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碳纤维复合材料的成型工艺一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维增强体和树脂基体组成的新型高性能材料。
它以其轻质、高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑结构等领域得到了广泛的应用。
本文将探讨碳纤维复合材料的成型工艺，分析其重要性、挑战以及实现途径。
1.1 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料的特点主要包括以下几个方面：- 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比模量，使得复合材料在保持轻质的同时，具有很高的承载能力。
- 高刚度：碳纤维复合材料的刚度远高于传统材料，可以提供更好的结构稳定性。
- 耐疲劳：碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能，适用于承受反复循环载荷的应用。
- 耐腐蚀：碳纤维复合材料对多种腐蚀性介质具有很好的抵抗力，适用于恶劣环境。
1.2 碳纤维复合材料的应用领域碳纤维复合材料的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：用于飞机结构、发动机部件等，以减轻重量、提高性能。
- 汽车制造：用于车身、底盘等部件，以提高燃油效率和车辆性能。
- 体育器材：用于自行车、网球拍、高尔夫球杆等，以提供更好的运动性能。
- 建筑结构：用于桥梁、高层建筑等，以提高结构的承载能力和耐久性。
二、碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺是实现其优异性能的关键环节。
不同的成型工艺会影响材料的性能和应用范围。
2.1 预浸料成型工艺预浸料成型工艺是一种常用的碳纤维复合材料成型方法。
该工艺首先将碳纤维与树脂基体预先混合，形成预浸料，然后在模具上铺设预浸料，通过热压或真空袋压等方法固化成型。
预浸料成型工艺具有成型效率高、产品质量好等优点。
2.2 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种先进的复合材料成型技术。
该工艺通过将树脂注入闭合模具中，使树脂在模具内流动并浸润碳纤维，最终固化成型。
RTM工艺可以实现复杂形状的制品成型，且具有较低的生产成本。
航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业导语：航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业，是一个具有前景的专业领域。
航空复合材料作为一种轻质、高强度的新型材料，在当今航空航天领域得到了广泛的应用。
而专门针对这一领域的专升本对口专业，能够为学生提供全面的理论与技术知识，为他们未来的职业发展打下坚实的基础。
本文将就航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业展开深入探讨，希望能为广大学子和求职者提供有益的参考信息。
一、航空复合材料成型与加工技术简介航空复合材料是一种由编织或层叠的纤维增强聚合物基体制成的材料，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此在航空制造领域具有广泛的应用前景。
航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业，主要致力于培养学生对航空复合材料制造工艺的理论和实际操作能力，使他们能够胜任航空制造领域的相关工作。
1. 综述航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业的学习内容主要包括航空复合材料制造工艺、成型技术、加工工艺、质量控制等方面的知识。
学生将学习到复合材料的材料性能和结构特点、模具设计与制造、复合材料的手工层叠、自动成型工艺、复合材料的热压、注塑成型工艺等相关知识。
2. 实践能力培养在学习过程中，学生将通过实验课程和实习实践来提升对航空复合材料成型与加工技术的理解和掌握能力。
通过实际操作，学生将学会材料的选择与预处理、复合工艺的设计与优化、成型技术的操作等重要技能。
3. 走向实践毕业后，学生将具备航空复合材料成型与加工技术相关领域的实际工作能力，包括模具设计与制造、材料成型、机械加工、质量控制等方面的技能。
他们可以在航空航天制造、航空器维修、航空器改装等行业就业，为航空航天领域的发展贡献自己的力量。
二、个人观点和理解在我看来，航空复合材料成型与加工技术专升本对口专业是一个非常有前景的专业领域。
随着航空航天领域的不断发展，对于轻质高强度材料的需求也在不断增加，而航空复合材料正是满足这一需求的理想选择。
rtm成型工艺技术RTM（Resin Transfer Molding）成型工艺技术是一种在复合材料制造中常用的工艺技术，通过将预浸料注入模具中，使其在高压下固化成型。
以下是关于RTM成型工艺技术的详细介绍。
RTM成型工艺技术是一种集注塑成型和压缩成型为一体的复合材料成型工艺。
该工艺以模具为基础，通过将环氧树脂及其增强材料预浸料注入模具中，并施加一定的压力，使预浸料在模具内部充分浸透并固化。
与传统成型工艺相比，RTM成型具有高成型质量、高成型效率、低成本和环保等优点。
RTM成型工艺技术可以应用于各种复合材料制品的生产，特别是结构性和高强度要求的制品。
例如，飞机、汽车、船舶、建筑等领域的复合材料零部件都可以采用RTM成型工艺进行制造。
此外，RTM工艺还可以灵活地生产各种复材件，如复材齿轮、复材托架等。
RTM成型工艺的关键是模具的设计和制造。
模具必须具备良好的密封性和耐压性能，以确保预浸料在注入过程中不会泄漏。
此外，模具的开关设计也很重要，以确保成品能够顺利脱模。
因此，模具的制造需要高精度的加工和高耐磨的材料。
RTM成型工艺的关键步骤包括预浸料的配料、模具的准备、预热和注射、压力施加和固化等。
在制造过程中，预浸料需要在一定的温度下预热，以改善流动性并减少预浸料中的空气。
然后，预热的预浸料通过注射设备注入到模具中，同时施加一定的压力以保证预浸料充分浸透。
最后，固化过程中，通过加热或其他方法使预浸料固化，并获得最终产品。
RTM成型工艺技术具有许多优点。
首先，由于采用了大型模具和注射设备，RTM工艺可以高效地进行大规模生产，提高生产效率。
其次，由于预浸料中的树脂是事先注入的，可以较好地控制纤维的含量和取向，从而使得制品具有更高的强度和刚度。
此外，由于预浸料中的树脂经过事先预热，因此也能在注入过程中更好地充满空气孔隙，减少产品的缺陷率。
然而，RTM成型工艺也存在一些挑战和限制。
首先，由于需要大型模具和注射设备，设备投资和生产成本相对较高。
复合材料的成型工艺图1：热固性复合材料最基本的制备方法是手糊，通常包括将干层或半固化片层用手铺设到模具上，形成一个积层。
图中展示的是自由宇航公司的技术员（佛罗里达州墨尔本）正在通过手糊工艺加工一个碳/环氧预浸料，将用于制造通用航空飞机部件。
资料来源：自由宇航公司在复合材料的加工成型过程中会使用一系列模具，用来给未成形的树脂及其纤维增强材料提供一个成型的平台。
手糊（hand layup）成型是热固性复合材料最基本的制备方法，即通过人工将干层或半固化片层铺设到模具上，形成一个积层。
铺层方式分为两种：一种称为干法铺层，是先铺层后将树脂浸润（例如，通过树脂渗透方式）到干铺层上的方式，另一种方式是湿法铺层，即先浸润树脂后铺层的顺序。
现在普遍使用的固化方式可以分为以下几种：最基本的是室温固化。
不过，如果提高固化温度的话，固化进程也会相应加快。
比如通过烤箱固化，或使用真空袋（vacuum ba g）通过高压釜固化。
如果采用高压釜固化的话，真空袋内通常会包含透气膜，被放置在经手糊的半成型制品上，再连接到高压釜上，等最终固化完成后再将真空袋撤去。
在固化过程中，真空袋的作用是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，将产品中汇总的气体排出，从而使产品更加密实、力学性能更好。
图2：热压釜独有的高温和高压条件使其成为完成热固性树脂零部件的固化的重要工具。
控制软件的改进则能够帮助经营者提高35-40%的生产量。
同时，一些新的树脂配方正在开发当中，将通过低压固化处理。
图中是Helicomb国际公司（俄克拉荷马州塔尔萨）的一名操作人员正在使用高压釜进行固化处理。
来源：Helicomb国际公司许多高性能热固性零件都需要在高热高压的条件下完成固化。
但是高压釜（Autocl aves）的设备成本和操作成本都较昂贵。
采购高压釜设备的制造商通常会一次性固化一定数量的部件。
对于高压釜的温度，压力，真空和惰性气体（inert atmosphere）等一系列参数，计算机系统能帮助实现远程甚至无人监控和检测，并最大限度地提高该技术的利用效率。
复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。 复合材料的组成包括基体和增强材料两个部分。 复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。 复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。 复合材料的主要应用领域有： ①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 ②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。 ③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。 ④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。 2.复合材料的加工方法与特点及加工方法的选择原则。 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基符合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产，如：（1）手糊成型工艺—湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；（11） ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；（23）挤出成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺。根据所选用树脂基体材料的不同，上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。 以下主要工艺及其特点： (1)手糊成型工艺。优点是成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂的产品的生产。设备简单、投资少、见效快。适宜我国乡镇企业的发展。且工艺简单、生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产。易于满足产品设计需要，可在产品不同部位任意增补增强材料；制品的树脂含量高，耐腐蚀性能好。 缺点是生产效率低、速度慢、生产周期长、不宜大批量生产。且产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。生产环境差、气味大、加工时粉尘多，易对施工人员造成伤害。 (2)夹层结构成型工艺。夹层结构的共有特点：质轻、刚度大。多用于尺寸较大，刚度要求高，强度要求不高的场合。 (3) RTM成型技术。特点：①可以制造两面光的制品；②成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。 (4)模压成型。优点：①制造费用低，所以投资少、见效快，为发展多品种、小批量的生产提供了有利条件，这也是模压成型工艺目前还在大量运用的原因之一。②在模压成型过程中，由于塑料的流动距离很短，受填料的定向影响小，所以塑件的尺寸变动小，不易变形，尺寸稳定性好，机械性能稳定。 ③相同吨位的压机可以成型较大平面的制品。④模压成型工艺成熟，生产过程易于控制。 缺点：①生产周期长，生产效率低。②较难实现生产自动化，因而劳动强度大。 ③因为飞边厚，塑件厚度方向的尺寸难以控制，所以模压成型不能模压尺寸精度要求较的制品。 （5）层压工艺。特点：生产的机械化、自动化程度 较高。产品质量稳定。但一次 性投资较大，适合于批量生产。 （6）缠绕成型工艺。纤维缠绕成型的优点 ①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40～60%；③可靠性高：纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定，精确；④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。 缠绕成型的缺点 ①缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；②缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较的的技术经济效益。 在选择复合材料成型方法时，要综合考虑，同时满足材料性能、产品质量和经济效益等各种因素。具体应考虑的： （1）产品的外形构造和尺寸大小。 （2）材料性能和产品质量要求，如材料的物化性能，产品的强度及表面粗糙度(光洁度)要求等。 （3）生产批量大小及供应时间（允许的生产周期）要求。 （4）企业可能提供的设备条件及资金。 （5）综合经济效益，保证企业盈利。 一般来讲，生产批量大，数量多及外形复杂的小产品，多采用模压成型。如机械零件，电工器材等；对造形简单的大尺寸制品，如浴盆，汽车部件等，适宜采用SMC大台面压机成型，亦可用手糊工艺生产小批量产品；对于压力管道及容器则宜用缠绕工艺；对批量小的大尺寸制品，如船体外壳，大型储槽等，常采用手糊，喷射工艺；对于板材和线型制品，可采用连续成型工艺。 3.什么是复合材料RTM成型及RTM成型的应用？RTM成型对树脂的要求，常用的树脂的特点？ RTM即树脂传递模塑，是将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。 RTM成型技术的特点：①可以制造两面光的制品；②成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。 RTM技术适用范围很广，目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。已开发的产品有：汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、8.5m长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等。 RTM成型工艺对环氧树脂的要求：
（1）室温或工作温度下具有较低的粘度（0.5～1.5P·s），对增强材料浸润性好。能顺利地，均匀地通过模腔，浸透纤维，快速充满整个型腔； （2）固化放热低（80～130℃），防止损伤玻璃钢模具； （3）固化时间短，一般凝胶时间为5～30min，固化时间不超过60min； （4）树脂固化收缩率小。 4.什么是复合材料缠绕成型及缠绕的应用？缠绕成型对树脂的要求，常用的树脂的特点？ 缠绕成型工艺是指将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程。 缠绕成型的应用：军工方面：航空、航天、导弹(发动机壳体、 高压容器、导弹发射筒等)。缠绕复合材料压力容器在航空、航天、造船等领域获得广泛应用。碳纤维和芳纶纤维缠绕的薄壁金属内衬高压容器结构效率高、性价比高，是航天飞机和人造地球卫星的首选。 民用方面：化工、石油、环保、建筑等领 域的管道、贮罐、压力容器等。充装介质有氮气、氧气、氢气 和氦气，形状多为环形、球形和扁椭球形。美国纤维缠绕管道总长占整个运输工具的 三分之一，所负担供应的能量(包括石油、天然 气、煤、电) 占全国需用量的一半以上。我国工业生产中也已大量采用纤维缠绕管道。 小型压力容器在个人生命保障系统获得成功应用： 消防员、登山队员的供氧器，特点：重量轻、便于携带、高疲劳寿命和高可靠性的综合特性。 电气工程中应用：包括压力容器、车用压缩天然气气瓶、供养瓶，纤维缠绕技术制造输配电电 线杆、天线杆及工程车臂杆、纤维缠绕车用飞轮转子、纤维缠绕天线杆。 缠绕成型对环氧树脂的要求：
（1）要求其在缠绕温度下具有较低的粘度，以及在该温度下保持较长时间的低粘度状态，即凝胶时间长；
