聚合物基復(fù)合材料定稿

聚合物基復(fù)合材料第一節(jié)概述聚合物基復(fù)合材料（PMC）是以有機聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強材料組合而成的。聚合物基體材料雖然強度低，但由于其粘接性能好，能把纖維牢固地粘接起來，同時還能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去，并允許纖維承受壓縮和剪切載荷。而纖維的高強度、高模量的特性使它成為理想的承載體。纖維和基體之間的良好的結(jié)合充分展示各自的優(yōu)點，并能實現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計、具有許多優(yōu)良特性。實用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；另一種按增強劑類型及在復(fù)合材料中分布狀態(tài)分類。如：玻璃纖維增強熱固性塑料(俗稱玻璃鋼)、短切玻璃纖維增強熱塑性塑料、碳纖維增強塑料、芳香族聚酰胺纖維增強塑料、碳化硅纖維增強塑料、礦物纖維增強塑料、石墨纖維增強塑料、木質(zhì)纖維增強塑料等。這些聚合物基復(fù)合材料具有上述共同的特點，同時還有其本身的特殊性能。

聚合物基發(fā)展史兩千多年前，我國就用麻絲和大漆制成了漆器。

1839年美國人CharlesGoodyear發(fā)明了橡膠硫化法，而硫化橡膠本身是由橡膠、填料、硫化劑等其他助劑組成的復(fù)合材料，熱固性塑料工業(yè)的發(fā)展和復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展是相輔相成的。熱塑性塑料復(fù)合材料的發(fā)展要滯后一些。最早的應(yīng)用是在PVC的生產(chǎn)中加入了碳酸鈣，目的是降低成本。

英國的ICI公司研發(fā)的玻璃纖維增強尼龍的新生產(chǎn)技術(shù)取得巨大成功，從而帶動熱塑性塑料復(fù)合材料的快速發(fā)展。纖維增強聚合物復(fù)合材料纖維增強材料在現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展歷史中，纖維增強材料是最大的功臣，也可以說是現(xiàn)代復(fù)合材料的支柱。最早使用的復(fù)合材料就是玻璃纖維增強塑料，至今在高技術(shù)新材料領(lǐng)域纖維增強復(fù)合材料仍然在發(fā)揮重要的作用。

為了進一步提高復(fù)合材料的性能，纖維增強材料的研究與開發(fā)顯得特別活躍，先后開發(fā)出幾十種纖維增強材料。主要有玻璃纖維、芳綸纖維（kevlar纖維）、尼龍纖維、聚乙烯纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及金屬纖維（如鎢、鉬、不銹鋼絲等）。其中在各類復(fù)合材料中得到大量使用的是玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。玻璃纖維增強熱塑性塑料玻璃纖維是由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲而成。性能優(yōu)異的無機非金屬材料，應(yīng)用廣泛。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。性能特點：玻璃纖維的密度在2.4-2.8g/cm3之間，抗拉強度在3-4.6GPa之間（為高強度鋼的2-3倍），彈性模量在70-110GPa（與鋁和鈦合金模量相當(dāng)），但比強度為12.5-18.4×106cm（為高強度鋼的6-10倍），比模量為2.8~4.0×107cm（略高于高強度鋼）不燃、耐高溫、電絕緣、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好?？捎脕碇谱鹘^緣材料，纖維內(nèi)窺鏡、光導(dǎo)纖維，還可以做復(fù)合材料的增強材料。玻璃纖維增強聚丙烯(代號FR—PP)，特點是機械強度大大提高，當(dāng)短切玻璃纖維增加到30％—40％時，其強度達到頂峰，抗拉強度達到100MPa，大大高于工程塑料，尤其是低溫脆性得到了大大改善，隨玻璃纖維含量提高，低溫時的抗沖擊強度也有所提高。吸水率很小，是聚甲醛和聚碳酸酯的十分之一。在耐沸水和水蒸氣方面更加突出，含有20％短切纖維的FR—PP，在水中煮1500小時，其抗拉強度比初始強度降低10％，如在23℃水里浸泡時強度不變。在高溫、高濃度的強酸、強堿中會使機械強度下降。在有機化合物的浸泡下會降低機械強度，并有增重現(xiàn)象。

玻璃纖維聚酰胺聚酰胺是一種熱塑性工程塑料，本身的強度就比一般通用塑料的強度高，耐磨性好，但因吸水率太大，影響了尺寸穩(wěn)定性，耐熱性也較低。用玻璃纖維增強的聚酰氨，這些性能就會大大改善。玻璃纖維增強聚酰胺(代號FR—PA)的品種很多。有玻璃纖維增強尼龍6(FR—PA6)、玻璃纖維增強尼龍66(FR—PA66)、玻璃纖維增強尼龍1010(FR—PA1010)等。玻璃纖維的含量達到30％—35％時，其增強效果最為理想，抗拉強度可提高2—3倍，抗壓強度提高1.5倍，最突出的是耐熱性提高幅度最大。在聚酰胺中加入玻璃纖維后，唯一的缺點是使本來耐磨性好的性能變差了。因為聚酰胺的制品表面光滑，光潔度越好越耐磨。而加入玻璃纖維以后，如果將制品經(jīng)過二次加工或者被磨損時，玻璃纖維就會暴露于表面上，這時材料的磨擦系數(shù)和磨耗量就會增大。因此，如果用它來制造耐磨性要求高的制品時，一定要加入潤滑劑。玻璃纖維增強聚碳酸酯聚(代號ＦＲ—PC)碳酸酯是一種透明度較高的工程塑料，它的剛韌相兼的特性是其他塑料無法相比的，唯一不足之處是易產(chǎn)生應(yīng)力開裂、耐疲勞性差。加入玻璃纖維以后，ＦＲ—PＣ比PＣ的耐疲勞強度提高2—3倍，耐應(yīng)力開裂性能可提高6—8倍，耐熱性比PＣ提高10—20℃，線膨脹系數(shù)縮小為1.6－2.4×10－６ｍ／℃，因而可制成耐熱的機械零件。玻璃纖維增強聚酯聚酯作為基體材料主要有兩種，一種是聚苯二甲酸乙二酯(代號PET)，另一種為聚苯二甲酸丁二酯(代號PBT)。未增強的純聚酯結(jié)晶性高，成型時收縮率大，尺寸穩(wěn)定性差、耐溫性差。質(zhì)脆。用玻璃纖維增強后，機械強度比其他玻璃纖維增強熱塑性塑料均高，抗拉強度135-145MPa，抗彎強度209－250MPa，耐疲勞強度達52MPa。耐熱性提高最大，PET的熱變形溫度為85℃，PR—PFT為240℃，仍能保持機械強度，是玻璃纖維增強熱塑性塑料中耐熱溫度最高的一種。耐低溫度性能好，超過了FR—PA6，在溫度高低交替變化時，機械性能變化不大；電絕緣性好，可制造耐高溫電器零件；高溫下耐老化性好，勝過玻璃鋼，尤其是耐光老化性能好，所以使用壽命長。不足之處是在高溫下易水解，使機械強度下降。不適于在高溫水蒸氣下使用。玻璃纖維增強聚甲醛(代號ＦＲ—POＭ)聚甲醛是一種性能較好的工程塑料，加入玻璃纖維后，不但起到增強的作用，而且耐疲勞性和耐蠕變性有很大提高。含有25％玻璃纖維的ＦＲ—PＯＭ的抗拉強度為純PＯM的兩倍、彈性模量為純PＯM的三倍，耐疲勞強度為純PＯM的兩倍，高溫下仍具有良好的耐蠕變性，同時耐老化性也很好。但不耐紫外線照射，因此在塑料中要加入紫外線吸收劑。不足之處是加入玻璃纖維后其摩接系數(shù)和磨耗量大大提高了，即耐磨性降低了。為了改善其耐磨牡，可用聚四氟乙烯粉末做為填料加入聚甲醛中，或加入碳纖維來改性。破璃纖維增強熱固性塑料破璃纖維增強熱固性塑料(代號GFRP)，玻璃纖維增強熱固性塑料是指玻璃纖維(包括長纖維、布、帶、氈等)做為增強材料，熱固性塑料(包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等)做為基體的纖維增強塑料。俗稱玻璃鋼。根據(jù)基體種類不同，可將GFRP分成三類，即玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂、玻璃纖維增強酚醛樹脂、玻璃纖維增強聚酯樹脂。GFRP的突出特點是比重小、比強度高。比金屬鋁輕而比強度比高級合金鋼還高?！安Ａт摗边@個名稱便由此而來。還具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、有機溶劑、海水中均很穩(wěn)定，良好的電絕緣材料，電阻率和擊穿電壓強度達到了電絕緣材料的標準，可做為耐高壓的電器零件。不反射無線電波，微波透過性好，可制造掃雷艇和雷達罩。具有保溫、隔熱、隔音、減振等性能。缺點是剛性差。會因日光照射空氣中的氧化作用、有機溶劑的作用產(chǎn)生老化現(xiàn)象，比塑料要緩慢。玻璃纖維增強環(huán)氧、酚醛、聚酯樹脂除具有上述共同的性能特點而外，各自有其特殊的性能。玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂是GFRP中綜合性能最好的一種。因環(huán)氧樹脂的粘結(jié)能力最強，與玻璃纖維復(fù)合時，界面剪切強度最高。機械強度高于其他GFRP。環(huán)氧樹脂固化時無小分子放出，故尺寸穩(wěn)定性最好，收縮率只有1％－2％，環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，易產(chǎn)生氣泡，但因添加劑少，很少發(fā)生鼓泡現(xiàn)象。唯一不足的是環(huán)氧樹脂粘度大，加工不太方便，成型時需要加熱，室溫下成型會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)不完全。不能制造大型制件。玻璃纖維增強酚醛樹脂是各種GFRP中耐熱性最好的一種，可在200℃下長期使用，在1000℃以上的高溫下，也可短期使用。是耐燒蝕材料，可做宇宙飛船的外殼。耐電弧性，可用于制做絕緣材料。價格便宜，原料來源豐富。不足處是性能較脆，機械強度不如環(huán)氧樹脂。固化時有小分子副產(chǎn)物放出，故尺寸不穩(wěn)定，收縮率大。對人體皮膚有刺激，會使手和臉腫脹。玻璃纖維增強聚酯樹脂突出特點是加工性好，加入引發(fā)劑和促進劑后，可在室溫下固化成型，由于樹脂中的交聯(lián)劑也起稀釋劑的作用，所以樹脂的粘度大大降低了，可采用各種成型方法進行加工成型，可制作大型構(gòu)件，擴大了應(yīng)用的范圍。它的透光性好，透光率可達60％－80％，可制作采光瓦。價格便宜。不足之處是固化時收縮率大，可達4％—8％，耐酸、堿性差，不宜制作耐酸堿的設(shè)備及管件。高強度、高模量纖維增強塑料主要是指以環(huán)氧樹脂為基體，以各種高強度、高模量的纖維(包括碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺纖維、各種晶須等)做為增強材料的高強度、高模量纖維增強塑料。該種材料由于受增強纖維高強度、高模量這一性能的影響．致使其具有共同的特點：（1）比重輕、強度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)。是目前力學(xué)性能最好的高分子復(fù)合材料。(2)加工工藝簡單。該種增強塑料可采用ＧＦＲＰ的各種成型方法，如模壓法、纏繞法、手糊法等。（3）價格昂貴。該種材料唯一的缺點是價格比較貴。

碳纖維增強環(huán)氧塑料是一種強度、剛度、耐熱性均好的復(fù)合材料，這方面的性能是其他材料無法相提并論的。比重小、剛度大、抗沖擊強度特別突出，耐疲勞強度很大．摩擦系數(shù)很小，這方面性能均超過了鋼材。耐熱性特別好，可在12000℃高溫下經(jīng)受10秒鐘，保持不變。不足之處一是碳纖維與塑料的粘結(jié)性差，且各向異性，這方面不如金屬材料。目前已有解決辦法，使碳纖維氧化和晶須化來提高其粘結(jié)性。用碳纖維編織法來解決各向異性的問題。另一個不足之處是價格昂貴，因而雖然有上述一些優(yōu)良性能，但還只是應(yīng)用于宇航工業(yè)，其他領(lǐng)域應(yīng)用較少。

芳香族聚酰胺纖維增強塑料：基體材料主要是環(huán)氧樹脂，其次是熱塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等。芳香族聚酰胺纖維增強環(huán)氧樹脂的抗拉強度大于GFRP，而與碳纖維增強環(huán)氧樹脂相似。最突出的特點是有壓延性，與金屬相似，而與其他有機纖維則大大不同。

硼纖維增強塑料是指硼纖維增強環(huán)氧樹脂。該種材料突出的優(yōu)點是剛度外，它的強度和彈性模量均高于碳纖維增強環(huán)氧樹脂。是高強度高模量纖維增強塑料中性能最好的一種。碳化硅纖維增強塑料：主要是指碳化硅纖維增強環(huán)氧樹脂。碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合時不需要表面處理，粘結(jié)力就很強，材料層間剪切強度可達1.2MPa。它的抗彎強度和抗沖擊強度為碳纖維增強環(huán)氧樹脂的兩倍，如果與碳纖維混合疊層進行復(fù)合時，會彌補碳纖維的缺點。23第二節(jié)

聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計☆材料設(shè)計是指根據(jù)對材料性能的要求而進行的材料獲得方法與工程途徑的規(guī)劃?！顚υO(shè)計一詞的傳統(tǒng)解釋為：進行某項制作或工程以前，根據(jù)該項目的使用目的和性能要求，擬定其材料、結(jié)構(gòu)、工藝、用地、進度、費用等各方面的計劃和估算。24⊙復(fù)合材料設(shè)計是通過改變原材料體系、比例、配置和復(fù)合工藝類型及參數(shù)，來改變復(fù)合材料的性能，特別是使其具有各向異性，從而適應(yīng)在不同位置、不同方向和不同環(huán)境條件下的使用要求?！褟?fù)合材料的可設(shè)計性賦予了結(jié)構(gòu)設(shè)計者更大的自由度，從而有可能設(shè)計出能夠充分發(fā)掘與應(yīng)用材料潛力的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。25在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先應(yīng)明確設(shè)計條件，即根據(jù)使用目的提出性能要求、載荷情況、環(huán)境條件及受幾何形狀和尺寸大小的限制等，這些往往是設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容。（1）結(jié)構(gòu)性能要求一般來說，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的主要內(nèi)容有：①結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；②提供裝置各種配件、儀器等附件的空間，對結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定的限制；③隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護內(nèi)部物體?！飶?fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計條件26（2）載荷情況結(jié)構(gòu)承載分為靜載荷和動載荷

靜載荷：緩慢的由零增加到某一數(shù)值以后就保持不變或變動不顯著的載荷；

動載荷：能夠使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，并且不能忽略產(chǎn)生的慣性力的載荷在靜載荷的作用下結(jié)構(gòu)一般應(yīng)設(shè)計成具有抵抗破壞和抵抗變形的能力，即具有足夠的強度和剛度。在動載荷的作用下結(jié)構(gòu)一般應(yīng)設(shè)計成具有抵抗沖擊、耐疲勞來設(shè)計結(jié)構(gòu)27（3）環(huán)境條件一般在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，應(yīng)明確的確定結(jié)構(gòu)的使用目的，要求完成的使命，且還有必要明確它在保管、包裝、運輸?shù)日麄€使用期間的環(huán)境條件，以及這些過程的時間和往返次數(shù)等，以確保在這些環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)的正常使用。為此，必須充分考慮各種可能的環(huán)境條件。一般為下列四種環(huán)境條件：（1）力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動、聲音等；（2）物理條件：壓力、溫度、濕度等；（3）氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光等；（4）大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等。分析各種環(huán)境條件下的作用與了解復(fù)合材料在各種環(huán)境條件下的性能，對于正確進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是很有必要的，除此之外，還應(yīng)從長期使用角度出發(fā)，積累復(fù)合材料的變質(zhì)、磨損、老化等長期性能變化的數(shù)據(jù)。28(4)結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性所謂結(jié)構(gòu)的可靠性，是指結(jié)構(gòu)在所規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給予的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實現(xiàn)所預(yù)期的性能時結(jié)構(gòu)正常工作的能力，這種能力用一種概率來度量稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。結(jié)構(gòu)強度最終取決于構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的材料強度，所以欲確定結(jié)構(gòu)的可靠度，必須對材料特性作統(tǒng)計處理，整理出它們的性能分布和分散性資料。結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟性兩方面。一般來說，要提高可靠性就得增加初期成本，而維修成本是隨可靠性的增加而降低的，所以總成本最低時（即經(jīng)濟性最要好）的可靠性為最合理。29材料設(shè)計，通常是指選用幾種原材料組成具有所要求性能的材料的過程。由于不同構(gòu)件的功能不同，因此對于組成構(gòu)件的材料的性能要求也不同，同時，所采用的材料還受到相應(yīng)約束條件的限制。構(gòu)件功能對材料性能的要求約束條件30▲物理性能（如密度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、微波吸收性或反射性、透光性等）▲化學(xué)性能（抗腐蝕性、抗氧化性等）▲力學(xué)性能（如強度、模量、韌性、硬度、耐磨性、抗疲勞性、抗蠕變性等）；★對材料性能的要求31★對所采用材料的約束條件☆對所采用材料的約束條件包括：資源、能耗、環(huán)保、成本、生產(chǎn)周期、壽命、使用條件（溫度、氣氛、載荷性質(zhì)、所接觸的介質(zhì)等）。32一、原材料的選擇原則（1）比強度、比剛度高原則在滿足強度、剛度、耐久性和損傷容限等要求的前提下，應(yīng)使結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕。（2）材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)的原則通常要求材料的主要性能在結(jié)構(gòu)整個使用環(huán)境條件下，其下降幅值應(yīng)不大于10%。（3）滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求的原則除了結(jié)構(gòu)剛度和強度意外，許多結(jié)構(gòu)物還要求有一些特殊性能。通常為滿足這些特殊性要求，要著重考慮合理的選取基體材料。33（4）滿足工藝性要求的原則復(fù)合材料的工藝性包括預(yù)浸料工藝性、固化成型工藝性、機加裝配工藝性和修補工藝性四方面。揮發(fā)物含量黏性樹脂流出量預(yù)浸料貯存期處理期工藝期預(yù)浸料工藝性固化成型工藝性加壓時間固化溫度固化壓力層合板性能對固化溫度和壓力的敏感性固化后構(gòu)件的收縮率

機加裝配工藝性主要是指機加工藝性；修補工藝性主要是指已固化的復(fù)合材料與未固化的復(fù)合材料通過其他基體材料或膠黏劑粘結(jié)的能力。工藝性要求與選擇的基體材料和纖維材料有關(guān)34（5）成本低、效益高的原則成本包括初期成本和維修成本，而初期成本包括材料成本和制造成本。效益指減重獲得節(jié)省材料、性能提高、節(jié)約能源等方面的經(jīng)濟效益。

成本低、效益高的原則是一項重要的選材原則35二、纖維的選擇▼高強度、高模量▼易于生產(chǎn)加工▼良好的化學(xué)穩(wěn)定性▼耐機械損傷▼具有合適的尺寸和幾何形狀▼纖維性能再現(xiàn)性（或一致性）好▼柔曲性好▼價格能為使用方承受36（1）若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，可選取Kevlar纖維、氧化鋁纖維等作為增強材料；（2）若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維；（3）若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、Kelvar纖維；（4）若結(jié)構(gòu)要求有好的低溫工作性能，則可選用低溫下不脆化的碳纖維；（5）若結(jié)構(gòu)要求尺寸不隨溫度變化，則可選用Kelvar纖維或碳纖維；（6）若結(jié)構(gòu)要求既有較大的強度又有較大的剛度時，則可選用比強度和比剛度均較高的碳纖維或硼纖維。37（1）各組分材料之間的相容性，包括：物理相容性（如熱膨脹系數(shù)）化學(xué)相容性（如在制造和服役期間是否產(chǎn)生有害反應(yīng)）力學(xué)相容性（如在復(fù)合材料承受載荷包時，各組分之間的應(yīng)變能否彼此協(xié)調(diào)）38（2）按照各組分在復(fù)合材料中所起作用來確定增強組分的幾何形狀（如顆粒狀、條帶狀、纖維狀及它們的編織與堆集狀態(tài)等）及其在復(fù)合材料中的位置與取向；（3）在制成復(fù)合材料后，其中的各組分應(yīng)保持它們的固有優(yōu)秀性質(zhì)，并能揚長避短、相互補充，產(chǎn)生所需要的復(fù)合效應(yīng)。39三、樹脂選擇環(huán)氧樹脂聚酰亞胺樹脂酚醛樹脂聚酯樹脂熱固性樹脂聚醚砜聚砜聚醚醚酮聚苯砜熱塑性樹脂尼龍聚苯二烯聚醚酰亞胺40選擇基體應(yīng)明確的問題（1）復(fù)合材料的耐溫和耐環(huán)境性主要取決于基體；（2）復(fù)合材料其他性質(zhì)（如對纖維的粘接性、傳遞和分散載荷的功能等）也依賴基體；（3）纖維增強復(fù)合材料的使用溫度范圍通常按基體劃分。41目前樹脂基復(fù)合材料中用的最多的基體是熱固性樹脂，尤其是各種牌號的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂有較高的力學(xué)性能，但工作溫度較低，只能在-40~130℃范圍內(nèi)長期工作。對于需耐高溫的復(fù)合材料，主要是用聚酰亞胺作為基體材料，它能在200~259℃溫度下長期工作。42樹脂的選擇應(yīng)考慮如下的各種要求：（1）要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作；（2）要求基體材料具有一定的力學(xué)性能；（3）要求基體的斷裂伸長率大于或者接近纖維的斷裂伸長率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強作用；（4）要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能，主要指吸濕性、耐介質(zhì)、耐候性、阻燃性、低煙性和低毒性；（5）要求具有一定的工藝性，主要是指黏性、凝膠時間、揮發(fā)分含量、預(yù)浸帶的保存期和工藝期、固化時的壓力和溫度、固化后的尺寸收縮率等。43結(jié)構(gòu)設(shè)計對應(yīng)不同的設(shè)計目標，可以有下列五種設(shè)計類型：（1）安全設(shè)計（2）單項性能設(shè)計（3）等強度設(shè)計（4）等剛度設(shè)計（5）優(yōu)化設(shè)計44（1）安全設(shè)計▲要求所設(shè)計的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用條件下安全工作，不致發(fā)生失效?！唧w到材料，則表現(xiàn)為必須達到特定的性能指標（如強度、模量等）。45（2）單項性能設(shè)計▲使復(fù)合材料的某一項性能滿足要求。例如透波或吸波、隱身、零膨脹、耐高溫、耐某種化學(xué)介質(zhì)等?！窃O(shè)計者必須在重點滿足主要要求的同時，盡可能地兼顧其他性能的綜合要求，以避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜和臃腫。46（3）等強度設(shè)計▲對于材料來說，等強度設(shè)計就是要求其性能的各向異性能夠符合工作條件環(huán)境要求的方向性。47（4）等剛度設(shè)計▲等剛度設(shè)計是要求材料的剛性能夠滿足對于構(gòu)件變形的限制條件，并且沒有過多的冗余。48（5）優(yōu)化設(shè)計☆優(yōu)化設(shè)計（optimaldesign)就是使目標函數(shù)取極值的設(shè)計，包括：♀最小質(zhì)量設(shè)計♀最長壽命設(shè)計♀最低成本設(shè)計♀最低單位時間使用費用設(shè)計，又稱價值工程（valueengineering）或價值分析（valueanalysis），即花費金額/服役時間愈低，其結(jié)構(gòu)愈經(jīng)濟。第三節(jié)

聚合物基復(fù)合材料的制備和加工復(fù)合材料的性能在纖維與樹脂體系確定后，主要決定適于成型固化工藝。所謂成型固化工藝包括兩方面的內(nèi)容，一是成型，這就是將預(yù)浸料根據(jù)產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀。二是進行固化，這就是使已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并能達到預(yù)計的性能要求。生產(chǎn)中采用的成型方法有：(1)手糊成型——濕法鋪層成型。(2)真空袋壓法成型。(3)壓力袋成型。(4)樹脂注射和樹脂傳遞成型。(5)噴射成型。(6)真空輔助樹脂注射成型。(7)夾層結(jié)構(gòu)成型。(8)模壓成型。(9)注射成型。(10)擠出成型。(11)纖維纏繞成型。(12)拉擠成型。(13)連續(xù)板材成型。(14)層壓或卷制成型。(15)熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型。(16)離心澆鑄成型。上述(9)．(10)，(15)為熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型工藝，分別適用于短纖維增強和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料兩類。1.預(yù)浸料及其制造方法預(yù)浸料通常是指定向排列的連續(xù)纖維(單向、織物)等浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。（1）熱固性預(yù)浸料制造根據(jù)浸漬設(shè)備或制造方式不同，熱固性FRP預(yù)浸料的制造分輪鼓纏繞法和陣列排鋪法；按浸漬樹脂狀態(tài)分濕法(溶液預(yù)浸法)和干法(熱熔預(yù)浸法)。（2）熱塑性預(yù)浸料制備：連續(xù)纖維被切成一定長度的短纖維，散落在連續(xù)輸送的涂有含填料的糊狀樹脂的塑料薄膜上，將含有纖維、填料和樹脂混合物的塑料薄膜卷繞起來就成為片狀模塑料（SMC）。2.手糊成型工藝手糊工藝：是聚合物基復(fù)合材料制造中最早采用和最簡單的方法。工藝過程：先在磨具上涂刷一層脫膜劑，然后加入含有固化劑的樹脂混合物，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，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達到所需厚度為止。然后再固化、脫膜、修邊，得到復(fù)合材料制品。手糊成型工藝在世界各國復(fù)合材料工業(yè)生產(chǎn)中，仍占用很大的比例，如美國占35%，西歐占25％，日本占42％；中國占75%。這說明接觸低壓成型工藝在復(fù)合材料工業(yè)生產(chǎn)中的重要性和不可替代性。手糊成型示意圖3.噴射成型工藝噴射成型一般是將分別混有促進劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩側(cè)測(或在噴槍內(nèi)混合)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。持沉積到一定厚度，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。玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂加熱引發(fā)劑促進劑靜態(tài)混合切割噴槍模具噴射成型固化脫模噴射成型工藝流程圖4.袋壓成型工藝袋壓成型是將手糊成型的未固化制品，通過橡膠袋或其它彈性材料向其施加氣體或液體壓力，使制品在壓力下密實，固化。袋壓成型法的優(yōu)點是：①產(chǎn)品兩面光滑；②能適應(yīng)聚酯、環(huán)氧和酚醛樹脂；③產(chǎn)品重量比手糊高。袋壓成型分壓力袋法和真空袋法2種：壓力袋法：壓力袋法是將手糊成型未固化的制品放入一橡膠袋，固定好蓋板，然后通入壓縮空氣或蒸汽（0.25～0.5MPa），使制品在熱壓條件下固化。真空袋法：是將手糊成型未固化的制品，加蓋一層橡膠膜，制品處于橡膠膜和模具之間，密封周邊，抽真空（0.05～0.07MPa），使制品中的氣泡和揮發(fā)物排除，制品表面更加致密。5.模壓成型工藝模壓成型工藝:是將一定量的預(yù)混料或預(yù)浸料加入金屬對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。是廣泛使用的對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。金屬對模準備涂脫模劑模壓成型模塑料、顆粒樹脂短纖維固化脫模后處理檢驗制品加熱、加壓加熱冷卻模壓成型工藝流程圖6.纏繞成型工藝一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上。常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工藝。是一種生產(chǎn)各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡單有效的方法。纏繞工藝流程圖紗團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?？v、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7.拉擠成型工藝將浸漬過樹脂液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面和長度不受限制的復(fù)合材料型材的方法。第四節(jié)

聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用目前應(yīng)用的復(fù)合材料主要有金屬基、陶瓷基和聚合物基三個大類，由于前兩類復(fù)合材料價格昂貴，主要用于宇航、航空工業(yè)部門，一般工業(yè)應(yīng)用尚不多見。在三類復(fù)合材料中，聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用最廣，發(fā)展也最快。例如在汽車、船舶、飛機、通訊、建筑、電子電氣、機械設(shè)備、體育用品等各個方面部有應(yīng)用。玻璃纖維增強塑料(GFRP)的應(yīng)用(1)GFRP在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用石油化工工業(yè)利用GFRP的特點，解決了許多工業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)健問題，尤其是耐腐蝕性和降低設(shè)備維修費等方向。GFRP管道和罐車是原油陸上運輸?shù)闹饕O(shè)備。聚酯和環(huán)氧GFRP均可做輸油管和儲油設(shè)備，以及天然氣和汽油GFRP罐車和貯槽。海上采油平臺上的配電房可用鋼制骨架和GFRP板組裝而成。板的結(jié)構(gòu)是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料加GFRP蒙面。這樣的材料質(zhì)輕、強度高、剛度好，而且包裝運輸也很方便。能合理利用平臺的空間并減輕載荷，同時還有較好的熱和電的絕緣性能?；瘜W(xué)工業(yè)生產(chǎn)也是離不開GFRP的。用GFRP制成的風(fēng)機葉片，不僅延長了使用的壽命，而且還大大地降低了電耗量。(2)GFRP在建筑業(yè)中的應(yīng)用建筑業(yè)使用GFRP，主要是代替鋼筋、樹木、水泥、磚等。并己占有相當(dāng)?shù)牡匚?。其中?yīng)用最多的是GFRP透明瓦，這是一種聚酯樹脂浸漬玻璃布壓制而成的。波形瓦主要用于工廠采光，其次是作街道、植物園、溫泉、商亭等的頂篷，GFRP板應(yīng)用于貨棧的屋頂、建筑物的墻板、天花板、太陽能集水器等，還可用GFRP制成飾面板、圓屋頂、衛(wèi)生間、浴室、建筑模板、門、窗框、洗衣機的洗衣缸、儲水槽格、管內(nèi)襯、收集貯罐和管道減阻器等。

(3)GFRP在造船業(yè)中的應(yīng)用用GFRP可制造各種船舶，如賽艇、警艇、游艇、碰碰船、交通艇、救生艇、帆船、魚輪、掃雷艇等。(4)GFRP在鐵路運輸上的應(yīng)用

GFRP在鐵路上主要是用在造車生產(chǎn)中。鐵路車輛有沖多部件可以用GFRP創(chuàng)造，如內(nèi)燃機車的駕駛室、車門、車窗、框、行里架、座椅、車上的整體廁所等。(5)GFRP在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用GFRP除制造汽車的外殼外還可制造汽車上的許多零件和部件，如汽車底盤、車門、車商、車座、發(fā)動機罩以及駕駛室。從1958年開始我國就開始研制GFRP汽車外殼，近年來、我國許多城市已經(jīng)使用了GFRP制成的汽車外殼及其零部件，這種汽車制造方法簡盡、力便、省工時、省勞力，可降低造價，同時汽車自重輕，外觀設(shè)計美觀，保溫隔熱效果好。也可以用GFRP創(chuàng)造卡車的賀駛室的頂蓋、風(fēng)窗、發(fā)動機罩、門框、儀表盤等。(6)GFRP在冶金工業(yè)中的應(yīng)用耐腐蝕性的容器、管道、泵、閥門等設(shè)備，GFRP煙囪。(7)GFRP在宇航工業(yè)中的應(yīng)用飛機上的雷達罩，機身、機翼、螺旋槳、起落架、尾舵、門、窗等。GFEP在導(dǎo)彈和火箭上的應(yīng)用也很多。玻璃纖維增強熱塑性塑料(FR—TP)的應(yīng)用1.玻璃纖維增強聚丙烯(代號FR—PF)，玻璃纖維增強聚丙烯的電絕緣性良好，用它可以制作高溫電氣零件。由于它的各