玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料

關(guān)于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料第1頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五一、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國家或地區(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(含臺灣省)、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2003年玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃纖維與樹脂復(fù)合的復(fù)合材料、俗稱“玻璃鋼”)逾90萬噸，已居世界第二位(美國2003年為169萬噸，日本不足70萬噸)。作為復(fù)合材料中的一枝的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（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)任公司)

第2頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五為什么采用環(huán)氧樹脂做基體？環(huán)氧樹脂固化收縮率代低，僅1%-3%，而不飽和聚酯樹脂卻高達(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冷軋鋼相對密度2.087.86拉伸強(qiáng)度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸長率1.6%37.0%彎曲強(qiáng)度689.5MPa彎曲模量34.48GPa壓縮強(qiáng)度310.3MPa331.0MPa第3頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五1、手糊成型——濕法鋪層成型2、夾層結(jié)構(gòu)成型（手糊法、機(jī)械法）3、模壓成型4、層壓成型5、纏繞成型6、拉擠成型7、注射成型8、噴射成型9、真空袋壓力成型纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝簡介10、壓力袋成型11、樹脂注射和樹脂傳遞RTM模塑成型12、卷制成型13、真空輔助注射成型14、離心澆鑄成型15、片狀smc（團(tuán)狀bmc）模塑成型16、連續(xù)板材成型

目前我國還是以手糊成型為主，在樹脂基復(fù)合材料中約占80%。

目前在生產(chǎn)上經(jīng)常采用的成型方法有16種：第4頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五表1

不同成型方法的玻璃鋼(歐洲地區(qū)）產(chǎn)量第5頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五（一）、手糊成型(handlayup)

第6頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五1、概要

依次在模具表面上施加脫模劑、膠衣一層粘度為0.3-0.4PaS的中等活性液體熱固性樹脂(須待膠衣凝結(jié)后)一層纖維增強(qiáng)材料，纖維增強(qiáng)材料有表面氈、無捻粗紗布(方格布)等幾種。以手持輥?zhàn)踊蛩⒆邮箻渲n纖維增強(qiáng)材料，并驅(qū)除氣泡，壓實(shí)基層。鋪層操作反復(fù)多次，直到達(dá)到制品的設(shè)計厚度。樹脂因聚合反應(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)備簡單、投資少；

3)、工藝簡單；

4)、可在任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料，易滿足產(chǎn)品設(shè)計要求；

5)、產(chǎn)品樹脂含量高，耐腐蝕性能好。第7頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五3、手糊成型工藝的缺點(diǎn)

1）、生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，衛(wèi)生條件差；

2）、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差；有些樹脂有害健康

3）、產(chǎn)品力學(xué)性能較低。

自由基與苯乙烯的反應(yīng)速度比自由基與O2的反應(yīng)速度慢104倍，一般聚酯樹脂制品固化時，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氣隔離的物質(zhì)如蠟類，否則自由基與周圍空氣中的O2、H2O反應(yīng)，耗去大部分自由基，造成表面固化不完全而發(fā)粘4、手糊制品為什么要在表面覆蓋聚酯薄膜？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，水對樹脂起阻聚作用解決辦法：（1）在樹脂中加入0.02％左右的液體石蠟；（2）在樹脂中摻加5％的異腈酸酯；（3）制品表面覆蓋薄膜隔絕空氣；

第8頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五原因2：引發(fā)劑、促進(jìn)劑的比例弄錯或失效，更換引發(fā)劑、促進(jìn)劑。2）、制品內(nèi)氣泡太多

原因1：樹脂用量過多解決辦法：

1、控制膠含量

2、注意拌合方式

原因2：樹脂粘度過大解決辦法：

1、適當(dāng)增加稀釋劑2、提高環(huán)境溫度

原因3：增強(qiáng)材料選擇不當(dāng)選用浸透性好的無捻玻璃布

3）、流膠樹脂粘度太小，可加入2～3％的活性氧化硅。

配料不均勻，

充分?jǐn)嚢?。固化劑用量不足?/p>

適當(dāng)調(diào)整固化劑用量。第9頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五6、典型產(chǎn)品艦艇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、游樂設(shè)備、冷卻塔殼體、建筑模型。第10頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五

在樹脂中加入引發(fā)劑、填料、顏料、內(nèi)脫模劑、低收縮添加劑、增稠劑等，經(jīng)攪勻成為樹脂糊。樹脂糊落到SMC機(jī)組的下薄膜上(常用聚乙烯薄膜或尼龍薄膜)，與此同時在下薄膜上沉降短切成25～55mm的玻璃纖維原絲，再往上面覆蓋一層薄膜，成為片狀夾心卷。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、剪裁、稱量，放人加熱的鋼模鉑，加壓使之固化成型、脫模，即為成品（二）、SMC成型

片狀模塑料成型(SheetMoldingCompound)簡稱SMC

第11頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五成型方法SMC噴射成型樹脂注射成型成型

設(shè)備費(fèi)

模具費(fèi)

成型周期/min

成型溫度/℃成型壓力/Mpa成型作業(yè)

高高1~8100~1605~12容易

便宜便宜60min~1日15~40常壓要熟練

中中30~20020~60＜2要熟練成型材料

材料操作

填料

玻璃纖維/%

臭味

SMC

非黏著半固體高填充20~40弱

樹脂、GF過氧化物、其他膠衣液態(tài)樹脂、玻璃纖維無25~35強(qiáng)

樹脂、GF過氧化物、其他膠衣液態(tài)樹脂、玻璃纖維低填充25~30強(qiáng)制品

大小/㎏

壁厚/mm

壁厚控制

尺寸精度

復(fù)雜形狀

加熱尺寸變化

耐候性

＜501.2~20容易高容易無中

不限1.5~1.0困難中困難有高

＜502~12容易中困難有高SMC成型與噴射成型、樹脂注射成型的優(yōu)缺點(diǎn)

第12頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五（三）、樹脂傳遞成型RTM

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；合模并將模具夾緊；在壓力下注射樹脂；樹脂固化后打開模具，取下產(chǎn)品。樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模具內(nèi)，浸漬纖維材料。

第13頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五

RTM是一低壓系統(tǒng)，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5Mpa。當(dāng)制造高纖維含量（體積比超過50％）的制品，如航空航天用零部件時，壓力甚至達(dá)0.7Mpa.纖維增強(qiáng)材料有時可預(yù)先在一個模具內(nèi)預(yù)成型大致形狀（帶粘結(jié)劑），再在第二個模具內(nèi)注射成型。為了提高樹脂浸透纖維的能力，可選擇真空輔助注射。注意樹脂一經(jīng)將纖維材料浸透，樹脂注口要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進(jìn)行。模具可以復(fù)合材料與鋼材制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五

優(yōu)點(diǎn)

1）制品纖維含量可較高，未被樹脂浸的部分非常少；

2）閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；

3）勞動強(qiáng)度較低，對工人技術(shù)熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低；

4）制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高；

5）成型周期較短；

6）產(chǎn)品可大型化；

7）強(qiáng)度可按設(shè)計要求具有方向性；

8）可與芯材、嵌件一體成型

9）相對注射設(shè)備與模具成本較低。

缺點(diǎn)

1）不宜制作較小產(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，價位也高一些第15頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五典型產(chǎn)品小型飛機(jī)和汽車零部件、客車座椅、儀表殼第16頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五（四）、預(yù)浸料(高壓釜)成型

第17頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五1、概要

預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和(或)纖維預(yù)先用預(yù)催化樹脂預(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月，仍能保質(zhì)使用。當(dāng)要延長保持期，材料須在冷凍條件下貯存。樹脂通常在環(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，與樹脂結(jié)合。預(yù)浸漬材料用手或機(jī)械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，并通常加熱到120-180oC。使樹脂重新流動，并最終固化。盛開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，它能對鋪層施加達(dá)5個大氣壓的壓力。

2、優(yōu)點(diǎn)

1)預(yù)浸材料制造人員可精確地調(diào)整樹脂/固化劑水平和樹脂在纖維中的含量；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程；

4)由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學(xué)性能力學(xué)和熱性能可以是最適宜的；

5)材料有效時間長(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)可能實(shí)現(xiàn)自動化和節(jié)省勞動力。第18頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五(4)缺點(diǎn)

1)對于預(yù)浸織物，材料成本高；

2)通常要對高壓釜固化復(fù)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)動器材(如網(wǎng)球拍、滑雪板等)。

第19頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五三、力學(xué)性能分析（一）、復(fù)合材料的彈性模量分析

以環(huán)氧樹脂澆注體為參照,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。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五（二）、復(fù)合材料的強(qiáng)度分析

由于玻璃纖維是單向排列于樹脂基體中,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,由于各向異性的影響,會使力的作用方向發(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)纖維含量過多時,部分纖維難以被樹脂充分浸潤,從而在材料中形成許多結(jié)合較弱的界面,當(dāng)材料受力時,這些界面容易脫附拔出,應(yīng)力傳遞失效,使材料的性能下降第21頁，共24頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)27分，星期五當(dāng)玻璃纖維體積含量為50%時,復(fù)合材料的性能較好四、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用

（一）、在航空、航天工業(yè)中應(yīng)用

（二）、環(huán)氧復(fù)合材料在民用工業(yè)中的應(yīng)用

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