塑性成型理论及其应用综述.docx

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塑性成型理论及其应用综述

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非金属与复合材料及成型工艺概述

前言

从目前来看，越来越多的材料都与我们的生活息息相关，特别是金属材料。

已被广泛应用在各个领域，然而非金属与复合材料的出现,使人们对材料有了更多的认识，非金属与复合材料具有许多优良的独特性能，已发展成为重要的工程材料，在武器装备制造中发挥着越来越重要的作用。

本片主要介绍高分子材料、陶瓷材料、与复合材料及相应的成型工艺。

同时还介绍了这些材料在国防武器装备中的应用。

由于本人对非金属与复合材料的应用及其成型工艺的掌握不是很全面,相关知识领域和水平有限，对书中的疏漏和不当,敬请老师批评指正。

正文

1．1高分子材料及成型工艺

1．1．1高分子材料及应用

高分子材料是以高分子化合物（聚合物）为主要组分的材料.高分子化合物可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物两类。

按照用途可将高分子材料分为塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等。

1．塑料

塑料是以天然或合成的高分子化合物（树脂）为主要成分的材料。

它具有良好的可塑性，在室温下能保持形状不变。

塑料按高分子化学和加工条件下的流变性能，可分为热塑性和热固性塑料。

（1）热塑性塑料

热塑性材料是指在特定温度范围内具有可反复加热软化，冷却硬化特性的塑料品种。

聚乙烯（PE）聚乙烯有单体乙烯聚合而成，一般可分为低密度聚乙烯（LDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）两种。

LDPE因其相对分子质量，密度及结晶度较低，质地柔软，且耐冲击，常用于制造塑料薄膜、软管等。

HDPE因其相对分子质量，密度及结晶度较高、比较刚硬、耐磨、耐腐蚀、绝缘性也较好，所以可作结构材料，如耐腐蚀管等。

聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是以氯乙烯为单体制得的高聚物。

由于PVC大分子链中存在极性基因氯原子，故增大了分子间作用力，同时PVC大分子链的密度较高，故其强度，刚度及硬度均高于PE。

PVC加入少量添加剂时刻制得软，硬两种PVC。

硬质PVC塑料具有较高的强度，良好的耐腐蚀性、耐油性和耐水性，常被用于化工，纺织工业和建筑业中。

软质的由于坚韧柔软、耐挠去曲、弹性和电绝缘性好，吸水率低，难燃及耐候性好等，广泛用于制造农用塑料薄膜，包装材料，防雨材料及电线电缆的绝缘层等，工业用途十分广泛。

其他主要的热塑性材料还有，聚丙烯（PP），ABS塑料，聚酰胺（PA，俗称尼龙或锦纶），聚甲醛（POM），聚四氟乙烯（PTFE或F-4，俗称塑料王），聚甲基丙烯酸甲酯等等。

（2）热固性塑料

热固性塑料是指在特定的温度下加热或加入固化剂可发生交联反应变成不溶不熔塑

制品的塑料品种。

酚醛塑料（PF）酚醛塑料是以酚醛树脂为主，加入添加剂而制成的。

PF具有一定的强度和硬度，绝缘性良好，兼有耐热，耐磨及耐腐蚀的优良性能，但不耐碱，性脆。

PF被广泛应用于机械，汽车，航空和电器等工业部门，用来制造电器绝缘件，在较高温度下工作的零件以及耐磨，耐腐蚀材料，并能代替部分有色金属制作的零件。

环氧塑料（EP）环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂填料或其他添加剂后制成的热固性塑料。

环氧树脂是很好的胶粘剂，有万能胶之称。

在室温下容易调和固化，对金属和非金属都有很强的胶粘能力。

EP通过处理后可用作化工管道和容器以及汽车，船舶和飞机等的零部件。

2．橡胶

橡胶是一种在使用温度范围内处于高弹性态的高聚物材料。

由于它具有良好的伸缩性、储能能力以及耐磨、隔音和绝缘等性能，因而广泛用于弹性材料、密封材料减磨材料、防震材料和传动材料，使之在促进工业，农业，交通和国防的发展及提高人民生活水平等方面，起到其他材料所不能替代的作用。

橡胶的种类有两种。

一是天然橡胶，二是合成橡胶。

3．纤维

纤维材料是指在室温下分子的轴向强度很大，受力后变形较小，在一定温度范围内力学性能变化不打得高聚物材料。

纤维材料分为天然纤维和化学纤维两大类。

1．1．2

1．塑料的成型加工

塑料成型加工时将各种形态的成型用物料加工为具有固定形状制品的各种工艺技术。

热塑性和热固性塑料的加工性质不同，采用的加工技术也不同。

热塑性塑料的成型方法主要有挤出成型、注射成型、压延成型和吹塑成型等；热固性塑料的成型方法主要模压成型、传递成型和层压成型等。

其中传递成型、层压成型和注射成型等既可以用于热塑性塑料，又可以用于热固性塑料。

连接方法主要有焊接，粘接和机械连接等。

下面我们主要介绍的是挤出成型和注射成型。

（1）挤出成型

挤出成型是将粉状或粒状的塑料由热传导和剪切摩擦热使其熔融而呈流动状态，并在压力下挤出成型。

此法主要用于热塑性塑料的成型，也用于某些热固性塑料。

挤出制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜和电线电缆包覆层。

（2）注射成型

注射成型亦称注塑成型。

它是将粉状或粒状塑料原料加热至溶化状态，经喷嘴注入模具中，冷却后打开模具既可得到所需的塑料制品。

注射成型法成型周期短，能一次成型外形复杂，尺寸精确及带有金属或非金属嵌件的模塑品。

因此，该法适应性强，生产效率高。

1．2陶瓷材料及成型工艺

现代陶瓷材料主要是一些金属或非金属的氧化物、氮化物、碳化物及硼化物大亨。

陶瓷材料的性能取决于晶体结构、晶界性质和显微结构。

陶瓷材料作为结构和功能材料在武器装备制造中正在得到应用。

在一些民用的产品中也能看到很多的陶瓷材料。

1．2．1陶瓷材料及其应用

1．陶瓷材料的性能

（1）力学性能

弹性模量陶瓷有很高的弹性模量，多数陶瓷的弹性模量高于金属，比高聚物高2~4个数量级。

硬度陶瓷的硬度很高，绝大多数陶瓷的硬度远高于金属和高聚物。

强度陶瓷一般具有优于金属的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性，适宜作高温材料。

塑性和韧性陶瓷在室温几乎没有塑性。

但在高温慢速加载的条件下，特别是组织中存在玻璃相识，陶瓷业能表现出一定的塑性。

（2）物理性能

热膨胀，导热性和抗震性多数陶瓷的热膨胀系数较小；陶瓷多为较好的绝热材料；多数陶瓷材料的抗震性差。

导电性多数陶瓷具有良好的绝缘性能，但有些陶瓷具有一定的导电性。

光学性能陶瓷材料由于有晶界，气孔的存在，一般不透明。

但是近些年来，由于烧结机制的研究和控制晶粒直径技术的进展，可将某些原是不透明的氧化物陶瓷烧结成能透光的透明陶瓷。

化学性能陶瓷的结构非常稳定，很难同介质中的氧发生作用。

2．常用的陶瓷材料

常用的陶瓷材料有，氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷和碳化硼陶瓷等。

1．2．2陶瓷材料的成型

陶瓷制品的生产过错主要包括配料、成型和烧结三个阶段。

烧结是通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉体产生高强度并导致致密华和再结晶的过程。

陶瓷的显微组织及相应的性能都是经烧结后产生的。

烧结过程直接影响晶粒尺寸与分布，气孔尺寸与分布等显微组织结构。

陶瓷材料的成型方法主要有干压成型、注浆成型、热压成型、注射成型等。

下面主要介绍的干压成型和注浆成型。

1．干压成型

干压成型是将粉料装入钢模内，通过模冲对粉末施加压力，压制成具有一定形状和尺寸的压坯的成型方法。

御模后将坯体从阴模中脱出由于压制过程中粉末颗粒之间及粉末与模冲，模壁之间存在摩擦，使压力损失而造成压坯密度分别不均匀，故常采用双向压制并在粉料中加入少量有机润滑剂，有时加入少量粘结剂以增强粉料的粘结力。

该方法一般适用于形状简单，尺寸较小的制品。

2．注浆成型

这种成型方法是将陶瓷颗粒悬浮于液体中，然后注入多孔质模具，由模具的气孔把料浆中的液体吸出，而在模具内留下坯体。

注浆成型的工艺过程包括料浆制备，模具制备和料浆浇注三个阶段。

料浆制备是关键工序。

其要求是：

具有良好的流动性，足够小的粘度，良好的悬浮性和足够的稳定性等。

最常用的模具为石膏模，近年来也有多孔塑料模的。

料浆浇注入模并吸干其中液体后，拆开模具取出坯体，去除多余料，再室温下自然干燥或在可调湿度装置中干燥。

该成型方法可制造形状复杂，大型薄壁的制品。

1．3复合材料及成型工艺

先进复合材料对于发展高技术和高性能武器装备具有重要作用。

采用先进复合材料不仅能够大大改进武器系统的性能，保障和提高武器系统的生存能力，而且还可以降低武器系统的成本。

目前，先进复合材料已经广泛应用航天、航空、兵器、电子、舰船和核工业等各种领域的重要武器系统中。

1．3．1复合材料及应用

1．复合材料性能

（1）比强度、比模量高

复合材料的比强度与比模量比其他材料高得多。

这表明复合材料具有较高的承载能力。

它不仅具有高强度，而且还有质量轻的特点。

（2）抗疲劳性能好复合材料有高疲劳强度。

（3）破损安全性好

（4）减震性能好

（5）耐热性能好

（6）成型工艺简单复合材料可用一般模具采用一次成型制成各种构件，工艺简单，材料利用率高。

2．复合材料类型

（1）聚合物基复合材料聚合物基复合材料是目前应用最广泛、消耗能量最大的一类复合材料。

该类材料主要以纤维增强的树脂为主。

1）玻璃纤维-树脂复合材料

通常被称为玻璃钢。

玻璃钢具有瞬时耐高温性能。

它被用做人造卫星、导弹和火箭的外壳。

玻璃钢不反射无线电波，微波穿透性好，是制造雷达罩、声呐罩的理想材料。

2）碳纤维-树脂复合材料也被称碳纤维增强复合材料。

常用的这类复合材料由碳纤维与聚酯、酚醛、环氧和聚四氟乙烯等树脂组成。

其性能优于玻璃钢，密度小，强度高，弹性模量高，比强度和比模量高，并且具有优良的抗疲劳、耐冲击性能，良好的自润滑性、减震性、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性。

其缺点是碳纤维与基体结合力低，各向异性严重。

3）碳化硅纤维-树脂复合材料

4）芳纶纤维-树脂复合材料

（2）金属基复合材料金属基复合材料的基体大多采用铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镁及镁合金和镍及镍合金等。

金属基复合材料的增强材料要求高强度和弹性模量、高抗磨性与高化学稳定性。

金属基复合材料有以下几种：

1）纤维增强金属基复合材料

2）颗粒增强金属基复合材料

（3）无机非金属基复合材料

1）陶瓷基复合材料

2）碳/碳复合材料是由碳纤维增强体与碳基体组成的复合材料。

具有卓越的高温性能、良好的耐烧蚀特性和较好的抗热冲击性能，同时还具有热膨胀系数低、抗化学腐蚀的特点。

它是目前可使温度最高的复合材料（最高温度可达2000以上），被用于航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘以抵御起飞载荷和再入大气层的高温作用。

1．3．2复合材料的成型工艺

复合材料成型工艺的实质和特点主要取决于复合材料的基体。

一般情况下其基体材料的成型工艺方法也常常适用于以该类材料为基体的复合材料，特别是以颗粒、晶须和短纤维为增强体的复合材料。

1．树脂基复合材料成型

（1）喷射成型喷射成型是将经过特殊处理而雾化的树脂与短纤维混合并通过喷射机的喷枪喷射到模具上，至一定厚度时，用压辊排泡压实，再继续喷射，直至完成坯件制件，然后固化成型。

这种方法主要用于不须加压、室温固化的不饱和聚酯树脂。

（2）层压成型层压成型是制取复合材料的一种高压成型工艺。

此工艺多用纸、棉布和玻璃布作为增强填料，以热固性酚醛树脂、芳烃甲醛树脂、氨基树脂、环氧树脂及有机硅树脂为粘结剂。

一些主要的树脂基复合材料成型工艺还有收糊成型、热压罐成型、对模模压成型和缠绕成型等。

2金属基复合材料的成型

由于金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、晶须和颗粒等为增强体的复合材料，其成型过程常常也是复合过程。

复合工艺主要有固态法（如扩散结合、粉末冶金）和液相法（如压铸、精铸、真空吸铸和共喷射等）。

3陶瓷基复合材料成型

陶瓷基复合材料的成型方法分为两类：

一类是针对短纤维、晶须、晶片和颗粒等增强体，基体采用传统的陶瓷成型工艺，即热压烧结合化学气相渗透法；另一类是针对连续纤维增强体，由料浆喷出后热压烧结法和化学气相渗透法。

小结

本文是以非金属与复合材料与成型技术及其相互关系为核心。

分别介绍了一些常用的高分子材料、陶瓷材料与复合材料以及它们在国防上的应用，并着重介绍了高分子材料、陶瓷材料和复合材料的成型工艺。

由于查阅的资料有限，所以文中介绍的并不是很详细，只是大致的囊括了非金属与复合材料成型技术的部分内容。

参考文献

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第1版。

北京：

北京航空航天大学出版社，2005

2吕广庶，张远明。

工程材料及成型技术基础。

北京：

高等教育出版社，2001

3沈其文。

材料成型工艺基础。

武汉：

华中理工大学出版社，1999