1、第十六章第十六章 纤维增强高分纤维增强高分子复合材料的制备与加工子复合材料的制备与加工复合材料基体（复合材料基体（Matrix）材料材料热固性聚合物：热固性聚合物：主要包括：环氧、酚醛、主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。双马、聚酰亚胺树脂等。热塑性聚合物：热塑性聚合物：包括各种通用塑料（聚包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚碳酸酯等）和特种耐高温 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。聚合物复合材料的分类聚合物复合材料的分类纤维增强（纤维增强（FRC）（1）按纤维形态
2、：）按纤维形态：连续纤维和非连续纤维；连续纤维和非连续纤维；（2）按铺层方式：单向；织物；三维；）按铺层方式：单向；织物；三维；（3）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶（芳纶（Kevlar）纤维；混杂纤维；）纤维；混杂纤维；晶须增强（晶须增强（WRC）粒子增强（粒子增强（PRC）各种单向连续纤维（各种单向连续纤维（60vol）增强聚合物基复合材料的性能）增强聚合物基复合材料的性能材材 料料GFRPCFRPKFRPBFRPAFRPSFRP钢钢铝铝钛钛密度密度 g/cm32.01.61.42.12.42.07.82.84.5拉伸强度拉伸强度 GPa1.21.81.5
3、1.61.71.51.40.481.0比强度比强度 106cm6.011.211.57.57.16.51.81.72.1拉伸模量拉伸模量 GPa4213080220120130 21077110比模量比模量108cm2.18.15.710.45.45.62.72.72.5热导率热导率KJ/mhK2118010238.4272669222CTE 106/K8.00.21.84.04.02.612239.0在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油耗，玻璃钢也大显身手，得到了大量应用，如耗，玻璃钢也大显身手，得到了大量应用，如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩以及汽
4、车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩以及内部装饰件等。内部装饰件等。除了比强度高外，玻璃钢还具有良好的耐除了比强度高外，玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。因介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。因此，在石油化工工业中玻璃钢得到了广泛应用此，在石油化工工业中玻璃钢得到了广泛应用，如玻璃钢制成的贮罐、容器、管道、洗涤器，如玻璃钢制成的贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等（下图）。、冷却塔等（下图）。玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用玻璃钢应用于体育用品玻
5、璃钢应用于体育用品 在航空工业，在航空工业，CFRP首先在军用飞机中得到应用，首先在军用飞机中得到应用，如美国如美国F14、F16、F18上主翼外壳、后翼、垂直上主翼外壳、后翼、垂直安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主旋翼和安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主旋翼和机身等。现在甚至在研究全机身机身等。现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。同样的战斗机。同样，在民用飞机中也在大量采用，在民用飞机中也在大量采用CFRP，如波音，如波音B757、B777上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。CFRP在民用飞机中的应用在民用飞机中的应用第一节概述第一节
6、概述聚合物基复合材料成形通常有一聚合物基复合材料成形通常有一步法与二步步法与二步法法之分。之分。一、一、“一步法一步法”（湿法）内容及特点（湿法）内容及特点 1内容：内容：由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍，一由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍，一步固化成形形成复合材料。步固化成形形成复合材料。2特点：特点：（1）优点：工艺简单，设备简单。）优点：工艺简单，设备简单。（2）缺点：溶剂、水分等挥发物不易）缺点：溶剂、水分等挥发物不易去除，裹入制品形成孔洞，树脂不易分去除，裹入制品形成孔洞，树脂不易分布均匀，在制品中形成富胶区和贫胶区布均匀，在制品中形成富胶区和贫胶区，严重时会因纤维浸渍不好而出现，严
7、重时会因纤维浸渍不好而出现“白白丝丝”现象，生产效率低，环境恶劣。现象，生产效率低，环境恶劣。二、二、“二步法二步法”（干法）内容及特点（干法）内容及特点 1内容：内容：预先将纤维浸渍树脂，或纤维树脂预预先将纤维浸渍树脂，或纤维树脂预先混合，经过一定处理，使浸渍物或混先混合，经过一定处理，使浸渍物或混合物成为一种干态或稍有粘性的材料，合物成为一种干态或稍有粘性的材料，即半成品材料，再用它形成复合材料制即半成品材料，再用它形成复合材料制品。品。2特点：特点：将浸渍过程提前，很好的控制含胶量和将浸渍过程提前，很好的控制含胶量和解决纤维树脂均匀分布问题。在半成品制解决纤维树脂均匀分布问题。在半成品制
8、备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分，备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分，降低了制品的空隙率，也改善了复合材料降低了制品的空隙率，也改善了复合材料成型作业的环境。通过半成品的质量控制成型作业的环境。通过半成品的质量控制，确保复合材料制品的质量。，确保复合材料制品的质量。第二节高分子复合材料成形用第二节高分子复合材料成形用半成品的制备半成品的制备 一、纤维增强热塑性塑料一、纤维增强热塑性塑料粒料粒料的制造的制造 1长纤维型粒料的制造工艺长纤维型粒料的制造工艺 一般采用一般采用电缆包覆法制造电缆包覆法制造。其工艺流。其工艺流程如下：程如下：2短纤维型粒料的制造工艺短纤维型粒料的制造工艺解决高熔融粘度
9、树脂的长纤维型粒料解决高熔融粘度树脂的长纤维型粒料中纤维分布不均的缺点。中纤维分布不均的缺点。树脂干燥树脂干燥+纤维短切纤维短切初混合初混合挤出挤出切粒切粒粒料干燥粒料干燥包装包装 二、短纤维增强热固性模塑料的制造方法二、短纤维增强热固性模塑料的制造方法 模塑料：模塑料：即短纤维预浸料，由树脂浸渍短即短纤维预浸料，由树脂浸渍短纤维烘干制成，因通常用于模压工艺，故纤维烘干制成，因通常用于模压工艺，故称之为模塑料。称之为模塑料。1组成组成 （1）树脂：酚醛树脂、氨基树脂、环）树脂：酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、有机硅树脂等。氧树脂、有机硅树脂等。（2）纤维：玻璃纤维、石棉、有机纤）纤维：玻璃纤维、
10、石棉、有机纤维、碳纤维等。维、碳纤维等。2制造方法制造方法 （1）预混合法制造短纤维模塑料）预混合法制造短纤维模塑料生产工艺：配胶生产工艺：配胶+纤维预处理纤维预处理+添加剂添加剂浸渍与混合浸渍与混合撕松撕松烘干烘干并批。并批。特点：纤维松散无定向，流动性好，易特点：纤维松散无定向，流动性好，易做形状复杂的小型模压制品；纤维的强做形状复杂的小型模压制品；纤维的强度损失较大，不宜制作强度要求很高的度损失较大，不宜制作强度要求很高的模压制品。模压制品。（2）预浸渍法制造短纤维模塑料）预浸渍法制造短纤维模塑料生产工艺：连续纤维束生产工艺：连续纤维束胶槽、浸渍胶槽、浸渍刮胶辊刮胶辊烘干烘干切割切割 特
11、点：连续生产，成束状，比较紧密，特点：连续生产，成束状，比较紧密，纤维损伤较少，质量均匀；生产量小，纤维损伤较少，质量均匀；生产量小，流动性及料束间的互溶性较差。流动性及料束间的互溶性较差。（3）挤出法制造短纤维模塑料）挤出法制造短纤维模塑料生产工艺：配料生产工艺：配料混合混合单螺杆挤出机单螺杆挤出机（加热熔融）（加热熔融）特点：不必使用有机溶剂，改善了劳动特点：不必使用有机溶剂，改善了劳动卫生条件，降低了成本，产品质量稳定卫生条件，降低了成本，产品质量稳定，生产连续化、自动化；玻璃纤维在螺，生产连续化、自动化；玻璃纤维在螺杆中被磨损、剪断的情况比较严重，降杆中被磨损、剪断的情况比较严重，降低
12、了塑料的强度。低了塑料的强度。三、片状模塑料三、片状模塑料SMC的制造方法的制造方法 片状模塑料：用多组分的不饱和聚酯树片状模塑料：用多组分的不饱和聚酯树脂充分浸渍短切玻璃纤维，并在上下面脂充分浸渍短切玻璃纤维，并在上下面覆盖聚乙烯薄膜而获得的片状夹芯形成覆盖聚乙烯薄膜而获得的片状夹芯形成的模塑料。的模塑料。聚乙烯薄膜：防止污染、交联剂苯乙烯聚乙烯薄膜：防止污染、交联剂苯乙烯的蒸发。使用时，需撕掉聚乙烯薄膜。的蒸发。使用时，需撕掉聚乙烯薄膜。四、复合材料成形用连续纤维预浸料的制造四、复合材料成形用连续纤维预浸料的制造方法方法 纤维预浸料：将树脂浸涂到连续纤维或纤纤维预浸料：将树脂浸涂到连续纤维
13、或纤维织物上，通过一定的处理过程，所形成维织物上，通过一定的处理过程，所形成的一种储存备用的半成品，是制造连续纤的一种储存备用的半成品，是制造连续纤维增强复合材料的重要中间材料。维增强复合材料的重要中间材料。按树脂浸渍纤维方法不同，将预浸料制造按树脂浸渍纤维方法不同，将预浸料制造方法分为：方法分为：1溶液浸渍法：溶液浸渍法：一种湿法工艺，与浸渍法制备短纤维模一种湿法工艺，与浸渍法制备短纤维模塑料一样。塑料一样。生产工艺：各组分溶解到溶剂生产工艺：各组分溶解到溶剂+纤维纤维烘烘干（除溶剂）干（除溶剂）按需切割按需切割 2热熔浸渍法和胶膜辗压法热熔浸渍法和胶膜辗压法干法工艺干法工艺 （1）熔融法：
14、）熔融法：熔融树脂熔融树脂(加隔离纸加隔离纸)涂于纤维上涂于纤维上纤维纤维另一面附一层隔离纸另一面附一层隔离纸压实辊压实辊收卷。收卷。（2）胶膜法：）胶膜法：与熔融法类似，差别在于树脂形成胶与熔融法类似，差别在于树脂形成胶膜，而非由熔融漏斗流出。膜，而非由熔融漏斗流出。3粉末法制备预浸料粉末法制备预浸料 （1）粉末静电法：在连续纤维表面沉）粉末静电法：在连续纤维表面沉积带电树脂粉末，用辐射加热方法使聚积带电树脂粉末，用辐射加热方法使聚合物粉末永久的粘附在纤维上。合物粉末永久的粘附在纤维上。（2）粉末悬浮法：）粉末悬浮法：水悬法：水中悬浮的树脂颗粒粘附水悬法：水中悬浮的树脂颗粒粘附到连续运动的纤
15、维上；到连续运动的纤维上；气悬浮：细度为气悬浮：细度为1020m聚合物颗聚合物颗粒在硫化床中悬浮，粘附到连续运动的粒在硫化床中悬浮，粘附到连续运动的纤维上。纤维上。第三节高分子复合材料的成形第三节高分子复合材料的成形工艺工艺 一、概述一、概述 1纤维增强高分子基复合材料成形方法分纤维增强高分子基复合材料成形方法分类类 （1）闭模成形：模压成形、注射成形、）闭模成形：模压成形、注射成形、树脂传递模塑、增强反应性注射成形；树脂传递模塑、增强反应性注射成形；（2）开模成形：手糊成形、喷射成形、真）开模成形：手糊成形、喷射成形、真空袋成形、压力袋成形、缠绕成形、拉空袋成形、压力袋成形、缠绕成形、拉挤成
16、形、离心浇注成形；挤成形、离心浇注成形；（3）其它：编织、吸积（吸胶）成形。）其它：编织、吸积（吸胶）成形。2高分子复合材料成形三要素高分子复合材料成形三要素 （1）赋形：在于增强材料如何达到均）赋形：在于增强材料如何达到均匀或保证在特定的方向上排列；匀或保证在特定的方向上排列；（2）浸渍：将增强材料间的空气置换为基）浸渍：将增强材料间的空气置换为基体树脂，形成良好的界面粘接和复合材体树脂，形成良好的界面粘接和复合材料的低空隙率；料的低空隙率；（3）固化：热固性树脂发生交联的化学反）固化：热固性树脂发生交联的化学反应，形成三向网络基体材料。热塑性树应，形成三向网络基体材料。热塑性树脂则是冷却硬
17、化定型的过程。脂则是冷却硬化定型的过程。3复合材料制品的成形特点：复合材料制品的成形特点：（1）除模压和注射成形外，各种工艺方）除模压和注射成形外，各种工艺方法都采用低压成形（压力一般在法都采用低压成形（压力一般在1020kg/cm2以下），这使制造大型制品带以下），这使制造大型制品带来方便，对成形设备和工艺装备的要求来方便，对成形设备和工艺装备的要求降低；降低；（2）一般塑料制品成形时，施压作用有：）一般塑料制品成形时，施压作用有：使塑料产生流动，即克服塑料本身粘滞流使塑料产生流动，即克服塑料本身粘滞流动阻力和塑料与模具相对运动的摩擦阻力；动阻力和塑料与模具相对运动的摩擦阻力；排除低分子物压
18、紧材料，使之与模具形状排除低分子物压紧材料，使之与模具形状吻合，并得到致密均匀的制品。吻合，并得到致密均匀的制品。（3）纤维复合材料制品能用低压成形，主）纤维复合材料制品能用低压成形，主要原因是采用了如下几点措施：要原因是采用了如下几点措施：使填料预成形：减少相对流动及材使填料预成形：减少相对流动及材料与模具摩擦力；料与模具摩擦力；采用可低压成形的树脂配方：放出采用可低压成形的树脂配方：放出的挥发性副产物较少；的挥发性副产物较少；利用弹性介质传递压力：使压力垂利用弹性介质传递压力：使压力垂直作用于制品表面，加压效果好。直作用于制品表面，加压效果好。二、各种成形工艺方法简介二、各种成形工艺方法简
19、介 1手糊成形工艺手糊成形工艺（1）定义：以手工作业为主成形复合材料制）定义：以手工作业为主成形复合材料制件的方法件的方法（2）特点：）特点：适于多品种，小批量生产，不受制品尺适于多品种，小批量生产，不受制品尺寸、形状限制；寸、形状限制；生产效率低，劳动强度大，质量不稳定生产效率低，劳动强度大，质量不稳定，性能差。，性能差。2喷射成形工艺喷射成形工艺（1）定义：通过喷射的树脂流与短纤维）定义：通过喷射的树脂流与短纤维混匀，沉积在开模上，压实固化成制件混匀，沉积在开模上，压实固化成制件的方法。的方法。（2）特点：生产效率高，劳动强度低，）特点：生产效率高，劳动强度低，节省原材料，制品无搭接缝，整
20、体性好节省原材料，制品无搭接缝，整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；但场地，制件的形状和尺寸不受限制；但场地污染大，制件的承受能力低。污染大，制件的承受能力低。3纤维缠绕成形纤维缠绕成形（1）定义：将浸渍树脂的纤维丝束或带，）定义：将浸渍树脂的纤维丝束或带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化成为制品的方法。成为制品的方法。（2）分类：）分类：干法缠绕：在缠绕机上对预浸胶带干法缠绕：在缠绕机上对预浸胶带加热软化再缠绕在芯模上；加热软化再缠绕在芯模上；湿法缠绕：将纤维经集束、浸胶后，湿法缠绕：将纤维经集束、浸胶后，在张力控制下直接缠绕在芯模上再固化在张力控制下直接
21、缠绕在芯模上再固化成形；成形；半干法缠绕：在纤维浸胶到缠绕到芯半干法缠绕：在纤维浸胶到缠绕到芯模过程中加一烘干设备，将纱带胶液中模过程中加一烘干设备，将纱带胶液中的溶剂基本上清除掉。的溶剂基本上清除掉。（3）特点：）特点：纤维能保持连续完整，可连续化生纤维能保持连续完整，可连续化生产；产；设备复杂，工艺质量不易控制。设备复杂，工艺质量不易控制。4袋压成形袋压成形 （1）定义：借助成形袋与模具之间抽）定义：借助成形袋与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使复真空形成的负压或袋外施加压力，使复合材料坯料紧贴模具，经固化成形的方合材料坯料紧贴模具，经固化成形的方法。法。（2）分类：）分类：真空袋
22、成形：真空袋成形：固化时利用抽真空产生的大气负压，对固化时利用抽真空产生的大气负压，对制品施加压力的成形方法；制品施加压力的成形方法；压力袋成形：通过向压力袋通入压缩空压力袋成形：通过向压力袋通入压缩空气实现制品加压固化的成形方法；气实现制品加压固化的成形方法；真空袋真空袋-热压罐成形：利用热压罐内部程热压罐成形：利用热压罐内部程控温度的静态气体压力，使复合材料叠控温度的静态气体压力，使复合材料叠层坯料在一定的温度和压力下完成固化层坯料在一定的温度和压力下完成固化过程的成形方法。过程的成形方法。1-橡皮囊；橡皮囊；2-成型套；成型套；3-模具；模具；4-毛坯；毛坯；5-弓形夹；弓形夹；6-热压
23、罐；热压罐；7-底板；底板；5模压成形：将一定量的模塑料放入金属模压成形：将一定量的模塑料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使对模中，在一定的温度和压力作用下，使模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔，成形固化而获得制品的方法。满模腔，成形固化而获得制品的方法。6拉挤成形：将浸有树脂的纤维连续通过拉挤成形：将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余树脂，一定型面的加热口模，挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。在牵引条件下进行固化。连续生产固定截面型材的成形方法。连续生产固定截面型材的成形方法。7树脂传递模塑（树脂传递模塑（RTM）：）：
24、也称压注成形，是通过压力将树脂注入也称压注成形，是通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润其中的纤维织物坯件密闭的模腔，浸润其中的纤维织物坯件，然后固化成形的方法。，然后固化成形的方法。8注射成形注射成形 （1）定义：将纤维增强的粒料从料斗）定义：将纤维增强的粒料从料斗加入注射成形机的料筒，受热熔化至流加入注射成形机的料筒，受热熔化至流动状态，以很高的压力和较快速度注入动状态，以很高的压力和较快速度注入温度较低的闭合模具内，在模具内固化温度较低的闭合模具内，在模具内固化，脱模即得到制品的成形方法。，脱模即得到制品的成形方法。（2）分类：）分类：反应注射成形：使两种高活性的液反应注射成形：使两种高活性的液状单体在高压下碰撞混合，并在模具中状单体在高压下碰撞混合，并在模具中迅速发生聚合反应的工艺方法。迅速发生聚合反应的工艺方法。增强反应注射成形：在反应注射成增强反应注射成形：在反应注射成形基础上发展起来的，在单体中加入增形基础上发展起来的，在单体中加入增强材料制成复合材料制品的工艺。强材料制成复合材料制品的工艺。9离心浇注成形：离心浇注成形：将纤维和树脂置于旋转模的内表面，借助将纤维和树脂置于旋转模的内表面，借助模具转动的离心力将物料压紧，并排除其模具转动的离心力将物料压紧，并排除其中的空气，固化后得到制件的方法。中的空气，固化后得到制件的方法。
