复合材料工艺及设备完整.ppt
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1、复合材料工艺及设备,目 录,1 绪论2 手糊成型工艺及设备3 夹层结构成型工艺及设备4 模压成型工艺5 模压成型模具与液压机6 层压工艺及设备,7 缠绕成型工艺8 缠绕设备9 无机非金属基成型工艺及设备,目 录,文库专用,4,9.1 概述9.2 水泥基复合材料9.3 陶瓷基复合材料,9 无机非金属基复合材料成型工艺及设备,文库专用,5,9.1 概述,9.1.1 发展概况,无机非金属基复合材料,通常是指各种类型的纤维(或晶须)为增强材料,以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料为基体,通过不同的成型方法复合而成的一类新型的多相固态材料。,文库专用,6,传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相
2、比,有许多独特的优势,如抗腐蚀、耐高温等。这使得许多行业的科学家都对它情有独钟,然而,它也有质脆、经不起热冲击的弱点,又使它的应用范围受到了一定的限制。,文库专用,7,无机非金属材料复合材料,特性:,1、能承受高温,强度高,2、具有电学特性,3、具有光学特性,4、具有生物功能,文库专用,8,文库专用,9,F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能,突破敌火力网,压制敌方防空系统,摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标,还可执行侦察任务,具有一定空战能力。,文库专用,10,文库专用,11,1 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite)发展概况,陶瓷具有高硬
3、度、高强度、耐高温和耐腐蚀等十分突出的优秀性能,但它又有脆性的缺点,这限制了它的更广泛应用。工艺上采取陶瓷纤维加入陶瓷基质的办法,来增大它的韧性,取得有效的结果,既达到增韧又不降低强度。现在已经可以满足12001900高温范围内使用的要求。,文库专用,12,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体,通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。其复合材料的类型如图所示。,文库专用,13,不同增强材料的陶瓷基复合材料,连续纤维,片状或层状纤维,文库专用,14,陶瓷基复合材料中,提高强度不是其目的,最主要的是提高其韧性。,炭纤维和陶瓷纤维(晶须)增强陶瓷基复合材料有较高的韧性。但炭
4、纤维和陶瓷基体之间相容性较差,且其成本高。所以重点研究和开发陶瓷纤维(晶须)增强陶瓷基复合材料。,文库专用,15,所用的陶瓷纤维(或晶须)有SiC、Si3N4和Al2O3等。,陶瓷基复合材料主要有四大系列:Al2O3-ZrO2系列;SiC-SiC系列;Si3N4系列;SiC-Si3N4系列。其成型方法有:烧结法、热压法、反应烧结法、化学气相沉积法和浸渍法等。,文库专用,16,氧化锆陶瓷刀具,氧化锆陶瓷刀具,文库专用,17,2.水泥基复合材料(Glassfiber Reinforced Cement)发展概况,1964年,丹麦Krenchel博士应用复合材料理论探讨了纤维增强无机与有机胶凝材料的
5、机理。1967年英国的Majumdar试制成功含锆的抗碱玻璃纤维,并研究了抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆,取得了专利。1971年此种复合材料开始小规模生产。,文库专用,18,我国在50年代曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆。进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥。,纤维增强水泥基复合材料的纤维种类有:石棉纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、炭纤维、Kevlar纤维和植物纤维等。,文库专用,19,成型工艺方法:喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法、离心法、抄取法和流浆法。,文库专用,20,二、陶瓷基和水泥基复合材料性能及其应用,1.陶瓷基复合材料性能及应用,文库专用
6、,21,稀土离子掺杂YAG透明陶瓷的显微结构,无压烧结氮化硅陶瓷材料的显微结构,文库专用,22,碳化物陶瓷制品(SiC密封件、SiC轴承球、SiC燃烧室),Si3N4及陶瓷制品,文库专用,23,2.水泥基复合材料性能及应用,特点:轻质高强、具有良好的断裂韧性。,增强材料:石棉纤维、玻璃纤维和有机合成纤维等。,(1)玻璃纤维增强水泥的性能及应用,广泛用于建筑物中。,文库专用,24,文库专用,25,文库专用,26,文库专用,27,文库专用,28,(2)石棉水泥基复合材料性能及应用,由于石棉粉尘的危害性,使其应用受到了限制。主要应用:石棉瓦、石棉水泥管。,文库专用,29,(3)钢纤维水泥复合材料性能
7、及应用,钢纤维水泥复合材料是由钢纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。通常称为“钢纤维增强混凝土”(Steel Fiber Reinforced Concrete)。,主要应用领域:隧道、巷道、机场跑道、桥梁、高速公路等。,文库专用,30,(4)聚丙烯纤维水泥复合材料性能及应用,是由聚丙烯纤维与水泥砂浆或混凝土所组成。统称为聚丙烯纤维增强混凝土(Polypropylene Fiber Reinforced Concrete)。,特点:抗冲击强度增大、韧性增高。,主要应用领域:可做半承重的预制品,还可用于现场浇注、地板和复合楼板等。,文库专用,31,9.3 陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料发展现状陶瓷基复
8、合材料所用原材料陶瓷基复合材料成型工艺及设备连续纤维增强陶瓷基复合材料生产工艺,文库专用,32,重点:陶瓷基复合材料纤维(晶须)与基体间的相容性;低温制备技术;陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则;陶瓷基复合材料成型方法及烧结原理。,文库专用,33,难点:低温制备技术;陶瓷纤维与陶瓷基体复合过程中的匹配原则;陶瓷基复合材料烧结过程及原理。,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,9.3.1 陶瓷基复合材料发展现状,文库专用,35,陶瓷基复合材料主要是以高性能陶瓷为基体,通过加入颗粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。,文库专用,36,我国在20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料研究
9、,取得了一系列创新性成果。纤维补强陶瓷基复合材料在我国独创性地应用于战略导弹上,被列入为定型产品,并另被应用于各类卫星天线窗的保护框上。,文库专用,37,假如一辆普通的汽车在沙漠中行驶,在零部件不坏的前提下最怕遇到什么问题?,文库专用,39,近十年来,我国以发动机用陶瓷零部件的研制为契机,研制成功一系列新的陶瓷材料,并带出许多应用。,广州本田新雅阁发动机,“枭龙”战斗机,发动机,文库专用,41,2004年3月我国国防科技工业领域惟一的女院士、西北工业大学教授张立同率领的科技创新团队,以“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究”荣获国家技术发明一等奖。,氮化硅与碳化硅基陶瓷材料应用于机械密
10、封、金属加工切削和金属冶炼工业中。氧化铝、氧化锆基增韧陶瓷部件应用于集成电路基片、光纤连接器关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域。,文库专用,43,不足:与其他复合材料相比,陶瓷基复合材料的发展较慢。,原因:制备工艺复杂;缺少耐高温的纤维。,文库专用,44,研究方向:主要集中于纤维与基体之间的相容性;低温制备技术;纤维表面处理技术。,文库专用,45,(1)要大力提高陶瓷纤维或晶须的性能。,1.纤维(晶须)与晶体间的相容性,(2)必须考虑纤维或晶须与基体在化学上和物理上的相容性。,文库专用,46,低温制备技术的研究,近年来十分活跃。,2.低温制备技术,文库专用,47,目的:主要改善纤维(晶须)
11、与基体在物理上和化学上的相容性,提高纤维(晶须)与基体的结合强度,减少或避免纤维与基体之间的有害化学反应的发生,从而提高复合材料的性能。,3.纤维(晶须)表面处理技术,文库专用,48,常用的表面处理方法有:化学气相沉淀、化学气相浸渍、化学反应沉积、熔态浸渍、等离子喷涂、电镀和化学镀等。,文库专用,49,原材料如何?,文库专用,50,1.增强材料,陶瓷基复合材料所用增强材料 有:Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2等氧化物晶须和Si3N4、SiC、TaC和BN等非氧化物晶须。所用纤维有C纤维、B纤维、SiC纤维、BN纤维和Al2O3纤维等。,9.3.2 陶瓷基复合材料所用原材料,文库
12、专用,51,晶须放大照片,碳化硅晶须样品,文库专用,52,2.基体材料,常用的有SiC、Si3N4、Al2O3、C、BN、ZrO2、MgO和SiO2等。,碳化硅(SiC)是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中,碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。,2.基体材料,文库专用,53,碳化硅陶瓷的特点高温强度高,在1400时抗弯强度仍保持在500600MPa,而其它陶瓷材料到12001400 时强度水平显著降低。具有很高的热传导能力,在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性能。,碳化硅,文库专用,54,强度高,反应烧结氮化硅室温抗弯强度为200 MPa,到1200-13
13、50仍保持较高强度。热压氮化硅室温抗弯强度可达500 MPa。抗热震性能和抗高温蠕变性能比其它陶瓷材料好;硬度高,摩擦系数低,为,是一种极其优良的耐磨材料;具有自润滑性,可在无润滑的磨损条件下工作;,氮化硅陶瓷的特点,文库专用,55,具有良好的耐腐蚀性能,除HF外,可耐所有无机酸和某些碱性溶液的腐蚀;可抵抗熔融有色金属的侵蚀;抗氧化温度高达1000;良好的电绝缘性能。,文库专用,56,3.陶瓷纤维(晶须)与陶瓷基体复合过程中的匹配原则,(1)增强材料弹性模量要高。(2)增强材料和基体材料热膨胀系数相近。(3)在制造过程中,应避免纤维或晶须与基体在高温处理时两者发生化学反应。(4)确保增强材料与
14、基体材料界面之间的结合强度。,文库专用,57,工艺如何?,文库专用,58,9.3.3 陶瓷基复合材料成型工艺及设备,陶瓷基复合材料的成型方法主要有:注浆法、浸渍法、气相沉积法和热压法等。,陶瓷和粉末冶金工艺通常包括粉末制备、坯块成型和烧结工艺三个工序。,文库专用,59,1.注浆成型(Slip Casting),注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低;此法易于成型大尺寸、外形复杂的薄壁部件。,注浆成型包括石膏模制做、粉浆制备和粉浆浇注。注浆成型的关键是浆料的制备。在制备浆料时,需要加入分散悬浮剂、粘结剂、除气剂和滴定剂。,文库专用,60,成型过程:将物料和水经研磨后制成一
15、定浓度的悬浮粉浆,注入具有所需形状的石膏模具,空心注浆时,在模壁吸附浆料达要求厚度时,还需将多余浆料倒出;拆开模具取注件,干燥,烧结。,文库专用,61,注浆成型工艺过程,注浆成型研究论文,文库专用,62,为缩短吸浆时间,提高注件质量,可采用压力注浆、离心注浆和真空注浆。,离心成型(Centrifugal casting)也称为离心注浆成型。是将料浆注入容器中,利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成型,较适合于空心柱状部件,不足之处是坯体的密度沿离心方向变化。,文库专用,63,2.压力渗滤工艺(Pressure filtration)和离心成形(Centrifugal casting),压力
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