在復(fù)合材料制品的成型中課件

新興的學(xué)科新興的學(xué)科1第三章

產(chǎn)業(yè)用紡織品的加工技術(shù)

第三章產(chǎn)業(yè)用紡織品2紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料3第二節(jié)復(fù)合材料的性能特點

復(fù)合材料的最大特點是其性能具有可設(shè)計性。

第二節(jié)復(fù)合材料的性能特點4影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強材料的性能、含量及分布狀況；基體材料的性能和含量；以及它們之間的界面結(jié)合情況等。因此，不論那一類復(fù)合材料，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個定值。根據(jù)所選擇的工藝和材料設(shè)計，性能往往差異很大。例如手糊聚酯玻璃鋼（玻璃纖維/聚酯樹脂復(fù)合材料）的密度可在1.4~2.2g/cm范圍變化，拉伸強度可以在70~350MPa范圍變動。這就是說復(fù)合材料的性能是根據(jù)使用要求進行設(shè)計的。但在使用溫度和材料硬度方面，三類復(fù)合材料有明顯的區(qū)別。如樹脂基復(fù)合材料的使用溫度一般60~250℃；金屬基復(fù)合材料為400~600℃；陶瓷基復(fù)合材為1000~1500℃。復(fù)合材料的硬度主要取決于基體材料性能，一般硬度為陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。

影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強材料的性能5

復(fù)合材料主要性能種類樹脂基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料

無機非金屬基復(fù)合材料性能

熱塑性

熱固性

輕金屬

復(fù)合材料

陶瓷基

粘膠劑基密度

1.1~1.61.6~2.21.9~4.51.9~4.03.0~5.51.8~2.1使用溫度(℃)80~25080~200200~400400~6001000~1500200~400燃燒性能燃

燃

不燃

不燃

不燃

不燃拉伸強度(MPa)65~300140~130068~1200

530~1400

70~90040~150復(fù)合材料主要性能6具體表現(xiàn)為：1、比強度、比模量大：就力學(xué)性能而言，復(fù)合材料力學(xué)性能取決于增強材料的性能、含量和分布，基體材料的性能和含量。它是可以根據(jù)使用條件進行設(shè)計，從強度方面來講，三類復(fù)合材料都可以獲得較高的強度。2、耐疲勞性能好：纖維增強復(fù)合材料在疲勞過程中，裂紋先在纖維或基體薄弱處出現(xiàn)，擴展到結(jié)合面，損傷逐漸積累，導(dǎo)致破壞。表明纖維增強復(fù)合材料具有較好的損傷容限和疲勞壽命。

3、力學(xué)性能的可設(shè)計性：選擇性能不同的纖維和基體，以及它們的體積百分比，設(shè)計纖維鋪設(shè)方向、疊層，甚至立體結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)的形狀和幾何尺寸，以使結(jié)構(gòu)在性能、重量和成本諸方面的指標(biāo)達到最優(yōu)化。

具體表現(xiàn)為：74、減震性好

：復(fù)合材料的比剛度高，因此它的構(gòu)件具有很高的自振頻率，可防止共振的發(fā)生。纖維增強聚合物復(fù)合材料的界面或?qū)娱g存在內(nèi)摩擦，聚合物基體又具有粘彈性，因此這種復(fù)合材料具有比金屬大得多的內(nèi)阻尼，減振效率高。5、安全性能好：復(fù)合材料中有大量的增強纖維，過載時先是薄弱環(huán)節(jié)部分的纖維發(fā)生斷裂，使得應(yīng)力重新分布，然后通過基體傳給未破斷纖維，因此不影響整體結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載，仍能安全使用。6、高溫或低溫和熱穩(wěn)定性好：碳纖維增強聚酰亞胺等復(fù)合材料，可在250℃~300℃條件下使用，高溫蠕變變形小。碳——碳復(fù)合材料具有良好的耐熱沖擊性能，其短時間使用溫度可達3000℃，且仍保持一定的機械性能。7、成型工藝性能好：復(fù)合材料可采用低壓手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和擠拉成型等各種方法制成各種形狀的產(chǎn)品，加工量小，節(jié)省材料和能源，減少模夾具，加工周期短。

4、減震性好：復(fù)合材料的比剛度高，因此它的構(gòu)件具有很高的自88、生物相容性好：碳纖維復(fù)合材料與人體組織、骨骼和血液的相容性比金屬好，可用以制造人工韌帶、骨骼、假肢、心臟瓣膜和體外循環(huán)的血液過濾器。9、

其它特性——（1）耐燒蝕性好；——（2）良好的摩擦性能；——（3）高度的電絕緣性能；——（4）優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性；——（5）功能復(fù)合材料還有特殊的光、電、磁特性；——（6）復(fù)合材料的耐老化性能，取決于基體材料性能和與增強材料的界面粘接。一般來講，其耐老化的優(yōu)劣次序為：陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料的耐老化性能也可通過改進樹脂配方、增加表面防護層等方法來提高和改善?！?）三類復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和優(yōu)劣比較為：金屬基復(fù)合材料——50~65W/m·K；陶瓷基復(fù)合材料——0.7~3.5W/m·K；樹脂基復(fù)合材料——0.35~0.45W/m·K。

8、生物相容性好：碳纖維復(fù)合材料與人體組織、骨骼和血液的相9

第三節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料范圍廣、產(chǎn)品多，在國防工業(yè)和國民經(jīng)濟各部門中都有廣泛的應(yīng)用。

第三節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用101、石油化工方面應(yīng)用：不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼）具有耐酸、堿、油、有機溶劑等腐蝕性能，耐腐蝕性大大優(yōu)于鋼材、銅、鉛、硬木等，因此用作各種化工管道、閥門、泵、貯槽、塔器及反應(yīng)器內(nèi)襯等，現(xiàn)已成為石油化工設(shè)備防腐蝕重要材料。2、

交通運輸方面應(yīng)用：纖維增強的復(fù)合材料具有重量輕、比強度高，抗微生物作用以及制造工藝簡單等優(yōu)點，已在輪船、汽車、鐵路車輛、飛機、宇航設(shè)備等制造工業(yè)有了日益廣泛應(yīng)用。例如，制造小型船艇的船體，巡邏艇、掃雷艇、賽艇、魚船，還有深水探測器等。在汽車工業(yè)上已用SMC復(fù)合材料制成轎車外殼及配件。鐵路車輛上已制成車身、窗門、窗框、水箱等。在飛機上的應(yīng)用如機翼、尾翼、操縱面的蒙皮、噴嘴、油箱、螺旋槳等。3、電氣工業(yè)方面應(yīng)用：玻璃纖維增強的復(fù)合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，可以制成各種開關(guān)裝置，電纜輸送管道、高頻絕緣子、印刷電路版、電機防腐絕緣材料，以及電訊工程上制造各種類型雷達罩。

1、石油化工方面應(yīng)用：不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼）具有114、建筑材料方面應(yīng)用：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強度的結(jié)構(gòu)材料，具有隔熱、透光、防水等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代新型建筑結(jié)構(gòu)材料。如用作農(nóng)業(yè)透光暖房的玻璃鋼瓦楞板（波形板），蜂窩材料增強的透明玻璃鋼隔墻板，一般門窗框架，落水斗管，以及人造大理石、人造瑪瑙全套衛(wèi)生間浴缸和各種器具等。5、軍工方面應(yīng)用：主要用于生產(chǎn)引信體、子彈、彈殼（教練彈）、炮彈護環(huán)、槍托、火箭外殼、導(dǎo)彈殼體、火箭筒、雷達罩等。6、體育用品方面應(yīng)用：如撐竿、弓箭、球拍、雪橇、賽車、滑板、賽艇、皮艇、劃槳等。7、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)方面應(yīng)用：各種復(fù)合材料溫室（用于蔬菜、花卉生產(chǎn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖，糧食干燥，養(yǎng)雞，養(yǎng)豬等）、糧倉、飼料倉、化糞槽、水渠、噴霧器、花盆、牛奶運送車、糞便運輸車等。6、機械制造方面應(yīng)用

：有玻璃鋼葉片、風(fēng)機、造紙機械配件（打漿機部件、導(dǎo)輥和案輥）、柴油機部件、紡織機械部件、化纖機械部件（過濾器、離心罐、套片等）、貯能飛輪、消聲設(shè)備、磁選機筒身、軸套、煤礦機械部件、齒輪、法蘭圈、皮帶輪和防護罩等。

4、建筑材料方面應(yīng)用：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強度的12西方主要國家在汽車、建筑和造船等工業(yè)中玻璃鋼用量比較美國

汽車工業(yè)（26%）

建筑工業(yè)（18.6%）造船業(yè)（17%）西歐

電子工業(yè)（21.3%）

汽車工業(yè)（21.1%）建筑業(yè)（13.8）日本

建筑工業(yè)（40.1）工業(yè)材料（15%）

防腐工程（12%）加拿大

汽車工業(yè)（29.3%）

造船業(yè)（26.3%）

建筑業(yè)（16%）

注：括號內(nèi)為占總量的百分比

西方主要國家在汽車、建筑和造船等工業(yè)中玻璃鋼用量比較13第四節(jié)

基體材料——樹脂體系

第四節(jié)

基體材料——樹脂體系14一、概述

樹脂指的是一種無定行的半固態(tài)、固態(tài)或假固態(tài)的高分子化合物。按其來源分為天然樹脂及合成樹脂。一般不溶于水，可溶于乙醇、乙醚等有機溶劑中。透明或半透明，不導(dǎo)電，無固定熔點，但有軟化點或熔融范圍。受熱變軟，并逐漸熔化。熔化時發(fā)粘。能反復(fù)受熱軟化（或熔化）的樹脂稱為熱塑性樹脂；經(jīng)過一次受熱軟化（或熔化）冷卻凝固后變成不熔狀態(tài)的樹脂稱為熱固性樹脂。復(fù)合材料中的基體有三種主要作用：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。一、概述15樹脂基體性能比較性能環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂先進的聚酯酚醛溫室固化熱固化密度

1.1~1.3

1.2~1.4

1.3

1.21.2~1.3拉伸強度Mpa

50~7070~906050~6050~60拉伸模量Gpa

2~32.5~33.52~35~11破壞延伸率%

2~62~522~31.2壓縮強度Mpa

80~100120~130300120~14070~200最高使用溫度℃70~100100~18018060~80100~125

注：(1）所列的數(shù)據(jù)是按有關(guān)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法得到的。（2）推薦與先進纖維一起使用的一種典型樹脂。（3）所列為熱變溫度，是近似地測定玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的開始溫度。樹脂基體性能比較16二、環(huán)氧樹脂1、概述

環(huán)氧樹脂是一類含有兩個或兩個以上環(huán)氧基的混合物。其主要類型是由多元酚與環(huán)氧氯丙烷在堿性條件下起反應(yīng)形成的。若多元酚為二酚丙基烷，就得到最常見的環(huán)氧樹脂。這些材料的商品名稱如Epikote或Epon828DOW331，AralditeF，6010等等。這些樹脂是以透明的淡黃色粘稠液體形成供應(yīng)的。二、環(huán)氧樹脂17DPP基環(huán)氧樹脂（標(biāo)準(zhǔn)型）

DDM的三縮水甘油醚（先進樹脂）

DPP基環(huán)氧樹脂（標(biāo)準(zhǔn)型）18H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2(c)DET，室溫固化劑

（d）DDM，熱固化劑H2NCH2CH2NHCH2CH2N1912、

環(huán)氧樹脂的優(yōu)缺點環(huán)氧樹脂的主要優(yōu)點是：（1）、粘接力強，固化機械強度高；（2）、能為特殊用途提供最佳性能，能控制斷裂韌性；（3）、使用方便，無揮發(fā)物；（4）、固化收縮率低，固化體積收縮率為1~4%，，制品的尺寸穩(wěn)定性好；（5）、良好的熱穩(wěn)定性；（6）、電絕緣性好，耐化學(xué)腐蝕性能（特別是耐堿性）好；（7）、樹脂保存期長，可制成B階樹脂，有良好制造預(yù)浸漬制品的特性。12、

環(huán)氧樹脂的優(yōu)缺點20環(huán)氧樹脂的主要缺點是：（1）、成本比聚酯樹脂高（特殊樹脂的成本可能更高）；（2）、粘度大（指雙酚A型），一般不適合噴射成型；（3）、固化速度比較慢，達到完全固化必須熱處理，使得不如聚酯樹脂使用方便；（4）、對某些有機材料（特別是有機酸和酚）的抗腐蝕性能和高溫性能差；（5）、固化劑毒性大。

環(huán)氧樹脂的主要缺點是：21三、聚酯樹脂1、概述聚酯樹脂由二元酸與二元醇（乙二醇）或二元酚的混合物縮合而成。這種二元酸混合物含有不飽和酸。

三、聚酯樹脂22Propylenceglycol

丙二醇

：

Phthalicanhydride鄰苯二甲酸酐：

Maleicanhydride

馬萊酸酐：

Hydroquinone

對苯二酚：

Monomericstyrence

單體苯乙烯：

聚酯樹脂的成分Propylenceglycol丙二醇：232、聚酯種類聚酯的主要商業(yè)改型是通過用代用材料部分更換飽和酸或乙二醇來改變聚酯的組分為基礎(chǔ)的。例如，用間苯二酸代替標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二酸（間苯二甲酸聚酯）或用二酚基甲烷代替一些乙二醇(“DDP樹脂”)而得到強度和耐久性好的樹脂。另一種通用的改型是用已二酸，這種酸改善了固化后基體的柔軟性和增加了斷裂伸長率。3、聚酯固化固化聚酯最常用的引發(fā)劑是過氧化甲乙酮（MEKP），它通常是以鄰苯二甲酸二甲酯溶液形式提供的。以石蠟油的溶液提供的環(huán)烷酸鈷作為MEKP的催化劑。

2、聚酯種類244、小結(jié)優(yōu)點：（1）、固化迅速，且能在常溫下固化，無揮發(fā)性產(chǎn)物；（2）、初始粘度低，易浸潤增強體；（3）、可用多種手段實現(xiàn)固化，如引發(fā)劑、紫外線射線等；（4）、可低壓成型，接觸壓也可成型；（5）、機械性能與電性能優(yōu)良；（6）、化學(xué)性能穩(wěn)定；（7）、具有良好的環(huán)境耐久性、耐熱性、耐藥品性、阻燃、觸變性等；（8）、可著色，可獲得透明美觀的涂膜；（9）、成本低，對特殊用途容易通過多種工藝措施來進行制造。

4、小結(jié)25缺點：（1）、空氣中氧的存在會阻礙固化；（2）、固化過程中的溫度升高和收縮率大（這兩個因素導(dǎo)致產(chǎn)生加工應(yīng)力），從而使纖維/基體間的膠接強度比較差；（3）、固化不當(dāng)時，由于固化放熱收縮就會產(chǎn)生裂紋；（4）、固化易受溫度、濕度的影響；（5）、若體系具有足夠的剪切強度則變得比較脆，在體系中韌性添加劑看來是無效的；（6）、通用聚酯有可燃性；（7）、硫磺、酚類化合物、碳等混入時，固化困難；（8）、特殊金屬或化合物對固化影響較大；（9）、對非常稀的堿的耐腐蝕性也差。

缺點：26四、乙烯基酯樹脂用不飽和羥基化合物（例如乙烯醇）代替聚酯中的某些乙二醇，并去掉不飽和酸可得到與聚酯非常相似的樹脂體系。這些材料稱為乙烯基酯樹脂，并以苯乙烯單體溶液的形式在市場上出售。其使用方法與聚酯相同。這些材料的主要優(yōu)點是提高了纖維和基體之間的膠接強度?？傊@些材料類似于聚酯。四、乙烯基酯樹脂27五、酚醛樹脂1、概述

當(dāng)酚醛樹脂在堿性條件下與甲醛縮合時，發(fā)生聚合反應(yīng)。若仔細(xì)控制這個體系，聚合反應(yīng)就能停止，此時聚合物仍然是可熔的或可溶的。這種預(yù)聚物稱為可溶性酚醛樹脂。它將在熱的作用下或者酸性或堿性催化劑作用下聚合，得到一種具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的致密交聯(lián)材料。五、酚醛樹脂28交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（可溶性酚醛樹脂）

交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（可溶性酚醛樹脂）29若在酸條件下完成預(yù)聚反應(yīng)，則按不同的聚合反應(yīng)流程可得到一種熱塑性酚醛樹脂。這種酚醛樹脂自身不會聚合，但是在胺的絡(luò)合物，通常為六次甲基四胺作用下能交聯(lián)。

若在酸條件下完成預(yù)聚反應(yīng)，則按不同的聚合反應(yīng)流程可得到一種熱30交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（熱塑性酚醛樹脂）

交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（熱塑性酚醛樹脂）31

2、酚醛樹脂的性能用于復(fù)合材料的酚醛樹脂預(yù)聚物是固態(tài)的，然而通常提供的是溶液。由于稀釋作用，溶液在室溫下是穩(wěn)定的。通常用布料或氈片作為纖維用這種溶液來浸漬，再把溶劑揮發(fā)掉。再對所得到的產(chǎn)物進行熱處理，使樹脂體系部分聚合。這種材料稱為預(yù)浸料，若這種樹脂進行了熱處理，則稱為B階預(yù)浸料（A階為液態(tài)或粘性固態(tài)預(yù)聚物，B階是一種低粘性的可熔固體，C階是完全固化狀態(tài)）。然后把預(yù)聚料按要求的方向鋪疊，并加熱加壓使之固化。所有熱固化樹脂（包括環(huán)氧樹脂和聚酯樹脂）一般都以這種方式使用，而酚醛樹脂只能用作預(yù)浸料。

2、酚醛樹脂的性能323、酚醛樹脂的特點酚醛樹脂的主要優(yōu)點是：具有優(yōu)良的耐高溫性，特別是在氧化條件下。這特別對它們的燒蝕性，即直接在火焰中的燒穿速度有影響。在這些條件下，酚醛樹脂會很快碳化，并在外表產(chǎn)生一層優(yōu)質(zhì)的多孔碳。在表面多孔碳層慢慢燒盡的同時，保護了內(nèi)部的復(fù)合材料。而其它樹脂所形成的多孔碳層往往質(zhì)量差，會較快燒盡，生成氣態(tài)物質(zhì)。酚醛樹脂的缺點是：在聚合反應(yīng)期間需要施加高壓從而很難使用它們，顏色差（由棕褐色變到黑色），由于空隙含量高，用它制成的復(fù)合材料的力學(xué)性能比由其它樹脂制成的復(fù)合材料的力學(xué)性能差。3、酚醛樹脂的特點33六、其它樹脂

已經(jīng)研制了多種樹脂準(zhǔn)備用于耐高溫（例如：250℃~350℃）復(fù)合材料。例如，市場上少量可以買到的樹脂有：聚酰亞胺（PI）雙馬來酰亞胺（BMI）和聚苯并咪唑(FBI)。這些樹脂都是常常含有稠雜環(huán)的復(fù)雜的芳香材料。它們是由四官能芳香酸和芳香二胺(PI)或四胺(PBI)制成的。經(jīng)常在酸酐和堿性催化劑下對這種預(yù)聚物進行熱處理以得到交聯(lián)網(wǎng)狀物。到目前為止，這類樹脂能持久地經(jīng)受300℃左右的溫度（短時間能經(jīng)受高達420℃的溫度）。大部分耐高溫樹脂，固化反應(yīng)的目的是在高溫下通過鏈間的分子重新排列，使網(wǎng)狀物具有更大的剛度。由于這些復(fù)雜的反應(yīng)所要求的溫度非常高，所以必須保證部分形成的預(yù)制網(wǎng)具有高溫穩(wěn)定性。當(dāng)交聯(lián)和分子重新排列反應(yīng)交替發(fā)生時，為了在處于最高固化溫度之前先讓聚合反應(yīng)和交聯(lián)進行到底，固化循環(huán)往往是復(fù)雜的。BMI樹脂可采用與普通的環(huán)氧樹脂所用的類似方法操作。這類樹脂的熱性能提高了。PI和PBI樹脂的使用比較困難，并且要求預(yù)浸工藝和高溫高壓的固化條件。PI比PBI的耐熱性能好，但是使用比較困難。六、其它樹脂34第五節(jié)

復(fù)合材料的成型工藝第五節(jié)

復(fù)合材料的成型工藝35一、復(fù)合材料成型工藝的范圍

復(fù)合材料的設(shè)計包括性能（功能）設(shè)計、結(jié)構(gòu)（強度、剛度）設(shè)計和工藝設(shè)計三個相互關(guān)聯(lián)的組成部分。性能設(shè)計要求充分考慮最終產(chǎn)品的使用條件，設(shè)計出具有與要求性能相符合的復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)所承受的載荷和使用環(huán)境，確定結(jié)構(gòu)形狀尺寸，以確保產(chǎn)品安全、可靠；工藝設(shè)計則是選擇與產(chǎn)品性能要求及批量相適應(yīng)的成型方法，使性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求能夠充分滿足，并且成型方便，成本低廉。

一、復(fù)合材料成型工藝的范圍36二、復(fù)合材料成型工藝的特點

首先，材料的形成與制品的成型是同時完成的。復(fù)合材料的生產(chǎn)過程，也就是復(fù)合材料制品的生產(chǎn)過程。在復(fù)合材料制品的成型中，增強材料的性狀雖然變化不大，但基體的形狀有較大改變。復(fù)合材料的工藝水平直接影響材料或制品的性能。如成型過程中纖維的預(yù)處理（物理或化學(xué)方法的處理）、纖維的排列、驅(qū)除氣泡的程度、是否擠膠、溫度、壓力、時間控制精確度等等都直接影響制品性能。

其次，復(fù)合材料的成型比較方便。因為樹脂在固化前具有一定的流動性，纖維很柔軟，依靠模具容易形成要求的形狀和尺寸。一種復(fù)合材料制可以用多種方法成型，選擇余地大。在選擇成型方法時應(yīng)該根據(jù)制品的結(jié)構(gòu)、用途、生產(chǎn)量、成本以及生產(chǎn)條件綜合考慮，選擇經(jīng)濟和最方便簡便的成型工藝。（教材130:圖3-3-25復(fù)合材料的一般生產(chǎn)流程)二、復(fù)合材料成型工藝的特點37

四、選擇成型工藝方法的原則在選擇成型方法時，必須同時滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益等多種因素的基本要求，具體應(yīng)考慮：（1）產(chǎn)品的外形構(gòu)造和尺寸大小；（2）材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求，如材料的物理性能，產(chǎn)品的強度及表面粗糙度（光潔度）要求等；（3）生產(chǎn)批量大小及供應(yīng)時間（允許的生產(chǎn)周期）要求；（4）企業(yè)可能提供的設(shè)備條件及資金；（5）綜合經(jīng)濟效益，保證企業(yè)贏利。一般來講，生產(chǎn)批量大，數(shù)量多及外形復(fù)雜的小產(chǎn)品，多采用模壓成型，如機械零件，電工器材等；對造形簡單的大尺寸產(chǎn)品，如浴缸、汽車部件等，適宜采用SMC大臺面成型，亦可用手糊工藝生產(chǎn)小批量產(chǎn)品；對于壓力管道及容器，則宜用纏繞工藝；對于批量小的大尺寸制品，如船體外殼、大型儲槽等，常采用手糊、噴射工藝；對于板材和線型制品，可采用連續(xù)成型工藝。四、選擇成型工藝方法的原則38

五、低壓成型工藝低壓成型是物料在常壓或低壓下固化成型為制品的工藝方法。成型壓力范圍為0.1Pa~0.7Pa，最高不超過2MPa。低壓成型過程一般為：先使材料在敞開的模具（也可使用對模）上具備一定形狀，然后施加壓力或不加壓，使樹脂滲透流動，通過加溫或常溫固化定型，脫模后再經(jīng)過不要的輔助加工得到制品。低壓成型設(shè)備簡單，投資少、見效快。一般輕質(zhì)材料（如木材、石膏、玻璃鋼、鑄鋁、水泥等）均可作為模具材料，同時模具制造周期短。低壓成型法特別適于大型薄壁制品整體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，也適宜生產(chǎn)量小和需頻繁改變尺寸的制品。因為該方法只需簡單的工具和模具以及簡易的場地便能生產(chǎn)，有時還可以進行制品的現(xiàn)場加工，方便靈活，很適合中小企業(yè)。所以，低壓成型在復(fù)合材料工業(yè)是一種“經(jīng)久不衰”的工藝方法。但低壓成型工藝也存在著生產(chǎn)效率低，勞動強度大，生產(chǎn)周期長等缺點。制品質(zhì)量在很大程度上依賴于操作人員的技術(shù)水平，而且重復(fù)性差。低壓成型工藝包括手糊工藝、噴射工藝和鋪層工藝。五、低壓成型工藝39

(一)、手糊成型工藝手糊成型是聚合物基復(fù)合材料生產(chǎn)中最早使用和最簡單的一種工藝方法。手糊成型又稱接觸成型，這種方法用手工工具將布或纖維氈浸上樹脂膠液，鋪糊在敞開的模具上，經(jīng)室溫固化和脫模即可獲得制品。所用工具和工藝設(shè)備簡單，不受制品尺寸限制，但工藝質(zhì)量不穩(wěn)定，易受操作人員水平、經(jīng)驗和勞動態(tài)度的影響，且勞動條件差。適宜于小批量、大尺寸、品種變化多的制品生產(chǎn)。用手糊成型可生產(chǎn)波形瓦、浴盆、冷卻塔、活動房、衛(wèi)生間、貯槽、貯罐、風(fēng)機葉片、各類漁船和游艇、微型汽車和客車殼體、大型雷達天線罩及天文臺屋頂罩、設(shè)備防護罩、雕像、舞臺道具和飛機蒙皮、機翼、火箭外殼防熱底板等大中型零件?，F(xiàn)在世界各國的聚合物基復(fù)合材料成型工藝中手糊工藝仍將占相當(dāng)重要的比例。

(一)、手糊成型工藝40（二）、噴射成型工藝國外在60年代發(fā)展了噴射法并有成套噴射設(shè)備出售。例如美國維納斯(VENUS)公司生產(chǎn)的H.I.S噴射成型機；英國的“Dowuland”纖維樹脂噴射機；奧地利“Polgspary”玻璃纖維/聚酯噴射機等。噴射成型一般是將混有促進劑的樹脂和有引發(fā)劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè)噴出，同時將玻璃纖維粗紗用切割器切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上，待模具上的材料沉積到一定的厚度，用手輥使纖維浸透樹脂和壓實并去除氣泡，最后固化成制品。噴射成型在各種成型方法中所占的比重很大，美國占27%，日本占16%。噴射成型法屬于半機械化手糊，生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍，生產(chǎn)率可達15kg/min，勞動強度降低，適于生產(chǎn)大尺寸和批量生產(chǎn)，制品無搭接縫，整體性好。缺點是樹脂含量高，制品強度較低；現(xiàn)場污染大，要求工作間局部封閉，操作者應(yīng)熟練掌握操作技術(shù)。噴射法可用來成型船體、浴盆、淋浴間、汽車與貨車車身、容器、大型板、機器外罩、電影設(shè)備和仿磚石外型建筑物、舞臺道具等制品。成型用模具可以用木材、石膏、水泥、塑料、玻璃鋼和金屬材料制成。（二）、噴射成型工藝41

（三）、鋪層工藝鋪層工藝指用手工鋪疊方式，將預(yù)浸材料（無緯布、無緯帶、編織物等）按預(yù)定方向和順序在模具內(nèi)逐層鋪貼直至所需的厚度（或?qū)訑?shù)），經(jīng)加溫加壓固化、脫模、修整而獲得制品的過程。以高強度、高模量的碳纖維、硼纖維、開夫拉等纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，用鋪層工藝制成的高級復(fù)合材料已廣泛用在飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天飛機上，如飛機艙門、壁板、隔板、整流罩等。這些制品多為薄壁件，也可以制成工字梁、Π型件等型材。鋪層成型的制品強度較高，而且可以根據(jù)不同方向的受力情況制成強度各向異性的成品。美國波音公司從1981年起就采用自動鋪層機鋪放無緯帶（或織物）生產(chǎn)機翼、壁板和尾翼壁板等構(gòu)件。（三）、鋪層工藝42

六、模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定量的模塑料放入金屬對模中，在一定的溫度和壓力作用下，使模塑料在模腔內(nèi)受熱塑化，受壓流動并充滿模腔成型固化而獲得制品的一種方法。模壓成型工藝在成型過程中需要加熱和加壓，使得模塑料塑化產(chǎn)生流動充滿模腔，并使樹脂發(fā)生固化。在復(fù)合材料模塑料流動充滿模腔的過程中，不僅樹脂流動，增強材料也隨之流動，使樹脂和纖維同時填滿模腔的各個部位。所以，模壓成型工藝所需要的成型壓力較其它工藝方法高，它屬于高壓成型。

六、模壓成型工藝43工藝分類：11、

短纖維料模壓法22、

氈料模壓法33、

碎布料模壓法44、

層壓模壓法（教材P124層壓技術(shù)）5、

纏繞模壓法66、

織物模壓法77、

定向鋪設(shè)模壓法88、

吸附預(yù)成型坯模壓法99、

散狀模塑料模壓法：散狀模塑料（BulkMoldingCompound,簡稱BMC）

10、片狀模塑料模壓法：片狀模塑料（SheetMoldingCompound,簡稱SMC）工藝分類：44

層壓工藝層壓工藝是指將浸有樹脂的片材（膠布）層疊，組成疊合體，送入層壓機，在加熱和加壓下，固化成型玻璃鋼板材或其它形狀簡單的復(fù)合材料制品的一種方法。在國外，早在20世紀(jì)30年代就開始用氨基樹脂和植物纖維及礦物纖維復(fù)合，生產(chǎn)紙層壓板、木質(zhì)層壓板、棉布層壓板、石棉層壓板和玻璃纖維層壓板等，廣泛用于各個工業(yè)技術(shù)部門。特別是電氣工業(yè)，電訊器材制造業(yè)，船舶與汽車工業(yè)等部門。到60~70年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高性能的增強材料與耐高溫、耐腐蝕的合成樹脂相繼產(chǎn)生。如高強度、高模量的碳纖維、硼纖維、Kevlar纖維和耐熱性能好的聚酰亞胺和聚砜等樹脂相繼在層壓制品中獲得應(yīng)用，使得纖維增強復(fù)合材料層壓制品的性能得到很大的提高。目前，其制品在汽車工業(yè)、電訊器材、船舶建筑、飛機制造和宇航等高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)都獲得了引人注目的應(yīng)用效果。層壓工藝45

SMC成型工藝SMC即片狀模塑料（SheetMoldingCompound）。1953年美國（Rubber）首先發(fā)明不飽和聚酯樹脂的化學(xué)增稠，1960年前西德（Bayer）實現(xiàn)SMC工業(yè)化生產(chǎn)，1970年開始在全世界迅速發(fā)展。SMC的發(fā)展已成為30多年來FRP工業(yè)最顯著的成就之一。SMC是用不飽和聚酯樹脂、增稠劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、低收縮添加劑、填料、內(nèi)脫模劑和著色劑等混合樹脂糊浸漬短切玻璃纖維粗紗或玻璃纖維氈，并在兩面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起來形成的片狀模壓成型材料。使用時，只需將兩面的薄膜撕去，按制品的尺寸裁切、疊層、放入模具中加溫加壓，即得所需制品。SMC成型工藝46七、RTM樹脂傳遞模壓法樹脂傳遞模塑法為ResinTransferMolding，簡稱RTM。RTM樹脂傳遞模壓法是為了適應(yīng)飛機雷達罩成型而發(fā)展的?，F(xiàn)代高速飛機的雷達罩外型是高細(xì)比大的流線型。從20世紀(jì)50年代起，英美等國家開始研究用機械化方法制造雷達罩，現(xiàn)已成功運用于制造其他FRP制品。美國已有50余家公司采用樹脂傳遞模壓法，80年代初就達到了1.2萬噸。西歐用樹脂傳遞模壓法生產(chǎn)的制品80年代中期達到了3.5萬噸，日本從1977年開始用這種方法生產(chǎn)飲水罐、游艇及衛(wèi)生間等。在我國也有一些廠家采用此種工藝方法，試制的制品有微波天線罩、玻璃鋼水槽等。RTM工藝不僅適用于制造尺寸要求精確，兩面光滑的各種中小型容器以及各種儀器、儀表的表盤、外殼等，還可以制作小型車船外殼及零部件。RTM是一種閉模成型工藝方法，樹脂傳遞模壓法的原理是：一個耐壓的密閉模腔內(nèi)先填滿玻璃纖維增強材料，將液態(tài)熱固性樹脂（通常為不飽和樹脂）及固化劑又計量設(shè)備分別從儲桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻，再用壓力注入模腔使其浸透玻璃纖維，然后固化成型，經(jīng)脫模、后加工而制成制品。

七、RTM樹脂傳遞模壓法47八、纏繞成型法纏繞成型法是將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂后，再纏繞到一定形狀的芯模上，達到一定的厚度后，通過固化脫模得到制品。它適應(yīng)要承受一定內(nèi)壓的中空型容器，如固體火箭發(fā)射機客體，壓力容器和管子，藥品貯罐等制品。近年來發(fā)展了異形纏繞技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)雜斷面形狀的回轉(zhuǎn)體成型或是斷面為矩形、方形或不規(guī)則形狀容器的成型。纏繞制品比強度高、制品質(zhì)量好。八、纏繞成型法48纏繞制品的應(yīng)用：纖維纏繞工藝最早是在1947年美國開始研究的。當(dāng)時用于生產(chǎn)F-84飛機的壓縮空氣瓶。美國宇航局和空軍材料實驗室首次成功制造纏繞法復(fù)合材料固體火箭發(fā)動機殼，比普通金屬殼體輕20~50%。北極星A3導(dǎo)彈一、二級發(fā)動機殼體用纖維纏繞玻璃鋼取代合金鋼，質(zhì)量減輕45%，射程由1600km增至4000km。由于制造工藝簡單化了，使其生產(chǎn)周期縮短了1/3，成本僅是鈦合金的1/10。此范例穩(wěn)固地確立了纖維纏繞復(fù)合材料在現(xiàn)代武器和國防技術(shù)中的地位。民用方面，主要產(chǎn)品是各種規(guī)格的GFWP管道和貯罐。GFWP管道同鋼管道相比，具有一系列的優(yōu)點：耐化學(xué)腐蝕性能遠(yuǎn)勝過碳鋼管；摩擦阻力小，泵能耗可降低30%左右；可直埋地下，安裝費可降低15~50%；質(zhì)量僅為金屬管的1/5左右；施工周期縮短；保溫費節(jié)省。因此，在化工、石油、環(huán)保、供熱等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。纏繞制品的應(yīng)用：49九、連續(xù)成型法連續(xù)成型法包括波紋板、平板連續(xù)成型和連續(xù)拉擠型材等方法。連續(xù)板生產(chǎn)是用樹脂浸漬連續(xù)織物或氈片，上下兩面用玻璃紙或薄膜蓋上，復(fù)合物經(jīng)模板或壓輥達到一定厚度，并被牽引至加熱爐中加熱固化，然后切割成定尺寸的板材。連續(xù)型材生產(chǎn)是將連續(xù)粗紗浸膠后，牽引到模內(nèi)預(yù)成型，經(jīng)過加熱固化，連續(xù)拉擠成具有各種斷面形狀的材料，再根據(jù)長度切割。生產(chǎn)的型材可以加工成釣魚桿、絕緣棒、高爾夫球桿、管子等制品。連續(xù)成型生產(chǎn)效率高，可以大批量生產(chǎn)復(fù)合材料制品。包括連續(xù)制管、連續(xù)制板和拉擠成型工藝和復(fù)合管生產(chǎn)工藝。

九、連續(xù)成型法50十、離心成型法

離心成型法先將短切纖維氈鋪在中空芯模上，使芯?？焖傩D(zhuǎn)，同時向纖維層均勻噴灑樹脂液，由于離心力迫使纖維緊貼在芯模內(nèi)壁，同時迫使樹脂浸潤纖維，向芯模內(nèi)送入熱風(fēng)加速制品固化。離心成型法適于成型強度要求不高的大型中空容器和大直徑管。離心法制管是生產(chǎn)低成本玻璃鋼管的一種方法，它除了用玻璃纖維外，還可以添加大量低價格填料。這種管的成本低，剛度大，適用于大口徑引水工程。十、離心成型法51十一、其它成型工藝——袋壓法——冷模壓成型法——成型方法上出現(xiàn)了“復(fù)合”，即是用幾種成型方法同時完成一件制品。十一、其它成型工藝52新興的學(xué)科新興的學(xué)科53第三章

產(chǎn)業(yè)用紡織品的加工技術(shù)

第三章產(chǎn)業(yè)用紡織品54紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料55第二節(jié)復(fù)合材料的性能特點

復(fù)合材料的最大特點是其性能具有可設(shè)計性。

第二節(jié)復(fù)合材料的性能特點56影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強材料的性能、含量及分布狀況；基體材料的性能和含量；以及它們之間的界面結(jié)合情況等。因此，不論那一類復(fù)合材料，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個定值。根據(jù)所選擇的工藝和材料設(shè)計，性能往往差異很大。例如手糊聚酯玻璃鋼（玻璃纖維/聚酯樹脂復(fù)合材料）的密度可在1.4~2.2g/cm范圍變化，拉伸強度可以在70~350MPa范圍變動。這就是說復(fù)合材料的性能是根據(jù)使用要求進行設(shè)計的。但在使用溫度和材料硬度方面，三類復(fù)合材料有明顯的區(qū)別。如樹脂基復(fù)合材料的使用溫度一般60~250℃；金屬基復(fù)合材料為400~600℃；陶瓷基復(fù)合材為1000~1500℃。復(fù)合材料的硬度主要取決于基體材料性能，一般硬度為陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。

影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強材料的性能57

復(fù)合材料主要性能種類樹脂基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料

無機非金屬基復(fù)合材料性能

熱塑性

熱固性

輕金屬

復(fù)合材料

陶瓷基

粘膠劑基密度

1.1~1.61.6~2.21.9~4.51.9~4.03.0~5.51.8~2.1使用溫度(℃)80~25080~200200~400400~6001000~1500200~400燃燒性能燃

燃

不燃

不燃

不燃

不燃拉伸強度(MPa)65~300140~130068~1200

530~1400

70~90040~150復(fù)合材料主要性能58具體表現(xiàn)為：1、比強度、比模量大：就力學(xué)性能而言，復(fù)合材料力學(xué)性能取決于增強材料的性能、含量和分布，基體材料的性能和含量。它是可以根據(jù)使用條件進行設(shè)計，從強度方面來講，三類復(fù)合材料都可以獲得較高的強度。2、耐疲勞性能好：纖維增強復(fù)合材料在疲勞過程中，裂紋先在纖維或基體薄弱處出現(xiàn)，擴展到結(jié)合面，損傷逐漸積累，導(dǎo)致破壞。表明纖維增強復(fù)合材料具有較好的損傷容限和疲勞壽命。

3、力學(xué)性能的可設(shè)計性：選擇性能不同的纖維和基體，以及它們的體積百分比，設(shè)計纖維鋪設(shè)方向、疊層，甚至立體結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)的形狀和幾何尺寸，以使結(jié)構(gòu)在性能、重量和成本諸方面的指標(biāo)達到最優(yōu)化。

具體表現(xiàn)為：594、減震性好

：復(fù)合材料的比剛度高，因此它的構(gòu)件具有很高的自振頻率，可防止共振的發(fā)生。纖維增強聚合物復(fù)合材料的界面或?qū)娱g存在內(nèi)摩擦，聚合物基體又具有粘彈性，因此這種復(fù)合材料具有比金屬大得多的內(nèi)阻尼，減振效率高。5、安全性能好：復(fù)合材料中有大量的增強纖維，過載時先是薄弱環(huán)節(jié)部分的纖維發(fā)生斷裂，使得應(yīng)力重新分布，然后通過基體傳給未破斷纖維，因此不影響整體結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載，仍能安全使用。6、高溫或低溫和熱穩(wěn)定性好：碳纖維增強聚酰亞胺等復(fù)合材料，可在250℃~300℃條件下使用，高溫蠕變變形小。碳——碳復(fù)合材料具有良好的耐熱沖擊性能，其短時間使用溫度可達3000℃，且仍保持一定的機械性能。7、成型工藝性能好：復(fù)合材料可采用低壓手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和擠拉成型等各種方法制成各種形狀的產(chǎn)品，加工量小，節(jié)省材料和能源，減少模夾具，加工周期短。

4、減震性好：復(fù)合材料的比剛度高，因此它的構(gòu)件具有很高的自608、生物相容性好：碳纖維復(fù)合材料與人體組織、骨骼和血液的相容性比金屬好，可用以制造人工韌帶、骨骼、假肢、心臟瓣膜和體外循環(huán)的血液過濾器。9、

其它特性——（1）耐燒蝕性好；——（2）良好的摩擦性能；——（3）高度的電絕緣性能；——（4）優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性；——（5）功能復(fù)合材料還有特殊的光、電、磁特性；——（6）復(fù)合材料的耐老化性能，取決于基體材料性能和與增強材料的界面粘接。一般來講，其耐老化的優(yōu)劣次序為：陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料的耐老化性能也可通過改進樹脂配方、增加表面防護層等方法來提高和改善?！?）三類復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和優(yōu)劣比較為：金屬基復(fù)合材料——50~65W/m·K；陶瓷基復(fù)合材料——0.7~3.5W/m·K；樹脂基復(fù)合材料——0.35~0.45W/m·K。

8、生物相容性好：碳纖維復(fù)合材料與人體組織、骨骼和血液的相61

第三節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料范圍廣、產(chǎn)品多，在國防工業(yè)和國民經(jīng)濟各部門中都有廣泛的應(yīng)用。

第三節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用621、石油化工方面應(yīng)用：不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼）具有耐酸、堿、油、有機溶劑等腐蝕性能，耐腐蝕性大大優(yōu)于鋼材、銅、鉛、硬木等，因此用作各種化工管道、閥門、泵、貯槽、塔器及反應(yīng)器內(nèi)襯等，現(xiàn)已成為石油化工設(shè)備防腐蝕重要材料。2、

交通運輸方面應(yīng)用：纖維增強的復(fù)合材料具有重量輕、比強度高，抗微生物作用以及制造工藝簡單等優(yōu)點，已在輪船、汽車、鐵路車輛、飛機、宇航設(shè)備等制造工業(yè)有了日益廣泛應(yīng)用。例如，制造小型船艇的船體，巡邏艇、掃雷艇、賽艇、魚船，還有深水探測器等。在汽車工業(yè)上已用SMC復(fù)合材料制成轎車外殼及配件。鐵路車輛上已制成車身、窗門、窗框、水箱等。在飛機上的應(yīng)用如機翼、尾翼、操縱面的蒙皮、噴嘴、油箱、螺旋槳等。3、電氣工業(yè)方面應(yīng)用：玻璃纖維增強的復(fù)合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，可以制成各種開關(guān)裝置，電纜輸送管道、高頻絕緣子、印刷電路版、電機防腐絕緣材料，以及電訊工程上制造各種類型雷達罩。

1、石油化工方面應(yīng)用：不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼）具有634、建筑材料方面應(yīng)用：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強度的結(jié)構(gòu)材料，具有隔熱、透光、防水等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代新型建筑結(jié)構(gòu)材料。如用作農(nóng)業(yè)透光暖房的玻璃鋼瓦楞板（波形板），蜂窩材料增強的透明玻璃鋼隔墻板，一般門窗框架，落水斗管，以及人造大理石、人造瑪瑙全套衛(wèi)生間浴缸和各種器具等。5、軍工方面應(yīng)用：主要用于生產(chǎn)引信體、子彈、彈殼（教練彈）、炮彈護環(huán)、槍托、火箭外殼、導(dǎo)彈殼體、火箭筒、雷達罩等。6、體育用品方面應(yīng)用：如撐竿、弓箭、球拍、雪橇、賽車、滑板、賽艇、皮艇、劃槳等。7、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)方面應(yīng)用：各種復(fù)合材料溫室（用于蔬菜、花卉生產(chǎn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖，糧食干燥，養(yǎng)雞，養(yǎng)豬等）、糧倉、飼料倉、化糞槽、水渠、噴霧器、花盆、牛奶運送車、糞便運輸車等。6、機械制造方面應(yīng)用

：有玻璃鋼葉片、風(fēng)機、造紙機械配件（打漿機部件、導(dǎo)輥和案輥）、柴油機部件、紡織機械部件、化纖機械部件（過濾器、離心罐、套片等）、貯能飛輪、消聲設(shè)備、磁選機筒身、軸套、煤礦機械部件、齒輪、法蘭圈、皮帶輪和防護罩等。

4、建筑材料方面應(yīng)用：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強度的64西方主要國家在汽車、建筑和造船等工業(yè)中玻璃鋼用量比較美國

汽車工業(yè)（26%）

建筑工業(yè)（18.6%）造船業(yè)（17%）西歐

電子工業(yè)（21.3%）

汽車工業(yè)（21.1%）建筑業(yè)（13.8）日本

建筑工業(yè)（40.1）工業(yè)材料（15%）

防腐工程（12%）加拿大

汽車工業(yè)（29.3%）

造船業(yè)（26.3%）

建筑業(yè)（16%）

注：括號內(nèi)為占總量的百分比

西方主要國家在汽車、建筑和造船等工業(yè)中玻璃鋼用量比較65第四節(jié)

基體材料——樹脂體系

第四節(jié)

基體材料——樹脂體系66一、概述

樹脂指的是一種無定行的半固態(tài)、固態(tài)或假固態(tài)的高分子化合物。按其來源分為天然樹脂及合成樹脂。一般不溶于水，可溶于乙醇、乙醚等有機溶劑中。透明或半透明，不導(dǎo)電，無固定熔點，但有軟化點或熔融范圍。受熱變軟，并逐漸熔化。熔化時發(fā)粘。能反復(fù)受熱軟化（或熔化）的樹脂稱為熱塑性樹脂；經(jīng)過一次受熱軟化（或熔化）冷卻凝固后變成不熔狀態(tài)的樹脂稱為熱固性樹脂。復(fù)合材料中的基體有三種主要作用：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。一、概述67樹脂基體性能比較性能環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂先進的聚酯酚醛溫室固化熱固化密度

1.1~1.3

1.2~1.4

1.3

1.21.2~1.3拉伸強度Mpa

50~7070~906050~6050~60拉伸模量Gpa

2~32.5~33.52~35~11破壞延伸率%

2~62~522~31.2壓縮強度Mpa

80~100120~130300120~14070~200最高使用溫度℃70~100100~18018060~80100~125

注：(1）所列的數(shù)據(jù)是按有關(guān)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法得到的。（2）推薦與先進纖維一起使用的一種典型樹脂。（3）所列為熱變溫度，是近似地測定玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的開始溫度。樹脂基體性能比較68二、環(huán)氧樹脂1、概述

環(huán)氧樹脂是一類含有兩個或兩個以上環(huán)氧基的混合物。其主要類型是由多元酚與環(huán)氧氯丙烷在堿性條件下起反應(yīng)形成的。若多元酚為二酚丙基烷，就得到最常見的環(huán)氧樹脂。這些材料的商品名稱如Epikote或Epon828DOW331，AralditeF，6010等等。這些樹脂是以透明的淡黃色粘稠液體形成供應(yīng)的。二、環(huán)氧樹脂69DPP基環(huán)氧樹脂（標(biāo)準(zhǔn)型）

DDM的三縮水甘油醚（先進樹脂）

DPP基環(huán)氧樹脂（標(biāo)準(zhǔn)型）70H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2(c)DET，室溫固化劑

（d）DDM，熱固化劑H2NCH2CH2NHCH2CH2N7112、

環(huán)氧樹脂的優(yōu)缺點環(huán)氧樹脂的主要優(yōu)點是：（1）、粘接力強，固化機械強度高；（2）、能為特殊用途提供最佳性能，能控制斷裂韌性；（3）、使用方便，無揮發(fā)物；（4）、固化收縮率低，固化體積收縮率為1~4%，，制品的尺寸穩(wěn)定性好；（5）、良好的熱穩(wěn)定性；（6）、電絕緣性好，耐化學(xué)腐蝕性能（特別是耐堿性）好；（7）、樹脂保存期長，可制成B階樹脂，有良好制造預(yù)浸漬制品的特性。12、

環(huán)氧樹脂的優(yōu)缺點72環(huán)氧樹脂的主要缺點是：（1）、成本比聚酯樹脂高（特殊樹脂的成本可能更高）；（2）、粘度大（指雙酚A型），一般不適合噴射成型；（3）、固化速度比較慢，達到完全固化必須熱處理，使得不如聚酯樹脂使用方便；（4）、對某些有機材料（特別是有機酸和酚）的抗腐蝕性能和高溫性能差；（5）、固化劑毒性大。

環(huán)氧樹脂的主要缺點是：73三、聚酯樹脂1、概述聚酯樹脂由二元酸與二元醇（乙二醇）或二元酚的混合物縮合而成。這種二元酸混合物含有不飽和酸。

三、聚酯樹脂74Propylenceglycol

丙二醇

：

Phthalicanhydride鄰苯二甲酸酐：

Maleicanhydride

馬萊酸酐：

Hydroquinone

對苯二酚：

Monomericstyrence

單體苯乙烯：

聚酯樹脂的成分Propylenceglycol丙二醇：752、聚酯種類聚酯的主要商業(yè)改型是通過用代用材料部分更換飽和酸或乙二醇來改變聚酯的組分為基礎(chǔ)的。例如，用間苯二酸代替標(biāo)準(zhǔn)鄰苯二酸（間苯二甲酸聚酯）或用二酚基甲烷代替一些乙二醇(“DDP樹脂”)而得到強度和耐久性好的樹脂。另一種通用的改型是用已二酸，這種酸改善了固化后基體的柔軟性和增加了斷裂伸長率。3、聚酯固化固化聚酯最常用的引發(fā)劑是過氧化甲乙酮（MEKP），它通常是以鄰苯二甲酸二甲酯溶液形式提供的。以石蠟油的溶液提供的環(huán)烷酸鈷作為MEKP的催化劑。

2、聚酯種類764、小結(jié)優(yōu)點：（1）、固化迅速，且能在常溫下固化，無揮發(fā)性產(chǎn)物；（2）、初始粘度低，易浸潤增強體；（3）、可用多種手段實現(xiàn)固化，如引發(fā)劑、紫外線射線等；（4）、可低壓成型，接觸壓也可成型；（5）、機械性能與電性能優(yōu)良；（6）、化學(xué)性能穩(wěn)定；（7）、具有良好的環(huán)境耐久性、耐熱性、耐藥品性、阻燃、觸變性等；（8）、可著色，可獲得透明美觀的涂膜；（9）、成本低，對特殊用途容易通過多種工藝措施來進行制造。

4、小結(jié)77缺點：（1）、空氣中氧的存在會阻礙固化；（2）、固化過程中的溫度升高和收縮率大（這兩個因素導(dǎo)致產(chǎn)生加工應(yīng)力），從而使纖維/基體間的膠接強度比較差；（3）、固化不當(dāng)時，由于固化放熱收縮就會產(chǎn)生裂紋；（4）、固化易受溫度、濕度的影響；（5）、若體系具有足夠的剪切強度則變得比較脆，在體系中韌性添加劑看來是無效的；（6）、通用聚酯有可燃性；（7）、硫磺、酚類化合物、碳等混入時，固化困難；（8）、特殊金屬或化合物對固化影響較大；（9）、對非常稀的堿的耐腐蝕性也差。

缺點：78四、乙烯基酯樹脂用不飽和羥基化合物（例如乙烯醇）代替聚酯中的某些乙二醇，并去掉不飽和酸可得到與聚酯非常相似的樹脂體系。這些材料稱為乙烯基酯樹脂，并以苯乙烯單體溶液的形式在市場上出售。其使用方法與聚酯相同。這些材料的主要優(yōu)點是提高了纖維和基體之間的膠接強度?？傊@些材料類似于聚酯。四、乙烯基酯樹脂79五、酚醛樹脂1、概述

當(dāng)酚醛樹脂在堿性條件下與甲醛縮合時，發(fā)生聚合反應(yīng)。若仔細(xì)控制這個體系，聚合反應(yīng)就能停止，此時聚合物仍然是可熔的或可溶的。這種預(yù)聚物稱為可溶性酚醛樹脂。它將在熱的作用下或者酸性或堿性催化劑作用下聚合，得到一種具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的致密交聯(lián)材料。五、酚醛樹脂80交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（可溶性酚醛樹脂）

交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（可溶性酚醛樹脂）81若在酸條件下完成預(yù)聚反應(yīng)，則按不同的聚合反應(yīng)流程可得到一種熱塑性酚醛樹脂。這種酚醛樹脂自身不會聚合，但是在胺的絡(luò)合物，通常為六次甲基四胺作用下能交聯(lián)。

若在酸條件下完成預(yù)聚反應(yīng)，則按不同的聚合反應(yīng)流程可得到一種熱82交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（熱塑性酚醛樹脂）

交聯(lián)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)（熱塑性酚醛樹脂）83

2、酚醛樹脂的性能用于復(fù)合材料的酚醛樹脂預(yù)聚物是固態(tài)的，然而通常提供的是溶液。由于稀釋作用，溶液在室溫下是穩(wěn)定的。通常用布料或氈片作為纖維用這種溶液來浸漬，再把溶劑揮發(fā)掉。再對所得到的產(chǎn)物進行熱處理，使樹脂體系部分聚合。這種材料稱為預(yù)浸料，若這種樹脂進行了熱處理，則稱為B階預(yù)浸料（A階為液態(tài)或粘性固態(tài)預(yù)聚物，B階是一種低粘性的可熔固體，C階是完全固化狀態(tài)）。然后把預(yù)聚料按要求的方向鋪疊，并加熱加壓使之固化。所有熱固化樹脂（包括環(huán)氧樹脂和聚酯樹脂）一般都以這種方式使用，而酚醛樹脂只能用作預(yù)浸料。

2、酚醛樹脂的性能843、酚醛樹脂的特點酚醛樹脂的主要優(yōu)點是：具有優(yōu)良的耐高溫性，特別是在氧化條件下。這特別對它們的燒蝕性，即直接在火焰中的燒穿速度有影響。在這些條件下，酚醛樹脂會很快碳化，并在外表產(chǎn)生一層優(yōu)質(zhì)的多孔碳。在表面多孔碳層慢慢燒盡的同時，保護了內(nèi)部的復(fù)合材料。而其它樹脂所形成的多孔碳層往往質(zhì)量差，會較快燒盡，生成氣態(tài)物質(zhì)。酚醛樹脂的缺點是：在聚合反應(yīng)期間需要施加高壓從而很難使用它們，顏色差（由棕褐色變到黑色），由于空隙含量高，用它制成的復(fù)合材料的力學(xué)性能比由其它樹脂制成的復(fù)合材料的力學(xué)性能差。3、酚醛樹脂的特點85六、其它樹脂

已經(jīng)研制了多種樹脂準(zhǔn)備用于耐高溫（例如：250℃~350℃）復(fù)合材料。例如，市場上少量可以買到的樹脂有：聚酰亞胺（PI）雙馬來酰亞胺（BMI）和聚苯并咪唑(FBI)。這些樹脂都是常常含有稠雜環(huán)的復(fù)雜的芳香材料。它們是由四官能芳香酸和芳香二胺(PI)或四胺(PBI)制成的。經(jīng)常在酸酐和堿性催化劑下對這種預(yù)聚物進行熱處理以得到交聯(lián)網(wǎng)狀物。到目前為止，這類樹脂能持久地經(jīng)受300℃左右的溫度（短時間能經(jīng)受高達420℃的溫度）。大部分耐高溫樹脂，固化反應(yīng)的目的是在高溫下通過鏈間的分子重新排列，使網(wǎng)狀物具有更大的剛度。由于這些復(fù)雜的反應(yīng)所要求的溫度非常高，所以必須保證部分形成的預(yù)制網(wǎng)具有高溫穩(wěn)定性。當(dāng)交聯(lián)和分子重新排列反應(yīng)交替發(fā)生時，為了在處于最高固化溫度之前先讓聚合反應(yīng)和交聯(lián)進行到底，固化循環(huán)往往是復(fù)雜的。BMI樹脂可采用與普通的環(huán)氧樹脂所用的類似方法操作。這類樹脂的熱性能提高了。PI和PBI樹脂的使用比較困難，并且要求預(yù)浸工藝和高溫高壓的固化條件。PI比PBI的耐熱性能好，但是使用比較困難。六、其它樹脂86第五節(jié)

復(fù)合材料的成型工藝第五節(jié)

復(fù)合材料的成型工藝87一、復(fù)合材料成型工藝的范圍

復(fù)合材料的設(shè)計包括性能（功能）設(shè)計、結(jié)構(gòu)（強度、剛度）設(shè)計和工藝設(shè)計三個相互關(guān)聯(lián)的組成部分。性能設(shè)計要求充分考慮最終產(chǎn)品的使用條件，設(shè)計出具有與要求性能相符合的復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)所承受的載荷和使用環(huán)境，確定結(jié)構(gòu)形狀尺寸，以確保產(chǎn)品安全、可靠；工藝設(shè)計則是選擇與產(chǎn)品性能要求及批量相適應(yīng)的成型方法，使性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求能夠充分滿足，并且成型方便，成本低廉。

一、復(fù)合材料成型工藝的范圍88二、復(fù)合材料成型工藝的特點

首先，材料的形成與制品的成型是同時完成的。復(fù)合材料的生產(chǎn)過程，也就是復(fù)合材料制品的生產(chǎn)過程。在復(fù)合材料制品的成型中，增強材料的性狀雖然變化不大，但基體的形狀有較大改變。復(fù)合材料的工藝水平直接影響材料或制品的性能。如成型過程中纖維的預(yù)處理（物理或化學(xué)方法的處理）、纖維的排列、驅(qū)除氣泡的程度、是否擠膠、溫度、壓力、時間控制精確度等等都直接影響制品性能。

其次，復(fù)合材料的成型比較方便。因為樹脂在固化前具有一定的流動性，纖維很柔軟，依靠模具容易形成要求的形狀和尺寸。一種復(fù)合材料制可以用多種方法成型，選擇余地大。在選擇成型方法時應(yīng)該根據(jù)制品的結(jié)構(gòu)、用途、生產(chǎn)量、成本以及生產(chǎn)條件綜合考慮，選擇經(jīng)濟和最方便簡便的成型工藝。（教材130:圖3-3-25復(fù)合材料的一般生產(chǎn)流程)二、復(fù)合材料成型工藝的特點89

四、選擇成型工藝方法的原則在選擇成型方法時，必須同時滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益等多種因素的基本要求，具體應(yīng)考慮：（1）產(chǎn)品的外形構(gòu)造和尺寸大小；（2）材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求，如材料的物理性能，產(chǎn)品的強度及表面粗糙度（光潔度）要求等；（3）生產(chǎn)批量大小及供應(yīng)時間（允許的生產(chǎn)周期）要求；（4）企業(yè)可能提供的設(shè)備條件及資金；（5）綜合經(jīng)濟效益，保證企業(yè)贏利。一般來講，生產(chǎn)批量大，數(shù)量多及外形復(fù)雜的小產(chǎn)品，多采用模壓成型，如機械零件，電工器材等；對造形簡單的大尺寸產(chǎn)品，如浴缸、汽車部件等，適宜采用SMC大臺面成型，亦可用手糊工藝生產(chǎn)小批量產(chǎn)品；對于壓力管道及容器，則宜用纏繞工藝；對于批量小的大尺寸制品，如船體外殼、大型儲槽等，常采用手糊、噴射工藝；對于板材和線型制品，可采用連續(xù)成型工藝。四、選擇成型工藝方法的原則90

五、低壓成型工藝低壓成型是物料在常壓或低壓下固化成型為制品的工藝方法。成型壓力范圍為0.1Pa~0.7Pa，最高不超過2MPa。低壓成型過程一般為：先使材料在敞開的模具（也可使用對模）上具備一定形狀，然后施加壓力或不加壓，使樹脂滲透流動，通過加溫或常溫固化定型，脫模后再經(jīng)過不要的輔助加工得到制品。低壓成型設(shè)備簡單，投資少、見效快。一般輕質(zhì)材料（如木材、石膏、玻璃鋼、鑄鋁、水泥等）均可作為模具材料，同時模具制造周期短。低壓成型法特別適于大型薄壁制品整體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，也適宜生產(chǎn)量小和需頻繁改變尺寸的制品。因為該方法只需簡單的工具和模具以及簡易的場地便能生產(chǎn)，有時還可以進行制品的現(xiàn)場加工，方便靈活，很適合中小企業(yè)。所以，低壓成型在復(fù)合材料工業(yè)是一種“經(jīng)久不衰”的工藝方法。但低壓成型工藝也存在著生產(chǎn)效率低，勞動強度大，生產(chǎn)周期長等缺點。制品質(zhì)量在很大程度上依賴于操作人員的技術(shù)水平，而且重復(fù)性差。低壓成型工藝包括手糊工藝、噴射工藝和鋪層工藝。五、低壓成型工藝91

(一)、手糊成型工藝手糊成型是聚合物基復(fù)合材料生產(chǎn)中最早使用和最簡單的一種工藝方法。手糊成型又稱接觸成型，這種方法用手工工具將布或纖維氈浸上樹脂膠液，鋪糊在敞開的模具上，經(jīng)室溫固化和脫模即可獲得制品。所用工具和工藝設(shè)備簡單，不受制品尺寸限制，但工藝質(zhì)量不穩(wěn)定，易受操作人員水平、經(jīng)驗和勞動態(tài)度的影響，且勞動條件差。適宜于小批量、大尺寸、品種變化多的制品生產(chǎn)。用手糊成型可生產(chǎn)波形瓦、浴盆、冷卻塔、活動房、衛(wèi)生間、貯槽、貯罐、風(fēng)機葉片、各類漁船和游艇、微型汽車和客車殼體、大型雷達天線罩及天文臺屋頂罩、設(shè)備防護罩、雕像、舞臺道具和飛機蒙皮、機翼、火箭外殼防熱底板等大中型零件。現(xiàn)在世界各國的聚合物基復(fù)合材料成型工藝中手糊工藝仍將占相當(dāng)重要的比例。

(一)、手糊成型工藝92（二）、噴射成型工藝國外在60年代發(fā)展了噴射法并有成套噴射設(shè)備出售。例如美國維納斯(VENUS)公司生產(chǎn)的H.I.S噴射成型機；英國的“Dowuland”纖維樹脂噴射機；奧地利“Polgspary”玻璃纖維/聚酯噴射機等。噴射成型一般是將混有促進劑的樹脂和有引發(fā)劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè)噴出，同時將玻璃纖維粗紗用切割器切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上，待模具上的材料沉積到一定的厚度，用手輥使纖維浸透樹脂和壓實并去除氣泡，最后固化成制品。噴射成型在各種成型方法中所占的比重很大，美國占27%，日本占16%。噴射成型法屬于半機械化手糊，生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍，生產(chǎn)率可達15kg/min，勞動強度降低，適于生產(chǎn)大尺寸和批量生產(chǎn)，制品無搭接縫，整體性好。缺點是樹脂含量高，制品強度較低；現(xiàn)場污染大，要求工作間局部封閉，操作者應(yīng)熟練掌握操作技術(shù)。噴射法可用來成型船體、浴盆、淋浴間、汽車與貨車車身、容器、大型板、機器外罩、電影設(shè)備和仿磚石外型建筑物、舞臺道具等制品。成型用模具可以用木材、石膏、水泥、塑料、玻璃鋼和金屬材料制成。（二）、噴射成型工藝93

（三）、鋪層工藝鋪層工藝指用手工鋪疊方式，將預(yù)浸材料（無緯布、無緯帶、編織物等）按預(yù)定方向和順序在模具內(nèi)逐層鋪貼直至所需的厚度（或?qū)訑?shù)），經(jīng)加溫加壓固化、脫模、修整而獲得制品的過程。以高強度、高模量的碳纖維、硼纖維、開夫拉等纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，用鋪層工藝制成的高級復(fù)合材料已廣泛用在飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天飛機上，如飛機艙門、壁板、隔板、整流罩等。這些制品多為薄壁件，也可以制成工字梁、Π型件等型材。鋪層成型的制品強度較高，而且可以根據(jù)不同方向的受力情況制成強度各向異性的成品。美國波音公司從1981年起就采用自動鋪層機鋪放無緯帶（或織物）生產(chǎn)機翼、壁板和尾翼壁板等構(gòu)件。（三）、鋪層工藝94

六、模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定量的模塑料放入金屬對模中，在一定的溫度和壓力作用下，使模塑料在模腔內(nèi)受熱塑化，受壓流動并充滿模腔成型固化而獲得制品的一種方法。模壓成型工藝在成型過程中需要加熱和加壓，使得模塑料塑化產(chǎn)生流動充滿模腔，并使樹脂發(fā)生固化。在復(fù)合材料模塑料流動充滿模腔的過程中，不僅樹脂流動，增強材料也隨之流動，使樹脂和纖維同時填滿模腔的各個部位。所以，模壓成型工藝所需要的成型壓力較其它工藝方法高，它屬于高壓成型。