玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料

1、關(guān)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)石新料的綜述i=_、概述及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)二、主要成型工藝三、力學(xué)性能四、應(yīng)用一.概述及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的水平已是衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)科技、經(jīng)濟(jì)水 平的標(biāo)志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的33%與32%,以中國(guó)（含臺(tái)灣省）、日本為主的亞洲占30%。中國(guó)大陸2003年玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃纖維 與樹(shù)脂復(fù)合的復(fù)合材料.俗稱“玻璃鋼”）逾90萬(wàn)噸，已居世界第二位（美國(guó)2003年為169萬(wàn)噸，日本不足70萬(wàn)噸）。作 為復(fù)合材料中的一枝的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂（GFEP）具有 力學(xué)強(qiáng)度高、成形收縮小、尺寸穩(wěn)定性好和良好的耐化學(xué)腐 蝕性能和電氣絕緣性能等

2、特點(diǎn)，作為典型的纖維增強(qiáng)塑料（FRP）廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)零部件和印刷電路板等產(chǎn)業(yè)。 截止2010年1月底全國(guó)共有61家玻璃鋼生產(chǎn)企業(yè)（其中包括 四川省江南玻璃鋼有限公司，重慶市君豪玻璃鋼有限責(zé)任公 ）為什么采用環(huán)氧樹(shù)脂做基體?環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮率代低，僅1%3%,而不飽和聚酯樹(shù)脂卻高達(dá)7% 8%；粘結(jié)力強(qiáng)；有B階段，有利于生產(chǎn)工藝；可低壓固化，揮發(fā)份甚低; 固化后力學(xué)性能、耐化學(xué)性佳，電絕緣性能良好。以FW（纖維纏繞）法制造的玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的產(chǎn)品為例，將其與鋼比較。玻璃含量GF/EPR （玻纖含量 80wt%）AISI1008冷軋鋼相對(duì)密度2. 087. 86拉伸強(qiáng)度551. 6Mpa331.

3、 OMPa拉伸模量27. 58GPa206. 7GPa伸長(zhǎng)率1. 6%37. 0%彎曲強(qiáng)度689. 5MPa彎曲模量34. 48GPa壓縮強(qiáng)度310. 3MPa331. OMPa纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料成型工藝簡(jiǎn)介目前在生產(chǎn)上經(jīng)常釆用的成型方法有16種:壓力袋成型樹(shù)脂注射和樹(shù)脂傳遞RTM模塑成3、模壓成型型4、層壓成型12、5、纏繞成型13、6、拉擠成型14、7、注射成型15、8、噴射成型16、9、真空袋壓力成型手糊成型一 法鋪層成型 10. 夾層結(jié)構(gòu)成型（手糊法、機(jī)械法）們、1、2、卷制成型真空輔助注射成型 離心澆鑄成型片狀smc （團(tuán)狀bmc）模塑成型 連續(xù)板材成型目前我國(guó)還是以手糊成型為

4、主， 在樹(shù)脂基復(fù)合材料中約占80%。表1不同成型方法的玻璃鋼（歐洲地區(qū)）產(chǎn)量2009年（萬(wàn)噸）與2008年相比（%）SMC16-23.8BMC5.6-20.0手糊12.3-39.1噴射7.4RTM9.41L3制板5.6-1S.S拉擠3.9-15.2纏繞6.9-12.7離心澆鑄5-1L3GMT.LFT7.5-2L1其它1.4-12.5合計(jì)S1.5-23.0(一).手糊成型(hand lay up)模具依次在模具表面上施加脫模劑、膠衣一層粘度為0. 304PaS的雄活性液體熱固性樹(shù)脂（須待膠衣凝瑁強(qiáng)材料有表面氈.無(wú)捻粗紗布（方格布）等幾種。以手持輻子或刷子使樹(shù)脂 浸漬纖維增強(qiáng)材料，并驅(qū)除氣泡，壓實(shí)

5、基層。鋪層操 作反復(fù)多次，直到達(dá)到制品的設(shè)計(jì)厚度。樹(shù)脂因聚合 反應(yīng)，常溫固化?？杉訜峒铀俟袒?。2、手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn):1）不受尺寸、形狀的限制;2）、設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少；3）、工藝簡(jiǎn)單；4）、可在任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料，易滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求;5）、產(chǎn)品樹(shù)脂含量高，耐腐蝕性能好。3、手糊成型工藝的缺點(diǎn)1) 生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差;2) 、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差；有些樹(shù)脂有害健康立出勿井臺(tái)匕疑/口：4. 手糊制品為什么要在表面覆蓋聚酯薄膜？Is! Mno自由基與苯乙烯的反應(yīng)速度比自由基與02的反應(yīng)速度慢104倍, 一般聚酯樹(shù)脂制品固化時(shí)，表面應(yīng)覆蓋聚酯薄膜。若不用薄膜覆蓋, 也應(yīng)使成型表面形成與空

6、氣隔離的物質(zhì)如蠟類，否則自由基與周圍 空氣中的02、H20反應(yīng)，耗去大部分自由基，造成表面固化不完 全而發(fā)粘5、手糊成型易發(fā)生的缺陷及防止措施1)、制品表面發(fā)粘原因1：空氣濕度太大，水對(duì)樹(shù)脂起阻聚作用解決辦法:(1) 在樹(shù)脂中加入0.02%左右的液體石蠟;(2) 在樹(shù)脂中摻加5%的異睛酸酯；(3) 制品表面覆蓋薄膜隔絕空氣；2）、制品內(nèi)氣泡太多1、控制膠含量原因1：樹(shù)脂用量過(guò)多解決辦法:2、注意拌合方式原因2：樹(shù)脂粘度過(guò)大解決辦法:1、適當(dāng)增加稀釋劑原因3：增強(qiáng)材料選擇不當(dāng)2、提高環(huán)境溫度3）、流膠選用浸透性好的無(wú)捻玻璃布樹(shù)脂粘度太小，可加入2 3 %的活性氧化硅。配料不均勻，充分?jǐn)嚢鑟化劑用

7、量不足，適當(dāng)調(diào)整固化劑用量。原因2:引發(fā)劑、促進(jìn)劑的比例弄錯(cuò)或失效，更換引 發(fā)劑、促進(jìn)劑。6、典型產(chǎn)品艦艇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、游樂(lè)設(shè)備、冷卻塔殼體、建筑模型。二）、SMC成型片狀模塑料成型（Sheet Molding Compound）簡(jiǎn)稱SMCIII在樹(shù)脂中加入引發(fā)劑、填料、顏料、內(nèi)脫 模劑、低收縮添加劑、增稠劑等，經(jīng)攪勻成為 樹(shù)脂糊。樹(shù)脂糊落到SMC機(jī)組的下薄膜上（常用 聚乙烯薄膜或尼龍薄膜），與此同時(shí)在下薄膜上 沉降短切成2555mm的玻璃纖維原絲，再往上 面覆蓋一層薄膜，成為片狀?yuàn)A心卷。將卷材存 放數(shù)日使料稠化，以達(dá)到可模塑的黏度。SMC以 捆卷狀態(tài)供應(yīng)備用。將卷材展開(kāi)、剪裁、稱量,放人

8、加熱的鋼模鉗，加壓使之固化成型、脫模, 即為成品SMC成型與噴射成型、樹(shù)脂注射成型的優(yōu)缺點(diǎn)成型方法SMC噴射成型樹(shù)脂注射成型成型屮模具費(fèi)高便宜中成型周期/min1860min1 Fl30-200成型溫度/°c100-16015 4020 60成型壓力/Mpa5-12常壓<2成型作業(yè)容易要熟練要熟練成型材料材料操作填料玻璃纖維/%SMC非黏著半固體 高填充20 40樹(shù)脂、GF過(guò)氧化物、其他膠衣 液態(tài)樹(shù)脂、玻璃纖維 無(wú)25 35樹(shù)脂、GF過(guò)氧化物、其他 膠衣液態(tài)樹(shù)脂、玻 璃纖維 低填充臭味弱強(qiáng)25 30強(qiáng)制品大小/kg<50不限<50壁厚/mm1.2-201.5-1.0

9、2-12壁厚控制容易困難容易尺寸精度高中中復(fù)雜形狀容易困難困難加熱尺寸變化無(wú)有有©a（三）、樹(shù)脂傳遞成型RTM曰浸漬纖維材料。百允RTM是一種閉模低壓成型的方法。將纖維增強(qiáng)材料置于上下模之間；合 脂固化后打開(kāi)模具，取下產(chǎn)品。樹(shù) 壓力促使樹(shù)脂快速傳遞到模具內(nèi),圖R樹(shù)脂傳遞成型示童圖之優(yōu)點(diǎn)1)2)3)4)5)6)7)8)9)制品纖維含量可較高，未被樹(shù)脂浸的部分非常少;閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；勞動(dòng)強(qiáng)度較低，對(duì)工人技術(shù)熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低;制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高;成型周期較短;產(chǎn)品可大型化；強(qiáng)度可按設(shè)計(jì)要求具有方向性； 可與芯材、嵌件一體成型相對(duì)注射設(shè)備與

10、模具成本較低O缺點(diǎn)1）未宜制作較小產(chǎn)品2）因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用的模具要重和復(fù)雜，價(jià)位也高一些典型產(chǎn)品小型飛機(jī)和汽車零部件.客車座椅、儀表殼（四）、預(yù)浸料（高壓釜）成型",51匡鰥宜體；s琴忤二3比空荻； 礙一敖尸叵魏龍? O松扳5 e査日狂空e ri齊 2一卩1丄剳齊 3一埶沁: an1、概要i=預(yù)催化樹(shù)脂預(yù)浸漬。固化劑大多能在環(huán)境溫度下，讓預(yù)浸材料貯存幾周 或幾個(gè)月，仍能保質(zhì)使用。當(dāng)要延長(zhǎng)保持期，材料須在冷凍條件下貯存。 樹(shù)脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)。故觸摸預(yù)浸材料時(shí)有輕微的黏附感， 象膠帶似的。制作單向預(yù)浸漬材料的纖維直接由紗架下來(lái)，與樹(shù)脂結(jié)合。 預(yù)浸漬材料用手或

11、機(jī)械鋪于模具表面，通過(guò)真空袋抽真空，并通常加熱 到12O-18OCo使樹(shù)脂重新流動(dòng)，并最終固化。盛開(kāi)附加壓力通常藉助 高壓釜（實(shí)際上是一座壓力加熱罐）提供，它能對(duì)鋪層施加達(dá)5個(gè)大氣壓的壓力。2、優(yōu)點(diǎn)1）預(yù)浸材料制造人員可精確地調(diào)整樹(shù)脂/固化劑水平和樹(shù)脂在纖維中的含量； 可以可靠地得到高纖維含量。2）材料于操作人員十分安全，無(wú)礙健康，操作清潔；3）單向帶纖維成本最低，因?yàn)槲沩殞⒗w維預(yù)先轉(zhuǎn)為織物的二次加工過(guò)程；4）由于制造過(guò)程采用可滲透的高粘度樹(shù)脂，樹(shù)脂化學(xué)性能力學(xué)和熱性能可以是最適宜的;5）材料有效時(shí)間長(zhǎng)（室溫下可保質(zhì)數(shù)月），這意味著可優(yōu)化結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料易鋪層；6）可缺點(diǎn)2）通常要對(duì)高壓釜固化復(fù)

12、合材料制品, 耗費(fèi)大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；3）模具需能承受作業(yè)溫度；4）芯材需要承受作業(yè)溫度和壓力。（5）典型產(chǎn)品飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（如機(jī)翼和尾翼）、 衛(wèi)星與運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)件（太陽(yáng)能電池基 板、夾層結(jié)構(gòu)板、衛(wèi)星接口支架、火 箭整流罩等）、賽車、運(yùn)動(dòng)器材（如網(wǎng) 球拍、滑雪板等）。機(jī)頭雷達(dá)星一般是由技璃纖 維增強(qiáng)塑料（俗稱技璃鋼材料 制成。澳大利亞空軍F-IHW這起 事故展示了這種材料的特性三、力學(xué)性能分析(_)、復(fù)合材料的彈性模量分析以環(huán)氧樹(shù)脂澆注體為參照，當(dāng)基體中填加不同體積分?jǐn)?shù)的玻璃纖維后， 所得復(fù)合材料試樣的彈性模量變化如圖1所示。班踽纖堆體積含st/%圖1不同含量玻纖/壞氧復(fù)合材料彈性模

13、量變化曲線.（二）、復(fù)合材料的強(qiáng)度分析OOXJOOOO5 W -3Im 6040200圖2不同含量破細(xì)壞砌向拉伸厳變化峨細(xì)不同含錢細(xì)壞刪向壓縮勉變化峨由于玻璃纖維是單向排列于樹(shù)脂基體中，所以當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值后， 當(dāng)外力由基體傳遞至纖維時(shí)，由于各向異性的影響，會(huì)使力的作用方向發(fā)生 變化,即主要沿纖維取向方向進(jìn)行傳遞。在一定程度上使力的作用得到分 散,對(duì)復(fù)合材料的破壞作用減緩，從而使材料的強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)纖維含 量過(guò)多時(shí)，部分纖維難以被樹(shù)脂充分浸潤(rùn)，從而在材料中形成許多結(jié)合較弱 的界面，當(dāng)材料受丿J時(shí)，這些界面容易脫附拔出，應(yīng)力傳遞失效，使材料的性能下肝當(dāng)玻璃纖維體積含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的性能較好表1 玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料其他相關(guān)力學(xué)性能橫向拉伸橫向壓縮面內(nèi)剪切層間剪切泊松比強(qiáng)度/ M Pa強(qiáng)度/ M Pa強(qiáng)度/ M Pa強(qiáng)度/ M Pa22. 871 Kh 6518.