第5章 聚合物基復(fù)合材料課件

1第五章聚合物基復(fù)合材料基體：聚合物（粘結(jié)、傳遞分配載荷）增強(qiáng)材料：連續(xù)纖維（高強(qiáng)、高模）25.1種類(lèi)和性能

1.高比強(qiáng)度、高比模量力學(xué)性能出色：比模量和比強(qiáng)度可與常用金屬進(jìn)行比較（鋼、鋁、鈦）;見(jiàn)表5-1；2.抗疲勞性好金屬：由里往外、無(wú)預(yù)兆；疲勞極限為抗拉強(qiáng)度的40%～50%；聚合物基：界面阻礙裂紋擴(kuò)散、從薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始、征兆明顯；70%～80%；3.減振性好纖維與基體的基面具有吸振能力；34.高溫性能好耐熱性好，可作為燒蝕材料（高溫分解、氣化、吸熱、冷卻基體）。5.安全性好纖維量多，少數(shù)斷裂，載荷會(huì)重新分配，不會(huì)引起材料失效；6.可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單改變量：纖維、基體種類(lèi)；相對(duì)含量；纖維集合形式、排列方式、鋪層結(jié)構(gòu)；工藝簡(jiǎn)單：整體、一次成型缺點(diǎn)：斷裂伸長(zhǎng)小；抗沖擊強(qiáng)度差、橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度低；手工勞動(dòng)多；質(zhì)量不夠穩(wěn)定；45.1.1玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（GlassFiberReinforcedPlastics,GFRP，玻璃鋼）優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)材料：玻璃纖維（長(zhǎng)纖維、布、帶、氈）；基體：熱固性塑料（環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂）、三類(lèi)；比重小（1.6～2.0）、比強(qiáng)度高（比鋁輕、比合金鋼強(qiáng)）。耐腐蝕性好：在酸、堿、有機(jī)溶劑、海水中穩(wěn)定；電絕緣性好：電阻率和擊穿電壓強(qiáng)度指標(biāo)；不受電磁作用：微波透過(guò)性好，不反射電磁波；保溫、隔熱、隔音、減振；5缺點(diǎn)：剛性差：木材的2倍；鋼材的1/10；耐熱性比塑料高，但低于金屬和陶瓷；導(dǎo)熱性差；易老化；總體上是比較理想的結(jié)構(gòu)材料??！6幾種聚合物基材料各具特點(diǎn)：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂：綜合性能最好；粘接力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高；收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好；價(jià)格最高；成型需加熱，加工不便；玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂：耐熱性好最好；收縮率大，脆性高，刺激皮膚，最便宜；玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂：加工性好（由于引入引發(fā)劑和促進(jìn)劑，可室溫固化成型）；透光性好；價(jià)格便宜；耐腐蝕性；使用最廣泛。7增強(qiáng)材料：長(zhǎng)纖維、短切纖維；基體：熱塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、……）特點(diǎn)：比重更輕（1.1～1.6）、比強(qiáng)度高、蠕變性能大大改善；種類(lèi)：玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯、玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺、玻璃纖維增強(qiáng)聚苯乙烯塑料、玻璃纖維增強(qiáng)聚碳酸酯……詳見(jiàn)表5-45.1.2玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（FiberReinforcedThermoplasticPlastic，F(xiàn)R-TP）8基體：環(huán)氧樹(shù)脂；增強(qiáng)纖維：高強(qiáng)、高模纖維（碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺纖維、各種晶須等）特點(diǎn)：比重輕、強(qiáng)度高、模量高、熱膨脹系數(shù)??；表5-5加工工藝簡(jiǎn)單；價(jià)格昂貴；5.1.3高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)塑料9碳纖維增強(qiáng)塑料優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度、剛度、耐熱性均很好??！缺點(diǎn)：粘接性差，各向異性；價(jià)格昂貴；宇航領(lǐng)域；2.芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料基體：主要為環(huán)氧樹(shù)脂，也可為熱塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等；突出特點(diǎn)：壓延性，與金屬相似；抗沖擊性好；103.硼纖維增強(qiáng)塑料優(yōu)點(diǎn)：剛度好；強(qiáng)度和彈性模量超過(guò)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，是纖維增強(qiáng)塑料中最好的一種。4.碳化硅纖維增強(qiáng)塑料特點(diǎn)：不需表面處理，粘接力強(qiáng)；11

5.1.4其他纖維增強(qiáng)塑料增強(qiáng)材料：石棉纖維；礦棉纖維；棉纖維；麻纖維；木質(zhì)纖維；合成纖維；基體：熱塑性塑料和熱固性塑料；122.礦物纖維增強(qiáng)塑料礦物纖維增強(qiáng)聚丙烯和增強(qiáng)聚酯特點(diǎn)：纖維短，直徑小，與樹(shù)脂接觸面大；分配、定向性好，撓度扭曲??；石棉纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料性能提高：表5-6抗拉彈性模量提高；耐熱性提高；線(xiàn)膨脹系數(shù)降低，尺寸穩(wěn)定性變好；135.2成型加工技術(shù)聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維與樹(shù)脂體系確定后，主要決定于成型工藝。成型工藝主要包括以下兩個(gè)方面：一是成型，即將預(yù)浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀;二是固化，即把已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時(shí)間和壓力等因素影響下使形狀固定下來(lái)，并能達(dá)到預(yù)期的性能要求。14生產(chǎn)中采用的成型工藝

(1)手糊成型 (2)注射成型(3)真空袋壓法成型(4)擠出成型(5)壓力袋成型(6)纖維纏繞成型(7)樹(shù)脂注射和樹(shù)脂傳遞成型(8)真空輔助樹(shù)脂注射成型 (9)連續(xù)板材成型(10)拉擠成型(11)離心澆鑄成型(12)層壓或卷制成型(13)夾層結(jié)構(gòu)成型(14)模壓成型(15)熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型(16)噴射成型15首先，在模具上涂刷含有固化劑的樹(shù)脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹(shù)脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過(guò)程直至達(dá)到所需厚度為止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型）或者利用樹(shù)脂體系固化時(shí)放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。1.手糊成型工藝1617模具準(zhǔn)備涂脫模劑手糊成型樹(shù)脂膠液配制增強(qiáng)材料準(zhǔn)備固化脫模后處理檢驗(yàn)制品手糊成型工藝流程圖18優(yōu)點(diǎn):①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)品的生產(chǎn)；②設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低。③工藝簡(jiǎn)單；④易于滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料⑤制品樹(shù)脂含量較高，耐腐蝕性好。缺點(diǎn):①生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)衛(wèi)生條件差。②產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。③產(chǎn)品力學(xué)性能較低。19 模壓成型工藝是一種古老的技術(shù)，早在20世紀(jì)初就出現(xiàn)了酚醛塑料模壓成型。模壓成型是一種對(duì)熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。將定量的模塑料或顆粒狀樹(shù)脂與短纖維的混合物放入敞開(kāi)的金屬對(duì)模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿(mǎn)模腔，形成與模腔相同形狀的模制品；再經(jīng)加熱使樹(shù)脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹(shù)脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。2．模壓成型工藝2021金屬對(duì)模準(zhǔn)備涂脫模劑膜壓成型模塑料、顆粒樹(shù)脂短纖維固化脫模后處理檢驗(yàn)制品加熱、加壓加熱冷卻膜壓成型工藝流程圖22優(yōu)點(diǎn):模壓成型工藝有較高的生產(chǎn)效率，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無(wú)需二次加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等。缺點(diǎn):

模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高，制品尺寸受設(shè)備限制，一般只適合制造批量大的中、小型制品。23

模壓成型工藝已成為復(fù)合材料的重要成型方法，在各種成型工藝中所占比例僅次于手糊/噴射和連續(xù)成型，居第三位。近年來(lái)隨著專(zhuān)業(yè)化、自動(dòng)化和生產(chǎn)效率的提高，制品成本不斷降低，使用范圍越來(lái)越廣泛。模壓制品主要用作結(jié)構(gòu)件、連接件、防護(hù)件和電氣絕緣等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、電氣、化工、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域。由于模壓制品質(zhì)量可靠，在兵器、飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星上也都得到應(yīng)用。243.層壓成型工藝

層壓成型工藝，是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。

層壓成型工藝屬于干法壓力成型范疇，是復(fù)合材料的一種主要成型工藝。層壓成型工藝生產(chǎn)的制品包括各種絕緣材料板、人造木板、塑料貼面板、覆銅箔層壓板等。25層壓板的生產(chǎn)工藝流程增強(qiáng)材料熱固性樹(shù)脂浸膠膠布裁剪疊合熱壓脫模切邊產(chǎn)品26優(yōu)點(diǎn):制品表面光潔、質(zhì)量較好且穩(wěn)定以及生產(chǎn)效率較高。缺點(diǎn):只能生產(chǎn)板材，且產(chǎn)品的尺寸大小受設(shè)備的限制。274．噴射成型工藝

將分別混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹(shù)脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時(shí)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹(shù)脂一起均勻沉積到模具上。當(dāng)不飽和聚酯樹(shù)脂與玻璃纖維無(wú)捻粗紗混合沉積到一定厚度時(shí)，用手輥滾壓，使纖維浸透樹(shù)脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品。2829玻璃纖維無(wú)捻粗紗聚酯樹(shù)脂加熱引發(fā)劑促進(jìn)劑靜態(tài)混合切割噴槍模具噴射成型輥壓固化脫模噴射成型工藝流程圖30

噴射成型對(duì)所用原材料有一定要求，例如樹(shù)脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射霧化、脫除氣泡和浸潤(rùn)纖維以及不帶靜電等。

最常用的樹(shù)脂是在室溫下即可固化的不飽和聚酯等。 噴射法使用的模具與手糊法類(lèi)似，而生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，能夠制作大尺寸制品。用噴射成型方法雖然可以制成復(fù)雜形狀的制品，但其厚度和纖維含量都較難精確控制，樹(shù)脂含量一般在60%以上，孔隙率較高，制品強(qiáng)度較低，施工現(xiàn)場(chǎng)污染和浪費(fèi)較大。利用噴射法可以制作大蓬車(chē)車(chē)身、船體、廣告模型、舞臺(tái)道具、貯藏箱、建筑構(gòu)件、機(jī)器外罩、容器、安全帽等。315.連續(xù)纏繞成型工藝將浸過(guò)樹(shù)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，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑料制品的工藝過(guò)程，稱(chēng)為纏繞工藝。32纏繞工藝流程圖紗團(tuán)集束膠液配制浸膠烘干絡(luò)紗膠紗紗綻張力控制縱、環(huán)向纏繞芯模縱、環(huán)向纏繞張力控制加熱粘流固化脫模打模噴漆成品濕法纏繞成型工藝干法纏繞成型工藝33利用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)制作復(fù)合材料制品時(shí)，有兩種不同的方式可供選擇：一是將纖維或帶狀織物浸樹(shù)脂后，再纏繞在芯模上；二是先將纖維或帶狀織物纏好后，再浸漬樹(shù)脂。目前普遍采用前者。34優(yōu)點(diǎn):首先，纖維按預(yù)定要求排列的規(guī)整度和精度高，通過(guò)改變纖維排布方式、數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此，能在較大程度上發(fā)揮增強(qiáng)纖維抗張性能優(yōu)異的特點(diǎn);其次，用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)所制得的成品，結(jié)構(gòu)合理，比強(qiáng)度和比模量高，質(zhì)量比較穩(wěn)定和生產(chǎn)效率較高等。缺點(diǎn):

設(shè)備投資費(fèi)用大，只有大批量生產(chǎn)時(shí)才可能降低成本。35

連續(xù)纖維纏繞法適于制作承受一定內(nèi)壓的中空型容器，如固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、導(dǎo)彈放熱層和發(fā)射筒、壓力容器、大型貯罐、各種管材等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的異型纏繞技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜橫截面形狀的回轉(zhuǎn)體或斷面呈矩形、方形以及不規(guī)則形狀容器的成型。36

6.拉擠成型工藝

拉擠成型工藝中，首先將浸漬過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過(guò)成型模而定型；其次，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。37臥式拉擠成型過(guò)程原理圖制品切割纖維樹(shù)脂槽擠膠器預(yù)成型拉攏熱模38拉擠工藝實(shí)物圖39拉擠成型工藝制備型材實(shí)物解剖圖40

拉擠成型過(guò)程中，要求增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度高、集束性好、不發(fā)生懸垂和容易被樹(shù)脂膠液浸潤(rùn)。常用的增強(qiáng)纖維如玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維以及金屬纖維等。用作基體材料的樹(shù)脂以熱固性樹(shù)脂為主，要求樹(shù)脂的粘度低和適用期長(zhǎng)等。大量使用的基體材料有不飽和聚酯樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等。41優(yōu)點(diǎn)

①生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

②制品中增強(qiáng)材料的含量一般為40％--80％，能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，制品性能穩(wěn)定可靠；③不需要或僅需要進(jìn)行少量加工，生產(chǎn)過(guò)程中樹(shù)脂損耗少；

④制品的縱向和橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整，以適應(yīng)不同制品的使用要求，其長(zhǎng)度可根據(jù)需要定長(zhǎng)切割。42拉擠制品的主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)耐腐蝕領(lǐng)域。主要用于上、下水裝置，工業(yè)廢水處理設(shè)備、化工擋板及化工、石油、造紙和冶金等工廠內(nèi)的欄桿、樓梯、平臺(tái)扶手等。(2)電工領(lǐng)域。主要用于高壓電纜保護(hù)管、電纜架、絕緣梯、絕緣桿、燈柱、變壓器和電機(jī)的零部件等。(3)建筑領(lǐng)域。主要用于門(mén)窗結(jié)構(gòu)用型材、桁架、橋梁、欄桿、支架、天花板吊架等。43(4)運(yùn)輸領(lǐng)域。主要用于卡車(chē)構(gòu)架、冷藏車(chē)箱、汽車(chē)籠板、剎車(chē)片、行李架、保險(xiǎn)桿、船舶甲板、電氣火車(chē)軌道護(hù)板等。(5)運(yùn)動(dòng)娛樂(lè)領(lǐng)域。主要用于釣魚(yú)桿、弓箭桿、滑雪板、撐桿跳桿、曲輥球輥、活動(dòng)游泳池底板等。(6)能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。主要用于太陽(yáng)能收集器、支架、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和抽油桿等。(7)航空航天領(lǐng)域。如宇宙飛船