，还可制作小型车船外壳及零部件等。 

（3）注射模压成形  将模塑料在螺杆注射机的料筒中加热成熔融状态，通过喷嘴小孔，以高速、高压注入闭合模具中固化成形，是一种高效率自动化的模压工艺，适于生产小型复杂形状零件，如汽车及火车配件、纺织机零件、泵壳体、空调机叶片等。 

４．其它成形方法

（1）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。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2～4张含树脂量较高的面层用浸胶材料。 

（2）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热风固化。 

    特点：制件壁厚均匀，外表光洁的特点。 

    应用：大直径筒、管、罐类制件的成形。 

（3）拉挤成形  如图6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。 

    成形方法可进行“复合”，即用几种成形方法同时完成一件制品。例如成形一种特殊用途的管子，在采用纤维缠绕的同时，还用布带缠绕或用喷射方法复合成形。 

（二）   热塑性树脂基复合材料的成形

    热塑性树脂基复合材料由热塑性树脂和增强材料组成。 

    基体材料：应用较广的有尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、聚砜和聚烯烃类树脂。 

    增强材料：增强短纤维和各种增强粒子。 

    热塑性树脂基复合材料成形时，是靠树脂的物理状态的变化来完成的。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，再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。 

    挤出成形是将颗粒或粉状树脂以及短切纤维混合料送入挤出机缸筒内，经加热熔融呈粘流态，在挤压力（借助旋转螺杆的推挤）作用下使其连续通过口模（机头孔型），然后冷却硬化定型，得到口模所限定形状的等断面型材，如各种板、管、棒、片、薄膜以及各种异形断面型材。型材长度不受限制，设备通用性强，制品质量均匀密实。 

（三）树脂基复合材料设计中需注意的几个问题

    设计中需注意的几个问题： 

（1）成形工艺的选择应以制品结构和使用受力情况为依据  如为载荷条件非常清楚的单向受力杆件和粱，采用拉挤法成形可保证制品在顺着纤维方向上具有最大的强度和刚度（但在垂直纤维方向是最弱的）；板壳构件可采用连续纤维缠绕工艺以实现各个方向具有不同强度和刚度的要求。也可选取纤维织物或胶布、无纬布、无纬带等预浸料交叉铺叠，或用0°、90°方向的连续纤维组成得到各向异性的制品。 

    设计:通常将纤维主方向与板、壳的框、肋成45°角，这样有利于发挥纤维的强度，而且在板、壳面内有较高的抗剪能力；对于载荷情况不很清楚或承受随机分布载荷的制品，选用短切纤维模压、喷射等成形方法可以获得近似各向同性的制品。当采用连续长纤维组成时，可按0°、±60°、±45°、90°几个方向铺设。但这类复合材料的强度和刚度较低。 

    注意：树脂基复合材料中纤维的强度与弹性模量通常要比基体大几十倍，而且复合材料内基体与增强体间的界面结合力又是决定其强度的主要因素之一，所以树脂基复合材料常会出现层间剪切强度、层间抗拉强度及剪切弹性模量低的问题。 

    举例：一维纤维强化的玻璃钢在纤维方向的抗拉强度很高，可达1×103MPa，但横向强度只有50MPa。如果设计时只知道主方向载荷，很可能设计出的构件在主方向载荷下没有破坏，却在次要的另一方向载荷下发生断裂。这种情况在各向同性的金属材料中通常是不会发生的。因此，对于复合材料，必须在设计以前把实际可能出现的载荷及分布都弄清楚。 

（2）构件弯折处应设计过渡圆角  构件弯折处一般容易产生应力集中，树脂基复合材料构件的弯折处还会出现部分树脂聚积和纤维缺胶的现象，这样更容易使构件弯折处的强度降低，圆角的设置可改善强度性质。 

（3）采取适当措施提高构件刚度  有些复合材料的弹性模量较低，可采取增加结构截面积（增加厚度）或采用夹层结构等方法提高构件刚度。 

（4）尽可能合并结构元件  按设计需要，根据运输、安装的可能与方便，尽可能合并结构元件，将其一次成形成为一个组合件。这样可简化制品结构，减少组成零件和连接零件的数量，减少连接与安装工作量，对减轻制品重量，降低工艺消耗，提高结构使用性能和降低成本是十分有利的。 

（5）严格成形操作工艺  树脂基复合材料成形时，具体工艺操作要求比较严格。如果材料组分、配比、纤维排布（或分布）不符合设计要求，操作中形成皱折、气泡或其它缺陷，都将影响制品质量。另外，应当避免那些降低性能的工艺操作（如钻孔和切断纤维），尽量减少和消除性能薄弱区、应力集中区（如孔、沟、槽等）。尤其是热固性树脂基复合材料，其制品一旦出现缺陷，大多会因不可修复而报废，材料也无法回收利用，从而造成浪费。 

二、 金属基复合材料成形

    金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、晶须、颗粒、薄片等为增强体的复合材料。基体金属多采用纯金属及合金，如铝、铜、银、铅、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、镍合金等。增强材料采用陶瓷颗粒、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、陶瓷晶须、金属纤维、金属晶须、金属薄片等。 

    复合（成形）工艺以复合时金属基体的物态不同可分为固相法和液相法。由于金属基复合材料的加工温度高，工艺复杂，界面反应控制困难，成本较高，故应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。目前，主要应用于航空、航天领域。 

（一）颗粒增强金属基复合材料成形

    对于以各种颗粒、晶须及短纤维增强的金属基复合材料，其成形通常采用以下方法： 

（1）粉末冶金法

（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 

（3）加压浸渍  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。图7为加压浸渍工艺示意图。 

（4）挤压或压延  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，获得制品。

（二）纤维增强金属基复合材料成形

    对于以长纤维增强的金属基复合材料，其成形方法主要有： 

（1）扩散结合法  该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。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。图5-43为扩散结合法示意图。 

    特点：易于精确控制，制件质量好。但由于加压的单向性，使该方法限于制作较为简单的板材、某些型材及叶片等制件。 

（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，如图9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。其特点是熔融金属粒子与纤维结合紧密，纤维与基体材料的界面接触较好；而且微粒在离开喷嘴后是急速冷却的，因此几乎不与纤维发生化学反应，又不损伤纤维。此外，还可以在等离子喷涂的同时，将喷涂后的纤维随即缠绕在芯模上成形。喷涂后的纤维经过集束层叠，再用热压法压制成制品。 

（三）层合金属基复合材料的成形

    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2.5％～20％。 

（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。 

（３）爆炸焊合  这是一种焊接方法，利用炸药爆炸产生的爆炸力使金属叠层间整体结合成一体。 

三、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，复合材料的成形工艺与陶瓷基本相同，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，复合材料的成形工艺常采用料浆浸渗法、料浆浸渍后热压烧结法和化学气相渗透法。 

（1）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。该法的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大均匀。 

（2）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。与浸渗法相比，该方法所获制品的密度与力学性能均有所提高。 

（3）气相渗透工艺  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、高韧度的制件。

来源：材料成形技术基础（2007 第二版），主编 ：施江澜 赵占西，版权归原作者！

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