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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开展的物质根底. 20世纪 70年代人们把材料、信息、 能源作为社会文明的支柱； 80 年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材 料与信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志. 这主要是由于材料是国 民经济建设、 国防建设与人民生活所不可须臾缺少的重要组成局部. 复合材料作 为材料科学中一枝独立的新的科学分支, 已经得到了广泛的重视, 正日益开展并 在许多工业部门中得到广泛运用, 成为当今高科技开展中新材料开发的一个重要 方面.鉴于材料的重要的根底地位和作用,每一次科学技术的突飞猛进,都对材 料的性能提出了越来越高、 越来越严和越来越多
2、的要求. 现如今在许多方面, 传 统的单一材料已经不能满足实际需要, 在这种情况下, 人们以其充满智慧的头脑 将材料的新的开展方向伸向一个更加广阔的领域复合材料.本文就将对复合材料的根本概念、加工中的理论问题、制备工艺与方法和 典型的应用加以阐述,希望能够比拟全面的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的定义.根据国际标准化组织 ( International Organization for Standardization, ISO)为复合材料下的定义,复合材料( pose Material )是由两种或者两种以上物理和化学性质不同 的物质组合而成的一种多相固体材料. 复合材料
3、的组份材料虽然保持其相对独立 性,但是复合材料的性能却不是组份材料性能的简单加和, 而是有着重要的改良. 在复合材料中通常有一相为连续相 (称为基体),而另一相为分散相 (增强材料). 分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的. 两相之间存在着相界面, 分散相 可以是增强纤维,也可以是颗粒状或弥散的填料.复合材料的出现和开展,是现代科学技术不断进步的结果,也是材料设计 方面的一个突破. 它综合了各种材料如纤维、 树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点, 根据需要设计, 复合成为综合性能优异的新型材料. 可以预见, 如果用材料作为 历史分期的依据,那么,继石器、青铜、铁器、钢铁时代之后,在 21 世纪,
4、将 是复合材料的时代.在概述的余下一些篇幅中, 我们来大致了解一下关于复合材料的一些根本 内容.一、 复合材料的命名和分类 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名. 将增强材料的名称放 在前面,基体材料的名称放在后面, 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的缩写名称, 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者基体材料, 视强调的组份不同也可将 不需强调的局部加以省略或简写.复合材料的分类方法很多,常见的分类方法有以下几种：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
5、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 复合材料的“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. 按材料作用分类：结构复合材料,功能复合材料二、 复合材料的根本性能 复合材料是由多相材料复合而成,其共同特点为：1综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天 然材料所没有的性能.2可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造.3可制成所需的任意形状的产品,可防止屡次加工的工序.由于复合材料性能受许多因素的影响, 不同的复合材料性能不同, 就是同 一类复合材料的性能也
6、不是一个定值,故在此处给出一些主要性能：I 聚合物基复合材料i比强度,比模量大.ii耐疲劳性能好.iii减震性好.iv过载时平安性能好.v具有多种功能性,耐烧蚀性能,摩擦性能好,电绝缘性能高,耐腐蚀性能优良,有特殊的光学、电学、磁学特性.vi有很好的加工工艺性.n 金属基复合材料i 高比强度,高比模量.i 导热、导电性能高.i 热膨胀系数小,尺寸稳定性好.v良好的高温性能.v 耐磨性好.v 良好的抗疲劳性能和断裂韧性.vii不吸潮,不老化,气密性好.川陶瓷基复合材料 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
7、性高.IV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.通过以上的一些表达,我们对复合材料的一些根本点有了初步的了解,下 面就进入正题,对复合材料的制造工艺进行一些探讨.第二章 加工中的理论问题在这一章中, 我们将从基体与增强材料的选择、 复合材料的界面以及增强材 料的外表处理等方面入手, 掌握一些复合材料加工的根本原理, 以便对以后的工 艺和技术的使用有一个理论根底.一、基体与增强材料的选择 由于基体材料的不同,我们有必要将这些材料分开论述.首先来看一下金属 基复合材料的基体选择.金属基复合材料构零件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的
8、依 据.在不同技术领域和不同的工况条件下对于复合材料构件的性能要求有很大的 差异.应当根据不同的情况选择不同的复合材料基体. 在航天、 航空技术中高比 强度、比模量、 尺寸稳定性是最重要的性能要求. 宜选用密度小的轻金属合金作 为基体.高性能发动机那么要求复合材料不仅有高比强度、 比模量性能外, 还要求 复合材料具有优良的耐高温性能, 能在高温、 氧化性气氛中正常工作, 需选用钛 基、镍基合金以及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、一定的高温强度等,同时又要求本钱低,适合批量生产,那么使用铝合 金做基体材料. 工业集成电路需要高导热、 低膨胀的金属基复合材料作
9、为散热元 件和基板.选用具有高导热率的 Ag、 Cu、Al 等金属为基体.由于增强物的性质和增强机理的不同,在基体材料的选择原那么上有很大差 别.对于连续纤维增强金属基复合材料, 纤维是主要承载物体, 其本身具有很高 的强度和模量, 而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能, 故在连续纤维增 强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主, 基体 本身应与纤维有良好的相容性和塑性, 而并不要求基体本身有很高的强度. 但对 于非连续增强颗粒、晶须、短纤维金属基复合材料,基体是主要承载物,其 强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响. 故要获得高性能的金属基 复合材料必须选用高强度的铝合金为基体, 这与连续纤维增强金属基复合材料基 体的选择完全不同.选择基体时应充分注意与增强物的相容性特别是化学相容性 ,并考虑到 尽可能在金属基复合材料成型过程中, 抑制界面反响. 由于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与增强物在高温复合 过程中,处于高温热力学不平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反响, 在界面形成脆性的反映层, 对复合材料的强度影响很大. 再者,由于基体金属中