复合材料技术
航空预浸料- 热压罐工艺复合材料技术应用概况
发布时间：2011-11-23 15:34:27
先进复合材料自问世以来，由于其轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀等诸多优势，一直在航空材料领域得到重视。随着近几十年来的发展，尤其是最近10年在大型飞机上井喷式的应用，先进复材料已经证明了其在未来航空领域的重要地位，它在飞机上的用量和应用部位也已经成为衡量飞结构先进性的重要标志之一[1] 如目前代表世界最先进战机的美国F-22 和F-35，其复合材料占机结构重量达到了26%（F-22 机身、机翼、襟翼、垂尾、副翼、口盖、起落架舱门；F-35 机身翼进气道、操纵面、副翼、垂尾），欧洲EF-2000 战机更是达到了35%~40%（机翼、垂尾、方向舵[2] ；民机领域的两大巨头波音和空客，在其最新型的大型客机波音787、A350XWB 机型中，大幅使用复合材料，分别达到50% 和52%[3],在机身主承力结构中，除一些特殊需要外，基本上实现了全复合材料化。
从当前的复合材料应用来看，航空复合材料具备以下几个方面的特点：在材料方面，飞主承力结构应用高韧性复合材料；在工艺方面，呈现出以预浸料- 热压罐工艺为主，积极开发液体成型工艺及其他低成本成型工艺的态势，对复合材料构件的制造综合考虑性能/ 成本因机[4]设计理念的广泛认知，复合材料已逐渐在主承力结构上站稳了脚跟，而且，为了进一步将复合材料的优点充分发挥，飞机结构设计越来越趋向于整体化和大型化。复合材料在主承力结构上的应用技术是体现航空复合材料水平及应用程度的重要标志。目前复合材料主承力构件仍是以预浸料- 热压罐工艺为主。基于此，本文旨在介绍目前与航空预浸料- 热压罐工艺相关的复合材料技术。
主承力结构用预浸料
1 高性能复合材料体系
“计是主导，材料是基础，工艺是关键”[5]复合材料的制造技术与材料的发展息息相关。航空预浸料-热压罐工艺高性能复合材料到目前已经历了3个阶段。
第一阶段的复合材料采用通用T300 级碳纤维和未增韧热固性树脂，具有明显的脆性材料特征，主要用于飞机承力较小的结构件。第二善，应用范围扩大到垂尾、方向舵和平尾等部件。第三阶段的复合材料为高韧性复合材料，其应用扩大到机材料应用于飞机主承力结构，波音公司首先提出了高韧性复合材料预浸料标准BMS8-276，概述了主承力结构复合材料性能目标，并提出采用冲击后压缩强度
（CAI）作为合材料结构应用性能的评价指标。据此波性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30%、拉伸强度提高50%，同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，以将复合材料结构设计许用应变提高到0.6%~0.8%。1985 年NASA 发布RP1142 碳纤维/ 热固性韧性树脂复合材料标准规范。1989 年中模/ 高强碳T800 达到波音公司碳纤维材料标准BMS9-17 要求，并与同期研发的180℃固化高韧性环氧树脂成的复合材料( 如
T800H/3900-2)达到波音公司材料标准BMS8-276要求[6] 国外部分飞机主要复合材料结构设计选材见表1。国内复合材料体系的发展也同样经历相应的阶段，目前已在韧性复材取得一定的成果。国内外部分复合材料性能如表2、表3 所示。
2 预浸料工艺性
随着预浸料-罐工艺在航空主承力复合材料结构上的应用，结构设计逐渐趋于大型化和整体化，其目的是为了更好地发挥复合材料的优势、降低成本和减轻重量。但由此也带来了相关构件制造上的困难。如过去热固性预浸料的固化过程需要吸胶，在预浸料升到一定温度并保持一段时间后才能对其施加压力，以保证制件的质量。随着复合材料构件大型化和整体化程度的不断提升，其在热压罐内固化过程中的温度场分布也变得越来越不均匀，如还采用传统的保温再加压的固工艺，则难以保证预浸料加压带的要求，从而导致制件制造质量的下降和固化成型时间的增加。为解决这一问题，需要改善预浸料本身的工艺特征，以适应复合材料结构变化所带来的新需求。为此，国内外通过大量的研究，均已开发出多种可实现“零吸胶”、“常温加压”工艺的预浸料，从而保证了热压罐工艺复合材料制件的质量一致性，并减少了进罐时间。国内开发的环氧树脂预浸料碳Ⅷ/BA9918 预浸料、碳Ⅶ/BA9916-II 预浸料、CCF300/BA9916-II 预浸料和双马树脂预浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ/QY9611，都可做到“零吸胶”、“常温加压”，部分预浸料已用于多个型号产品的生产。
航空复合材料主承力结构的预浸料- 热压罐成型工艺
1 整体化成型工艺
着复合材料结构设计的发展，考虑进一步减重和降低成本，航空复合材料主承力结构件已越来越倾向于使用整
体化制造工艺，将多个构件一体化制造，以减少复合材料之间的装配连接。目前，预浸料- 热压罐工艺的整体化制造技术可分为共固化、共胶接和二次胶接3 种方案。每种均有各自的特点，因此需根据实际的结构和工艺要求来选择相应的整体化制造技术。在整体化制造中，各构件之间连最为关键的环节，因为它往往是整个结构最为薄弱的环节。如盒段整体结构中，相比，其弱点是承受面外载荷的能力较差，因此需要使用一些手段对该位置面外拉伸方向的性能进行加强。从目前的研究来看，Z-PIN、缝合技术虽然能改善面外拉伸性能，但其对结构的面内力学性能有一定的影响。针对整体化结构R 区的面外承载能力弱的特点，国内有关研究在这方面独辟蹊径，从提高材料性能的角度，开发了ZXC195、ZXC190、ZXC185 等系列增强芯材。该类增强芯材主要通过改善整体结构中R 区材料的韧性，来提高整体结构接头的面外承载能力，因此对于该区域结构的面内性能没有任何影响。目前，部分增强芯材已完成了相关整体化结构的工程应用，并取得了很好的应用效果[10] 。
2 各主承力结构成型工艺
2.1 壁板类成型工艺
复合材料壁板主要用于飞机尾翼、机翼和非筒体成型的机身。该类结构主要由蒙皮和长桁组成。
由于复合材料结构设计经历过等代设计，早期复合材料制造的壁板通常是由各自成形好的蒙皮和长桁通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重，不能很好地发挥复合材料的优点。随着复合材料整体化制造技术的出现，壁板类复合材料结构也逐渐摆脱了机械连接，实现了一体化制造。其制造工艺方案主要有以下几类。
（1）蒙皮与长桁共固化。
分别铺叠蒙皮和长桁；通过模具工装将其组合在一起，接触面铺胶膜（或不铺胶膜）；之后整体进热压罐完成共固化。
（2）蒙皮先固化，再与长桁共胶接。
先蒙皮固化；铺叠长桁，通过模具工装将其固定在已固化好的蒙皮上，接触面铺胶膜，之后进罐完成共胶接。（3）长桁先固化，再与蒙皮共胶接。
先固化长桁，并进行必要的机加；铺叠蒙皮，通过模具工装将固化的长桁与其组装，接触面铺膜，之后进热压罐完成共胶接。
（4）二次胶接。
分别固化蒙皮和长桁；将长桁进行必要的加工；通过模具工装将蒙皮与长桁组装，接触面铺胶膜，之后进热压罐完成二次胶接。
（5）混合工艺。
该工艺主要用于结构复杂的壁板结构。其制造工艺根据蒙皮和加筋的先后固化顺序分为多种工艺方案，统称为混合工艺。图1 为采用混合工艺成型的国内某纵横向加筋机身壁板。
以上的壁板类制造工艺方案各自具有不同的优缺点，在实际的工艺方案制定时，设计人员需要考虑具体的情况和相应的工程经验，来选用不同的成型工艺。
2.2 大长细比长桁和C 形梁成型工艺
在飞行器复合材料构件中，有一类大长细比的结构件，如机翼长桁、机翼C 形梁、机身长桁、机身地板梁等。这类构件结构虽然相对简单，但却无法使用自动铺带设备直接铺叠出毛坯，如果用手工铺叠却又不能在成本和周期上满足批量生产的要求。基于这类构件的结构特征，国内外工艺研发人员相继开发出了基于自动铺带技术的适用于大长细比构件的毛坯制备工艺。
（1）隔膜成型。
隔膜成型工艺是在欧洲推出的ALCAS 计划中，开发的一种用于加工飞机前梁的一种典型成型工艺方法。隔膜成型原是一种为热塑性复合材料开发的成型工艺，后发现用于热固性复合材料具有很广泛的用途。它具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适于加工大型飞机机翼前梁的C 形截面[11]在近年推出的
A400M 飞机的C 形前梁的毛坯制备采用了这种工艺方法。
需要指出的是，该工艺方法并非针对所有的预浸料都适用，相应的树脂应具有一定的流动性。有资料表明，空客A350XWB 在选材中由于坚持选用三代增韧的M21E/IMA 预浸料，其所用树脂是用热塑性树脂韧化的，缺乏流动性，用隔膜成型较困难，因此只好用自动铺丝技术来完成[12] 。
（2）叠层滑移工艺。
叠层滑移工艺是国内研发的专用于大长细比构件的毛坯制备工艺。该工艺首先将构件的复合材料模型进行平面
展开，并可用自动铺带机铺叠展开后的平面毛坯。将平面毛坯放入专用装置并进行加热软化，利用压力使其贴于相应的模具表面，形成最终的制件毛坯[13] 。
基于这种工艺，国内已研制出了10m“C”形梁以及10m“工”形、“J”形、“T”形长桁，且构件的质量完全满足要求。
2.3 盒段整体结构
在现行的飞机翼面类复合材料
整体化结构中，有多种结构设计方案，较为经典的如上、下蒙皮与骨架一体成型的整体盒段，下蒙皮与骨架一体成型并与上蒙皮机械连接的整体盒段等。针对这些不同的复合材料结构形式，需要开发相应的制造工艺方案。几种典型的成型工艺方案如下：
（1）基于“π”形接头的盒段结构成型工艺。
这一类结构方案主要用于飞机平尾、垂尾。其成型路线是先成型上、下“π”形加筋壁板和腹板，然后将腹板与上、下“π”形加筋壁板合拢胶接，组成盒段整体结构。目前该种结构和型工艺已在我国某机型的垂直安定面上得到应用，图2 为国内研制的“π”形接头盒段结构。
（2）基于T 形接头的骨架与上、下蒙皮一体成型工艺。
该类结构先铺叠（或固化）上、下蒙皮，通过模具工装将未固化的骨架与上、下蒙皮毛坯（上、下蒙皮）组装在一起，接触部位填充胶膜，再（或上、下蒙皮）与骨架和胶膜的共固化（或共胶接）。通常这类结构适用于飞机平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了这类成型工艺。如图3 所示为国内采用骨架与上下蒙皮一体成型工艺研制的盒段件。
（3）基于T 形接头的骨架与下蒙皮一体成型工艺。
该类结构先铺叠（或固化）下蒙皮，通过模具工装将未固化骨架与下蒙皮毛坯（或下蒙皮）组装，接触面化（或共胶接）；固化上蒙皮；上蒙皮再与骨架/ 蒙皮一体成型下壁板进行机械连接。该类结构主要用于战斗机的机翼主承力结构，目前有多种飞机机翼采用了该类结构，如欧洲EF2000 机翼、日本F2 机翼。国内对于该类结构的成型工艺已完成了相关的工程验证，并得到应用。
2.4 机身筒体成型工艺
目前使用复合材料制造机身的结构方案有两类，一类是将机身的每段筒体分为四块壁板分别成型后，再用机械连接方式对接，空客A350XWB 即为这种工艺方案；另一类则是将机身每段筒体整体成型，其代表机型是波音787。
波音787 的机身是用直径5.8m 的成型模胎成型，模胎安装在一旋转夹具上面沿长轴转动，用纤维铺放头进行纤维铺放，先铺长桁然后铺皮。结果可形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段（如图4），经过热压罐固化后，取下模胎，这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺。
复合材料数字化/ 自动化制造技术
1 自动铺带/ 铺丝技术
一直以来，预浸料- 热压罐工艺都属于先进复合材料制造工艺中成本较高的成型方式，其中在复合材料毛坯的制造过程中，预浸料的裁减和铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，在国外人工成本高昂的问题尤其突出。特别是在制件批量生产的前提下，不改变这种局面，制件的制造成本无法降低到市场能够接纳的程度。基于此原因，以及考虑到大尺寸构件制造的质量性，自动铺带/ 铺丝技术应运而生[14] 。
（1）自动铺带技术。
自动铺带机根据铺放制件的几何特征可分为平面铺带和曲面铺带两类。随着自动铺带设备、程、计算机软件、铺带技术以及材料的进一步发展，自动铺带的效率变得更高，性能更可靠，操作性更友好。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%~50％，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，且质量稳定，缩短了铺层及装配时间，工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。
目前，所有波音787 翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造，A400M 机翼后梁的平板毛坯也同样采用了自动铺带技术。着近年来国内复合材料井喷式的发展与应用，自动铺带技术也同样得到了发展，并取得了一定的应用成果。如北京航空制造工程研究所成功研制了6m×20m 大型自动铺带机，并已在新型飞机的复合材料构件研制中得到应用（如图5）。
（2）自动铺丝技术。
与自动铺带相比，自动铺丝束技术可以成型更复杂的结构件，材料消耗率低。目前自动铺丝技术的代表是美国辛辛那提机床公司Viper 纤维铺放机系统。Viper 纤维铺放系统将缠绕、特型铺带及计算机控制结合起来，自动生产需要大量手工铺层的复杂零件，从而缩短铺层及装配时间，其铺叠生成的工件近净成型，切削加工及原材料耗费比自动铺带技术更少。料制件制造上已成功地大面积使用，其对复合材料的重要性相当于铣床对金属材料结构的重要性。如美国的波音78机型，其23% 的机身（包括5.8m×7m 的47 段及4.3m×4.6m的48 段）均使用了辛辛那提公司的自动铺放机Viper600[4] ；A380 的尾锥、A350XWB 的尾锥和C 形梁同样使用自动铺丝设备制成。
2 手工铺叠的自动化/ 数字化技术
与传统手工铺叠相比，目前手工铺叠工艺具有明显的数字化特征，在整个铺叠过程中使用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量，如复合材料预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系等。采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程，大大增加了手工铺叠的工作效率和铺叠质量。目前我国在研和批量生产的航空用先进复合材料构件大部分仍在使用手工铺叠，其在数字化水平上已完全与国外看齐。
结束语
预浸料- 热压罐工艺是高性能热固性复合材料较早开发的成型方法。随着先进复合材料研发与应用的不断进步，这一成熟的制造工艺也同样追随着时代的步伐与时俱进。技术层出不穷，也在航空飞行器复合材料结构制造中得到较大的应用，但预浸料- 热压罐工艺仍以其优异的产品质量占据着重要的地位。且随着自动化、数字化水平的不断提高及相关技术的不断完善，其一直让人诟病的成本高、周期长的缺点也逐渐得到了改善，并被相关领域的人们所接受。随着航空飞行器的进一步发展，预浸料- 热压罐工艺仍需要不断地进步，以满足复合材料发展和应用的进一步需求。
《复合材料工艺与设备》课程介绍
《复合材料工艺与设备》课程介绍 一、课程简介 《复合材料工艺与设备》是复合材料与工程专业复合材料方向的一门主要的专业课，其主要任务是使学生掌握复合材料研究与生产中的各种成型工艺方法、成型工艺原理、复合材料工艺配方设计等方面的系统知识。通过本科程学习，要求学生掌握复合材料的基本性质、原材料的选用、各种典型成型工艺的主要工艺过程与复合原理，并了解这些工艺的主要成型设备。掌握各成型工艺制品的主要性质及其在实际生活中的应用。该课程的学习对本专业其他专业课的学习具有重要的关联作用。 课程的主要教学内容包括： 1、热固性树脂基复合材料的生产工艺与设备要求学生掌握手糊成型、夹层结构成型、模压成型等各种热固性树脂基复合材料成型工艺的原材料选择、工艺特点、成型工艺原理和过程。了解这些成型工艺的发展概况和成型设备。 2、热塑性树脂基复合材料的生产工艺与设备要求学生掌握树脂基体的成型性能、聚合物熔体的流变行为、聚合物的结晶和定向。掌握挤出成型、注射成型及片状模塑料冲压成型等热塑性树脂基复合材料的成型工艺的工艺原理、工艺过程。了解热塑性树脂基复合材料的发展，成型工艺的发展概况和成型设备。 3、无机非金属基复合材料成型工艺及设备掌握短纤维增强水泥的制造工艺、水泥对玻璃纤维的微观侵蚀机理等。了解纤维增强水泥基复合材料的发展概况和纤维水泥的增强机理。了解石膏基和陶瓷基复合材料的发展概况、成型工艺与成型设备。 4、金属基复合材料成型工艺及设备了解金属基复合材料的发展概况和复合工艺。 本课程的实验教学内容共有共有两个实验项目，包括不饱和聚酯树脂粘度的测定和手糊玻璃钢板。 通过本课的教学，掌握树脂基复合材料典型成型工艺如手糊成型工艺、夹层结构成型、模压成型、层压、缠绕、拉挤成型、注射成型等工艺的原材料选用、主要工艺过程与复合原理，了解这些成型工艺的发展概况和成型设备。掌握纤维增强水泥基复合材料的分类、特点、缺陷及应用，短纤维增强水泥的制造工艺、
复合材料制造工艺
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的物质基础。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。这主要是因为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部分。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，正日益发展并在许多工业部门中得到广泛运用，成为当今高科技发展中新材料开发的一个重要方面。 鉴于材料的重要的基础地位和作用，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发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基本概念、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，希望能够比较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（Compose 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，而是有着重要的改进。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。 复合材料的出现和发展，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，按照需要设计，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，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基本内容。 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部分加以省略或简写。 复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：
复合材料工艺及设备-教学大纲
《复合材料工艺及设备》课程简介及教学大纲1．课程简介 《复合材料工艺及设备》课程简介 课程代码：613010421学分：1 总学时：16 课程性质：专业限选课先修课程：高分子物理、高分子化学 授课对象：材料科学与工程专业本科生 内容提要： 复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多组分固体材料。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，有着重要的改进。在复合材料中，通常有一相为连续的相，成为基体；另外一相为分散的相，称为增强材料。 通过该课程的学习，使学生掌握复合材料的制备原理和生产过程、工艺流程的共性和特点，使学生对复合材料材料的性能、生产过程和应用有较全面地了解。 2．教学大纲 《复合材料工艺及设备》教学大纲 一、课程性质与教学目的 本课程是针对材料类专业本科生而开设专业限选课。过对本课程的学习，使学生了解复合材料的基本知识、基体和增强体种类和特点，聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料的特点、制备和应用。 二、基本要求 通过本课程的学习，学生应对复合材料的发展概况有一个基本的了解，掌握复合材料的基本知识，包括增强原理，基体、增强体材料，复合材料的界面，熟悉各类复合材料的制备方法、性能特点和应用。 三、教学内容及教学要求 第1章绪论（3学时掌握） 1.1复合材料发展概况 1.2复合材料的基本性能
1.3复合材料的成型工艺 1.4 选择成型方法的原则 第2章手糊成型工艺及设备（3学时掌握） 2.1原材料的选择 2.2手糊成型模具与脱模剂 2.3手糊成型工艺过程 2.4 喷射成型工艺及设备 第3章夹层成型工艺及设备（2学时掌握） 3.1概述 3.2蜂窝夹层结构制造工艺及设备 3.3泡沫塑料夹层结构制造工艺及设备 第4章模压成型工艺及设备（2学时掌握） 4.1概述 4.2模压料 4.3模压工艺及设备 第5章层压工艺及设备（2学时理解） 5.1概述 5.2胶布制备工艺及设备 5.3层压工艺及设备 第6章缠绕成型工艺及设备（2学时理解） 6.1概述 6.2芯模 6.3缠绕规律 6.4 缠绕工艺及设备 第7章注射成型工艺及设备（2学时理解） 7.1 概述 7.2 热塑性树脂基复合材料注射成型工艺 7.3 热固性树脂基复合材料注射成型工艺 四、学时分配 五、习题及自学要求
复合材料的最新研究进展
复合材料的最新研究进展 季益萍1, 杨云辉2 1天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室 2天津工业大学计算机技术与自动化学院, （300160） thymeping@https://www.sodocs.net/doc/2f1222219.html, 摘要：本文主要介绍了当前复合材料的最新发展情况，主要集中在复合材料的增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面。希望能抛砖引玉，激发研究人员更有价值的创意。 关键词：复合材料，最新进展 1. 引言 人类社会正面临着诸多的问题和需求，如矿物能源、资源的枯竭、环境问题、信息技术以及生活质量等，这推动了复合材料的发展，也促进了各种高新技术的发展。但目前人们已不仅仅局限于新材料的创造、发现和应用上，科学研究已进入一个各种材料综合使用的新阶段，即向着按预定的性能或功能设计新材料的方向发展。并且，在复合材料性能取得飞速发展的同时，其应用领域不断拓宽，性能持续优化，加工工艺不断改善，成本不断降低。 复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。我们观察到，复合材料的发展趋势是[1]： （1）进一步提高结构型先进复合材料的性能； （2）深入了解和控制复合材料的界面问题； （3）建立健全复合材料的复合材料力学； （4）复合材料结构设计的智能化； （5）加强功能复合材料的研究。 近年来，复合材料在增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面研究较多，并且不断有新的市场应用，能够代表复合材料的最新发展方向。 2. 增强纤维环保化[2] 目前，增强纤维的发展趋势主要是强度、模量和断裂伸长的提高。但随着全球环保意识的风行，复合材料产品也逐渐受到环保方面要求的压力，尤其欧洲地区已有相关规定，热固性复材产品由于无法回收再利用而不易销往欧洲。在树脂之外，复材产品中的增强纤维迄今绝大部分都是无法回收再利用的，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，全都是如此。 最近有一种新型增强纤维－玄武岩纤维(Basalt Filament)，是由火山岩石所提炼而成的，堪称100% 天然且环保，预期在不久的未来，将会取代相当比例的各种纤维，而加入复合 - 1 -
复合材料加工工艺综述
复合材料加工工艺综述 前言： 复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。 复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属
复合材料工艺与设备复习材料
复合材料工艺与设备 增强纤维（CF,GF）的生产工艺与设备（表面处理工艺与设备） 玻璃纤维在生产过程中辅助材料的作用：浸润剂的种类，作用 种类：增强型浸润剂和纺织型浸润剂； 作用：1、润滑-保护作用；2、粘结-集束作用； 3、防止玻璃纤维表面静电荷的积累；4、为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性；5、使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能 C纤维生产工艺中，惰性气体和张力的作用 惰性气体作用：①保护新生产的纤维不受氧化②作为传热介质③排除裂解产物（非C元素）。张力的作用：①使分子取向②使分子结构规整③产生轴向拉伸应力 增强纤维在表面处理工艺中的影响因素 玻璃纤维表面处理的影响因素：①处理剂的种类；②偶联剂的用量1~%；③处理方法（前处理法、后处理法、迁移法）；④烘焙温度与时间（偶联剂与GF的硅层结构的最佳结合程度）； ⑤偶联剂溶液的配制（PH值的调节，一般用5%的氨水）。 手糊成型工艺与设备 手糊工艺的特点：优点：1、守护成型不受产品尺寸和形状的限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；2、设备简单、投资少、设备折旧费低；3、工艺简单；4、易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；5、制品树脂含量高，耐腐蚀性好；缺点：1、生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；2、产品质量不易控制，性能稳定性不高；3、产品力学性能较低。 原材料选择原则：1、产品设计的性能要求；2、手糊成型工艺要求；3、价格便宜，材料容易取得。聚合物基体的选择原则：1、能在室温下凝胶、固化。并在固化过程中无低分子物得产生。2、能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为。3、无毒或低毒；4、价格便宜。增强纤维的选择原则：以玻璃纤维为例，工艺特点：1、很好的疏松性；2、铺覆的变形性；3、纤维的均匀性。 先进手糊法的种类：喷射成型、热压釜、树脂传递模塑与反应注射模塑。 RTM（树脂传递模塑）基本工艺过程：将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备分别从储桶
复合材料工艺与设备复习
0常用的增强材料 0常用的树脂基体（包括热塑性、热固性） 0常用的成型工艺 典型的液体成型：树脂传递模塑(RTM)、树脂膜渗透（RFI）、VARTM、VARI、SCRIMP、RLI 典型的热固性树脂成型：模压、喷射、RTM、RIM、拉挤、缠绕… 典型的热塑性成型：挤出、GMT、LFT、注射… 0工艺流程及其特点 0成型工艺参数及其控制 CM 复合材料 FRP 纤维增强塑料 FRTP 纤维增强热塑性塑料 SMC 片状模塑料 DMC 团状模塑料 BMC 块状模塑料 RTM 树脂传递模塑 RIM 反应注射模塑 RRIM 增强反应注射模塑 GMT 热塑性片状模塑料 AS AS树脂，丙烯腈—苯乙烯共聚物 CM是指由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多相固体材料。 高性能：高强度、高模量、耐高温、低密度、轻质高强、力学性能好、耐热性好、介电性能好。有些热防护功能、透波功能、吸波功能、阻尼功能等。 高性能树脂基复合材料的制备： 1）选材好，选用耐热性能、力学性能好的树脂基体； 2）选材好，选用力学性能比较好的碳纤维或者高性能的玻璃纤维； 3）成型方法要选择合适； 4）关键的成型设备要选择好； 5）成型工艺控制好，通过优化成型工艺条件，可以大幅提升材料性能。
第三章夹层结构 由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的一种结构材料。 弥补玻璃钢弹性模量低、刚度差的不足。在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。 加芯材的目的：维持两面板之间的距离，使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。 优缺点 泡沫：质量轻、刚度大、保温隔热性能好、强度不高 蜂窝：质量轻、强度大、刚度大//应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件 波板：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。 第四章模压成型 ?什么是模压？将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。 加热加压的作用：使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应 模压料的工艺性：流动性、收缩性、压缩性。 流动性。在一定温度和压力下模压料充满模腔的能力。如流动性好，可用较低成型温度、压力，较容易成型复杂制品。过大，会导致树脂流失或纤维局部聚集，制品性能下降。过小，物料不能充满模腔或局部缺料，无法成型。 成型压力↑，剪切速率↑，流动性↑。在较低温度范围内T↑，η↓，流动性↑，T继续升高，流动性↓。在开始一段时间内t↑，流动性↑，继续延长t，流动性↓。分子结构压缩性原材料、模具结构和制品形状、成型工艺条件 ?模压料的组成：短纤维增强材料、树脂基体材料、辅助材料 控制：树脂溶液浓度，纤维长度，浸渍时间，烘干条件 制备：预混、预浸，浸毡法 与质量控制 ?短纤维模压料质量控制指标：树脂含量；挥发物含量；不溶性树脂含量SMC基本组成：不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合物浸渍短切玻纤粗纱或玻纤毡，两表面加上保护膜(聚乙烯或聚丙烯薄膜)形成的片状模压成型材料。 SMC的增稠、低收缩作用、 SMC生产工艺：树脂糊制备，上糊操作，纤维切割沉降、浸渍、稠化 及其控制、模压工艺参数 第六章层压成型
Ti基复合材料及其制备技术研究进展评述
先进材料制备科学与技术课题报告 ——Ti基复合材料及其制备技术研究进展报告 学院：材料科学与工程学院 学号：SY1401210 姓名：刘正武 2014年12月24日
摘要 钛基复合材料(TMCS)以其高的比强度、比刚度和良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景,引起了材料研究者的广泛兴趣。国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速,开发出来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钦基复合材料。国内TMCS研究起步较晚,虽取得了一定成绩,但与国外相 比还有一定差距。 本文主要从钛基复合材料的研究背景，强化原理，以及存在的主要问题方面做了总结，并对国内外的研究现状作了简要评述。钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量。加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力。颗粒增强钛基复合材料(PTMCS)与纤维增强钛基复合材料(FTMCS)相比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料。自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。 关键词：钛基复合材料；性能；制备；研究进展
目录 第1章前言 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.1研究背景及原理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 主要问题 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 第2章国内外研究进展及评述 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2.1 Ti基复合材料增强体的种类---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2.2陶瓷颗粒增强钛基复合材料 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 7 2.2 自生钛基复合材料--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 第3章结论 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状
国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状 从低成本成型的研发现状看，大致可分为以下5方面的内容：（1）对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率，如Filament Winding（FW，纤维缠绕）、Pultrusion（拉挤）、 Braiding（编织）、 Tow placement（丝束排布）、自动成套裁剪、预浸材料激光样板切割（Laser template）等自动化技术。（2）湿法工艺技术：RTM、RFI等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂。（3）热塑性复合材料的易成型新材料开发及IN-SITU（原位）成型方法：D irect consolidate（直接固结）、Commingled yarn（搀混纱线）、Powder co ated towpreg（粉末涂覆丝束预浸）等新成型方法。（4）不用热压罐的新固化技术，用微波、电子束、超声波、X线等高效率能量的新固化方法。（6）CAD/C AM模拟技术：铺层、浸渍、成型、固化等工序的模型化/模拟技术，有助于保证产品质量，提高生产效率。 低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术，也称液体模塑成型技术（简称LCM），主要有树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂渗透成型工艺（SCRIMP）和结构反应注射模塑等。其中最重要的是树脂传递模塑技术（RTM）以及由此而发展起来的VARTM。RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。是目前国际上发展应用最快，并在航空工业应用最多的低成本技术之一。 从国际上看，美国在湿法成型技术上处于领先地位，特别是在航空航天领域内，在过去十年里，美国应用RTM技术的增长率为20-25%。据美国塑料工程学会预测，在今后五年里美国应用RTM技术的增长率将提高到30-32%。美国基本形成了RTM有关的材料体系、制造工艺、技术装备和验证系统，并在武器装备上得
复合材料工艺与设备复习资料
《复合材料工艺与设备》简答与论述（▲为重点内容） 原材料、1生产工艺中，浸润剂分为哪几种类型？它们的作用是什么？）（1（概念题里有详解） ▲根据原丝的选择原则，生产常用的原丝种类有哪些？（聚）2（丙烯睛纤维，沥青纤维，粘胶纤维） 手糊成型工艺、2▲根据手糊成型的工艺特点，说明对增强纤维和基体树脂的）1（选择原则及常用制品和树脂的种类？ P12-14高级模具的基本要求？如何制备高级模具？P17-19）（2▲手糊成型工艺对外脱模剂的基本要求？并举例说明外脱）（3模剂的主要类型及应用特点? P20-21 ▲分析手糊成型工艺制品常见缺陷的原因如：表面发粘、气）（4泡、流胶、胶衣层起皱、分层、固化不完全等。 P29-31 、喷射、热压釜工艺、3喷射成型有哪几种形式？ P32）（1喷射成型中垂流与浸渍不良原因是什么？如何防治？ P35（2）热压釜主要结构及装置有哪些？ P41）3（▲与其他工艺相比，有哪些特点？ P49（4）分别是反应注射模塑、增强型反应注射模、工艺？（何为、）5（． 塑、结构反应注射模塑） P51-54
夹层结构工艺 4、夹层结构的特点及应用。 P56-57 1（）聚氨酯泡沫塑料夹芯材料的生产原理。 P66-68（2）金属蜂窝夹芯材料的生产流程。 P61（3）蜂窝夹层结构生产中常见问题和解决方法。 P64 4）（泡沫夹层结构通常有哪几种制造方法。 P66 5）（模压成型工艺、5▲树脂糊包括哪些基本组分？ P83）（1中内脱模剂种类有哪些？作用机理如何？ P91）（2▲常用增稠剂的化学增稠机理如何？ P86）（3▲中低收缩添加剂的作用机理如何？P87（4） 6、层压成型工艺 （1）层压板的主要类型？ P135 （2）▲胶布生产的工艺参数？质量指标？以及相互关系？ P136-139 （3）▲在层压板热压曲线中，各个阶段的作用和目的？ P148（4）如何解决层压板生产中出现的板材翘曲的问题？ P151（5）卷管工艺原理及过程如何？ P156 7、缠绕成型工艺 （1）缠绕成型工艺分为哪几类型？ P159 （2）▲切点法分析缠绕规律的主要内容？ P169 （3）▲纤维缠绕规律的实质是什么？何谓测地线缠绕、线性和发线性缠绕？(概念题型里有详解) （4）▲分析说明缠绕张力制度的内容及缠绕张力对制品性能的
复合材料的切削加工技术
复合材料的切削加工技术 复合材料在航空、航天等工业中得到越来越多的应用。复合材料的种类很多，基体材料分金属和非金属两大类，增强材料分纤维和颗粒两大类。对复合材料进行切削加工的难度较大，一般需采用超硬刀具。 复合材料的种类和性能 复合材料是由两种或两种以上的机械、物理和化学性质完全不同的物质，经人工合成制造出多相组成的固体材料，从而获得单一组成材料所不能具备的性能和功能。 现代工程结构所用的复合材料，按基体材料的类型可分为树脂基、金属基和陶瓷基这三大类；按增强相的形态可分为长纤维、短纤维、晶须、层叠和颗粒增强的复合材料等。 在航空、航天、汽车、石油化工等工业中，纤维增强复合材料用得较多，主要类型有： （1）玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP），主要由SiO2玻璃熔体制成，某些性能接近于钢，可代替钢使用，故又称“玻璃钢”。现已成为一种常用的工程结构材料。基体多为酚醛树脂或环氧树脂。 （2）碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP），其性能优于玻璃钢，现已得到广泛应用。所用基体与“玻璃钢”相同。 （3）硼纤维增强复合材料（Boron Fiber Reinforced
Plastic,BFRP），应用起步稍晚，性能与CFRP接近。基体为树脂。 （4）芳纶纤维增强复合材料（Kevlar Fiber Reinforced Plastic,KFRP），其增强纤维为芳香族聚酰胺纤维，又称“芳纶纤维”。它的基体也是树脂，性能亦佳。 上述纤维增强的树脂基复合材料（FRP），多用于航空和其他方面的结构件，可代替铝合金和钛合金，甚至部分钢材，因为它们的机械性能好，且能减轻构件的重量。 此外，还有颗粒增强的铝基复合材料，如SiCp/Al的耐磨性强，可用于耐磨件，对其加工很困难。 复合材料的应用 由于复合材料的抗拉强度高，弹性模量和耐热性较好，重量轻，韧性、减振能力和抗疲劳性能特佳，故首先在飞机结构上得到广泛应用。可使飞机重量减轻，加速快，转弯变向灵活，飞行高度高，航程加长，节省燃料。后来，在汽车、船舶、纺织机械、化工设备、建筑和体育器材上也得到了广泛应用。 近年来，在民用飞机B757、B767、B777、A300、A340上，复合材料用量已占飞机全部用料的11%～20%。商用飞机B787上大量使用CFRP，已占飞机体积的11%，占结构件重量的50%。B787每年所用的燃料费，比B767减少500万美元。A380上的机身、机翼板，用大量的复合材料制造。武装直升飞机AH-60、NH-90、V-22、RAH-66上，从整流罩、地板、壁板等次承力结构到旋翼框架等主承力结构上都使用复合材料，且高达飞机重量的50%[3-4]。
碳纤维复合材料连接技术研究
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/2f1222219.html, 碳纤维复合材料连接技术研究 作者：荆楠 来源：《科技风》2019年第04期 摘要：介绍了胶接、机械连接及混合连接等碳纤维复合材料的常用连接方法及优缺点，总结了碳纤维复合材料的连接形式、接头强度的影响因素和接头的选用原则，并对国内外碳纤维复合材料连接的研究进展进行了简要介绍，最后展望了碳纤维复合材料连接的研究前景。 关键词：碳纤维复合材料；胶结；机械连接；混合连接 中图分类号： TP311文献标识码：A The research of joint techniques for carbon fiber composite materials Jing nan Tianjin sino-German University of Applied SciencesTianjin300300 Abstract：The joint techniques of carbon fiber composite materials is introduced， which includes the adhesive join，mechanical joint and hybrid joint.The advantages and disadvantages of these joints are also explained in this study. This summarizes the connect mode，influence factors for joint strength and selection principle. The developments of carbon composites joning techniques are introduced . Finally， the development trend of carbon fiber composite joint techniques joint techniques is summarized. Key words：carbon fiber composite materials； adhesive join； mechanical joint ；hybrid joint 碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点，其在航空器上的应用可以有效降低结构重量、提高航空器性能、降低运营成本。碳纤维复合材料在飞机上的使用比例和应用部位，已经成为衡量飞机是否先进的重要指标。[1] 在碳纤维复合材料的大量使用中，势必会需要和其他材料进行连接，例如复材和复材、复材和金属等。因此对碳纤维复合材料连接技术进行研究，对于飞机结构的设计及维修都具有十分重要的意义。 1 碳纤维复合材料的常用连接方法 复合材料零部件之间以及复合材料和金属零部件之间通常用三种连接方式：胶接、机械连接、混合连接等。[2]简介如下：
复合材料成型工艺及设备
无机非金属复合材料的成型工艺—纤维增强水泥基复合材料 【摘要】纤维增强水泥基复合材料作为新型工程材料已在土木工程多领域中得到广泛地应用。目前在水泥复合材料中掺加一定量的纤维，可以改善并且提高水泥复合材料的物理、力学等性能指标。 【关键词】纤维增强复合材料水泥 1、发展及应用 自60年代开始，纤维增强水泥基复合材料的研究和开发有较大进展。1964年，丹麦科学家应用复合材料理论探讨纤维增强无机与有机凝胶材料的机理。1967年英国人试制成功抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆。随后美、日等国也相继投产。我国进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥，现已取得一定成效。目前广泛用于各种建筑物中以及工程装备中。 2、特点 纤维增强水泥基复合材料与普通混土相比，其显著特点是轻质高强，具有良好的断裂韧性。其拉压比一般可达1/4～1/6(普通混凝土为1/10)。 3、复合材料的组成 1、纤维增强水泥原材料 3.1.增强材料 纤维加入脆性的水泥基体中，其作用是提高水泥集体的抗拉强度和韧性，改善其冲击强度和疲劳性能。增强水泥所用纤维按其化学组成可分为金属纤维，无机纤维和有机纤维三大类。 用于增强水泥的纤维可分为短切纤维、连续纤维或纤维织物等。目前国内外使用最多的为短切纤维。 2.水泥基体材料 硅酸盐水泥、氯氧镁水泥、高铝矿渣水泥等 4、成型工艺及设备 GRC的成型方法有喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法等多种方法。其中玻璃纤维增强水泥复合材料使用最多的方法是喷射成型法。 1、成型工艺 A：直接喷射法 用人工手动或通过机械移动装置使切割喷射机在模型上方作往复移动，将纤维水泥砂浆喷在模型表面。
复合材料成型工艺
树脂基复合材料成型工艺介绍（1）：模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型工艺的主要优点：①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：①纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。 ②碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。③织物模压法将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。④层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。⑤缠绕模压法将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。⑥片状塑料（SMC）模压法将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。⑦预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。 模压料的品种有很多，可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯料。当前所用的模压料品种主要有：预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC等品种。 1、原材料 （1）合成树脂复合材料模压制品所用的模压料要求合成树脂具有：①对增强材料有良好的浸润性能，以便在合成树脂和增强材料界面上形成良好的粘结；②有适当的粘度和良好的流动性，在压制条件下能够和增强材料一道均匀地充满整个模腔；③在压制条件下具有适宜的固化速度，并且固化过程中不产生副产物或副产物少，体积收缩率小；④能够满足模压制品特定的性能要求。按以上的选材要求，常用的合成树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂、烯丙基酯、三聚氰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。为使模压制品达到特定的性能指标，在选定树脂品种和牌号后，还应选择相应的辅助材料、填料和颜料。 （2）增强材料模压料中常用的增强材料主要有玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等，也有少量特种制品选用石棉毡、石棉织物（布）和石棉纸以及高硅氧纤维、碳纤维、有机纤维（如芳纶纤维、尼龙纤维等）和天然纤维（如亚麻布、棉布、煮炼布、不煮炼布等）等品种。有时也采用两种或两种以上纤维混杂料作增
先进树脂基复合材料制造技术综述
先进树脂基复合材料制造技术综述单位：西北工业大学机电学院作者：阎龙史耀耀段继豪 树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用，可实现飞机结构相应减重25%~30%[1-2]。此外，通过复合材料结构/ 材料/ 工艺综合研究和材料/ 工艺/ 设计/ 电子/ 气动等学科交叉，深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力，可进一步提高飞机的综合性能。早在20世纪80 年代，人们就预测到2000 年飞机的绝大部分结构将采用复合材料，甚至出现全复合材料飞机。然而，到目前为止，这一预言尚未实现，其主要原因是复合材料构件的成本还远远高于铝合金构件，高成本阻碍了复合材料技术在航空航天等领域的更广泛应用[1]。因此，在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术成为当今复合材料界的共识。目前可降低复合材料制造成本的主要技术途径有：复合材料低温固化技术、复合材料RTM 成型技术、自动缠绕与铺放技术、复合材料电子束固化技术、复合材料结构修理技术[1]。 复合材料低温固化技术 复合材料低温固化技术通常指固化温度小于100℃，可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术[1]。发展复合材料构件的低温固化技术，可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外，低温固化复合材料构件的尺寸精度高，固化残余应力低，适于制备大型和形状复杂的复合材料构件，也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。 复合材料低温固化技术的研究始于20 世纪70 年代，ACG 公司于1975 首先发展了第一个低温固化树脂体系LTM10。到20 世纪80 年代中期，低温固化复合材料开始应用于工装领域。20 世纪90 年代早期，低温固化复合材料首次用于航空结构件，如1985 年洛克希德·马丁公司采用LTM45 低温固化体系制备了UAV构件；1986 年NASA 和McDonel-Douglas 公司使用LTM10 体系/ 真空袋成型技术制造了X36 无人战斗机和UAV 的外蒙皮。国内关于低温固化复合材料研究的起步较晚，北京航空材料研究所成功研制出70℃固化，80~100℃使用的LT-01 碳纤维增强复合材料树脂体系，并用于制造大型运输机复合材料腹鳍。表1 所示为碳纤维增强LT-01 复合材料体系力学性能[1]。
复合材料先进制造技术分析
复合材料先进制造技术分析 复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一（在 B787 结构上的用量达总重的 50%，A350XWB 结构上的用量达总重的 52%[1]），其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料（以下简称先进复合材料）。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求，随着市场对先进复合材料产品质量、性能、成本、周期等要求的不断提高，促进了先进复合材料工艺技术及其模具和工装技术不断创新发展[1]。 1模具设计与制造技术 在CAD技术发展的推动下，复合材料成型模具和工装广泛采用数字化设计技术，许多常用的结构采用模块化和参数化设计，以提高设计效率。 复合材料模具与常规钣金成型模具的不同之处在于：对累积公差的要求更加严格；模具与零件贴合面尺寸的差异取决于模具的类型和热膨胀特性；复合材料零件的最后尺寸是基体最高固化温度下的尺寸[1]。 在进行模具设计时，重点要考虑热匹配问题，钢和铝的热膨胀系数比大多数碳/石墨复合材料约大出一个数量级，当从固化峰值温度向下冷却时，金属模具的收缩会在构件中引起严重的残余应变或固有应变。在进行模具设计时，如果不能通过尺寸修正，则需要使用热膨胀系数较低的复合材料模具。对于简单的角度回弹问题，在模具设计时，预先把回弹角考虑进去，即制件夹角加上回弹角等于模具的角度，使制件脱模回弹后符合工艺数模要求。对于复杂的制件，采用CAE技术模拟分析模具和工装的结构刚度、热膨胀、温度场分布等效果，为模具温度补偿和回弹修正设计提供依据[2]。 1.1基于成型工艺条件的模具 无论是先进热固性树脂基复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：（1）构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具（例如传统热压罐工艺，见图1）或依赖机械传压的刚性模具（例如传统模压工艺，见图2），这是最常用的方式；（2）以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于 DC-10 飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼；（3）以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间；（4）以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。
碳纤维复合材料连接技术研究
碳纤维复合材料连接技术研究 发表时间：2019-04-19T14:49:10.037Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：陈鹏朱波[导读] 摘要：本文综述了碳纤维复合材料的各种连接方式、连接技术优缺点及国内外学者对连接技术的研究现状。 贵州航天天马机电科技有限公司贵州遵义 563000 摘要：本文综述了碳纤维复合材料的各种连接方式、连接技术优缺点及国内外学者对连接技术的研究现状。未来新型连接技术的研究及计算材料学（有限元法、有限差分法等）在碳纤维复合材料连接中的应用是该领域研究的主要内容。相信随着技术的不断发展进步，轻量化、高可靠性、耐高温、低成本的碳纤维复合材料连接技术也会应运而生。 关键词：碳纤维复合材料；连接技术；应用 1碳纤维复合材料的常用连接方法 复合材料零部件之间以及复合材料和金属零部件之间通常用三种连接方式：胶接、机械连接、混合连接等。简介如下： 1．1胶接 胶结是通过胶粘剂将两个或者多个构件的结合面进行连接在一起。它是复合材料连接中较普遍采用的一种连接方式。［2］其主要优缺点如下：胶结的优点：（1）可避免因制孔而引起的应力集中，层压板强度受影响；（2）连接效率高、结构轻，连接件成本较低；（3）抗疲劳、减振、密封及绝缘性能好；（4）可获得光滑的气动表面；（5）无不同材料间的电化学腐蚀问题。胶结的缺点：（1）缺少可靠的检测方法，胶结质量难以控制，且可靠性不高；（2）胶结强度分散大，剥离强度较低，难以传递较大载荷；（3）胶结前对表面处理的要求比较严格；（4）胶结是不可拆卸的永久连接，材料回收难度大；（5）不适用于较厚的结构和传递较大的载荷；（6）胶结固化会产生较大的残余应力。 1．2机械连接 机械连接主要是用紧固件将两个零部件连接在一起，比如螺栓、铆钉和特殊紧固件等。其中螺栓连接属于可重复拆卸式连接，其承载能力比铆钉连接高，一般用于主要承力结构的连接。铆钉属于不可重复拆卸连接，虽然承载能力较小，但是可以采用沉头铆钉的形式得到表面更光滑的连接件。［3］对于某些特殊要求，比如结构不开闭、难以接触、表面曲率大、密封要求高等情况，可视情采用合适的特殊紧固连接。以下以螺栓连接为例介绍机械连接的优缺点。机械连接的优点是：（1）便于检查质量、有效保证检查的可靠性；（2）对于螺栓连接来讲，在使用过程中可进行重复拆卸和安装；（3）对连接件表面的制备和处理精度要求较低；（4）可避免胶接固化引起的残余应力，尤其对剥离应力不敏感；（5）对连接件的厚度要求没有限制。机械连接的缺点是：（1）制螺栓孔时，会导致孔周的应力集中，降低连接性能；（2）为减小制孔对层压板强度的影响，通常需要增加局部层压板厚度，再加上紧固件的使用，导致连接件整体重量增加；（3）部分钢质和几乎全部铝合金紧固件和复合材料接触会产生电化学腐蚀；（4）制孔过程会对复合材料产生不同程度的损伤；（5）与之配合的金属件易于疲劳。 1．3混合连接 混合连接是采用至少两种连接方式将两个或两个以上的构件连接起来。通常是贯穿层合板厚度的机械连接与胶接同时使用，例如螺栓连接与胶接、铆钉连接与胶接等。若从工艺上严格保证连接质量，使两者变形一致，同时受载，则可以起到阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能的作用。同时，混合连接也会带来诸如孔应力集中、增加结构重量和成本的不利影响。 1．4连接方式的选择 在复合材料连接中，采取何种连接方式要视情况而定。通常来讲，对于需要传递较大的集中载荷和强调可靠性的部位，多采用机械连接方式。对于需要传递均布载荷或承受剪切载荷的部位，多采用连接效率较高的胶接连接。［3］混合连接则适用于要求多余度连接的部位，如中等厚度板的连接。 2碳纤维复合材料连接形式 2．1胶接的连接形式 从结构强度的观点考虑，胶接连接设计应遵循以下基本原则：选择使胶层在最大强度方向受剪力的连接形式，尽量避免胶层在法向受力，以防发生剥离；尽量避免连接端部层压板发生层间剥离；在高温工作时，所选胶粘剂和连接件的热膨胀系数尽量一致；尽量增大胶结面积，增大受载能力。以上原则的目的是使接头强度高于或不低于被连接件。因此，为满足基本要求，应从连接形式、接头几何参数的选择等方面入手。综合以上，碳纤维复合材料胶接的连接主要有单搭接、双搭接、阶梯形连接、斜面连接四种形式。选择采用何种连接方式时，要考虑构件的强度要求。当胶接件比较薄（小于1．8mm）时，可采用单搭接。但是当两个胶接件刚度不等时，单搭接的偏心效应较大，应尽量避免使用单搭接。对于中等厚度板（3至6．35mm），采用双搭接或双搭接板连接比较合适。当胶接件很厚时（大于6．35mm），由于偏心载荷产生的偏心力矩增大，须选用斜面或阶梯形连接。 2.2机械连接的连接形式 碳纤维复合材料的机械连接形式，根据受力形式可以分为单剪和双剪两种，按照有无起连接作用的搭接板，主要有对接和搭接两类，其中每类又分为等厚度和变厚度连接两种情况。选择复合材料的连接形式时，应注意以下原则：单剪连接会产生附加弯曲，从而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低，因此连接设计尽可能选择。双剪连接，尽可避免选用单剪连接； 若采用单剪连接等不对称的连接形式，则应采用排距尽可能大的多排紧固件，使偏心加载引起的弯曲应力降低的最小； 由于碳纤维复合材料的塑形较差，会造成多排紧固件连接载荷分配不均匀，因此，设计多钉连接形式时，应尽可能选用不多于两排紧固件的连接形式。紧固件尽可能选用平行排列，避免交错排列，以提高连接强度。 3碳纤维复合材料连接方法研究进展 3．1固相扩散连接 固相扩散连接是在高温高压下，中间层材料发生原位化学反应，界面处元素相互扩散，结果是在连接界面处形成稳定的界面层，从而获得高温高强接头。中间层材料多采用高温合金和陶瓷粉体，或者是陶瓷的有机前体。国内外诸多专家研究了分别使用硼和石墨混合粉、金属钨粉和碳粉、钨改性酚醛树脂和钨粉混合物等作为中间层材料，在不同压力和温度下对碳纤维复合材料进行反应扩散连接，结果表明连接件在1500摄氏度以上高温环境中，最大剪切强度可以达到16Mpa以上。