复合材料加工原理
8、增强反应注射模塑技术
纤维增强复合材料的制备工艺
增强反应注射模塑工艺（Reinforced Reaction Injection Molding, RRIM）是利用高压冲击来混合两种单体物料及短纤维增强材料，并将其 注射到模腔内，经快速固化反应形成制品的一种成型方法。如果不用增 强材料，则称为反应注射模塑（Reaction Injection Moling, RIM）。采 用连续纤维增强时，称为结构反应注射模塑（Structure Reaction Injection Molding, SRIM）。
流动模压成型示意图
第9章 复合材料及其制备
6．注射成形
纤维增强复合材料的制备工艺
（1）定义：将纤维增强的粒料从料斗加入注射成形机的料筒，受热熔 化至流动状态，以很高的压力和较快速度注入温度较低的闭合模具内， 在模具内固化，脱模即得到制品的成形方法。 （2）分类： ① 反应注射成形：使两种高活性的液状单体在高压下碰撞混合，并在 模具中迅速发生聚合反应的工艺方法。 ② 增强反应注射成形：在反应注射成形基础上发展起来的，在单体中 加入增强材料制成复合材料制品的工艺。
第9章 复合材料及其制备
二、金属基复合材料
复合材料基体
金属基复合材料是以金属为基体，用各种金属、金属间化合物或非金 属的纤维、晶须和颗粒作为强化材料所制成的复合材料。 多种金属及其合金可用作基体材料。主要有以下几种： 1、铝合金 铝合金由于低的密度和优异的强度、韧性和抗腐蚀性能在航空 航天领域得到了大量的应用。 2、钛合金 具有高比强度和高比模量及优良的抗氧化和抗腐蚀性能，钛合 金用于喷气发动机(涡轮机和压气机叶片)、机身部件等。 3、镁合金 镁和镁合金是另一类非常轻的材料，镁是最轻的金属之一。镁 合金，尤其是铸造镁合金用于飞机齿轮箱壳体、链锯壳体、电子设备等。 4、铜 铜普遍用作电导体，它的导热性能优良，容易铸造和加工，铜在复 合材料中的主要用途之一是作为铌基超导体的基体材料。 铝基和镁基复合材料用于结构材料，铜基复合材料用于功能材料，钛 和镍基复合材料主要用于高温结构材料。除此之外，锌基复合材料用于模 具材料，用金属间化合物（如镍铝化合物）作为基体材料制造的复合材料 可提高材料的韧性。
第9章 复合材料及其制备
7．拉挤成型法
纤维增强复合材料的制备工艺
拉挤成型法是将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装 置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截 面形状和长度不受限制的复合材料型材(如管材、棒材、槽型材、工字型 材、方材等)。
挤拉成型示意图 1-连续纤维 2-树脂槽 3-预成型模 4-环向纤维增强 5-成型模 6-加热箱 7-迁移装置 8-切割制品 9-制品
第9章 复合材料及其制备
9.2
一、纤维增强体
复合材料增强体
复合材料增强体
增强纤维的种类很多，根据直径的大小和性能特点，可分为晶须和纤维 两类。
晶须是直径很小（约1微米）的单晶材料，长径比很大，结晶完善， 因此强度很高。可以说，晶须是目前所有材料中强度最接近理论强度的 一种材料。 晶须材料有石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝等。 纤维大多是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料。
按其组成可以分为无机纤维和有机纤维两大类，无机纤维包括玻璃纤 维 、碳纤维、硼纤维及碳化硅纤维等；有机纤维包括芳纶、尼龙纤维 及聚烯烃纤维等。
其中玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维是目前应用最多的三种增强纤维。
第9章 复合材料及其制备二来自粒增强体按颗粒尺寸的大小可以分为：
复合材料增强体
颗粒尺寸在0.01~0.1μm范围内的微粒增强体，其用量一般为15%（体 积分数）。其强化机理是通过微粒对基体位错运动的阻碍而产生强化，属 于弥散强化。
第9章 复合材料及其制备
9.4
纤维增强复合材料的制备工艺
纤维增强复合材料的制备工艺
一、纤维增强聚合物基复合材料的制备方法
纤维增强聚合物基复合材料的制备成型方法主要包括：
1．手糊工艺法 （1）定义：以手工作业为主成形复合材料制件的方法 （2）特点： ① 适于多品种，小批量生产，不受制品尺寸、形状限制； ② 生产效率低，劳动强度大，质量不稳定，性能差。
第9章 复合材料及其制备
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 概述 复合材料增强体 复合材料基体 纤维增强复合材料的制备工艺 颗粒增强复合材料的制备工艺
重庆理工大学 材料科学与工程学院
第9章 复合材料及其制备
9.1
一、概念和分类
概述
概述
1、概念：复合材料是由高分子材料、无机非金属材料或金属材料等几类 不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。是由基体与嵌入的增强相经 复合而成。
三、陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是在陶瓷中加入连续纤维或离散的颗粒所制成的材料。 与金属材料相比，高温结构陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高强度、 耐腐蚀、抗氧化等从常温到高温的优异力学性能。但是，陶瓷材料是本质 脆性材料，大大限制了其应用的广度和深度。 因此，制作陶瓷基复合材料的主要目的是增加韧性。其中向陶瓷材料 中加入起增韧作用的的第二相(纤维、晶须或颗粒)而制成陶瓷基复合材料 是一种重要的方法。
第9章 复合材料及其制备
复合材料基体
金属基复合材料常用的强化材料主要是碳纤维、硼纤维、SiC纤维、 Al2O3纤维、合金晶须等具有超高比强度及比模量的材料及SiC、Al2O3、 TiC、ZrO2等具有高硬度的颗粒以及滑石和石墨等具有润滑性能的软质颗 粒。金属基复合材料通常具有高的强度、模量及冲击韧性(纤维强化)、优 良的耐磨性能(颗粒强化)和良好的高温性能等。
2、分类： 按基体材料类型可分为：聚合物基（树脂基）、陶瓷基和金属基复合材 料三大类。
按增强体类型可分为：颗粒增强型、纤维增强型和板状复合材料三大类。
按用途可分为：结构复合材料与功能复合材料两大类。
以增强纤维类型分：碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复 合材料、复合纤维复合材料、混杂纤维复合材料等。
第9章 复合材料及其制备
4．固态扩散法
纤维增强复合材料的制备工艺
固态扩散法是将固态的纤维与金属适当地组合，在加压、加热条件下 使它们相互扩散结合成为复合材料的方法。 以硼纤维增强铝基复合材料为例(见图)
纤维滚筒缠绕示意图 1-纤维间距控制机构 2-纤维张力摩擦机 3-纤维放线盘 4-滚筒缠绕的纤维 5-排纤维导轮 6-涂有用溶剂溶解了的挥发性粘结剂的铝箔 7-转轴
纤维增强复合材料的制备工艺
第9章 复合材料及其制备
③ 真空袋－热压罐成形： 利用热压罐内部程控温度 的静态气体压力，使复合 材料叠层坯料在一定的温 度和压力下完成固化过程
纤维增强复合材料的制备工艺
的成形方法。
第9章 复合材料及其制备
5．模压成形：
纤维增强复合材料的制备工艺
将一定量的模塑料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使 模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔，成形固化而获得制品 的方法。 树脂传递模塑（RTM）：也称压注成形，是通过压力将树脂注入密 闭的模腔，浸润其中的纤维织物坯件，然后固化成形的方法。
2．液态金属浸渍法
液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融金属而制成金属 基复合材料的方法。
3．高压挤铸法
高压挤铸法是将纤维与粘结剂制成的预制件放在模具中加热到一定 温度，再将熔融金属注入模具中，迅速合模加压，使液态金属以一定速 度浸透到预制件中，而其中的粘结剂受热分解除去，冷却后得到复合材 料制品。
第9章 复合材料及其制备
9.3 复合材料基体
复合材料基体
一、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是以连续纤维为增强材料与有机聚合物复合而制备 的材料。是复合材料中最主要的一类，也是最实用的轻质结构材料，通常称 为增强塑料。 基体材料主要有两类： 1）热固性树脂，常用的有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。 2）热塑性树脂，主要有通用型和工程型树脂两类。前者仅能作为非结构 材料使用，产量大、价格低，但性能一般，主要品种有聚氯乙烯、聚乙烯、 聚丙烯和聚苯乙烯等。后者则可作为结构材料使用，通常在特殊的环境中 使用。一般具有优良的机械性能、耐磨性和尺寸稳定性、电性能，耐热性 和耐腐蚀性能，主要品种有聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酯和聚碳酸酯等。 增强材料主要是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维等。 对增强纤维的选择要根据结构和功能的需要进行选择。
9．离心浇注成形
将纤维和树脂置于旋转模的内表面，借助模具转动的离心力将物料 压紧，并排除其中的空气，固化后得到制件的方法。
第9章 复合材料及其制备
1．粉末冶金法
纤维增强复合材料的制备工艺
二、纤维增强金属基复合材料的制备方法
将金属粉末充满在排列规整的或无规则取向的短纤维或晶须间隙中， 然后进行烧结或挤压成型。
第9章 复合材料及其制备
纤维增强复合材料的制备工艺
三、纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法
1．组分 （1）纤维增强体：SiC、Si3N4、Al2O3、SiO2、Mullite、硅酸盐纤维、 玻璃纤维、碳纤维。 （2）基体：SiC、Si3N4、Al2O3、SiO2、玻璃。 2．制造工艺 （1） 工艺：纤维处理（涂层）→纤维的编织和叠层→将基体物质充填到 纤维之间→压制和烧结等。 （2） 充填方法：化学气相沉积、化学气相渗透（如图）、高温熔融渗透、 室温浆料浸渍、反应烧结等。
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2．喷射成形工艺
纤维增强复合材料的制备工艺
（1）定义：通过喷射的树脂流与短纤维混匀，沉积在开模上，压实固 化成制件的方法。 （2）特点：生产效率高，劳动强度低，节省原材料，制品无搭接缝， 整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；但场地污染大，制件的承受能 力低。
第9章 复合材料及其制备
第9章 复合材料及其制备
5. 电镀法