熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料

1、熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料1熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是應(yīng)用十分廣泛的復(fù)合型材料，這種材料 是經(jīng)過(guò)復(fù)合而成，在許多高科技產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用與研究， 例如在大型客運(yùn)機(jī)的應(yīng)用中，其不僅減輕了重量，并且還優(yōu)化了飛機(jī) 的性能，減輕了飛機(jī)在飛行過(guò)程中的阻礙，熱固性樹(shù)脂具有非常優(yōu)異 的開(kāi)發(fā)潛能，其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)在其改性后得到更大的發(fā)展。典型的熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料分為以下幾種：(1)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料:隨著對(duì)阻燃材料的強(qiáng)烈需求，美國(guó)西方化學(xué) 公司，道化學(xué)公司等一系列大型化學(xué)公司都先后研制成功了新一代的 酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料。其具有優(yōu)異的阻燃、低發(fā)煙、低毒霧性能和更加 優(yōu)異的熱機(jī)械物理性能。在制

2、備這種具有阻燃效果的材料上，研究人 員重新設(shè)計(jì)思路，在加入不飽和鍵等其他基團(tuán)條件下，提高了反應(yīng)速 度，減少了揮發(fā)組分。使酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料在其應(yīng)用領(lǐng)域得到大力發(fā) 展。環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料:由于環(huán)氧樹(shù)脂本身的弱點(diǎn)，研究人員對(duì)其進(jìn)行了 兩方面的改性研究，一方面是改善濕熱性能提高其使用溫度;另一方面 則是提高韌性，進(jìn)而提高復(fù)合材料的損傷容限。含有環(huán)氧樹(shù)脂所制備 的復(fù)合材料己經(jīng)大力應(yīng)用到機(jī)翼、機(jī)身等大型主承力構(gòu)件上。(3) 雙馬來(lái)駄亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料:在雙馬來(lái)駄亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料中，由于 雙馬來(lái)駄亞胺樹(shù)脂具有流動(dòng)性和可模塑性，良好的耐高溫、耐輻射、 耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，所以這種樹(shù)脂則會(huì)廣

3、泛運(yùn)用在絕緣材料、航空航天結(jié)構(gòu)材料、耐磨材料等各個(gè)領(lǐng)域中。(4) 聚酰亞胺復(fù)合材料:聚酰亞胺復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，比模量以及優(yōu) 異的熱氧化穩(wěn)定性。其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，主要可明顯 減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。所以在航天航空領(lǐng)域得到了大 力的發(fā)展和運(yùn)用。2熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料:其自身中的基體是熱塑性樹(shù)脂，該類復(fù)合 材料是由熱塑性樹(shù)脂基體、增強(qiáng)相以及一些助劑組成。在熱塑性復(fù)合 材料中最典型和最常見(jiàn)的熱塑性樹(shù)脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯樹(shù)脂、聚碳酸樹(shù)脂、聚甲醛樹(shù)脂、聚醯酮類、 熱塑性聚酰亞胺、聚苯硫醞、聚颯等。而熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料具有很多

4、的特點(diǎn)，以下概述了一些熱塑性 樹(shù)脂復(fù)合材料的特點(diǎn)。1）比強(qiáng)度高熱塑性聚合物基復(fù)合材料的密度為11.9g/cn?,僅為鋼 材的1/7-1/4,鋁合金的2/5-2/3,欽合金的1/4-2/5左右。另外，熱塑性樹(shù) 脂復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度一般低于以上的材料，但是由于其密度較低， 因而熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度，能夠用較小的單位質(zhì)量 承受更高的外加應(yīng)力。2）性能可設(shè)計(jì)性自由度大熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能、物理性能 和化學(xué)性能都可以通過(guò)合理選擇原材料種類、配比以及適當(dāng)?shù)募庸し?法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料的基體材料種類比熱固性復(fù)合 材料多得多，因此其選材設(shè)計(jì)自由度也要大很多。3）熱學(xué)性能優(yōu)異由

5、于引入了無(wú)機(jī)填料，熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料具有優(yōu) 異的熱學(xué)性能。一般熱塑性塑料的使用溫度在50-100°c,用玻璃纖維 增強(qiáng)后，可提高到100°c以上。熱塑性聚合物復(fù)合材料的線膨脹系數(shù) 比未增強(qiáng)的塑料低1/4-1/2,從而能夠降低制品成型過(guò)程中的收縮率， 提高制品尺寸精度。4）耐化學(xué)腐蝕性熱塑性樹(shù)脂基的種類很多，一般都有耐化學(xué)腐蝕性 的特點(diǎn)，熱塑性聚合物基復(fù)合材料和他們的基體一般都會(huì)具有化學(xué)腐 蝕性的優(yōu)點(diǎn)。5）電性能一般熱塑性聚合物復(fù)合材料都具有良好的介電性能，不反 射無(wú)線電電波，透過(guò)微波性能良好。6）優(yōu)異的抗疲勞性能熱塑性聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部存在大量的界 面，使用過(guò)程中即使過(guò)載

6、而造成少量纖維斷裂。一方面，熱塑性樹(shù)脂 基體一般具有一定的阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，從而在短期內(nèi)不會(huì)使整個(gè) 構(gòu)件喪失承載能力，具有優(yōu)異的破損安全性。7）廢料回收利用由于熱塑性塑料具有遇熱可熔融的特點(diǎn)，所以這種 復(fù)合材料可以重復(fù)加工成型，廢品、邊角料以及舊品都可以回收利用， 進(jìn)行再加工，這樣對(duì)于環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。在以上優(yōu)異性能 和特點(diǎn)上，科研人員看準(zhǔn)了熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料的性能可以與熱固性 樹(shù)脂復(fù)合材料相媲美。同時(shí)，熱塑性基體的良好韌性是它重要的技術(shù) 優(yōu)勢(shì)，更吸引人的一方面就是其具有降低制備成本的潛力。3、熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料與熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料的比較在加工過(guò)程中，熱固性樹(shù)脂材料是經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)和

7、鄰近的支鏈通 過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合在一起，所以在此受熱時(shí)是不會(huì)熔融變軟的;而熱塑性樹(shù) 脂材料則具有較高的分子質(zhì)量和較大的熔體茹滯度，所以在制備相應(yīng) 的復(fù)合材料的時(shí)候，制備溫度很大程度上要高于其自身的玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度。在比較了熱固性樹(shù)脂與熱塑性樹(shù)脂的不同后，表1.2闡述了熱 固性樹(shù)脂復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料的不同點(diǎn)。4、熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料的制備方法在制備熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料的過(guò)程中，通常采用兩種工藝方法，分 別為溶液浸漬法和熱熔法。(1)溶液浸漬法:溶液浸漬法則是要把樹(shù)脂基體中的各個(gè)組份按規(guī) 定的比例溶解到較低沸點(diǎn)的溶劑中，從而使溶液達(dá)到一定的溶度，接 下來(lái)將纖維束或織物按設(shè)定的浸漬速度通過(guò)樹(shù)脂基體溶液，使碳

8、纖維 布上浸漬上一定量的樹(shù)脂基體。而溶液浸漬法又可以分為滾筒纏繞法 和多數(shù)纖維連續(xù)浸漬法。滾筒纏繞法是要把纖維束通過(guò)樹(shù)脂基體的 溶液槽中，經(jīng)過(guò)幾組導(dǎo)向車?yán)ヒ猿ザ嘤嗟臉?shù)脂，隨后平行纏繞在滾筒 上，并沿著線筒縱向切開(kāi)，才可以得到單向的預(yù)浸料。多絲束連續(xù) 浸漬法的工藝過(guò)程是要將紗架引出纖維束，用以調(diào)節(jié)絲束纖維張力基 本相等，經(jīng)過(guò)整徑、分散、展平、進(jìn)入浸膠槽等工序，通過(guò)擠膠除去 多余的樹(shù)脂，最后再放進(jìn)烘干爐中，使溶劑充分揮發(fā)。溶液浸漬法的 優(yōu)點(diǎn)則是可以很大程度上增強(qiáng)樹(shù)脂基體浸透到材料中，可以制備薄型 的預(yù)浸料，也可以制備厚型的預(yù)浸料;在設(shè)備上其造價(jià)相對(duì)較低，可以 很好的節(jié)省成本。表2熱固性與熱塑性復(fù)

9、合材料的比較半心空wi沒(méi)車斗口t牡用夂t 保附詁、匕日寸mjr 丁半永久侏存低ij力【1預(yù)？2*斗儀目妄好工交女于彳*多不好性特點(diǎn)m.tr.筲滸冬性能優(yōu)蟲(chóng)能好齡4&十上電令材車斗項(xiàng)11圖2 連續(xù)浸漬法制備預(yù)浸料工藝2）熱熔法:熱熔法可以分為直接熱熔法和膜膠壓延法。直接熱熔法是 把樹(shù)脂基體放于膠槽中，在加熱到一定的溫度下從而使樹(shù)脂熔融，然 后再將纖維束依次通過(guò)展開(kāi)機(jī)構(gòu)、膠槽、幾組擠膠車?yán)?、重排機(jī)構(gòu)上。 這種制備工藝要求所用的樹(shù)脂基體具有良好的流動(dòng)性，在不高的溫度 下就可以呈現(xiàn)出很好的流動(dòng)態(tài)有利于纖維束的浸漬。膜膠壓延法包 含有制膜和預(yù)浸兩個(gè)步驟。就是要把樹(shù)脂基體放在混合器中充分混合, 等

10、到加熱到最佳涂膜溫度后，用電機(jī)樞機(jī)的計(jì)量泵將樹(shù)脂基體輸送到 涂膠扌昆上，調(diào)節(jié)涂膠扌昆的間距并且使離型紙的運(yùn)動(dòng)呈線速度，制備得 到不同膜厚的膜。再取出纖維，調(diào)節(jié)張力后，通過(guò)蒐子集束、展平到 規(guī)定的寬度，從上、下膠膜車?yán)ヒ鲱A(yù)先制備出的膠模，并和纖維形成 夾心結(jié)構(gòu)，再通過(guò)幾組熱壓扌昆，使樹(shù)脂基體達(dá)到熔融溫度，使樹(shù)脂基 體充分浸漬到纖維中。這種熱熔法制備預(yù)浸料其具有線速度大、效率 較高、樹(shù)脂的含量更容易控制掌握;沒(méi)有溶劑，預(yù)浸料揮發(fā)含量則較低, 工藝操作步驟也很安全，對(duì)于環(huán)境的污染較小，是目前采用比較多的 熱固性預(yù)浸料制備方法。膠槽加熱泵統(tǒng)圖3直接熱熔法工藝示意圖圖4膜膠壓延法預(yù)浸示意圖5、熱塑性樹(shù)

11、脂預(yù)浸料的制備方法通過(guò)研究得知一系列的熱塑性樹(shù)脂都具有熔點(diǎn)較高，熔融粘度都 較大一般大于1 oopas,并且粘度都會(huì)隨溫度的變化很小，這就給熱塑 性樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備產(chǎn)生了很大的困難，所以熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料 就成了制備熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料非常重要的研究方向和研究目標(biāo)。1）溶液浸漬法這種方法可以運(yùn)用熱固性樹(shù)脂溶液法預(yù)浸料設(shè)備及其工藝，但是需要 增加熔融爐，使樹(shù)脂熔融并且可以粘附在增強(qiáng)材料上。2）泥漿法此種方法是要把樹(shù)脂粉末懸浮在具有規(guī)定特性的液體介質(zhì)中，樹(shù)脂粉 末應(yīng)盡量的細(xì)，可以很好的分布均勻從而使纖維浸透。而工藝的制備 過(guò)程和上述的溶液浸漬方法相類似。這種方法可以充分使樹(shù)脂浸漬但 是如果增稠劑

12、處理添加不適當(dāng)，會(huì)影響所得到的復(fù)合材料的性質(zhì)。3）熱壓工藝熱壓工藝的設(shè)備則是熱壓機(jī)，是要將定量的樹(shù)脂粉末均勻涂覆在熱壓 板上，并用增強(qiáng)纖維織物蓋在樹(shù)脂上，接下來(lái)放上第二塊熱壓板，加 熱到樹(shù)脂的加熱溫度，使其熔融，隨后緩慢施加壓力，使樹(shù)脂充分的 浸漬到纖維布的織物中。此種方法更多的應(yīng)用在纖維織物所制備的預(yù) 浸料中。但是制備單向預(yù)浸料過(guò)程中，由于施加的壓力會(huì)使纖維在樹(shù) 脂的帶動(dòng)下產(chǎn)生移位，很難保證預(yù)浸料的質(zhì)量問(wèn)題。圖5熱壓法制備預(yù)浸料示意圖4）熱熔法熱塑性樹(shù)脂的熱熔法與熱固性樹(shù)脂的熱熔法非常相似，就是要把增強(qiáng) 纖維通過(guò)樹(shù)脂熔融浴中，再利用刮刀或計(jì)量輾筒拄制樹(shù)脂的含甲纖維 混雜法纖維混雜法首先把熱塑

13、性樹(shù)脂紡成纖維或膜帶，然后根據(jù)含膠 量的多少中的具體情況再將增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂纖維按規(guī)定的配比緊密的 合成混合紗。接下來(lái)把纖維制備成所需要的形狀，最后則是通過(guò)高溫 的情況下將樹(shù)脂熔融在纖維中。這種方法是可以很好的掌握樹(shù)脂所需 要的含量并且可以使樹(shù)脂充分均勻的浸漬在纖維束中。5）粉末法粉末法就是制備熱塑性預(yù)浸料比較常用的方法。而粉末法根據(jù)設(shè)備和 條件不同可以分為多種方法，其中包括粉末浸漬法、流態(tài)化床工藝、 fit,預(yù)浸法、靜電流化床預(yù)浸工藝。概括粉末法主要是把帶有靜電的 樹(shù)脂粉末沉積在被吹散的纖維上，然后通過(guò)高溫的作用把樹(shù)脂熔融在 纖維中。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)則是不需要采用溶劑，材料形式簡(jiǎn)單易 得，制

14、備工藝簡(jiǎn)單，纖維不會(huì)受損，成本較低。針對(duì)熱固性樹(shù)脂預(yù)浸 料來(lái)說(shuō)，在加工過(guò)程中，運(yùn)送過(guò)程中，儲(chǔ)存過(guò)程中都會(huì)使樹(shù)脂產(chǎn)生一 系列的化學(xué)反應(yīng)變化，所以在這幾方面對(duì)比熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料的影響很犬。而熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料由于其自身是高聚合物所以不容易在上述 情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和變化，但是熱塑性高聚合的分子質(zhì)量，分子質(zhì) 量的分布，純度等等各種因素也會(huì)對(duì)制備成的熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料產(chǎn)生 很大的影響。通過(guò)熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料的制備中，都會(huì)有 很多因素對(duì)于制備過(guò)程和制備成型的預(yù)浸料產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)所要制 備成型的復(fù)合材料進(jìn)行影響，因此，我們要對(duì)熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù) 脂所制備的預(yù)浸料進(jìn)行嚴(yán)格的把控，這樣才能保證預(yù)浸料

15、的質(zhì)量，制 備成性能優(yōu)異的復(fù)合材料。6連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝近來(lái)復(fù)合材料的工業(yè)化得到了快速的發(fā)展，但是在工業(yè)化過(guò)程中 復(fù)合材料也存在許多的問(wèn)題。在復(fù)合材料的制備成型上存在了很多有 待解決的問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)直接影響到復(fù)合材料制備成型后產(chǎn)品的質(zhì) 量。而在選擇復(fù)合材料制備成型的工藝條件時(shí)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)在 技術(shù)層面上，我們要做到在符合市場(chǎng)要求的基礎(chǔ)上，提升產(chǎn)品本身的 質(zhì)量;在制備過(guò)程中，要做到操作簡(jiǎn)單，成本要適當(dāng)降低，安全效率 提高;在生產(chǎn)過(guò)程中要盡量減小對(duì)環(huán)境的污染。而要滿足上述的復(fù)合 材料要求，就要了解復(fù)合材料的制備工藝和發(fā)展歷程。近年來(lái)復(fù)合材 料的制備工藝得到了大幅度提升，越來(lái)越能滿足

16、對(duì)于產(chǎn)品的高要求。 接下來(lái)我們介紹幾種連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝。1) rtm成型工藝:由于復(fù)合材料工業(yè)上己經(jīng)進(jìn)入大產(chǎn)量、大消費(fèi)的 階段，所以樹(shù)脂傳遞模塑(rtm)工藝正好符合這一趨勢(shì)的發(fā)展。這一工藝靈活，適應(yīng)性較高，在與其他工藝結(jié)合性好，所以其得 到了大規(guī)模的應(yīng)用。閉模模塑工藝使用的模具是上下的對(duì)稱模 具，下模具一般是厚實(shí)、剛硬的，而上模具則是分為兩種，一種 是與下模具一樣厚實(shí)、剛硬的;另一種則是比較薄、比較軟的或 者真空膜t o vibrtctirovaruvm filmh«rlcan<? tilm/ftmmiltli htrfiit rar-r#lwbc|«

17、ib ikii dumivmilrrtm成型工藝這種制備工藝具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研 究，例如:可選用的樹(shù)脂和增強(qiáng)體材料比較多;制備出的產(chǎn)品孔隙率低, 機(jī)械性能高，尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高;設(shè)備和制備的產(chǎn)品成本較低 等等優(yōu)異的性能。纏繞成型工藝:纏繞成型工藝的原理是要把浸膠以后 的連續(xù)纖維等增強(qiáng)體材料，按照規(guī)定的纏繞方法纏繞到芯模上，最后 再固化成型。這種成型工藝采用的增強(qiáng)體材料多數(shù)為纖維或者布帶。在使用這種成型工藝條件時(shí)不僅對(duì)其增強(qiáng)體的種類有所要求外，對(duì)于 樹(shù)脂基體也有明確要求，對(duì)于采用的樹(shù)脂基體應(yīng)該具有對(duì)纖維良好的 潤(rùn)濕性和粘附能力；固化之后應(yīng)該具有局域較高的強(qiáng)度和

18、伸長(zhǎng)率;在開(kāi) 始時(shí)樹(shù)脂基體應(yīng)該有較低的粘度;毒性要盡量的低，不能對(duì)人體產(chǎn)生毒 性。利用纏繞成型工藝制備的復(fù)合材料擁有纖維方向整齊、準(zhǔn)確率高、 比強(qiáng)度和比剛性都要較強(qiáng)等優(yōu)異性能。拉擠成型工藝:這種制備工藝的 原理則是把己經(jīng)濕潤(rùn)的樹(shù)脂膠液的連續(xù)的纖維在牽引結(jié)構(gòu)的拉力作用 下再通過(guò)模具成型，最后在模具中固化，連續(xù)生長(zhǎng)出長(zhǎng)度不受限制的 復(fù)合材料。在這種工藝條件下則要求樹(shù)脂基體粘度較低，而纖維則要 求與樹(shù)脂基體相匹配的。圖7拉擠成型工藝示意圖拉擠成型工藝其生產(chǎn)效率較高，制備出的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較 高。但是這一工藝使制品的橫向強(qiáng)度很差，制備所用的設(shè)備繁瑣，在 生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)很多的不便。2）手糊成型工藝:手糊

19、成型工藝另一個(gè)名稱叫接觸成型工藝，在人工操 作下將玻璃纖維織物和樹(shù)脂基體進(jìn)行交替性的鋪附在模具中，兩者進(jìn) 行粘附后再進(jìn)行固化，進(jìn)而成型。這種工藝其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備的簡(jiǎn)單， 人工很容易掌握。但是制備出的產(chǎn)品達(dá)不到所要求的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品性能 差，穩(wěn)定性得不到提升，力學(xué)性能較低，對(duì)于環(huán)境的污染嚴(yán)重，氣味 較大，對(duì)于身體的傷害嚴(yán)重，粉塵較多，容易造成危險(xiǎn)等因素。所以 近些年來(lái)，研究人員對(duì)這種成型工藝進(jìn)行了大量的研究，改善了其產(chǎn) 生的產(chǎn)品不足等缺點(diǎn)。3）模壓成型工藝:這種成型工藝是把一定量的將要混合的材料或者預(yù) 料加入到金屬對(duì)模的內(nèi)部，然后再進(jìn)行加熱，加壓的處理，在進(jìn)行加 熱，加壓處理過(guò)程中進(jìn)行固化的一種工藝方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是制 備過(guò)程中生產(chǎn)的效率較高，可以降低制備的成本問(wèn)題，盡可能的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)代化，專業(yè)的生產(chǎn)流程，制備出的產(chǎn)品尺寸精度高，重復(fù)性好，可 以一次制備出成型比較復(fù)雜的制品。但是在這些優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上還是會(huì) 產(chǎn)生一些缺點(diǎn)，例如模具的制備過(guò)程比較復(fù)雜無(wú)形中增加了生產(chǎn)的成 本等一系列不足之處。在近些年來(lái)，模壓成型工藝主要在長(zhǎng)短纖維增 強(qiáng)材料，熱塑性樹(shù)脂，熱固性樹(shù)脂基體的復(fù)合材料中得到大力發(fā)展和 應(yīng)用。在航空航天通訊電子設(shè)備上貢獻(xiàn)了很大的作用。4）鋪放成型工藝:其是自動(dòng)鋪絲束成型技術(shù)與自動(dòng)窄帶鋪放成型技術(shù) 的統(tǒng)一名稱。自動(dòng)鋪帶