第三节 复合材料成形工艺
所谓复合材料，是指有两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。复合材料组分的材料不同和性能要求不同，其成形方法也不同。本节对聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料的常用的成形工艺作简单介绍。
一、聚合物基复合材料成形工艺
1．热压罐成形工艺
热压罐成形工艺是将复合材料毛坯、蜂窝夹心结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中在真空（或非真空）状态下，经过升温-加压-保温（中温或高温）-降温和卸压过程，使其成为所需要的形状和质量状态的成形工艺方法。
热压罐成形工艺是目前广泛应用的先进复合材料结构、蜂窝夹心结构及金属或胶接结构的主要成形方法之一。制造的构件可用于航空航天领域的主承力、次承力结构。热压罐的成形工艺主要适用于热固性复合材料、蜂窝夹心结构及胶接结构的成形，国外应用该工艺制造的复合材料构件在飞机上的应用较多。
热压罐成形工艺的整体成形型方法有共固化成形、二次胶接成形、共固化胶接成形（如
表8-2）所示。
表8-2热压罐成形工艺的整体成形方法及基本要求
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序号
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整体成形方法
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说 明
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基本要求
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1
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共固化成形
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全部结构一次共固化成形，如机翼、平尾和垂尾蒙皮加筋壁板.
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必须避免在高温条件下进行热膨胀系数大的金属材料与复合材料整体成形。
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2
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二次胶接成形
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先成形零件，再用结构胶粘剂胶接成整体结构。如内外侧升降副翼等。
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3
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共固化胶接成形
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先成形部分零件，再在此零件上共固化胶接奇其它零件。如先成形蒙皮，在此蒙皮上胶接蜂窝，同时共固化胶接上蒙皮成为蜂窝夹心结构。
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2．模压成形
模压成形是复合材料生产中最古老而又富于无限活力的一种成形方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模中加热加压固化成形的方法。
根据模压料中基体树脂与增强材料的浸渍方式不同，模压成形工艺可分为两类;若基体树脂和增强材料几乎同时加入模腔，则称为湿法成形工艺；若基体树脂在成形前就已与增强材料充分混合浸渍，制备成模压料且在成形时直接加入到模腔内，则属于半干法或干法成形工艺。
模压成形的优点：生产效率高，尺寸精度高，表面光洁，适用于批量生产结构复杂件。
模压成形的不足之处在于模具制造复杂、投资大，零件
尺寸又受压机限制。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压成形制品的尺寸向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、飞机机翼组、整体卫浴间组件等。
3．层压和卷管成形
层压成形是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加、放入上下金属模具之间加温加压成形复合材料制品的生产工艺。主要用于生产复合材料板材，具有机械化自动化程度高，但一次投资较大，适宜批量生产的板材。
层压成形的工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布剪裁叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。
卷管成形工艺是用预浸胶布在卷管机上热卷成形的复合材料制品的成形方法，其原理是借助于卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融，将胶布连续卷到芯管上直到要求的厚度，经冷辊冷却定型，取下后在固化炉中固化，脱芯即得复合材料管材。
4．连续成形
复合材料制品的连续成形，是指从投入原材料开始，经过浸胶、成形、固化、脱模、切断等工序，直到获得成品的整个过程都是在连续不断进行。可分为连续拉挤成形、连续缠绕成形和连续制板成形三种。
连续缠绕成形主要用于生产不同直经的玻璃钢管和罐身。
拉挤成形工艺主要用于生产各种型材，包括空腹型及异形断面型材。
连续制板成形主要用于生产各种规格的平板、波纹板和夹层结构板等。
连续成形的特点是生产过程自动化程度高、效率高，生产过程不间断、质量稳定、成品率高。
二、金属基复合材料的成形工艺
1．纤维增强金属基复合材料的成形
纤维增强金属基复合材料的制法分固态和液态两大类，要制取纤维与金属基的粘接性良好、无纤维损伤及无孔隙的致密制品，可采用固态和液态的复合加工方法得到，为达到最终的成形阶段，须采用各种物理、化学及机械方法预先制作预浸带、预浸丝或预浸纤维成形体等。本节仅介绍液体铸造法的有关成形方法。
（1）熔融浸透法
熔融浸透法是将纤维与基体金属真空封入金属壳里，在高温下使金属熔融后，对金属与壳同时加压力，可得到致密的复合材料制品。当纤维和基体金属的密度不同时，纤维容易集中到上部或下部，因此很难制成纤维体积含量在30%以上的制品。这种浸透法适用于碳-铝、碳-镁等低熔点金属系复合材料。
（2）预成形体加压铸造法
在液体法中，为了在纤维之间容易充填基体金属，也可采用边加压边铸造的方法。即先用粘结剂将纤维制成相应形状的预制件，然后放在金属模型的适当位置，浇注金属液，并加压使金属液渗入预制件的间隙，凝固后就得到所要求的金属基复合材料制品。该法特点是，可排除对纤维与金属液结合有主要影响的润湿性、反应性、比重差等因素的影响。如果预制件制造很好，浸渗时温度、压力等参数控制得当，可成功地制取纤维分布均匀，含有率高的金属基复合材料。
2．颗粒增强金属基复合材料的成形
有关颗粒增强金属基复合材料的制取及成形方法较多，但有的不太成熟。研究较深入且有一定的实际应用的有以下几种工艺。
（1）液态搅拌铸造成形法
该法由液态搅拌制取复合材料和将液态复合材料浇入铸型而形成复合材料制品两个阶段组成，如图8-2所示。该法的重点和难点在于复合材料的制取上。
通过高速旋转的搅拌棒使金属液产生旋涡，然后向旋涡中逐步投入增强颗粒，使其分散，待颗粒等增强物得到润湿、分散均匀后浇入金属型，或用挤压铸造等适当方法成形。
a) 液态搅拌复合 b) 复合材料浇铸
图8-2 液体搅拌复合铸造
（2）半固态复合铸造法
将温度控制在液相线与固相线之间对金属液进行搅拌，与此同时将增强物颗粒徐徐加入含有一定固相粒子(通常固相组分为40％～60％)的金属液中。由于金属液中存在大量固相初晶，可有效防止增强颗粒的浮沉或凝聚，且分散较
均匀。此外，由于金属液温度较全液相的低，因而吸气量也相对较少；半固态比全液态的润湿及分散性好。
混合搅拌是用高纯度矾土制成的空心管，每分钟转速达1000转，采用感应加热。旋转时，混合搅拌浆料能升降，用升降的高度来控制浆料流出的速率。通过调节半固态金属连续制备器的浆料流出速率即可控制浆料温度、固态组分的比例以及增强物粒子的含量等。
（3）喷射复合铸造法
以氩、氮气等惰性气体作为载体，把增强颗粒喷射于浇注的金属液流上，随着液流的翻动而使颗粒得到分散，这种分散有增强颗粒的金属液进入金属铸型，冷却凝固后形成铸件，因而称此法为喷射复合分散法，如图8-3（a）所示。这种方法不仅适用于以铝、镁等有色金属为基体的复合材料，而且还可用于钢铁等高熔点合金为基体的复合材料。
另一种喷射复合沉积法，其原理是将金属液通过非活性气流混合，喷射在放于保护气氛密闭容器内的铸型或底板上，在那里沉积成所要求的铸锭或铸件，如图8-3（b）所示。该法生产率高，且制得的复合材料制品性能好，不仅晶粒细小，没有偏析，且由于颗粒与金属液接触时间特别短，没有任何界面反应，是一种很有前途的生产方法。
（4）石墨/铝复合材料的离心铸造
石墨是一种具有低剪切模量的软材料。同时由于它的排列松散的原子平面，能起良好的固体润滑剂的作用，用石墨/铝复合材料作为贵重的铜、锡和铅基合金的代用品来制造轴承十分引人注目。由于石墨与铝合金的密度不同，（石墨为1.8～2.08g/cm3，铝合金为2.7g/cm3），使用离心铸造方法，可使比重大的铝液以较快的速度远离液体圆筒的内表面，最后石墨颗粒偏聚到内表面上，可明显提高轴承的润滑性。
a) 喷射分散法示意图。 b) 喷射沉积法示意图。
图8-3 喷射复合成形法
三、陶瓷基复合材料的成形工艺
1．传统的浆料浸渍工艺
浆料浸渍工艺这种方法目前在制造长纤维增强的玻璃和玻璃/陶瓷及低熔点陶瓷基复合材料上应用较多，且最有效。在热压烧结时，温度应接近或略高于玻璃的软化点，这样有助于粘性流动的发生以促进致密化过程的进行。但此方法对一些非氧化物陶瓷却并不十分有效。因为这类陶瓷材料在烧结过程中很少出现液相而产生粘性流动，以促进致密化过程的进行。为了获得致密的烧结体就势必要提高烧结温度，但烧结温度的提高又会导致纤维性能的下降以及纤维与基体间界面化学反应的发生等问题。此外，此种方法只能制作一维或二维纤维补强的复合材料，再加上热压烧结等工艺的限制，也只能制作一些形状简单的结构件。
2．短纤维增强陶瓷的纤维定向排列成形
为了弥补浆料浸渍工艺的上述不足，又发展了短纤维增强陶瓷基复合材料，对无定向排列的纤维，一般就利用机械混合的方法使纤维分散于基本粉料中。但因纤维在混合过程中易聚积成束，因此，要达到很均匀的分散程度则又十分困难，这样又要影响到烧结体性能的提高。在此基础上发展了短纤维的定向排列成形工艺，如图8-4所示。利用定向排列的SiC晶须补强Si3N4陶瓷基结构件，性能与定向凝固材料相似。
3．熔体浸渗法
熔体浸渗法示意图如图8-5所示，它与短纤维增强的金属基复合材料制品的成形方法有相似的工艺。这种方法多用SiC等晶须或颗粒增强的陶瓷基复合材料的成形。
浸渗过程的关键在纤维与陶瓷基体的润湿性，为改善基润湿性，可采用对纤维表面进行涂层处理和进行真空-加压浸渗等工艺。
另外还有化学反应法等方法，这里不再详述。
图8-4 短纤维定向排列复合材料成形工艺
图8-5 熔体浸透成形工艺
另外还有化学反应法等方法，这里不再累述。
