复合材料制造工艺模板.doc
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1、复合材料制造工艺第一章 概述材料是人类赖以生存和发展物质基础。20世纪70年代大家把材料、信息、能源作为社会文明支柱;80年代以高技术群为代表新技术革命,又把新材料和信息技术和生物技术并列为新技术革命关键标志。这关键是因为材料是国民经济建设、国防建设和人民生活所不可须臾缺乏关键组成部分。复合材料作为材料科学中一枝独立新科学分支,已经得到了广泛重视,正日益发展并在很多工业部门中得到广泛利用,成为当今高科技发展中新材料开发一个关键方面。鉴于材料关键基础地位和作用,每一次科学技术突飞猛进,全部对材料性能提出了越来越高、越来越严和越来越多要求。现现在在很多方面,传统单一材料已经不能满足实际需要,在这种
2、情况下,大家以其充满智慧头脑将材料新发展方向伸向一个愈加宽广领域复合材料。本文就将对复合材料基础概念、加工中理论问题、制备工艺和方法和经典应用加以叙述,期望能够比较全方面对复合材料做一个介绍。首先我们来给复合材料下一个明确定义。依据国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)为复合材料下定义,复合材料(Compose Material)是由两种或两种以上物理和化学性质不一样物质组合而成一个多相固体材料。复合材料组份材料即使保持其相对独立性,不过复合材料性能却不是组份材料性能简单加和,而是有着关键改善。在复合材料中通常有
3、一相为连续相(称为基体),而另一相为分散相(增强材料)。分散相是以独立形态分布在整个连续相中。两相之间存在着相界面,分散相能够是增强纤维,也能够是颗粒状或弥散填料。复合材料出现和发展,是现代科学技术不停进步结果,也是材料设计方面一个突破。它综合了多种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等优点,根据需要设计,复合成为综合性能优异新型材料。能够预见,假如用材料作为历史分期依据,那么,继石器、青铜、铁器、钢铁时代以后,在二十一世纪,将是复合材料时代。在概述余下部分篇幅中,我们来大致了解一下相关复合材料部分基础内容。一、 复合材料命名和分类复合材料可依据增强材料和基体材料名称来命名。将增强材料名称放在前
4、面,基体材料名称放在后面,再加上“复合材料”即为材料名。为书写简便,也可仅写增强材料和基体材料缩写名称,中间加一条斜线隔开,后面再加“复合材料”。有时为了突出增强材料或基体材料,视强调组份不一样也可将不需强调部分加以省略或简写。复合材料分类方法很多,常见分类方法有以下多个:a. 按增强材料形态分:连续纤维复合材料,短纤维复合材料,粒状填料复合材料,编织复合材料b. 按增强纤维种类分类:玻璃纤维复合材料,碳纤维复合材料,有机纤维复合材料,金属纤维复合材料,陶瓷纤维复合材料,混杂复合材料(复合材料“复合材料”)c. 按基体材料分类:聚合物基复合材料,金属基复合材料,无机非金属基复合材料,d. 按材
5、料作用分类:结构复合材料,功效复合材料二、 复合材料基础性能复合材料是由多相材料复合而成,其共同特点为:(1) 综合发挥多种组成材料优点,使一个材料含有多个性能,含有天然材料所没有性能。(2) 可按对材料性能需要进行材料设计和制造。(3) 可制成所需任意形状产品,可避免数次加工工序。因为复合材料性能受很多原因影响,不一样复合材料性能不一样,就是同一类复合材料性能也不是一个定值,故在此处给出部分关键性能: 聚合物基复合材料 ) 比强度,比模量大。) 耐疲惫性能好。) 减震性好。) 过载时安全性能好。) 含有多个功效性,耐烧蚀性能,摩擦性能好,电绝缘性能高,耐腐蚀性能优良,有特殊光学、电学、磁学特
6、征。) 有很好加工工艺性。 金属基复合材料 ) 高比强度,高比模量。) 导热、导电性能高。) 热膨胀系数小,尺寸稳定性好。) 良好高温性能。) 耐磨性好。) 良好抗疲惫性能和断裂韧性。) 不吸潮,不老化,气密性好。 陶瓷基复合材料 强度高,硬度大,耐高温,抗氧化,高温下抗磨损性好,耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数和比重较小,制成复合材料以后抗弯强度高,断裂韧性高。 水泥基复合材料 压缩强度、热能方面性能优异,制成复合材料以后抗拉性能和耐腐蚀性能增强,重量降低。经过以上部分叙述,我们对复合材料部分根本点有了初步了解,下面就进入正题,对复合材料制造工艺进行部分探讨。第二章 加工中理论问题 在这一章中,
7、我们将从基体和增强材料选择、复合材料界面和增强材料表面处理等方面入手,掌握部分复合材料加工基础原理,方便对以后工艺和技术使用有一个理论基础。一、基体和增强材料选择因为基体材料不一样,我们有必需将这些材料分开叙述。首先来看一下金属基复合材料基体选择。金属基复合材料构(零)件使用性能要求是选择金属基体材料最关键依据。在不一样技术领域和不一样工况条件下对于复合材料构件性能要求有很大差异。应该依据不一样情况选择不一样复合材料基体。在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是最关键性能要求。宜选择密度小轻金属合金作为基体。高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能外,还要求复合材料含有优良
8、耐高温性能,能在高温、氧化性气氛中正常工作,需选择钛基、镍基合金和金属间化合物做基体材料。汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定高温强度等,同时又要求成本低,适合批量生产,则使用铝合金做基体材料。工业集成电路需要高导热、低膨胀金属基复合材料作为散热元件和基板。选择含有高导热率Ag、Cu、Al等金属为基体。因为增强物性质和增强机理不一样,在基体材料选择标准上有很大差异。对于连续纤维增强金属基复合材料,纤维是关键承载物体,其本身含有很高强度和模量,而金属基体强度和模量远远低于纤维性能,故在连续纤维增强金属基复合材料中基体关键作用应是以充足发挥增强纤维性能为主,基体本身应和纤维有良好相容性和塑
9、性,而并不要求基体本身有很高强度。但对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料,基体是关键承载物,其强度对非连续增强金属基复合材料含有决定性影响。故要取得高性能金属基复合材料必需选择高强度铝合金为基体,这和连续纤维增强金属基复合材料基体选择完全不一样。选择基体时应充足注意和增强物相容性(尤其是化学相容性),并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中,抑制界面反应。因为金属基复合材料需要在高温下成型,所以在金属基复合材料制备过程中金属基体和增强物在高温复合过程中,处于高温热力学不平衡状态下纤维和金属之间很轻易发生化学反应,在界面形成脆性反应层,对复合材料强度影响很大。再者,因为基体金属中往
10、往含有不一样类型合金元素,Me和增强物反应程度和生成反应物全部不一样,须在选择基体合金成份时充足考虑。接下来看无机胶凝材料,无机胶凝材料关键包含水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。其中研究和应用最多是纤维增强水泥基增强塑料。我们就来看看水泥基材料特征:(1)水泥基体为多孔体系,孔隙尺寸1102埃。其存在不仅会影响基体本身性能,也会影响纤维和基体界面粘接。(2)纤维和水泥弹性模量比不大,在纤维增强水泥复合材料中应力传输效应远不如纤维增强树脂。(3)水泥基材断裂延伸率较低,在纤维还未从水泥基材中拔出拉断前,水泥基材即行开裂。(4)水泥基材中含有粉末或颗粒状物料,和纤维成点接触,故纤维掺量受到很大限制。(
11、5)水泥基材呈碱性,对金属纤维可起保护作用,但对大多数矿物纤维不利。水泥基体水化过程相当复杂,物理化学改变多样。因为篇幅有限,故在此略过不述。第三,我们看看陶瓷材料,陶瓷使金属和非金属元素固体化合物,其键合为共价键或离子键,和金属不一样,它们不含有大量电子。劣势和优势一样显著。在陶瓷基复合材料诞生后,陶瓷优势被保留,同时其劣势因为增强材料加入又被填补了,使陶瓷材料进入了新发展领域。用作基体材料使用陶瓷通常应含有耐高温性质、和纤维或晶须之间有良好界面相容性和很好工艺性能等。常见陶瓷基体关键包含玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷等。另外一类关键基体是聚合物基体,顾名思义,此基体关键组分是聚合
12、物。其种类多样,常见有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及多种热塑性聚合物。各组分作用和关系全部十分复杂。通常来说有三种关键作用:把纤维粘在一起;分配纤维间载荷;保护纤维不受环境影响。因为没有在本系中包含这类材料,所以简略说明,若必需可参看参考资料。纤维在复合材料中起增强作用,是关键承力组分。关键分为:1 玻璃纤维及其制品:含有部分列优良性能,拉伸强度高、防火防霉防蛀、耐高温和电绝缘性能好,除对HF、浓碱、浓磷酸外,对全部化学药品和有机溶剂全部有良好化学稳定性。缺点是含有脆性、不耐磨、对人皮肤有刺激性等。2 碳纤维:比重在1.52.0之间,热膨胀系数有各向异性特点,导热有方向性,比电阻和纤维类
13、型相关,耐高低温性能良好,除能被强氧化剂氧化外,对通常酸碱是惰性,耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子。3 芳纶纤维(有机纤维):拉伸强度高,弹性模量高,密度小,热稳定性高,热膨胀系数各向异性,有良好耐介质性能,但易受多种酸碱侵蚀,耐水性不好。4 其它纤维:由碳化硅纤维、硼纤维、晶须、氧化铝纤维等。以上基体和增强材料结合利用,能使大家根据自己要求制造出特种复合材料,在物质基础上满足大家需要。二、 复合材料界面及增强材料表面处理复合材料界面指基体和增强物之间化学成份有显著改变、组成相互结合、能起载和传输作用微小区域。通常可将界面机能归纳为:传输效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应
14、。界面上产生这些效应,是任何一个单体材料所没有特征,它对复合材料含相关键作用。界面效应既和界面结合状态、形态和物理-化学性质等相关,也和界面两侧组分材料浸润性、相容性、扩散性等亲密相联。复合材料中界面并不是单纯几何面,而是一个多层结构过渡区域,界面区是从和增强剂内部性质不一样某一点开始,直到和树脂基体内整体性质相一致点间区域。此区域结构和性质全部不一样于两相中任一相,从结构来分,这一界面区有五个亚层组成(图2-1),每一亚层性能均和树脂基体和增强基性质、偶联剂品种和性质、复合材料成型方法等亲密相关。因为界面尺寸小且不均匀,化学成份基结构复杂,力学环境复杂,及对于成份和相结构也极难做出全方面分析
15、。所以迄今为止对复合材料界面认识还是很不充足,更谈不上一个通用模型来建立完整理论。所以对于界面只能简单罗列一下各个理论。对于聚合物基复合材料界面,其界面形成份为两个阶段:1.基体和增强纤维接触和浸润过程;2.聚合物固化阶段。现在有理论为:界面浸润理论;化学键理论;物理吸附理论;变形层理论;拘束层理论;扩散层理论;减弱界面局部应力作用理论。对于金属基复合材料界面,比聚合物基复合材料复杂多。表2-1列出金属基复合材料界面多个类型。其中,类界面是平整,厚度仅为分子层程度,除原组成成份外,界面上基础不含其它物质;类界面是由原组成成份组成犬牙交错溶解扩散型界面;类界面则含有亚微级左右界面反应物质(界面反
16、应层)。类型类型类型纤维和基体互不反应亦不溶解纤维和基体不反应但相互溶解纤维和基体相互反应形成界面反应层钨丝/铜Al2O3纤维/铜Al2O3纤维/银硼纤维(表面涂BN)/铝不锈钢丝/铝SiC纤维(CVD)/铝硼纤维/铝硼纤维/镁镀铬钨丝/铜碳纤维/镍钨丝/镍合金共晶体丝/同一合金钨丝/铜-钛合金碳纤维/铝(580)Al2O3纤维/钛B纤维/TiB纤维/Ti-AlSiC纤维/钛SiO2纤维/Al表2-1 金属基纤维复合材料界面类型界面类型还和复合方法相关。金属基纤维复合材料界面结合能够分成以下多个形式:(1)物理结合;(2)溶解和浸润结合;(3)反应结合。在实际情况中,界面结合方法往往不是单纯一
17、个类型。和聚合物基复合材料相比,耐高温是金属基复合材料关键特点。所以,金属基复合材料界面能否在所许可高温环境下长时间保持稳定是很关键。影响界面稳定性原因包含:高温条件下增强纤维和基体之间熔融;复合材料在加工和使用过程中发生界面化学作用。另外,在金属基复合材料结构设计中,除了要考虑化学方面原因外,还应注意增强纤维和金属基体物理相容性。再看陶瓷基复合材料界面。其中增强纤维和基体之间形成反应层质地比较均匀,对纤维和基体全部能很好结合,但通常是脆性。因增强纤维横截面多为圆形,故界面反应层常为空心圆筒状,其厚度能够控制。当反应层达成某一厚度时,复合材料抗张强度开始降低,此时反应层厚度可定义为第一临界厚度
18、。若反应层厚度继续增大,材料强度亦随之降低,直至达某一强度时不再降低,这时反应层厚度成为第二临界厚度。接下来我们对于不一样增强材料表面处理做一个讨论:玻璃纤维:本世纪40年代早期发展起来玻璃纤维增强塑料即玻璃钢,含有质轻、高强、耐腐蚀、绝缘性好等优良性能,已经被广泛应用于航空、汽车、机械、造船、建材和体育器材等方面。玻璃纤维表面状态及其和基体之间界面情况对玻璃纤维复合材料性能有很大影响。玻璃纤维关键成份是硅酸盐。通常玻璃纤维和树脂界面粘结性不好,故常采取偶联剂涂层方法对纤维表面进行处理。用表面处理剂处理玻璃纤维方法,现在采取有三种:前处理法、后处理法、迁移法。碳纤维:因为碳纤维本身结构特征,使
19、其和树脂界面粘结力不大,所以用未经表面处理碳纤维制成复合材料其层间剪切强度较低。可用于碳纤维表面处理方法较多,有:氧化、沉积、电聚合和电沉积、等离子体处理等。Kevlar纤维:和碳纤维相比,适于此纤维表面处理方法不多,现在关键是基于化学键理论,经过有机化学反应和等离子体处理,在纤维表面引进或产生活性基团,从而改善纤维和基体之间界面粘结性能。超高分子量聚乙烯纤维:有一个力学性能优异高强高模纤维。因为无机性基因,故极难和基体形成良好界面结合,影响了复合材料整体力学性能。现在交常见改型方法为等离子体处理。金属纤维:对于金属基复合材料,表面处理目标关键是改善纤维浸润性和抑制纤维和金属基体之间界面反应层
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