先进复合材料成型技术

第1章 绪论 1.1 复合材料的定义与分类 1.1.1 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上不同材料，在宏观上通过物理或化学的方法复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。复合材料主要由两大部分组成：增强材料和基体。增强材料承担结构的各种工作载荷；基体起到保护和黏结增强材料、传递载荷的作用。 1.1.2 复合材料的分类 根据复合材料的定义，其命名以“相”为基础，即将分散相（增强材料）材料放在前面，连续相（基体）材料放在后面，如由碳纤维和环氧树脂构成的复合材料为“碳纤维环氧复合材料”。通常为了书写简便，在增强材料与基体材料之间加半字线（或斜线），再加“复合材料”。如上面的碳纤维环氧复合材料可写作“碳纤维-环氧复合材料”，更简化一点可写成“碳-环氧”或“碳/环氧”。 按照不同的标准和要求，复合材料通常有以下几种分类法。 1.按使用性能分类 按使用性能不同，复合材料可分为功能复合材料（functional composite）和结构复合材料（structural composite）两大类。利用复合材料的各种良好力学性能（强度、刚度、韧性等）制造结构的材料，称为结构复合材料，它主要由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料承受主要载荷，提供复合材料的刚度和强度，主要决定其力学性能；基体材料固定和保护增强纤维，传递纤维间剪力和防止纤维屈曲，并可改善复合材料的某些性能。显然，纤维复合材料的基本力学性能主要取决于纤维和基体的力学性能、含量比、增强方式以及它们之间的界面黏结性质等。 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能（声、光、电、磁、热等）并包括部分化学和生物性能的复合材料，如摩阻复合材料，透光复合材料，绝缘复合材料，阻尼复合材料，压电复合材料，磁性复合材料，导电复合材料，超导复合材料，仿生复合材料，耐高温复合材料，隐身吸波复合材料，多功能（如耐热、透波、承载）复合材料，绝热、隔音、阻燃复合材料等。功能复合材料主要由基体和一种或多种功能体组成。在单一功能体的复合材料中，功能性质由功能体提供；基体既起到黏接和赋形的作用，也会对复合材料的物理性能有影响。多元功能体的复合材料具有多种功能，还可能因复合效应而出现新的功能。综合性多功能复合材料将成为功能复合材料的发展方向。功能复合材料可以通过改变复合结构的因素（如复合度、连接方式、对称性、尺寸和周期性等），大幅度、定向化地调整物理张量组元的数值，找到*佳组合，获得*优值。材料多功能化是目前复合材料发展的主要趋势之一。 智能复合材料是功能类材料的*高形式，它能根据设计者的思路要求实现自检测、自诊断、自调节和自预警等各种特殊功能。“智能复合材料”这个名称起源于欧美的机敏材料（smart material）、主动适应性材料（active and adaptive material）及日本的智能材料（intelligent material），是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的性能参数，做出所期望的、能与变化后环境相适应的复合材料。智能复合材料具有的功能可以归纳为三个方面：感知功能，即对局部应变、损伤、温度、应力、声音、光波等产生自动感知；通信功能，即在感知外部信息之后进行信息的传输；动作功能，即通过改变结构外形和结构应力分布，改变热、电、磁、光、声和化学选择能力，改变渗透性、降解功能来使材料执行动作。把感知材料、信息材料和执行材料三种功能材料有机地复合或集成于一体，可实现材料的智能化。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物，在航空航天飞行器、机器人、建筑、工程结构、机械、医学等许多领域展现了广阔的应用前景。由于它具有反馈功能，与仿生和信息密切相关，其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃，已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视。 2.按增强纤维类型分类 强调增强体时，可按增强纤维类型分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、超高分子量聚乙烯纤维复合材料、硼纤维复合材料、聚对苯撑苯并二唑（PBO）纤维复合材料、连续玄武岩纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、混杂纤维复合材料等。 3.按基体材料类型分类 强调基体时，可按基体材料类型分为树脂基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料，如图1.1所示。 图1.1 复合材料按基体材料类型分类 4.按复合材料结构形式分类 按复合材料结构形式可分为层状复合材料、三维编织复合材料和夹层复合材料。层状复合材料是将物理性质不同的复合材料薄片或单一材料薄片黏结成层状的板或壳，如纤维增强复合材料层合板、将纤维复合材料薄片和铝合金薄片黏结在一起的混杂层合材料；三维编织复合材料是将纤维束编织成三维预成型骨架，然后注入基体制成的复合材料，它克服了层状复合材料层间剪切强度低的弱点，具有较高的抗冲击强度和损伤容限；夹层复合材料是在两块高强度、高模量的复合材料薄面板之间填充由低密度的厚芯材（蜂窝或硬质泡沫塑料）组成的结构物，它具有弯曲刚度强和质量轻的优点。 5.按分散相的形态分类 按分散相的形态可分为连续纤维增强复合材料，纤维织物、编织体增强复合材料，片状材料增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，颗粒（弥散、纳米、片晶）增强复合材料。 本书研究的主要对象为由连续纤维增强复合材料构成的结构，基体为树脂，这类复合材料简称为纤维增强塑料（fiber reinforced plastic，FRP）。本书中所提及的复合材料，如未另加注明，均指这类纤维增强塑料。 1.2 复合材料的特点 复合材料具有以下特点。 1）高比强度与高比模量碳纤维具有很高的比强度与比模量，其强度、模量等指标与金属材料并没有明显的差距，主要是其密度极小。所以比强度与比模量都远高于金属材料。因此，这种特性决定了在实际应用中，在单位质量相同的条件下，碳纤维复合材料的承载能力较强，而承载能力相同时，碳纤维复合材料的质量更小。对于航空航天产业，减轻结构自重是一个永恒不变的话题。 2）良好的抗疲劳性能 碳纤维复合材料本身具备极高的抗疲劳特性。具体来说，当材料在受到一定的荷载以后，内部裂纹会逐步扩展，从而加速材料的断裂。碳纤维复合材料在应用过程中，碳纤维与基体之间的作用可以在一定程度上避免裂纹的扩展，因此，其具有良好的抗疲劳特性。 3）具有更高的破损安全性 在传统金属材料的应用中，一旦其受到破坏作用，其破坏、开裂、脱黏过程基本可以一步到位。而碳纤维复合材料则不同，碳纤维复合材料的破坏作用并不是瞬时的过程。如果断裂的只是材料中的少部分纤维，那么依然可以进行荷载的传递与分布，在一定程度上还可以对破坏作用起到一定的保护与延缓作用。 4）具有良好的减振性 碳纤维复合材料的自振频率与本身的形状、材料比模量二次方等存在紧密的联系。一般情况下，材料的自振频率较高，但是碳纤维复合材料的界面可以进行能量的吸收，因此，其具有良好的减振性能。 5）耐高温、耐腐蚀 碳纤维复合材料本身具有耐高温、耐腐蚀的特性，它对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀，耐蚀性出类拔萃，完全不存在金属生锈的问题。曾经有学者将聚丙烯腈基（PAN）碳纤维浸泡在强碱氢氧化钠溶液中30年，它依然能够保持纤维形态。这种特性可以使碳纤维复合材料广泛地应用于各种生产中。 6）性能可设计性 因为碳纤维复合材料主要是通过碳纤维与树脂复合而成的，因此改变碳纤维的含量、尺寸以及排布方向，都能得到力学性能各异的构件。设计人员可以根据机械构件的承载特点专门对碳纤维复合材料进行设计，就可以大大提高材料性能的利用率，进一步减轻结构自重。 1.3 复合材料成型技术 （1）复合材料缠绕成型（filament winding，FW）技术。复合材料缠绕成型技术是指将碳纤维单丝缠绕在碳纤维轴上，适用于制作碳纤维圆管以及空心的碳纤维制品。 （2）复合材料拉挤成型技术。复合材料拉挤成型技术是指将碳纤维完全浸润，通过拉挤去除多余的树脂以及空气，然后在炉内固化成型的技术。这种方法简单，适用于制备碳纤维棒状和管状零部件。 （3）复合材料液体成型（liquid composite molding，LCM）技术。复合材料液体成型是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热预先放入模腔内的树脂膜，液体聚合物在流动充模的同时完成树脂对纤维的浸润并经固化成型为制品的一类技术。 （4）复合材料模压成型技术。复合材料模压成型是指将预浸树脂的碳纤维原料放入金属模具中，加压后使多余的胶液溢出，然后经过高温固化成型，脱模后可得到成品。这种成型技术普遍用于制作碳纤维汽车零部件或者碳纤维工业配件。 （5）复合材料自动铺放成型技术。自动铺放成型技术是替代预浸料（prepreg）手工铺叠的一种复合材料成型技术，根据预浸料形态，自动铺放可分为自动铺带（automated tape layer， ATL）与纤维自动铺丝（automated fiber placement， AFP）两类，自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成型、质量好，主要适于大型复合材料构件成型。 （6）复合材料热压罐成型技术。热压罐成型技术是目前国内外先进树脂基复合材料常见的成型技术之一，热压罐是航空复合材料制品高温固化成型的关键工艺设备。将预浸料按预设方向铺叠成的预成型体封装在真空袋内，之后放入热压罐，在放入热压罐加温固化之前需要抽真空，然后在热压罐高温、加压的作用下固化成型。 （7）复合材料固化炉成型技术。复合材料固化炉成型技术是树脂基复合材料固化成型的一种*普遍通用的成型技术。固化炉成型技术的*大优点在于它能在很大范围内适应各种材料对加热工艺条件的要求，几乎能满足所有的聚合物基复合材料的成型要求。 1.4 复合材料的应用 碳纤维的应用领域日益拓宽。飞机工业、汽车工业、新能源和基础设施是碳纤维应用的*大市场，而海洋油田是*大的潜在市场。 1.4.1 飞机工业 飞机的设计减重和轻量化是永恒的主题。现代飞机已大量采用碳纤维复合材料，包括战斗机、直升机、无人飞机和大型民航客机。复合材料在飞机上的应用，经历了从活动面、尾翼等次承力结构到机翼和机身等主承力结构等一系列的发展演变过程。国外先进战斗机的复合材料用量达到了机体结构质量的25%～40%。例如，20世纪80年代首飞的法国“阵风”（Rafale）飞机在垂尾、机翼、机身结构应用的复合材料，占全机结构质量的30%；瑞典 JAS-39飞机的机翼、垂尾、鸭翼、舱门等应用的复合材料，占比达30%；90年代首飞的美国 F-22战斗机的机翼、前中机身、垂尾、平尾及大轴等结构上应用的复合材料，占比达25%；英、德、意、西联合研制的“台风”（EF2000）飞机的机翼、前中机身、垂尾、前翼等应用的复合材料，占比达40%；2000年后首飞的先进的 F-35战斗机的机翼、机身、垂尾、平尾、进气道等复合材料用量达到整体结构质量的36%。 空客 A380大型客机应用的复合材料占结构重量的25%左右，复合材料在中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等部位应用。空客 A380的复合材料制件尺寸大，单件质量重，如中央翼盒达5.3 t，同铝合金结构相比，实现减重1.5 t。其平尾尺寸大，半展长19 m，大小超过 A320的机翼，且结构复杂，为整体油箱结构，是目前世界上客机上的*大复合材料整体油箱。空客 A系列飞机复合材料的应用部位及用量随型号的更新逐渐增大且重要性增加，典型地反映了复合材料在飞机上的发展历程，从整流罩（雷达罩）（A300）开始，经方向舵、扰流板、减速板（A310）、升