復(fù)合材料第五章

1、第五章第五章 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料（PMC）通常按兩種方式分類。一種以基體性質(zhì)不同分為熱固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料；一、分一、分 類類另一種按增強(qiáng)劑類型及在復(fù)合材料中分布狀態(tài)分類（如右圖）。第一節(jié)第一節(jié)聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料PMCPMC二二. . 基本性能基本性能 具有較高的比強(qiáng)度和比模量。具有較高的比強(qiáng)度和比模量。 抗疲勞性能好，安全性高?？蛊谛阅芎?，安全性高。 減振、隔音、保溫、隔熱、耐燒蝕性好。減振、隔音、保溫、隔熱、耐燒蝕性好。 彈性模量不夠高、斷裂延伸率小、抗沖擊強(qiáng)度差、彈性模量不夠高、斷裂延伸率小、抗沖擊強(qiáng)度差

2、、橫向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度低。橫向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度低。 工藝性好，但手工勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。工藝性好，但手工勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。 三三. 品種品種1 1、GFGF增強(qiáng)熱固性塑料（增強(qiáng)熱固性塑料（GFRPGFRP）-玻璃鋼玻璃鋼 根據(jù)基體種類分類: 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂； 玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂； 玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂1）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)：（1）GFRP的突出特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度高的突出特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度高。比重為1.62.0，比最輕的金屬鋁還要輕，而比強(qiáng)度比高級(jí)合金鋼還高，“玻璃鋼”這個(gè)名稱便由此而來。（2）GFRP還具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、有機(jī)溶還具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、有機(jī)

3、溶劑、海水等介質(zhì)中均很穩(wěn)定。劑、海水等介質(zhì)中均很穩(wěn)定。（3）也是一種良好的電絕緣材料，所以它可做為耐高壓）也是一種良好的電絕緣材料，所以它可做為耐高壓的電器零件。的電器零件。（4）GFRP不受電磁作用的影響，它不反射無線電不受電磁作用的影響，它不反射無線電波微波透過性好，因此可用來制造掃雷艇和雷達(dá)罩。波微波透過性好，因此可用來制造掃雷艇和雷達(dá)罩。GFRP還具有保溫、隔熱、隔音、減振等性能。還具有保溫、隔熱、隔音、減振等性能。2)GFRP也有不足之處也有不足之處(1）最大的缺點(diǎn)是剛性差最大的缺點(diǎn)是剛性差，它的彎曲彈性模旦僅為0.2103GPa，它的剛度比木材人大兩倍，而比鋼材小十倍。(2）玻璃鋼

4、的耐熱性玻璃鋼的耐熱性低。玻玻璃纖維增強(qiáng)聚聚酯樹脂連續(xù)使用溫度在280以下，其他GFRP在350以下。(3）導(dǎo)熱性也很差導(dǎo)熱性也很差磨擦產(chǎn)生的熱量不易導(dǎo)出，從而使GFRP的溫度升高，導(dǎo)致其破壞。(4）GFRP的易的易產(chǎn)生老化現(xiàn)象。、聚酯玻璃鋼、聚酯玻璃鋼 加工性能最好加工性能最好。低粘度，可室溫固化；。低粘度，可室溫固化；透光性好透光性好、透光率可達(dá)透光率可達(dá)6060-80-80；價(jià)；價(jià)低低，用量占，用量占80% 80% 。不足之處不足之處是固化時(shí)收縮率大，可達(dá)是固化時(shí)收縮率大，可達(dá)4 48 8。耐酸、堿性差些。耐酸、堿性差些 、環(huán)氧玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼 綜合力學(xué)性能最好綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性

5、好；尺寸穩(wěn)定性最好；，耐蝕性好；尺寸穩(wěn)定性最好；粘度大，施工困難。粘度大，施工困難。酚醛玻璃鋼酚醛玻璃鋼 耐熱性最好耐熱性最好, 350, 50%50% 、尺寸穩(wěn)定性提高、尺寸穩(wěn)定性提高3 3、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)塑料（環(huán)氧樹脂）、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)塑料（環(huán)氧樹脂）特點(diǎn)：(1)比重輕、強(qiáng)度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)，其數(shù)據(jù)見表55。(2)加工工藝簡單加工工藝簡單。該種增強(qiáng)塑料可采用G5RP的各種成型方法，如模壓法、纏繞法、手糊法等。(3)價(jià)格昂貴。該種材料唯一的缺點(diǎn)是價(jià)格比較貴。除芳香族聚酰胺纖維而外，其他纖維由于加工比較復(fù)雜，原料價(jià)格昂貴，致使其增強(qiáng)塑料價(jià)格昂貴，從而限制了大量應(yīng)用。 、C C纖維增強(qiáng)

6、塑料纖維增強(qiáng)塑料 比強(qiáng)度，比模量最高的材料；耐腐蝕耐熱都很比強(qiáng)度，比模量最高的材料；耐腐蝕耐熱都很 好。好。 不足之處是，碳纖維與塑料的粘結(jié)性差，而且各向異性不足之處是，碳纖維與塑料的粘結(jié)性差，而且各向異性 ；價(jià)格昂價(jià)格昂貴。貴。 、芳綸纖維增強(qiáng)塑料、芳綸纖維增強(qiáng)塑料 與塑料相容性好，價(jià)格適中，應(yīng)用前景廣泛。與塑料相容性好，價(jià)格適中，應(yīng)用前景廣泛。 抗拉強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度與C C纖維相當(dāng)，沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)高于纖維相當(dāng)，沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)高于C C纖維；纖維； 振動(dòng)衰減是玻璃鋼的振動(dòng)衰減是玻璃鋼的4 45 5倍。倍。 抗壓性能差?？箟盒阅懿?。、B B纖維增強(qiáng)塑料纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點(diǎn)是剛度好，價(jià)格比突出優(yōu)點(diǎn)是剛度

7、好，價(jià)格比C C纖維還貴。纖維還貴。、SiCSiC纖維增強(qiáng)塑料纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點(diǎn)是與樹脂相容性好。突出優(yōu)點(diǎn)是與樹脂相容性好。碳纖維頭盔碳纖維頭盔地鐵閘瓦地鐵閘瓦芳芳綸綸纖纖維維增增強(qiáng)強(qiáng)C C纖纖維維增增強(qiáng)強(qiáng)第二節(jié)聚合物基復(fù)合材料的制備第二節(jié)聚合物基復(fù)合材料的制備 聚合物基復(fù)合材料的制造把復(fù)合材料的制聚合物基復(fù)合材料的制造把復(fù)合材料的制造和產(chǎn)品的制造融合為一體。造和產(chǎn)品的制造融合為一體。 根據(jù)增強(qiáng)體和基體材料種類的不同，需要根據(jù)增強(qiáng)體和基體材料種類的不同，需要應(yīng)用不同的制造工藝和方法。應(yīng)用不同的制造工藝和方法。根據(jù)基體材料不同分類：根據(jù)基體材料不同分類： 熱固性樹脂復(fù)合材料的制造方法熱固性樹

8、脂復(fù)合材料的制造方法：手糊成型：手糊成型法、噴射成型法、模壓成型法、注射成型法、法、噴射成型法、模壓成型法、注射成型法、RTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等等。 熱塑性復(fù)合材料的制造方法：模壓成型法、熱塑性復(fù)合材料的制造方法：模壓成型法、注射成型法、注射成型法、RTM成型法、真空熱壓成型法、成型法、真空熱壓成型法、纏繞成型法等。纏繞成型法等。模具模具準(zhǔn)備準(zhǔn)備樹脂膠樹脂膠液配制液配制增強(qiáng)材增強(qiáng)材料準(zhǔn)備料準(zhǔn)備涂脫模劑涂脫模劑手糊成型手糊成型固化固化脫模脫模后處理后處理檢驗(yàn)檢驗(yàn)制品制品手糊成型工藝流程手糊成型工藝流程纖維增強(qiáng)材料和樹纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪脂膠液在模具上鋪覆成型，室溫

9、覆成型，室溫(或加或加熱熱)、無壓、無壓(或低壓或低壓)條件下固化，脫模條件下固化，脫模成制品的工藝方法。成制品的工藝方法。1、定義 手糊成型又稱接觸成型，采用手工方法將纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪敷成型、室溫（或加熱）、無壓（或低壓）條件下固化，脫模成制品的工藝方法。一、手糊成型工藝工藝流程模具清理涂脫模劑涂膠衣膠液配制表面層制作織物剪裁增強(qiáng)層制作補(bǔ)強(qiáng)層制作固化脫模切邊加工產(chǎn)品檢驗(yàn)1) 1) 脫模劑、膠衣和纖維布2) 2) 倒樹脂并趕勻。3) 3) 重復(fù)纖維布和樹脂過程。4) 4) 固化手糊成型工藝示意圖手糊成型工藝示意圖特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大，批量 小，形狀復(fù)雜產(chǎn)

10、品的生產(chǎn)。設(shè)備簡單，投資少，設(shè)備折舊費(fèi)低。工藝簡單。容易滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差。產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。產(chǎn)品力學(xué)性能較低。2、原材料選擇1） 增強(qiáng)材料無捻粗紗布（方格布）：0.10.8mm變形性好，易被樹脂浸透，易排除氣泡，增厚效率高。加捻布（平紋布、斜紋布、緞紋布、單向布）0.050.6mm表面平整、氣密性好；價(jià)格貴、不易浸透樹脂、增厚效果差玻璃布帶；短切纖維；表面氈；短切氈 樹脂浸透性好，氣泡容易排除，變形性好，施工方便，制品含膠量高6080%，防滲效果好。2） 樹脂（1）要求粘度適宜，0.20.8Pa.S，對(duì)玻纖

11、有良好浸潤性；在室溫下凝膠、固化，并且無低分子物產(chǎn)生；無毒或低毒；價(jià)格便宜，來源廣泛。（2）常用樹脂：不飽和聚酯（80%）、環(huán)氧樹脂（3）輔助材料稀釋劑填料（降低成本，提高性能）觸變劑（適用垂直面施工，活性SiO2）顏料（一般選用無機(jī)顏料，有機(jī)顏料影響固化）1） 原材料準(zhǔn)備3、手糊工藝過程（1）膠液配制膠液工藝性：膠液粘度、凝膠時(shí)間 手糊工藝進(jìn)行前，必須進(jìn)行膠液凝膠時(shí)間試驗(yàn)。要使凝膠時(shí)間大于或等于所配膠液施工時(shí)間，否則手糊不能順利進(jìn)行。不飽和樹脂配方（質(zhì)量份）樹脂：100份；過氧化甲乙酮：2份（引發(fā)劑）；萘酸鈷苯乙烯溶液：14份（促進(jìn)劑，加入量與環(huán)境溫度有關(guān)）（2）增強(qiáng)材料準(zhǔn)備玻纖布裁剪：圓環(huán)

12、形制品玻布沿徑向45剪裁（2）增強(qiáng)材料準(zhǔn)備玻纖布裁剪：圓錐形制品玻布裁成扇形玻纖布裁剪圓環(huán)形制品圓錐形制品玻布沿徑向45剪裁玻布裁成扇形布的拼接對(duì)接（表面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品）搭接（3）膠衣糊準(zhǔn)備可選用專用膠衣糊制作表面層，提高表面層質(zhì)量（外觀、性能）2） 糊制（1）表面層（膠衣層、富樹脂層）厚度：0.250.5mm，或300500g/m2涂刷（二遍，互相垂直）、噴涂膠衣是賦予復(fù)合材料制品表膠衣是賦予復(fù)合材料制品表面的一層美觀、耐化學(xué)品侵面的一層美觀、耐化學(xué)品侵蝕、耐擦傷和耐老化等的對(duì)蝕、耐擦傷和耐老化等的對(duì)其起到保護(hù)作用的表面涂層。其起到保護(hù)作用的表面涂層。（2）結(jié)構(gòu)層糊制膠衣層全部凝膠后，即可

13、進(jìn)行手糊作業(yè)；首先應(yīng)鋪放一層較柔軟的增強(qiáng)材料-玻璃布，接著在模具上交替刷一層樹脂、鋪一層玻璃布，并要排除氣泡，如此重復(fù)直到設(shè)計(jì)厚度。待浸樹脂的待浸樹脂的增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料壓實(shí)輥壓實(shí)輥樹脂樹脂可選用膠衣可選用膠衣3）固化（凝膠-定型-熟化）固化方式常溫固化：溫度15 （2530）；濕度80% （1530，824h）加熱固化：烘箱、固化爐、模具加熱、紅外線加熱 （6080，12h）固化度丙酮萃取法硬度法（巴氏硬度） 154.）脫模：氣脫、頂脫、水脫5） 后處理修整：除去毛邊、飛刺、修補(bǔ)表面及內(nèi)部缺陷，鉆孔裝配：機(jī)械連接、膠接表面涂飾圖圖4-5 手糊玻璃鋼制品舉例手糊玻璃鋼制品舉例 為為改進(jìn)改進(jìn)手糊成

14、型工藝而開發(fā)的一種半機(jī)械化成型工藝，是手糊成型工藝而開發(fā)的一種半機(jī)械化成型工藝，是手糊工藝的變形手糊工藝的變形。工藝流程工藝流程玻璃纖維無捻粗紗玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂聚酯樹脂引發(fā)劑引發(fā)劑促進(jìn)劑促進(jìn)劑加熱加熱靜態(tài)混合靜態(tài)混合切割切割噴槍噴槍噴射噴射成型成型模具模具輥壓輥壓固化固化脫模脫模將混有引發(fā)劑和促進(jìn)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍噴出，同時(shí)將玻璃纖維無捻粗將混有引發(fā)劑和促進(jìn)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍噴出，同時(shí)將玻璃纖維無捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。待沉積到紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。待沉積到一定厚度，用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂、壓

15、實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品。一定厚度，用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品。(1)生產(chǎn)效率比手糊法提高生產(chǎn)效率比手糊法提高24倍；倍；(2)利用粗紗代替織物，降低了材料成本；利用粗紗代替織物，降低了材料成本；(3)成型過程中無接縫，制品的整體性好；成型過程中無接縫，制品的整體性好；(4)減少了飛邊、裁屑和剩余膠液的損耗；減少了飛邊、裁屑和剩余膠液的損耗；(5)可自由調(diào)節(jié)產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂的比可自由調(diào)節(jié)產(chǎn)品壁厚、纖維與樹脂的比例及纖維的長度。例及纖維的長度。(1) 產(chǎn)品的均勻程度在很大程度上取決于操產(chǎn)品的均勻程度在很大程度上取決于操作工人的熟練程度；作工人的熟練程度；(

16、2) 樹脂含量高，增強(qiáng)纖維短，制品的強(qiáng)度樹脂含量高，增強(qiáng)纖維短，制品的強(qiáng)度較低，耐溫性能差；較低，耐溫性能差；(3) 因過量噴涂而造成原材料損耗大；因過量噴涂而造成原材料損耗大；(4) 陰模成型比陽模成型難度大，小型制品陰模成型比陽模成型難度大，小型制品比大型制品難度大；比大型制品難度大；(5) 現(xiàn)場粉塵大，工作環(huán)境惡劣；現(xiàn)場粉塵大，工作環(huán)境惡劣；(6) 初期投資比手糊成型大。初期投資比手糊成型大。定義定義 將一定量的模壓料放入金屬將一定量的模壓料放入金屬對(duì)模中，在一定溫度、壓力作用對(duì)模中，在一定溫度、壓力作用下，固化成型制品的方法。下，固化成型制品的方法。 加熱加壓的作用加熱加壓的作用 使模

17、壓料塑化、流動(dòng)，充滿使模壓料塑化、流動(dòng)，充滿空腔，并使樹脂發(fā)生固化反應(yīng)?？涨?，并使樹脂發(fā)生固化反應(yīng)。 有較高的生產(chǎn)效率，適于大批量生產(chǎn)，制品有較高的生產(chǎn)效率，適于大批量生產(chǎn)，制品尺寸精確，表面光潔，可以有兩個(gè)精制表面，尺寸精確，表面光潔，可以有兩個(gè)精制表面，價(jià)格低廉，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，多數(shù)結(jié)價(jià)格低廉，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需有損于制品性構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需有損于制品性能的輔助加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好。能的輔助加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好。 壓模的設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜，初次壓模的設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜，初次投資較高，制品尺寸受設(shè)備限制，一投資較高，制

18、品尺寸受設(shè)備限制，一般只適于制備中、小型玻璃鋼制品。般只適于制備中、小型玻璃鋼制品。模壓工藝模壓工藝模具預(yù)熱模具預(yù)熱脫模劑涂刷脫模劑涂刷料的稱量料的稱量料預(yù)熱料預(yù)熱成預(yù)成型成預(yù)成型裝模裝模壓制壓制脫模脫模后處理后處理打底及輔打底及輔助加工助加工檢驗(yàn)檢驗(yàn)成品成品壓制前準(zhǔn)備壓制前準(zhǔn)備壓制壓制模壓成型工藝流程模壓成型工藝流程 纏繞工藝：纏繞工藝： 將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為復(fù)合材料制品的工藝過程。模成為復(fù)合材料制品的工藝過程。決定產(chǎn)品形狀的模具決定產(chǎn)品形狀的模具繞線筒繞線筒張力控制器張

19、力控制器預(yù)浸槽預(yù)浸槽小車小車吐絲嘴吐絲嘴芯模芯?；纠w維纏繞機(jī)基本纖維纏繞機(jī)纏繞工藝流程圖纏繞工藝流程圖浸膠浸膠膠紗紗錠膠紗紗錠張力控制張力控制固化固化打模噴漆打模噴漆脫模脫模芯模制造芯模制造膠液配制膠液配制紗團(tuán)紗團(tuán)集束集束烘干烘干絡(luò)紗絡(luò)紗加熱粘流加熱粘流縱、環(huán)向纏繞縱、環(huán)向纏繞張力控制張力控制縱、環(huán)向纏繞縱、環(huán)向纏繞成品成品濕濕法法纏纏繞繞成成型型工工藝藝干干法法纏纏繞繞成成型型工工藝藝干法纏繞干法纏繞 將預(yù)浸紗帶將預(yù)浸紗帶(或預(yù)浸布或預(yù)浸布)，在纏繞，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流狀態(tài)并纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流狀態(tài)并纏繞到芯模上的成型工藝過程。到芯模上的成型工藝過程。濕法纏繞濕法纏繞 將無捻粗

20、紗將無捻粗紗(或布帶或布帶)經(jīng)浸膠后直接纏繞經(jīng)浸膠后直接纏繞到芯模上的成型工藝過程。到芯模上的成型工藝過程。 半干法纏繞半干法纏繞 將無捻粗紗將無捻粗紗(或布帶或布帶)浸膠后，隨即預(yù)烘浸膠后，隨即預(yù)烘干，然后纏繞到芯模上的成型工藝方法。干，然后纏繞到芯模上的成型工藝方法。 1）纖維能保持連續(xù)完整，制品強(qiáng)度高2）可連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度小3）產(chǎn)品尺寸、外形準(zhǔn)確，不需機(jī)械加工4）設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度大，工藝質(zhì)量不易控制工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制的纏繞機(jī)計(jì)算機(jī)控制的纏繞機(jī)玻璃鋼固化玻璃鋼固化玻璃鋼管道玻璃鋼管道拉擠成型工藝中，首先將拉擠成型工藝中，首先將浸漬過樹脂膠液的浸漬過樹脂膠液

21、的或或在牽引裝置作用下在牽引裝置作用下通過通過而而； 其次，在模中或固化爐中其次，在模中或固化爐中，制成具有特，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料，如定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料，如、等。等。連續(xù)生產(chǎn)固定界面型材的成型方法1. 工藝過程拉擠成型排紗浸膠預(yù)成型固化成型牽引切割產(chǎn)品1 1、纖維粗砂、纖維粗砂2 2、樹脂浸漬槽、樹脂浸漬槽3 3、預(yù)成型模、預(yù)成型模4 4、固化模、固化模5 5、拉拔牽引、拉拔牽引增強(qiáng)纖維的增強(qiáng)纖維的要求要求過程中，要求過程中，要求增強(qiáng)纖維的增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度強(qiáng)度高、集高、集、和容易被樹和容易被樹脂膠液脂膠液。n常用的常用的如如玻璃纖維玻璃纖維、芳香芳香族聚酰胺纖維族聚酰胺纖維、碳纖維碳纖維以及以及金屬纖維金屬纖維等。等。n用作用作以以為主，為主，要求樹脂的要求樹脂的粘度低粘度低和和適用期長適用期長等。等。n大量使用的基體材料有大量使用的基體材料有和和等。等。n另外，以另外，以耐熱性較好耐熱性較好、熔體粘度較低熔體粘度較低的的為基體的為基體的也取也取得了很大進(jìn)展。得了很大進(jìn)展。n其其拉擠成型的關(guān)鍵拉擠成型的關(guān)鍵在于在于。，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化； 制品中增強(qiáng)材料的含量一般為制品中增強(qiáng)材料的含量一般為4040- -80-80，能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，能