常用复合材料成形过程

9.5　常用复合材料成形过程

目前，各类复合材料中使用最多且最重要的是纤维复合材料。因此这里主要简介制造机器构件的纤维复合材料成形过程。

9.5.1　纤维制取方法

纤维复合材料中的纤维，主要使用的有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维和金属细丝。对它们的制取方法大致有如下几种。

（1）熔体抽丝法　将所制取材料（如玻璃）熔化成液体，然后从液体中以极快的速度抽出细丝。此法主要应用于制取玻璃、氧化铝等纤维。

（2）热分解法　将人造或天然纤维在200～300℃的空气中预氧化，然后在1　000～2　000℃的氮气中碳化，可制得碳纤维。若将碳纤维在2　500～3　000℃氩气中石墨化后可得到石墨纤维。此法主要用于获得碳或石墨纤维。

（3）拔丝法　将冶炼或粉末压制生产的金属坯料，在高温且有保护的环境中反复拉拔成细丝。此法主要应用于获得金属细丝。

（4）气相沉积法　主要应用于制取硼、碳化硼、碳化硅等纤维。例如，将三氯化硼气体与氢气按一定比例混合，加热到2　000℃以上，使硼沉积在极细的钨丝上，得到硼纤维。

上述方法所得纤维的形态有短纤维、晶须（如用熔体抽丝法、气相沉积法等）以及连续纤维（如用热分解法、拔丝法等）。

9.5.2　纤维复合材料成形方法

复合材料均是基体材料与增强物组合起来而形成的。用纤维复合材料制作制品的成形方法按基体材料在成形时的状态主要分为两大类。

1.固态法

该法是指纤维复合材料中的基体与增强物（如短纤维、晶须、颗粒等）在成形过程中均处于固体状态。此法是将基体材料或箔与增强物按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，置于模具中，再经加热加压使基体与增强物复合黏结而制成（纤维）复合材料零件或制品。固体法中，基体材料主要是塑性好的Al、Cu、Ti及其合金等。当增强物为短纤维、晶须或颗粒时，其成形过程与粉末压制（冶金）成形相似。

粉末压制法、热压固结法（又称扩散黏结法）、热等静压法、轧制法、拉拔法、挤压法等均属此类成形方法，其中，热等静压法、轧制法、拉拔法、挤压法等主要用于制造复合材料管、棒、筒、锭坯等。目前，粉末压制法和热压固结法发展较成熟，应用较多；而轧制、拉拔、挤压等复合材料成形方法技术不够成熟，应用较少。

2.液态法

该法是指基体材料在成形时处于熔融状态，与固体增强物复合后，通过基体材料的固化或凝固而获得复合材料零件或制品的方法。此法中，因基体在熔融态时流动性好，在一定的外界条件（可以是单独的热作用，也可以是热和压力复合作用）下容易进入增强物间隙中，故液态法在纤维复合材料成形过程中应用较多。液态法中的基体材料采用最多的是树脂，也有用金属材料的。液态法可用来直接制造纤维复合材料零件，也广泛用来制造纤维复合丝、复合带、复合板、锭坯等作为二次加工成零件的原材（料）。

例如，由玻璃、碳、硼纤维等与树脂成形复合材料（又称连续纤维增强热塑性塑料——continuous fibre reinforced thermoplastic plastics，CFRTP）制品的液态法就有许多种，按成形过程的特征主要有如下几种。

（1）喷射成形法　把切成小段的（玻璃）纤维和树脂一起喷涂到模具表面，然后固化成形。如制造玻璃纤维艇外壳等（见图9－13）。

图9－13　喷射成形示意图

1—树脂混合物；2—纤维丝；3—切断装置；4—喷枪；5—压缩空气

图9－14　压制成形示意图

1—下模；2—上模；3—加热通道；4—制品

图9－15　纤维缠绕成形示意图

1—纤维；2—型模（芯轴）；3—树脂浴槽

（2）压制成形法　在模具上铺好（玻璃）纤维制品，然后浇上配好的室温固化树脂加压固化成形。主要用来制造玻璃纤维艇零件，如飞机零件，货车、汽车零件，容器及托盘、头盔、机器护罩、行李箱等（见图9－14）。

（3）纤维缠绕成形法　把连续纤维一边浸以树脂（通过树脂浴槽），一边缠绕在芯轴上，然后固化成形。主要制造像管子、压力筒等（见图9－15）。

（4）连续成形法　把连续纤维不断地浸以树脂，并通过模口和固化炉，固化成形板、棒或其他型材（见图9－16）。

（5）层压成形法　把纤维制品（板或片状）或纸板、织物（如棉布）、石棉、木材等经浸渍或涂敷树脂后叠堆，在加热加压下固化成各种夹层结构，以获得复合纤维板、棒、管和其他特殊形状，在电器绝缘件、家具等中广泛应用（见图9－17）。

上述方法中基体（树脂）的固化过程与高聚物的相同。

图9－16　连续成形示意图

1—纤维；2—树脂浴槽；3—成形模；4—固化炉；5—牵引装置

图9－17　层压成形示意图

1—纤维；2—树脂浴槽；3—牵引装置；4—切割；5—层压固化；6—制品

除上述所介绍的方法外，还有复合涂（镀）法，即将增强物（主要是细颗粒或短纤维）悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面，形成复合材料层；也可用等离子等热喷镀法将金属和增强物同时喷镀在底板上形成复合材料层。复合涂（镀）法一般用来在零件表面形成一层复合涂层，增强耐磨、耐热等性能。对于金属基复合材料还有挤压铸造法、真空压力浸渍法等。