《复合材料教学课件》5聚合物基复合材料.ppt

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1、一、聚合物基复合材料的分类一、聚合物基复合材料的分类二、聚合物基复合材料的性能二、聚合物基复合材料的性能三、聚合物基复合材料的制备工艺三、聚合物基复合材料的制备工艺四、复合材料成型固化工艺四、复合材料成型固化工艺五、五、PMCPMC的界面的界面六、纤维增强聚合物复合材料的力学性能六、纤维增强聚合物复合材料的力学性能七、铺层设计七、铺层设计八、结构设计八、结构设计第八章聚合物基复合材料第八章聚合物基复合材料一、聚合物复合材料的分类 纤维增强（FRC）按纤维形态：连续纤维 非连续纤维 按铺层方式：单向 角铺层：（0/）织物 三维 按纤维种类：玻璃纤维 碳纤维 芳纶（Kevlar）纤维 混杂纤维 晶

2、须增强（WRC）粒子增强（PRC）1、高比强、高比模量：材材 料料GFRP CFRP KPRPBFRP钢钢铝铝钛钛密度,g/cm32.01.6 1.42.17.82.8 4.5拉伸强度,GPa1.21.81.5 1.61.4 0.48 1.0比强度600 1120 1150 750 180 170210拉伸模量,GPa 42130 80 220210 77110比模量21 8157 104272725热膨胀系数(10-6/K)8 0.2 1.8 4.0 12 23 9.0二、聚合物复合材料的性能表8-1 聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较2、设计性强、成型工艺简单。3、热膨胀系数低，尺

3、寸稳定。4、耐腐蚀、抗疲劳性能好。5、减震性能好。6、高温性能好。7、安全性能好。1、预浸料/预混料制备 预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片（SMC、GMT）团状（BMC）或粒状半成品以及注射模塑料（IMC）。三、聚合物复合材料的制备工艺1-1 热固性预浸料：湿法：溶液浸渍法。干法：热熔预浸法 轮鼓缠绕法图 8-1 浸渍法制备预浸料示意图 1-2 热塑性预浸料：按树脂状态不同，分为预浸渍技术和后浸渍技术两大类。预浸渍技术：溶液浸渍；熔融浸渍。特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维。后浸渍技术：预

4、浸料中树脂以粉末、纤维或 包层等形式存在，对纤维的 完全浸渍要在 复合材料成型过程中完成。13 预混料制造 （1）SMC和BMC制造：这是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。其组成包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。SMC一般使用专用SMC机组制造；BMC常用捏合法制造。（2）GMT和IMC制造：GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或连续纤维。制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法。IMC一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为3 6 mm。1、聚合物基复合材料的成型工艺、聚合物基

5、复合材料的成型工艺聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能在在纤维纤维与与树树脂脂体系确定后体系确定后，主要决定于，主要决定于成型工艺成型工艺。成型工艺成型工艺主要包括以下两个方面：主要包括以下两个方面：一是一是成型成型成型成型，即将，即将预浸料预浸料预浸料预浸料按产品的要求，按产品的要求，铺置铺置成一定的形状成一定的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状;二是二是固化固化固化固化，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的叠层预叠层预叠层预叠层预浸料浸料浸料浸料，在，在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使形状形状形状形状固定固定固定固定下来，并能达到预期

6、的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺(1)(1)手糊手糊手糊手糊成型成型成型成型 (2)(2)注射注射注射注射成型成型成型成型 (3)(3)真空袋压法真空袋压法真空袋压法真空袋压法成型成型成型成型(4)(4)挤出挤出挤出挤出成型成型成型成型(5)(5)压力袋压力袋压力袋压力袋成型成型成型成型 (6)(6)纤维缠绕纤维缠绕纤维缠绕纤维缠绕成型成型成型成型(7)(7)树脂注射树脂注射树脂注射树脂注射和和和和树脂传递树脂传递树脂传递树脂传递成型成型成型成型 (8)(8)真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射成型成型成型成型(9)

7、(9)连续板材连续板材连续板材连续板材成型成型成型成型 (10)(10)拉挤拉挤拉挤拉挤成型成型成型成型 (11)(11)离心浇铸离心浇铸离心浇铸离心浇铸成型成型成型成型 (12)(12)层压或卷制层压或卷制层压或卷制层压或卷制成型成型成型成型 (13)(13)夹层结构夹层结构夹层结构夹层结构成型成型成型成型(14)(14)模压模压模压模压成型成型成型成型(15)(15)热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压成型成型成型成型(16)(16)喷射喷射喷射喷射成型成型成型成型(1)手糊成型工艺手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料手糊成型工艺是复合材料

8、最早的最早的一一种成型方法，也是一种种成型方法，也是一种最简单最简单的方法，的方法，其具体工艺过程如下：其具体工艺过程如下：首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混含有固化剂的树脂混合物合物合物合物，再在其上铺贴一层，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的按要求剪裁好的纤维纤维纤维纤维织物织物织物织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其，使其均均均均匀浸胶匀浸胶匀浸胶匀浸胶并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺铺贴第二层纤维织物贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所，反复上述过程直至达到所需厚度为止

9、。需厚度为止。然后，然后，在一定压力作用下在一定压力作用下加热固化成加热固化成型型（热压成型热压成型）或者利用）或者利用树脂体系固化时树脂体系固化时放出的热量放出的热量固化成型（固化成型（冷压成型冷压成型），最后），最后脱模脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：图所示：模具模具模具模具准备准备准备准备涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂手糊成型手糊成型手糊成型手糊成型树脂胶树脂胶树脂胶树脂胶液配制液配制液配制液配制增强材增强材增强材增强材料准备料准备料准备料准备固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品制品制品手糊成型工艺

10、流程图手糊成型工艺流程图为了得到为了得到良好的脱模效果良好的脱模效果和和理想理想的制品的制品，同时使用几种脱模剂，可以，同时使用几种脱模剂，可以发挥发挥多种脱模剂的综合性能多种脱模剂的综合性能。手糊成型工艺优点手糊成型工艺优点不受产品尺寸和形状限制，适宜不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸尺寸大大、批量小批量小、形状复杂形状复杂产品的生产；产品的生产；设备简单设备简单、投资少投资少、设备、设备折旧费低折旧费低。工艺简单工艺简单；易于满足产品设计要求，可以易于满足产品设计要求，可以在在产品不同部位产品不同部位任意增补增强材料任意增补增强材料制品制品树脂含量较高树脂含量较高，耐腐蚀性好耐腐蚀性好。手糊

11、成型工艺缺点手糊成型工艺缺点 生产效率生产效率低，低，劳动强度劳动强度大，大，劳动卫生劳动卫生条件条件差。差。产品质量产品质量不易控制，不易控制，性能稳定性性能稳定性不高。不高。产品产品力学性能力学性能较低。较低。图 8-2手糊成型工艺示意图 2模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早在是一种古老的技术，早在20世世纪初就出现了纪初就出现了酚醛塑料酚醛塑料模压成型。模压成型。模压成型是一种对模压成型是一种对热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂都适用的都适用的纤维复合材料纤维复合材料成型方法。成型

12、方法。模压成型工艺过程模压成型工艺过程将定量的将定量的模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂与与短纤维的混合短纤维的混合短纤维的混合短纤维的混合物物物物放入敞开的放入敞开的金属对模金属对模中，闭模后中，闭模后加热加热加热加热使其使其熔化熔化熔化熔化，并并在压力作用下在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；模制品；再经加热再经加热再经加热再经加热使树脂使树脂进一步发生进一步发生交联反应交联反应交联反应交联反应而固而固化化，或者，或者冷却使冷却使热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化，脱模后得到，脱模后得到

13、复合复合复合复合材料制品材料制品材料制品材料制品。金属对金属对金属对金属对模准备模准备模准备模准备涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂膜压成型膜压成型膜压成型膜压成型模塑料、模塑料、模塑料、模塑料、颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂短纤维短纤维短纤维短纤维固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品制品制品加热、加压加热、加压加热、加压加热、加压加热加热加热加热冷却冷却冷却冷却膜压成型工艺流程图膜压成型工艺流程图图 8-7 模压成型工艺原理 模压成型工艺优点模压成型工艺优点模压成型工艺有模压成型工艺有较高的生产效率较高的生产效率较高的生产效率较高的生产效率，制品尺

14、寸制品尺寸制品尺寸制品尺寸准确准确准确准确，表面光洁表面光洁表面光洁表面光洁，多数结构复杂的制品可，多数结构复杂的制品可一次成一次成一次成一次成型型型型，无需二次加工，无需二次加工，制品外观及尺寸的制品外观及尺寸的重复性好重复性好重复性好重复性好，容易实现容易实现机械化和自动化机械化和自动化机械化和自动化机械化和自动化等。等。模压成型工艺缺点模压成型工艺缺点模具设计制造复杂模具设计制造复杂模具设计制造复杂模具设计制造复杂，压机及模具，压机及模具投资高投资高投资高投资高，制品尺寸受设备限制，一般只制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大适合制造批量大适合制造批量大适合制造批量大的中、小型制品。的

15、中、小型制品。模压成型工艺模压成型工艺已成为已成为复合材料的重要复合材料的重要成型方法成型方法，在，在各种成型工艺中各种成型工艺中所占比例仅所占比例仅次于次于手糊手糊/喷射喷射和和连续成型连续成型，居第三位。居第三位。近年来随着近年来随着专业化专业化、自动化自动化和和生产效生产效率的提高率的提高，制品成本制品成本不断降低，使用范围不断降低，使用范围越来越广泛。越来越广泛。模压制品模压制品模压制品模压制品主要用作主要用作结构件结构件、连接件连接件、防护件防护件和和电气绝缘电气绝缘等，广泛应用于等，广泛应用于工业工业、农业农业、交通运交通运输输、电气电气、化工化工、建筑建筑、机械机械等领域。等领域

16、。由于模压制品由于模压制品质量可靠质量可靠质量可靠质量可靠，在，在兵器兵器、飞机飞机、导导弹弹、卫星卫星上也都得到应用。上也都得到应用。3.层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的，是把一定层数的浸胶布浸胶布浸胶布浸胶布(纸纸)叠在一起，送入叠在一起，送入多层液压机多层液压机多层液压机多层液压机，在一定的温度和压在一定的温度和压力下力下压制成板材压制成板材压制成板材压制成板材的工艺。的工艺。层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺层压成型工艺属于属于干法压力成型范畴干法压力成型范畴，是复，是复合材料的一种主要成型工艺。合材料的一种主要成型工艺。层压成

17、型工艺层压成型工艺生产的制品生产的制品包括各种包括各种绝缘材料板绝缘材料板、人造木板人造木板、塑料贴面板塑料贴面板、覆铜箔层压板覆铜箔层压板等。等。复合材料复合材料层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程如下如下层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程增强材料增强材料增强材料增强材料热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂浸胶浸胶浸胶浸胶胶布胶布胶布胶布裁裁裁裁剪剪剪剪叠叠叠叠合合合合热热热热压压压压脱脱脱脱模模模模切切切切边边边边产产产产品品品品层压成型工艺的优点层压成型工艺的优点是制品是制品表面光洁表面光洁、质量较好质量较好且且稳定稳定以及以及生产效率较高生产效率较高。层压成型工艺的缺点层

18、压成型工艺的缺点是只能生产是只能生产板材板材，且且产品的尺寸大小受设备的限制产品的尺寸大小受设备的限制。风车叶片风车叶片4喷射成型工艺喷射成型工艺将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的不饱和聚不饱和聚酯树脂酯树脂从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷）喷出，同时将出，同时将玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱用切割机切用切割机切断断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，与树脂一起喷出，与树脂一起均匀沉均匀沉积到模具上积到模具上。当当不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂与与玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压用手辊滚压，使纤使纤维浸透

19、树脂维浸透树脂、压实并除去气泡压实并除去气泡，最后，最后固化成固化成制品制品。其具体工艺流程图如下：其具体工艺流程图如下：玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂加热加热加热加热引发剂引发剂引发剂引发剂促进剂促进剂促进剂促进剂静态混合静态混合静态混合静态混合切切切切割割割割喷喷喷喷枪枪枪枪模模模模具具具具喷喷喷喷射射射射成成成成型型型型辊压辊压辊压辊压固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模喷射成型工艺流程图喷射成型工艺流程图 图8-10 喷射成型原理图 喷射成型喷射成型喷射成型喷射成型对所用原材料对所用原材料有一定要求有一定要求，例如，例如树脂

20、体系的树脂体系的粘度应适中粘度应适中粘度应适中粘度应适中，容易喷射雾化容易喷射雾化容易喷射雾化容易喷射雾化、脱除脱除脱除脱除气泡气泡气泡气泡和和浸润纤维浸润纤维浸润纤维浸润纤维以及以及不带静电不带静电不带静电不带静电等。等。最常用的树脂最常用的树脂是是在室温或稍高温度下在室温或稍高温度下即可即可固化的固化的不饱和聚酯不饱和聚酯不饱和聚酯不饱和聚酯等。等。喷射法使用的模具与手糊法类似，喷射法使用的模具与手糊法类似，而而生产效率生产效率可提高数倍，可提高数倍，劳动强度劳动强度降低，降低，能够能够制作大尺寸制品制作大尺寸制品。用用喷射成型喷射成型方法虽然可以制成方法虽然可以制成复杂复杂形状的制品形状

21、的制品，但其，但其厚度和纤维含量厚度和纤维含量都较都较难精确控制，树脂含量一般在难精确控制，树脂含量一般在60%以上，以上，孔隙率孔隙率较高，较高，制品强度较低制品强度较低，施工现场施工现场污染污染和和浪费较大浪费较大。利用利用喷射法喷射法可以制作可以制作大蓬车车身大蓬车车身、船体船体、广告模型广告模型、舞台道具舞台道具、贮藏箱贮藏箱、建筑构件建筑构件、机器外罩机器外罩、容器容器、安全帽安全帽等。等。5.连续缠绕成型工艺连续缠绕成型工艺将将浸过树脂胶液浸过树脂胶液浸过树脂胶液浸过树脂胶液的的连续纤维或布带连续纤维或布带，按照一，按照一定规律定规律缠绕到芯模缠绕到芯模缠绕到芯模缠绕到芯模上，然后

22、上，然后固化脱模固化脱模固化脱模固化脱模成为成为增强塑增强塑增强塑增强塑料制品料制品料制品料制品的工艺过程，称为的工艺过程，称为缠绕工艺缠绕工艺缠绕工艺缠绕工艺。缠绕缠绕工艺流程图工艺流程图工艺流程图工艺流程图如下图所示：如下图所示：缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图纱团纱团纱团纱团集束集束集束集束胶液配制胶液配制胶液配制胶液配制浸胶浸胶浸胶浸胶烘干烘干烘干烘干络纱络纱络纱络纱胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽张力控制张力控制张力控制张力控制纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕芯模芯模芯模芯模纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕张力控制张力控制张力控制张力控制加热粘流加热粘流加

23、热粘流加热粘流固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模打模喷漆打模喷漆打模喷漆打模喷漆成品成品成品成品湿湿湿湿法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺干干干干法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺8-5 湿法缠绕的工艺原理图 图8-6 缠绕线成型图 利用利用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：有两种不同的方式可供选择：一是将一是将纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯浸树脂后，再缠绕在芯模上；模上；二是先将二是先将纤维或带状织物纤维或带状

24、织物纤维或带状织物纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。目前普遍采用前者。缠绕机缠绕机缠绕机缠绕机类似一部机床，纤维类似一部机床，纤维通过树脂槽通过树脂槽后，后，用轧辊用轧辊用轧辊用轧辊除去纤维中多余的树脂除去纤维中多余的树脂。为改善为改善工艺性能工艺性能工艺性能工艺性能和避免和避免损伤纤维损伤纤维损伤纤维损伤纤维，可预先，可预先在纤维表面在纤维表面徐覆一层徐覆一层半固化的基体树脂半固化的基体树脂半固化的基体树脂半固化的基体树脂，或者，或者直接使用预浸料直接使用预浸料直接使用预浸料直接使用预浸料。纤维纤维缠绕方式和角度缠绕方式和角度缠绕方式和角度缠绕方式和角度

25、可以通过可以通过机械传动机械传动或或计计算机控制算机控制。缠绕达到要求厚度后缠绕达到要求厚度后，根据所选用的，根据所选用的树脂类树脂类型型，在室温或加热箱内在室温或加热箱内固化固化固化固化、脱模脱模脱模脱模便得到复合材便得到复合材料制品。料制品。利用利用纤维缠绕工艺纤维缠绕工艺制造制造压力容器压力容器时，时，一般要求纤维具有一般要求纤维具有较高的强度较高的强度和和模量模量，容易被树脂浸润容易被树脂浸润，纤维纱的，纤维纱的张力均匀张力均匀以以及缠绕时及缠绕时不起毛不起毛、不断头不断头等。等。另外，在缠绕的时候，所使用的另外，在缠绕的时候，所使用的芯模芯模应应有有足够的强度和刚度足够的强度和刚度，

26、能够承受能够承受成型加工过成型加工过程中程中各种载荷各种载荷（缠绕张力缠绕张力、固化时的、固化时的热应力热应力、自重自重等），满足制品等），满足制品形状尺寸形状尺寸和和精度要求精度要求以以及及容易与固化制品分离容易与固化制品分离等。等。常用的常用的芯模材料芯模材料有石膏、石蜡、金有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用属或合金、塑料等，也可用水溶性高分水溶性高分材料材料，如以如以聚烯醇聚烯醇作粘结剂制成作粘结剂制成芯模芯模。连续纤维缠绕技术的优点连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维首先，纤维按预定要求排列的按预定要求排列的规整度规整度规整度规整度和和精度精度精度精度高高高高，通过改变，通过改变纤维

27、排布方式、数量纤维排布方式、数量，可以实现，可以实现等等等等强度设计强度设计强度设计强度设计，因此，能，因此，能在较大程度上在较大程度上发挥发挥增强纤维增强纤维增强纤维增强纤维抗张性能抗张性能抗张性能抗张性能优异的特点，优异的特点，其次，用其次，用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术所制得所制得的成品，的成品，结构合理结构合理，比强度比强度和和比模量比模量高，高，质量质量比较比较稳定稳定和和生产效率生产效率较高等。较高等。连续纤维缠绕技术的缺点连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用设备投资费用大，只有大，只有大批量生产时大批量生产时才可能降低成本。才可能降低成本。连续纤维缠绕法连续纤维缠绕法适于制作适

28、于制作承受一定承受一定内压的内压的中空型容器中空型容器，如，如固体火箭发动机固体火箭发动机壳体壳体、导弹放热层导弹放热层和和发射筒发射筒、压力容器压力容器、大型贮罐大型贮罐、各种管材各种管材等。等。近年来发展起来的近年来发展起来的异型缠绕技术异型缠绕技术，可，可以实现以实现复杂横截面形状的复杂横截面形状的回转体回转体或断面呈或断面呈矩形矩形、方形方形以及以及不规则形状不规则形状容器的成型。容器的成型。6.拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，首先将拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂浸渍过树脂胶液的胶液的连续纤维束连续纤维束或或带状织物带状织物在牵引装置在牵引装置作用下作用下通过通过成型模成型模

29、而而定型定型；其次，其次，在模中或固化炉中在模中或固化炉中固化固化，制成具有，制成具有特定横截面形状特定横截面形状和和长度不受限制的长度不受限制的复合材料，复合材料，如如管材管材、棒材棒材、槽型材槽型材、工字型材工字型材、方型材方型材等。等。一般情况下，只将一般情况下，只将预制品预制品预制品预制品在成型模中在成型模中加热到加热到预固化预固化预固化预固化的程度的程度，最后固化最后固化最后固化最后固化是是在加热箱中在加热箱中完成的。完成的。卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图制品制品制品制品切割切割切割切割纤维纤维纤维纤维树脂槽树脂槽树脂槽树脂槽

30、挤挤挤挤胶胶胶胶器器器器预预预预成成成成型型型型拉拉拉拉拢拢拢拢热热热热模模模模 拉挤成型拉挤成型过程中，要求过程中，要求增强纤维的增强纤维的强强度高度高、集、集束性好束性好、不发生悬垂不发生悬垂和容易被树和容易被树脂胶液脂胶液浸润浸润。常用的常用的增强纤维增强纤维如如玻璃纤维玻璃纤维、芳香族芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维、碳纤维碳纤维以及以及金属纤维金属纤维等。等。用作用作基体材料基体材料的树脂的树脂以以热固性树脂热固性树脂为主，为主，要求树脂的要求树脂的粘度低粘度低和和适用期长适用期长等等。大量使用的基体材料有大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂和和环氧树脂环氧树脂等。等。另外，以

31、另外，以耐热性较好耐热性较好、熔体粘度较低熔体粘度较低的的热塑性树脂热塑性树脂为基体的为基体的拉挤成型工艺拉挤成型工艺也取得了也取得了很大进展。很大进展。其其拉挤成型的关键拉挤成型的关键在于在于增强材料的浸渍增强材料的浸渍。在在拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，目前常用的方法如中，目前常用的方法如热热热热熔涂覆法熔涂覆法熔涂覆法熔涂覆法和和混编法混编法混编法混编法。热熔涂覆法热熔涂覆法热熔涂覆法热熔涂覆法是使是使增强材料增强材料通过通过熔融树脂熔融树脂，浸渍树脂后浸渍树脂后在成型模中在成型模中冷却定型冷却定型冷却定型冷却定型；混编法混编法混编法混编法中，首先按一定比例将中，首

32、先按一定比例将热塑性聚合物热塑性聚合物纤维纤维与与增强材料增强材料混编织成混编织成带状带状带状带状、空芯状空芯状空芯状空芯状等几何形等几何形状的织物；状的织物；然后，利用具有然后，利用具有一定几何形状的织物一定几何形状的织物通过热通过热模时模时基体纤维熔化基体纤维熔化基体纤维熔化基体纤维熔化并并浸渍增强材料浸渍增强材料浸渍增强材料浸渍增强材料，冷却定型冷却定型冷却定型冷却定型后后成为产品。成为产品。拉挤成型的优点拉挤成型的优点生产效率高生产效率高，易于实现自动化；，易于实现自动化；制品中增强材料的含量一般为制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料的作用，能够充分发挥增强材料的

33、作用，制品性制品性能稳定可靠能稳定可靠；不需要或仅需要进行少量加工，生不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中产过程中树脂损耗少树脂损耗少；制品的制品的纵向和横向强度可任意调整纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求以适应不同制品的使用要求，其长度可，其长度可根根据需要据需要定长切割定长切割。拉挤制品的主要应用领域拉挤制品的主要应用领域(1)耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域。主要用于。主要用于上、下水装置上、下水装置，工业，工业废水处理设备废水处理设备、化工挡板化工挡板及化工、石油、造纸和冶及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的金等工厂内的栏杆栏杆、楼梯楼梯、平台扶手平台扶手等。等

34、。(2)电工领域电工领域电工领域电工领域。主要用于。主要用于高压电缆保护管高压电缆保护管、电缆电缆架架、绝缘梯绝缘梯、绝缘杆绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零部、灯柱、变压器和电机的零部件等。件等。(3)建筑领域建筑领域建筑领域建筑领域。主要用于。主要用于门窗结构用门窗结构用型材、型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域运输领域运输领域运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。舶甲板、电气火车轨道护板等。(5)运动娱乐

35、领域运动娱乐领域运动娱乐领域运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。底板等。(6)能源开发领域能源开发领域能源开发领域能源开发领域。主要用于。主要用于太阳能收集器太阳能收集器、支架和抽油杆等。支架和抽油杆等。(7)航空航天领域航空航天领域航空航天领域航空航天领域。如宇宙飞船。如宇宙飞船天线绝缘管天线绝缘管，飞船用飞船用电机零部件电机零部件等。等。目前，随着目前，随着科学和技术科学和技术科学和技术科学和技术的不断发展，正向的不断发展，正向着着提高生产速度提高生产速度提高生产速度提高生产速度

36、、热塑性和热固性树脂同时使热塑性和热固性树脂同时使用用的的复合结构材料复合结构材料复合结构材料复合结构材料和方向发展。和方向发展。生产生产大型制品大型制品大型制品大型制品，改进，改进产品外观质量产品外观质量产品外观质量产品外观质量和和提高提高提高提高产品的横向强度产品的横向强度产品的横向强度产品的横向强度都将是都将是拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺拉挤成型工艺今后的发今后的发展方向。展方向。7.注射成型工艺注射成型工艺注射成型注射成型是是树脂基复合材料生产中的树脂基复合材料生产中的一一种重要成型方法，它适用于种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性热塑性和热固性复合材料复合材料，但，但以热塑

37、性复合材料以热塑性复合材料应用最广。应用最广。图8-9 注射成型原理图注射成型工艺原理注射成型工艺原理注射成型注射成型注射成型注射成型是根据是根据金属压铸原理金属压铸原理金属压铸原理金属压铸原理发展起来的发展起来的一种成型方法。该方法是将一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂颗粒状树脂颗粒状树脂颗粒状树脂、短纤维短纤维短纤维短纤维送入送入注射腔内注射腔内，加热熔化加热熔化、混合均匀混合均匀，并，并以一定以一定的挤出压力的挤出压力，注射到温度较低的，注射到温度较低的密闭模具密闭模具密闭模具密闭模具中，经中，经过过冷却定型冷却定型后，开模便得到复合材料制品。后，开模便得到复合材料制品。注射成型工艺过程

38、注射成型工艺过程注射成型工艺过程注射成型工艺过程包括包括加料加料加料加料、熔化熔化熔化熔化、混合混合混合混合、注射注射注射注射、冷却硬化冷却硬化冷却硬化冷却硬化和和脱模脱模脱模脱模等步骤。等步骤。加工加工热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂时，一般是将时，一般是将温度较低的树温度较低的树温度较低的树温度较低的树脂体系脂体系脂体系脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化防止物料在进入模具之前发生固化)与与短短短短纤维纤维纤维纤维混合均匀后注射到模具，然后再混合均匀后注射到模具，然后再加热模具加热模具加热模具加热模具使使其固化成型。其固化成型。在加工过程中，由于在加工过程中，由于熔体混合物的流动

39、熔体混合物的流动会使纤维会使纤维在树脂基体中的分布在树脂基体中的分布有一定的有一定的各向各向异性异性。如果制品形状比较复杂，则容易出现如果制品形状比较复杂，则容易出现局局部纤维分布不均匀部纤维分布不均匀或或大量树脂富集区大量树脂富集区，影响，影响材料的性能。材料的性能。因此，因此，注射成型工艺注射成型工艺要求要求树脂与短树脂与短纤维的混合均匀纤维的混合均匀，混合体系有，混合体系有良好的流良好的流动性动性，而，而纤维含量不宜过高纤维含量不宜过高，一般在，一般在30-40左右。左右。注射成型法注射成型法所得制品所得制品的的精度高精度高、生产生产周期短周期短、效率较高效率较高、容易实现自动控制容易实

40、现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂热塑性树脂都可都可以采用这种方法成型。以采用这种方法成型。按按物料物料物料物料在注射腔中在注射腔中熔化方式熔化方式熔化方式熔化方式分类，常用的分类，常用的注注注注射机射机射机射机有有按塞式按塞式按塞式按塞式和和螺杆式螺杆式螺杆式螺杆式两种。两种。由于由于按塞式注射机按塞式注射机按塞式注射机按塞式注射机塑化能力较低塑化能力较低、塑化均匀塑化均匀性差性差，注射压力损耗大注射压力损耗大及及注射速度较慢注射速度较慢等，已很等，已很少生产，现在普遍使用的是少生产，现在普遍使用的是往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机往复螺杆式注

41、射机。8、袋压成型袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜脱膜布布、吸胶层、隔离膜、袋膜等，在热压在热压在热压在热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形 具有一定结构形状的构件（图8-3）。图8-3 袋压成型原理图 袋压成型可分为真空袋成型、压力袋成型及热压成型。铺放与装袋是生产高质量构件的关键步骤。真空袋是袋装成型中最重要的材料之一。它帮助排除蒸汽、包埋的空气或其它挥发物，促进所期望的树脂流动。最普通的材料是尼龙膜。9、热压罐成型 热压罐成型的基本工艺是：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化（图8-4）。固

42、化压力通常在0.35-0.7MPa。热压罐成型具有构件尺寸稳定、准确、性能优异等优点，可 制造各种形状及尺寸的构件。图8-4 热压罐装置剖面图 1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；5-弓形夹；6-热压罐；7-底板；10、树脂传递成型（Resin Transfer Molding）先将增强剂置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP的主要成型工艺之一。其最大特点是污染小，为闭模操作系统，另外在制品可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优于SMC、BMC。图8-11 树脂传递成型示意图四、复合材料成型固化工艺热固性树脂基复合材料的成型固化工艺

43、是指将预浸料按零件要求铺层后，在一定的工艺参数下使形状固定下来，并赋予它设计所需要的性能。工艺过程有以下几方面的研究内容，即：原材料的工艺性、固化工艺过程的原理、固化工艺参数的选择、固化工艺方法与装备、工艺质量控制与检验以及辅助材料等。1、工艺性工艺性是指复合材料的各组分在一定的工艺过程中转化为制品的难易程度、制品的质量达到的难易程度。不同的材料具有不同的工艺性。必须根据材料的工艺性来选择相适应的工艺方法；反之，任何制品的成型固化工艺方法主要依据材料的工艺性。另外，根据制品的设计要求，研究适应现行工艺方法的新材料，或者研究新材料新工艺方法来满足制品结构的需要。通过材料工艺性的研究，促进材料和工

44、艺技术的进步。每种具体的材料都有它自身的工艺性。对树脂而言其工艺性包括：树脂对纤维的浸润性、粘附性、流动性、固化温度、树脂的适用期、收缩率等。对纤维来说有：铺覆性、预浸料的制作性能以及预浸料的树脂含量、贮存期等。对工艺性的好坏还有一些外在的评定标准。除材料转化为制品的难易程度外，还有所制造制品的质量与所能达到的工艺条件所表现出来的工艺稳定性、性能指标的波动性；再就是经济效益和社会效益。2、复合材料固化工艺过程复合材料所用的树脂基体主要有两种组分，即树脂和固化剂。复合材料固化工艺参数一般是指温度、压力、时间及其三者的相互关系，温度包括升温速度、固化温度及保温时间；压力包括加压时机、压力大小和保压

45、时间。复合材料的固化过程是树脂基体的物理和化学变化过程，也是纤维和树脂基体形成界面的过程。作为固化过程的工艺参数是根据内在质量与能量的变化规律所决定的。固化工艺参数的研究是找出得到复合材料最佳性能所需要的温度、压力、时间及其相互变化的制约关系。对固化过程的控制，关键是加温速率与温度的控制，应使整个制件在具体规定的时间内温度达到要求而且温度分布均匀、并在树脂粘度最合理的时机加压，以便使构件树脂含量合理、分布均匀、空隙含量最低。热固性树脂的典型固化过程可以有三个不很明显的阶段。第一阶段是树脂基体中树脂分子与固化剂分子相聚合形成可交联（或聚合）的活化中间体。这个阶段对多数树脂基体体系是处于熔融可流动

46、状态。第二阶段是开始引发交联（或聚合）。随着分子的加大或交联点的增多，进入第三阶段，即三维网状结构状态。这个阶段一般是不溶不熔状态，只可能有一点补充交联。热固性树脂复合材料的固化过程是一个不可逆的动态过程。在固化过程中，对于一个具体的树脂基体来说，大部分交联反应是在最高温度下进行的，这个温度称为固化温度。树脂基体交联将发生收缩，引起变形而产生残余应力，但此时的树脂基体仍有足够的粘度而允许残余应力完全释放掉，因此固化温度也称为应力释放温度。复合材料的固化初期在纤维周围存在一个富树脂层。经过升温，在一个加压点加压后，富树脂层开始流动，以渗透方式通过纤维间隙流入吸胶层。多余树脂流动后，纤维周围形成有

47、一定树脂含量的复合材料。因此，由第二阶段向第三阶段的过渡是固化过程的关键时机，工艺过程中的加压时机也是在这个阶段。加压时机是指复合材料固化过程中加压的正确时间。加压的最佳时间是树脂达到凝胶点（指树脂基体有一定粘度，树脂基体的体积或宏观粘度对时间曲线的斜率突然增加的那一点）的时刻。在此时加压可使树脂基体产生流动，使树脂基体均匀分布，多余的树脂流出，并迫使树脂中的带入或反应形成的低分子挥发物形成的气泡压出，使制品内部无空隙。加压的时间如果在凝胶点前实施，树脂将流失过多，造成复合材料制品贫胶，如加压在凝胶点之后进行，树脂已开始硬化，则将造成复合材料制品树脂含量多、不均匀，以及有过多的空隙等。五、PM

48、C的界面 1、PMC的界面特点：1）大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。2）PMC的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。3）PMC中增强剂本身一般不与基体材料反应。2、PMC的界面表征：PMC的界面结构主要包括增强剂表面、与基体的结合（反应）层或偶联剂参与的反应层以及接近反应层的基体拟制层。界面表征的目的是了解增强剂表面的组成、结构及物理、化学性质，基体与增强剂表面的作用，偶联剂与增强剂及基体作用，界面层性质，界面结合强度以及残余应力的大小及作用等。使用

49、电子显微镜（SEM、TEM）、红外光谱、拉曼（Raman）光谱、二次离子质谱等进行界面层的化学结构表征。3、界面作用机理1）界面浸润理论：Z2 =K cost/树脂流入量 Z 与液体表面张力 、接触角 、时间 t 和孔径成正比，与粘度 成反比。2）化学键理论：如在界面上形成共价键结合，在理论上可获得最强的界面结合（210 220J/mol）这对在偶联剂的选择方面有一定指导意义。3）物理吸附理论：界面结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。4）变形理论：纤维经处理后，在界面上形成一层塑性层，松弛和减缓界面处的应力集中。5）拘束层理论：界面区的模量介于基体和纤维之间时可最均匀地传递应力。6）

50、扩散层理论：偶联剂形成的界面是能与树脂相互扩散的聚合物硅氧烷层或其它的偶联剂层。7）减弱界面局部应力作用理论：基体与纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈合能力”的化学键，在载荷作用下处于不断形成与断裂的动态平衡。同时应力得以松弛，减缓了界面处的应力集中。4、PMC界面设计 基本原则：改善浸润性、提高界面结合强度。1）使用偶联剂偶联剂是一种化合物，其分子两端含有不同的基团，一端可与增强剂发生化学或物理作用，另一端则能与基体材料发生化学或物理作用，从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。图8-12 有机硅偶联剂对玻璃纤维的作用机制 2）增强剂表面（活化）处理 由于碳纤维本身的结构特征（沿