《聚合物基復合材料》PPT 課件（完整版）

1、四聚合物基復合材料4.1 概述4.3纖維增強聚合物復合材料4.4 聚合物復合材料的制備和加工4.5 聚合物復合材料的應用4.2聚合物基體聚合物基復合材料：以聚合物為基體的復合材料。復合材料中研究最早、發(fā)展最快的一類復合材料。在現(xiàn)代復合材料領域中占有重要的地位，在國民經濟建設中發(fā)揮了越來越重要的作用。分類復合材料增強纖維種類玻璃纖維增強型碳纖維增強型芳綸纖維增強型基體材料性能通用型耐化學介質腐蝕型耐高溫型復合材料成型固化方式常溫常壓固化成型高溫加壓固化成型阻燃型聚合物基體的結構形式熱固性樹脂基復合材料熱塑性樹脂基復合材料4.2 聚合物基體4.2.1 熱固性樹脂基復合材料1. 不飽和聚酯樹脂2.環(huán)

2、氧樹脂3.酚醛樹脂1. 不飽和聚酯樹脂聚酯包括飽和聚酯和不飽和聚酯。飽和聚酯：沒有非芳族的不飽和鍵不飽和聚酯：含有非芳族的不飽和鍵,由不飽和二元羧酸或酸酐、飽和二元羧酸或酸酐與多元醇縮聚而成的具有酯鍵和不飽和雙鍵的相對分子質量不高的線型高分子化合物。不飽和聚酯樹脂：在聚酯化縮聚反應結束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體，配成粘稠的液體，這樣的聚合物溶液稱之為不飽和聚酯樹脂。2.環(huán)氧樹脂 分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物，除個別外，它們的相對分子質量都不高。 分子結構是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團為其特征，環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結構。由于分子結構中含有活潑的環(huán)氧

3、基團，使它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應而形成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結構的高聚物。3.酚醛樹脂 酚類化合物與醛類化合物縮聚而得的樹脂，一般常指由苯酚和甲醛經縮聚反應而得的合成樹脂。 苯酚 甲醛4.2.2 熱塑性樹脂基復合材料聚乙烯聚苯乙烯聚丙烯聚氯乙烯 具有線型或支鏈型結構的一類有機高分子化合物，受熱軟化(或熔化)，冷卻變硬，這個過程可反復進行。聚碳酸酯聚甲醛聚對苯二甲酸乙二醇酯4.4.1聚合物基復合材料的制備和加工 聚合物基復合材料的制造把復合材料的制造和產品的制造融合為一體。 根據(jù)增強體和基體材料種類的不同，需要應用不同的制造工藝和方法。根據(jù)基體材料不同分類： 熱固性樹脂復合材料的制

4、造方法：手糊成型法、噴射成型法、模壓成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。 熱塑性復合材料的制造方法：模壓成型法、注射成型法、RTM成型法、真空熱壓成型法、纏繞成型法等。1.手糊成型工藝2.噴射成型工藝3.模壓成型工藝4.層壓成型工藝5.纏繞成型工藝6.擠出成型工藝7.注射成型工藝8.樹脂傳遞模塑9.反應注射模塑和增強型反應注射模塑1.手糊成型工藝模具準備樹脂膠液配制增強材料準備涂脫模劑手糊成型固化脫模后處理檢驗制品手糊成型工藝流程纖維增強材料和樹脂膠液在模具上鋪覆成型，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。待浸樹脂的增強材料壓實輥樹脂可選用膠衣手糊成型示

5、意圖 膠衣是賦予復合材料制品表面的一層美觀、耐化學品侵蝕、耐擦傷和耐老化等的對其起到保護作用的表面涂層。優(yōu)點 (1) 不受尺寸、形狀的限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復雜產品的生產； (2) 設備簡單、投資少、設備折舊費低，成本低； (3) 工藝簡單； (4) 可在任意部位增補增強材料，易滿足產品設計要求； (5) 產品樹脂含量高，耐腐蝕性能好。缺點 (1) 生產效率低，勞動強度大，勞動衛(wèi)生條件差； (2) 產品質量不易控制，性能穩(wěn)定性差； (3) 產品力學性能較低。2.噴射成型工藝 為改進手糊成型工藝而開發(fā)的一種半機械化成型工藝，是手糊工藝的變形。工藝流程玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂引發(fā)劑促進劑加

6、熱靜態(tài)混合切割噴槍噴射成型模具輥壓固化脫模將混有引發(fā)劑和促進劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍噴出，同時將玻璃纖維無捻粗紗用切割機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、壓實并除去氣泡，最后固化成制品。優(yōu)點(1)生產效率比手糊法提高24倍；(2)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；(4)減少了飛邊、裁屑和剩余膠液的損耗；(5)可自由調節(jié)產品壁厚、纖維與樹脂的比例及纖維的長度。缺點(1) 產品的均勻程度在很大程度上取決于操作工人的熟練程度；(2) 樹脂含量高，增強纖維短，制品的強度較低，耐溫性能差；(3) 因過量

7、噴涂而造成原材料損耗大；(4) 陰模成型比陽模成型難度大，小型制品比大型制品難度大；(5) 現(xiàn)場粉塵大，工作環(huán)境惡劣；(6) 初期投資比手糊成型大。3.模壓成型工藝定義 將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定溫度、壓力作用下，固化成型制品的方法。 加熱加壓的作用 使模壓料塑化、流動，充滿空腔，并使樹脂發(fā)生固化反應。優(yōu)點缺點 有較高的生產效率，適于大批量生產，制品尺寸精確，表面光潔，可以有兩個精制表面，價格低廉，容易實現(xiàn)機械化和自動化，多數(shù)結構復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性好。 壓模的設計與制造較復雜，初次投資較高，制品尺寸受設備限制，一般只適于制備中

8、、小型玻璃鋼制品。SMC(片狀模塑料，Sheet Molding Compound)的特點 SMC基本組成：不飽和聚酯樹脂、增稠劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、低收縮添加劑、填料、內脫模劑、著色劑等混合物浸漬短切玻纖粗紗或玻纖氈，兩表面加上保護膜(聚乙烯或聚丙烯薄膜)形成的片狀模壓成型材料。 使用時除去薄膜，按尺寸裁剪，然后進行模壓成型。 增稠劑 SMC在壓制成型、貯存、運輸過程中均需要有較高的粘度(制備SMC時要求粘度低，浸漬纖維)，粘度的提高通過增稠劑實現(xiàn)。 通過增稠劑控制SMC從生產到使用全過程的粘度變化。常用的增稠劑： IIA族金屬氧化物或氫氧化物：MgO、 Mg(OH)2、 CaO、 Ca(OH

9、)2 MgO增稠的效果，與MgO活性和加入量有很大的關系。應用較廣的增稠劑特點：增稠速度快，短時間內能達到最高粘度。MgO用量對不飽和聚酯增稠特性的影響時間（min） 60 120 180 粘度（Pa.S） 10310210 1.0 MgO 10份 5份 2份 1份 增稠機理 兩個階段第一階段金屬氧化物或氫氧化物與聚酯端基COOH進行酸堿反應，生成堿式鹽。堿式鹽之間或與聚酯之間進一步脫水使分子量成倍增加MgO和MgOH的堿式鹽不進行此脫水反應，CaO和CaOH堿式鹽可繼續(xù)進行此脫水反應。 堿式鹽與聚酯分子中的酯基(氧原子)以配位鍵形成絡合物第二階段鎂鹽的絡合反應Ca鹽的絡合反應 聚酯的分子量成

10、倍提高，粘度上升而增稠。 SMC生產工藝 SMC生產工藝流程樹脂糊制備樹脂固化劑增稠劑其它低收縮添加劑薄膜粗紗切割沉降浸漬收卷稠化包裝填料SMC成型機模壓工藝模具預熱脫模劑涂刷料的稱量料預熱成預成型裝模壓制脫模后處理打底及輔助加工檢驗成品壓制前準備壓制模壓成型工藝流程 4.層壓成型工藝層壓工藝： 將浸有或涂有樹脂的片材層疊，送入層壓機，在加熱加壓條件下，固化成型玻璃鋼制品的一種成型工藝。 生產的機械化、自動化程度較高；產品質量穩(wěn)定；但一次性投資較大，適合于批量生產。 特點 干法成型，先將紙、布、玻璃布等浸膠，制成浸膠布(紙)半制品，再經加溫加壓成型。膠布制備工藝過程工藝流程 樹脂熱處理或化學處

11、理配膠浸膠烘干膠布中間貯存膠布帶搭接卷盤布帶纏繞卷管疊合層壓玻璃布生產復合板材、管材以及布帶纏繞制品的半成品 玻璃布經化學處理或熱處理后，浸漬樹脂膠液，并控制膠含量。在一定溫度、時間條件下烘干，除去大部分溶劑等揮發(fā)物并使樹脂有一定程度的固化，即得需要的玻璃纖維膠布。層壓成型工藝過程 預浸膠布制備、膠布裁剪、疊合、熱壓、冷卻、脫模、加工、后處理等工序 (1) 下料將膠布剪成一定尺寸，以便送入壓機壓制。確定壓機生產情況選料 為保證制品質量，在浸膠工序質量檢驗的基礎上，再次檢查膠布，將其含膠量嚴重不均、帶有雜質、已經老化的挑出。 根據(jù)生產任務、制品規(guī)格、壓機生產能力，合理預算搭配每一壓機的制品數(shù)量、

12、規(guī)格。1）對多層層壓板的每塊板料，兩表面各放23張面層膠布(面層膠布的含膠量及流動性比里層稍高，能增加制品的防潮性和美觀，并摻有內脫模劑);2）膠布的揮發(fā)分含量不宜過大，控制在16， 否則應干燥處理;(2) 配疊（排版或配布）配疊不當會產生層壓板開裂、表面色澤不均、翹曲、粘鋼板等注意問題 揮發(fā)分含量過高，高溫成型時容易產生氣泡，且揮發(fā)分過多易殘留在制品中，對制品的電性能不利。揮發(fā)分含量太低，增加干燥時間，使浸膠機生產效率降低，同時也易使膠布流動量過小，影響壓制工藝。膠布中可揮發(fā)的物質占膠布總量的百分比3）臨近面層的1020層膠布，應選用平整無破損的膠布，更不能搭接。中間部分使用不合格膠布的量也

13、不得超過10;4）下料量 薄板按張數(shù)下料法實驗法確定; 厚板按重量下料法計算法確定。按張數(shù)下料時，最后產品的厚度隨半成品膠布的變化尺寸穩(wěn)定性較差。(3) 組合 疊合體順序： 鐵板(較厚)襯紙單面鋼板板料雙面鋼板板料雙面鋼板板料單面鋼板襯紙鐵板 厚、薄板一起壓制時，應將薄板排放在兩側，厚板排放在中間，這樣對產品質量有利。對于厚20mm以上的板材應單獨壓制夾放在疊合體兩面，使板材受壓、傳熱均勻；并起到傳熱、冷卻的緩沖作用，防止局部過熱或過冷現(xiàn)象。組合原則 若厚板料放在疊合體兩側，薄板料放在中間。因兩側板材較厚，而玻璃鋼本身的導熱系數(shù)又低，傳熱冷卻的效果不好，內部熱量不易散出，沿板面的垂直方向具有較

14、大的溫差，故最終產品易產生內應力，造成厚板的翅曲。(4) 進模 將搭配好的疊合體逐格(或整體)推入多層壓機的加熱板間，并校對疊合體在熱板間的位置，待升溫加壓。(5) 熱壓兩個階段： 1）預熱、預壓階段 2）熱壓階段從加全壓到熱壓結束 使樹脂熔化，除去揮發(fā)分，使熔融樹脂進一步浸漬玻璃布，并使樹脂進入凝膠狀態(tài)。 為了更好地排除揮發(fā)分，使制品內外受熱均勻，升溫不能過快。 膠布流動性差，揮發(fā)分低，流膠不嚴重，升溫加壓速度可稍快。(6) 冷卻脫模熱壓結束，關閉熱源，通冷卻水，在保壓狀態(tài)下冷卻 冷卻時間根據(jù)板材厚度確定，一般冷卻到50以下，除去壓力、脫模。板材取出溫度過高時，表面易起泡且易翹曲變形。(7)

15、 后處理 在烘房內進行的處理程序，目的是使樹脂進一步固化。對不同的樹脂后固化處理的溫度、時間不同。 特別對后階段固化慢的環(huán)氧酚醛板材，壓制定型后，需要在120130，處理4875h，提高板材的耐熱性、機械強度及電性能。 5.纏繞成型工藝纏繞工藝： 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，然后固化脫模成為復合材料制品的工藝過程。決定產品形狀的模具繞線筒張力控制器預浸槽小車吐絲嘴芯?；纠w維纏繞機纏繞工藝流程圖浸膠膠紗紗錠張力控制固化打模噴漆脫模芯模制造膠液配制紗團集束烘干絡紗加熱粘流縱、環(huán)向纏繞張力控制縱、環(huán)向纏繞成品濕法纏繞成型工藝干法纏繞成型工藝干法纏繞 將預浸紗帶(或預浸

16、布)，在纏繞機上經加熱軟化至粘流狀態(tài)并纏繞到芯模上的成型工藝過程。濕法纏繞 將無捻粗紗(或布帶)經浸膠后直接纏繞到芯模上的成型工藝過程。 半干法纏繞 將無捻粗紗(或布帶)浸膠后，隨即預烘干，然后纏繞到芯模上的成型工藝方法。 6.擠出成型工藝工藝過程： 先將樹脂和增強纖維制成粒料，然后再將粒料加入擠出機內，經塑化、擠出、冷卻定型而成制品。優(yōu)點缺點1、能加工絕大多數(shù)熱塑性復合材料及部分熱固性復合材料；2、生產過程連續(xù)，自動化程度高；3、工藝易掌握及產品質量穩(wěn)定等。只能生產線型制品7.注射成型工藝 注射成型適用于熱塑性和熱固性復合材料，以熱塑性復合材料應用最廣。 注射成型 將粒狀或粉狀的纖維樹脂混合

17、料從注射機的料斗送入機筒內，加熱熔化后由柱塞或螺桿加壓，通過噴嘴注入溫度降低的閉合模內，經過冷卻定型后，脫模得制品。 間歇式操作過程注射成型相對于模壓成型的特點： (1) 成型周期短，物料的塑化在注射機內完成。(3) 閉模成型，能提高產品精度，保證質量，減少后加工工作量。 (4) 可使形狀復雜的產品一次成型，能防止模腔內嵌件變形或位移。(5) 生產效率高，成本低。 注射成型的缺點： (1) 不適用于長纖維增強的產品，一般纖維長度小于7mm (2) 模具質量要求高 注射過程中，物料在模內流動充模，玻璃纖維對模具磨損較大，模具必須采用硬度較高的合金鋼材料或模具表面經過硬化處理，故造價較貴。注射成型

18、工藝原理 (1) FRTP注射成型原理 增強粒料在注射機的料筒內加熱熔化至粘流態(tài)，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內，經冷卻使物料恢復玻璃態(tài)并保持模腔形狀，然后開模取出制品。 FRTP的注射成型過程主要產生物理變化 (2) FRP注射成型原理 FRP的注射成型過程是一個復雜的物理和化學過程 注射料在加熱過程中溫度升高，粘度下降，但隨著時間的延長，分子間的交聯(lián)反應增加，粘度又會上升。實際加熱過程應綜合考慮兩種作用的影響。熱固性樹脂纖維混合料加熱時粘度與時間變化關系加熱時間粘度AOB 預浸漬料加入料筒，適當加溫加壓，當物料運動到噴嘴時，粘度應達到最低值，并被迅速注入模腔。在熱壓作用下固化定型，然后開

19、模取出制品。FRP注射成型過程：FRTP和FRP的注射成型特點對比 (1) FRTP可以反復加熱塑化，物料的熔融和硬化完全是物理變化；FRP加熱固化后不能再塑化，固化過程為不可逆反應。(2) FRTP受熱時，物料由玻璃態(tài)變?yōu)槿廴诘恼沉鲬B(tài)，料筒溫度要分段控制，其塑化溫度應高于粘流溫度，但低于分解溫度；FRP在料筒中加熱時，樹脂分子鏈發(fā)生運動，物料熔融，但接著會發(fā)生化學反應、放熱，加速化學反應過程。因此，F(xiàn)RP注射成型的溫度控制要比FRTP嚴格得多。(3) FRTP注射成型時，料筒溫度必須高于模具溫度，物料在模腔內冷卻時會引起體積收縮，故需要有相應的料墊傳壓補料，F(xiàn)RP注射成型時，料筒溫度低于模具溫度，物料在模腔內發(fā)生固化收縮的同時，也發(fā)生熱膨脹，因此，充模后不需要補料。作業(yè)：比較FRTP和FRP的注射成型各有哪些特點？8.樹脂傳遞模塑樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding, RTM)工藝過程： 將熱固性樹脂及固化劑混合均勻后注入事先鋪有玻璃纖維增強材料的密封模內，經固化、脫模制得制品的過程稱為樹脂傳遞模塑，簡稱(RTM)。