聚合物基复合材料14891.ppt

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1、3 聚合物基复合材料 3.1 概述,3.1.1 聚合物基复合材料的发展第一阶段：1942年至1960年代，玻璃纤维/不饱和聚酯树脂（GFRP）第二阶段：1965年，发明碳纤维，高比模量、高比强度先进聚合物基复合材料第三阶段：1972年，发明芳纶纤维，高比模量、高比强度先进聚合物基复合材料第四阶段：1980年代后期，发明超高分子量聚乙烯纤维第五阶段：1990年代，美国陶氏和日本东洋纺合作开发聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO），具有高阻燃性（在空气中分解温度高达650）。,3.1.2 聚合物基复合材料的定义和分类1定义：由一种或多种微米级或纳米级的增强材料，分散于聚合物基体中，并通过适当制造工艺过程

2、制备的复合材料。2分类（1）按增强材料的几何形状分：连续纤维、颗粒、晶须、短纤维增强聚合物基复合材料；（2）按增强材料的种类分：玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维增强、硼纤维增强聚合物基复合材料。（3）按基体材料分类：热固性树脂基复合材料（不饱和聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺等），热塑性树脂基复合材料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）等）。,3.1.3 聚合物基复合材料的特点1比强度和比模量高（见表3-1）。2可设计性好。整体成型，一般不需焊、铆、切割等二次加工，工艺过程比较简单。3尺寸稳定性好。比金属的热膨胀系数低，成型后收缩也

3、小。4卓越的耐腐蚀性。可用于防腐设施。5抗疲劳性能好。此外，还具有良好的加工性能、优越较低的综合成本、优良的减振性能、过载安全性等。缺点：部分原材料昂贵，湿热环境下性能变化、断裂伸长率小、抗冲击强度差等。,表3-1 各种单向连续纤维增强聚合物基复合材料（Vf=60%）与金属性能的对比,3.2 聚合物基体,3.2.1 概述3.2.1.1 基体作用（1）将增强纤维粘合成整体并使纤维位置固定，传递载荷，并使载荷均匀。（2）决定复合材料的一些性能，如耐热性、横向性能、剪切性能、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性、耐水性等。（3）决定复合材料的成型工艺及工艺参数选用。（4）保护纤维免受损伤。3.2.1.2 分

4、类（1）按热加工特性分：热固性和热塑性树脂。有非晶和结晶两类结构。（2）按树脂性能和用途特点分：一般用途树脂、耐热树脂、耐候树脂、阻燃树脂等。（3）按成型工艺分：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂、RTM用树脂、SMC用树脂等。,图3-1 晶态聚合物分子晶区和非晶区示意图,3.2.1.3 固态高聚物的性能三个特征温度：玻璃化温度Tg、熔点Tm、粘流温度Tf（图3-2）。热塑性树脂的Tg是固定的，热固性树脂的Tg随交联程度增加而增加。3.2.1.4 基体的选择（1）能够满足制品的应用技术要求、某些特殊使用要求，具有高强度、高模量。（2）对纤维、织物具有良好的润湿性和粘结性

5、。（3）具有合适的粘度和流动性。（4）固化条件适当，应在室温、中温，无压或低压下固化。（5）脱模性能好。（6）原料价格合理。,图3-2 聚合物玻璃态、高弹态、粘流随温度的转变关系,3.2.2 热固性基体不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺、聚氨酯、有机硅等。3.2.2.1 不饱和聚酯树脂1定义不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液，由不饱和的二元羧酸或酸酐、饱和的二元羧酸或酸酐与二元醇缩聚而成，在缩聚反应后加入乙烯基类单体（通常苯乙烯）配成黏稠的液体树脂。制备工艺：不饱和聚酯的合成（反应釜）和用苯乙烯稀释聚酯（稀释釜）两部分。,不饱和聚酯树脂的生产工艺流程图

6、1反应釜；2坚冷凝器；3横冷凝器；4接受器；5稀释釜；6液体加料管,表3-2 常见热固性树脂材料的物理性能,2不饱和聚酯树脂的原料（1）原材料A二元酸不饱和二元酸（酐）：提供分子链中的双键。顺酐（顺丁烯二酸酐，即马来酸酐）最常用。饱和二元酸（酐）：降低聚酯的结晶性，增加与交联单体的相容性。邻苯二甲酸酐（苯酐）常用。顺酐/苯酐=1，通用型不饱和聚酯；顺酐/苯酐1，凝胶时间、折射率、黏度下降，耐热性、耐溶剂性、耐腐蚀性提高；顺酐/苯酐1，固化不良，力学性能降低。,B二元醇1,2-丙二醇：具有不对称的甲基，结晶倾向小，与苯乙烯有良好的相容性。乙二醇：具有对称结构，制得的聚酯有强烈的结晶倾向，与苯乙烯

7、相容性较差。还有一缩二乙二醇或一缩二丙二醇、二酚基丙烷二丙二醇醚（D-33单体）等。C交联单体苯乙烯，结构简式C6H5CH=CH2，苯乙烯与不饱和聚酯相容性良好，固化时与聚酯中的不饱和双键很好地共聚，树脂具有良好的综合性能，且价格便宜，最常用。还有乙烯基甲苯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸甲酯、烯丙基酯类单体等。柔性不饱和聚酯中不饱和酸比例较低、苯乙烯含量较高，拉伸强度较高；不饱和酸比例较高的树脂，需要的苯乙烯含量较低，苯乙烯含量过高脆性增大、热变形温度下降。,表3 常用不饱和聚酯树脂的原料配比,4不饱和聚酯树脂的固化引发剂：指在聚合反应中能使单体分子或线型分子链中含有双键的低分子活化而成为游离基，并

8、进行连锁反应的物质，引发树脂固化。引发剂主要是过氧化物和氧化-还原体系。过氧化物又可分为氢过氧化物、烷基过氧化物、酰基过氧化物、酮过氧化物、过氧脂类。促进剂：指聚酯树脂在固化过程中，能降低引发剂引发温度，促使有机过氧化物在室温下产生游离基的物质。环烷酸钴离解出Co2+，Co2+使过氧化环己酮形成初级自由基。增稠剂：能与聚酯链末端的羧基反应，使不饱和聚酯粘度很快增大到103Pas的助剂。但此时树脂并未交联，加热进仍具有流动性。用于SMC或BMC，碱土金属氧化物或氢氧化物。,不饱和聚酯树脂的固化过程示意图,5性能特点力学性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能好。可以室温固化，制备纤维增强树脂（玻璃钢），特别

9、适合制造大型制品，适用于手糊成型、喷射成型、RTM成型、模压成型、缠绕成型、拉挤成型等各种方法。成本低廉。表3-3 常用刚性不饱和聚酯树脂的介电性能,3.2.2.2 环氧树脂1定义和分类环氧树脂（EP）：分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的低聚物统称为环氧树脂。20世纪30年代合成，40年代工业化。使用时加入固化剂，使环氧基相互连接或使固化剂与环氧基团反应生成三维网络结构。环氧树脂可按分子结构分为缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺、线性脂肪族和环型脂肪族五类。工业上用量最大的是缩水甘油醚型环氧树脂，其中主要是双酚A型环氧树脂（90%），由二酚基丙烷（双酚A）与环氧氯丙烷缩聚而成。2双酚A型环

10、氧树脂的原料和合成二酚基丙烷（DPP）。白色晶体，主要用于制备环氧树脂(约占65)和聚碳酸酯（约占35。环氧氯丙烷（ECP）。无色油状液体，有氯仿刺激气味。氢氧化钠作催化剂，加成反应，分解出NaCl和H2O。,3环氧树脂的固化剂、稀释剂和增韧剂（1）固化剂环氧树脂固化剂按固化机理分为加成型和催化型。加成型固化剂：可与环氧树脂分子进行加成反应，通过逐步聚合反应历程，使它交联成体形网状结构。如脂肪胺类、芳香族、脂肪环类、改性胺类、酸酐类、聚酰胺等。（2）稀释剂降低环氧树脂的粘度，提高渗透性和浸润性，还可控制固化反应、延长树脂-固化剂体系适用期。活性稀释剂含活性环氧基或其它活性基团，常用环氧丙烷烯醚

11、、环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚等。（3）增韧剂能改善固化物的抗冲击强度和耐热冲击性能，减少固化时的反应热及收缩性。活性增韧剂，含有各种活性基团如环氧基、巯基、氨基等，常用聚酰胺、聚硫橡胶、环氧化聚丁二烯树脂和丁腈橡胶等。,4环氧树脂的技术指标（1）环氧值。环氧值是鉴别环氧树脂性质的最主要的指标，工业环氧树脂型号就是按环氧值不同来区分的。环氧值是指每100g树脂中所含环氧基的物质的量数。环氧当量是含有1mol环氧基的环氧树脂克数。环氧值的倒数乘以100就称之为环氧当量。（2）无机氯含量。树脂中的氯离子能与胺类固化剂起络合作用而影响树脂的固化，同时也影响固化树脂的电性能，因此氯含量也是环氧树脂的

12、一项重要指标。（3）有机氯（总氯）含量。树脂中的有机氯含量标志着分子中未起闭环反应的那部分氯醇基团的含量，其含量应尽可能地降低，否则也要影响树脂的固化及固化物的性能。（4）挥发分。表示溶剂或水的脱除情况。（5）粘度或软化点。,5性能特点（1）形式多样，不同的树脂、固化剂和改性剂可以适应各种应用要求。（2）固化方便，选用不同固化剂，可以在8180内固化。（3）粘附力强，固有极性的羟基和醚基，具有很高的粘附力。（4）收缩率低，固化是加成反应，没有水或小分子放出，收缩率一般2%。（5）力学性能优良。（6）良好的电学性能，介电、耐表面漏电、耐电弧的绝缘材料。（7）耐化学腐蚀，耐酸、耐碱和耐溶剂性好。使

13、用范围最广，用于主承力结构和耐腐蚀结构。,3.2.2.3 聚酰亚胺树脂（PI）聚酰亚胺是由芳香族四酸二酐与芳香族二胺经缩聚反应形成聚酰胺酸，再进一步脱水环化得到的一类高温树脂，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，使用温度可达180275。还具有突出的机械力学性能。双马来酰亚胺树脂（BMI）是由马来酸酐与芳香族二胺反应生成预聚体，再经高温交联而成的综合性能优异的热固性树脂，综合了聚酰亚胺与环氧树脂的特点。使用温度达-65230，而且工艺性能优异。,3.2.2.4 酚醛树脂1定义、特点与应用酚醛树脂：由酚类和醛类的缩聚产物。通常由苯酚和甲醛缩聚、中和、水洗而制成。价格低、阻燃、耐热（180）、耐烧

14、蚀。用于航天飞行器的耐烧蚀材料、隔热板、磨擦材料等。2酚醛树脂的固化与固化剂（1）固化方法：加热固化与酸固化。（2）固化剂：有机酸，如苯磺酸、甲基苯磺酸、苯磺酰氯等。3酚醛树脂的改性脆性大、吸潮、粘附力小。（1）聚乙烯醇缩醛：降低酚醛树脂的脆性，增加复合材料的力学强度。（2）苯胺：优良的电性能。（3）二甲苯：引入疏水性结构的二甲苯环，耐水性、耐碱性、耐热性及电绝缘性能得到改善。（4）硼改性：硼改性酚醛树脂的耐热性、瞬时耐高温性、耐烧蚀好，优良的耐烧蚀材料。,表3-4 热固性树脂及复合材料的主要使用特性和用途,3.2.3 热塑性基体20世纪80年代开始发展，基体主要是热塑性工程塑料：PP（Pol

15、ypropylene）聚丙烯PE（Polythylene）聚乙烯PA（Polyamide）聚酰胺PBT（polybutylene terephthalate）聚对苯二甲酸丁二醇酯PEI（Polyetherimide）聚醚酰亚胺PC（Polycarbonate）聚碳酸脂PEEK（Polyether ether ketone）聚醚醚酮PEKK（Polyether ketone ketone）聚醚酮酮PES（Polyethersulfone）聚醚砜PAI（polyamide polyimide）聚酰胺-酰亚胺,性能特点：（1）密度小、强度高。一般1.11.6g/cm3，比热固性塑料轻1/41/3。（

16、2）性能可设计性的自由度大。（3）热性能好。可提高耐热温度，PEEK从220提高到310（玻璃纤维30%）；降低热膨胀系数和收缩率。（3）耐化学腐蚀性好。耐水性优于热固性树脂。（5）电性能好。介电性能、绝缘性能等。,3.3 聚合物基复合材料界面,3.3.1 聚合物基复合材料界面的形成第一阶段：基体与纤维的接触和浸润。优先吸附那些能降低其表面能的物质，因此界面层的组成、结构与基体不同。第二阶段：聚合物的固化，形成固定的界面层。3.3.2 改善聚合物基复合材料界面的原则改善聚合物基复合材料界面的途径：（1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度热塑性树脂熔体粘度高，很难通过纤维之间狭小的空隙浸润到单根纤

17、维表面，延长浸润时间、增加压力、降低熔体粘度、改善织物结构等方法。热固性树脂粘度低，又可溶解在溶剂中，有利于浸润，生产上可先形成预浸料，再成型。,（2）适度的界面结合强度界面结合强度太低，容易发生界面脱粘破坏，纤维拔出长度太长，不能充分发挥作用。界面结合强度太高，脆性太大，韧性太差，复合材料破坏时裂纹容易扩散到界面，直接冲击增强材料而呈脆性破坏。界面结合强度适中，裂纹沿着界面扩展，形成曲折路径，耗散能量，提高强度和韧性。（3）减少复合材料成型中形成的残余应力因为基体与增强材料的物理性质不同，在界面上产生残余应力，使界面应力的能力下降，导致材料力学性能下降。若界面层能够产生形变，可以吸收微裂纹增

18、长的能量，抑制微裂纹尖端扩展，有效地松驰界面残余应力。（4）调节界面内应力和减缓应力集中界面在基体和纤维之间传递应力，界面上应力集中使材料强度降低。通过控制复合材料成型过程的冷却历程，或对材料适当热处理，可以消除或减少界面上的应力集中。,3.3.3 聚合物基复合材料的界面及改善途径3.3.3.1 原位复合材料及刚性粒子增韧聚合物体系界面刚性粒子增强聚合物基复合材料，要求聚合物对刚性粒子良好的浸润性，有利于其分散；还要求适宜的界面粘结强度。PP/高岭土体系，界面改性剂结构式：CH3(CH2)n(CH2-O-CH2)mSi(OCH3)3硬粒子增韧环氧体系，模量和强度未受影响，但断裂能与体系中交联剂

19、有密切关系。,图3-3 冲击强度与高岭土用量的关系 1表面未经改性处理 2表面改性处理,3-4 体系中交联剂用量对断裂能的影响,3.3.3.2 纤维聚合物基复合材料的界面1纤维表面偶联剂改性有机硅烷偶联剂通常含有两类功能性基团，通式为RnSi(CH2)nX3，其中R代表有机（能与树脂反应或与树脂相互溶解）基团；X指可水解（与玻璃纤维表面发生反应的）基团，通常为-Cl、-O(CH3)、-N(CH3)2等。玻璃纤维表面含有极性较强的硅羟基，能与硅烷偶联剂的硅烷水解产物缩合，同时硅烷之间缩聚，使纤维表面极性较强的羟基转变为极性较弱的醚基，纤维表面被R基覆盖。（1）有机硅烷水解，生成硅醇。（2）玻璃纤

20、维表面吸水，生成羟基。（3）硅醇与玻璃纤维表面反应。A硅醇与玻璃纤维表面生成氢键。B低温干燥，硅醇间进行醚化反应。C高温干燥，硅醇与玻璃纤维进行醚化反应。,表3-6 应用偶联剂后几种复合材料抗弯强度的变化,2在纤维上涂覆界面层（1）涂覆高聚物形成可塑层。例如将热塑性聚合物PHE（聚酚氧树脂）涂覆在碳纤维表面，PHE上的羟基与环氧基偶联发生反应形成醚键，与碳纤维表面的羟基偶联形成酯键，同时形成能消除应力的可塑层。（2）涂覆高聚物形成不收缩涂层。可消除树脂固化收缩产生的残余应力，提高制品性能。,3增强表面改性玻璃纤维、碳纤维与树脂的界面粘结力不强，需要通过改性增强树脂对其润湿性和粘结性。（1）等离

21、子体法。等离子体使纤维表面形成含氧活性基团如-COOH、-C=O、C-OH等，容易与树脂形成化学键合。（2）阳极氧化。碳纤维为阳极，镍板或石墨为阴极，在含氢氧化钠、碳酸氢铵、硝酸、硫酸等电解质中通电，用初生态氧对碳纤维表面进行氧化蚀刻，处理时间几秒至几十分钟，常用。（3）电聚合法。使单体在电极（碳纤维）上聚合或共聚，形成柔性界面层，松驰界面应力，提高韧性。常用丙烯酸系、丙烯酸酯系、丙烯腈、乙烯基酯、苯乙烯等。玻璃纤维/PP复合材料，顺丁烯二酸酐（MAH）为接枝单体，在紫外光照射下接枝共聚，接枝率达1%，性能明显提高。（4）臭氧氧化法。臭氧对碳纤维表面氧化处理，形成含氧活性基团。复合材料层间剪切

22、强度提高36%56%，达10.6MPa。,表3-7 固相光接枝PP含量对玻璃纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响,3.4 聚合物基复合材料的制备工艺,聚合物基复合材料制备工艺分一步法和二步法。成型：将预浸料根据产品要求，铺制成一定形状。固化：在一定温度、时间和压力等因素作用下，使叠层预浸料的形状固定下来，达到预定性能要求。3.4.1 复合材料预浸料、预混料的制备预浸料、预混料由增强材料、树脂、填料和添加剂经混合或浸渍加工而成的半成品,表3-8 预浸料及预混料基本特征,3.4.1.1 预浸料制造1热固性浸料制造（1）溶液浸渍法树脂基体各组分按比例溶解于溶剂（溶液），纤维束或织物通过溶液，使其浸渍定

23、量树脂，再加热除去溶剂。容易浸透，工艺适应性强（可薄可厚），设备投资少，但残留溶剂，易形成空隙。（2）熔融浸渍法直接热熔法：熔融态树脂从漏槽流到上隔离纸上，经刮刀形成厚度均匀的胶膜，经导向辊与纤维或织物复合，经过热鼓时树脂熔化浸渍纤维，再辊压，冷却。胶膜压延法：上、下胶膜与纤维或织物复合。热熔法的优点：工艺过程效率高，树脂含量容易控制，没有溶剂。缺点：厚度大的织物难以浸透，高粘度树脂难浸渍。,图3-8 辊筒缠绕法工艺原理图,图3-9 溶液浸渍法立式预浸过程示意图,图3-10 直接熔融法制备预浸料示意图,图3-11 胶膜压延法制备预浸料示意图,2热塑性预浸料制造预浸渍法和后浸渍法。其中预浸渍法包

24、括溶液浸渍法和熔融浸渍法；后浸渍法包括薄膜层叠法、粉末浸渍法、纤维混杂法、纤维混编法等。薄膜层叠法：将增强材料与树脂薄膜交替铺层，在高温、高压下使树脂熔融并浸渍纤维，制成平板或形状比较简单的制品。粉末浸渍法：将热塑性树脂制成粉末再施加到增强材料上。生产效率高，预浸料柔软，铺层工艺好，浸渍质量高，成型工艺性好，广泛使用。纤维混编法：将基体先纺织成纤维，再与增强纤维共同纺成混杂纱或织物，成型时树脂纤维受热熔化并浸渍增强纤维。,图3-13 薄膜层叠法制备的预浸料结构,图3-14 增强纤维和热塑性树脂纤维的混纺形式,3.4.1.2 预混料制造1片状模塑料（SMC）和散状模塑料（BMC）的制造（1）片状

25、模塑料（SMC）SMC组成：短切玻璃纤维（3.232mm）、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料、内脱模剂、颜料、增稠剂、低收缩添加剂等。按增强纤维形态分：SMC-R（无规则纤维）、SMC-C（连续纤维）、SMC-D（定向纤维）、SMC-R/C、XMC（交织纤维）等。,图3-15 片状模塑料生产工艺流程图,图3-16 各种类型SMC,表3-9 各种SMC复合材料的性能,（2）散状模塑料（BMC）BMC组成：树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料、内脱模剂、颜料、增稠剂、低收缩添加剂等组成树脂糊，与短切玻璃纤维混合捏炼。图3-17 散状模塑料生产工艺流程图,2玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材（GMT）的制

26、造增强纤维：无碱玻璃纤维无纺毡或连续纤维；热塑性塑料：聚丙烯、聚酯（PET）和聚碳酸酯（PC）。（1）熔融浸渍法：两层毡与三层PP薄膜复合。（2）悬浮沉积法：类似造纸，短切玻璃纤维与热塑性塑料粉末分散在水中，悬浮液在筛网上过滤形成湿片，干燥，加热，辊压。,图3-18 层合片材结构,图3-19 随机分布纤维片材结构,图3-20 GMT的熔融法制造工艺原理图,图3-21 GMT的悬浮浸渍法工艺原理图,3.4.2 手糊成型法1工艺过程先在模具上涂刷树脂混合物，再铺一层纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，浸胶、排气，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，重复。然后，热压成型或者自然固化成型，脱模。2

27、特点优点：（1）不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产。（2）设备简单、投资少、折旧费低。（3）易于满足产品设计要求，可以在不同部位任意增补增强材料。（4）制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。缺点：（1）生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。（2）产品质量不易控制，性能稳定性不高。（3）产品力学性能较低。树脂：能在室温下凝胶、固化，并在固化过程中无低分子物产生；粘度适当，适宜胶液粘度为0.20.8Pas；无毒或低毒。增强材料：主要玻璃纤维及其织物，少量碳纤维、芳伦纤维和其他纤维。纤维含量低，一般25%55%。,图3-22 手糊成型工艺示意图,图3-23 手糊成型工艺流程图,

28、3脱模剂和模具（1）脱模剂为使制品与模具分离而附于模具成型面的物质称为脱模剂，保证制品表观质量和模具完好无损。分内、外脱模剂两大类。手糊成型用的是外脱模剂：A薄膜型脱模剂：有聚酯薄膜，聚乙烯醇薄膜，玻璃纸等，其中聚酯薄膜用量较大。B混合溶液型脱模剂：其中聚乙烯醇溶液应用最多。C蜡型脱模剂：使用方便，省工省时省料，脱模效果好，价格不高，应用广泛。（2）手糊成型模具手糊成型模具分单模和对模两类，根据需要设计成整体式或拼装式，以保证结构复杂的制品脱模便利。目前应用最普遍的模具材料是玻璃钢。其他模具材料还有：木材、石膏-砂、石蜡、可溶性盐、低熔点金属、金属等。,4固化固化度表明热固性树脂固化反应的程度

29、，通常用百分率表示。控制固化度是保证制品质量的重要条件之一。一般通过调控树脂胶液中固化剂含量和固化温度来实现。通常采用常温固化，环境温度应保证在15以上，湿度不高于80%。一般巴柯尔硬度达到15时便可脱模；要求高的制品，巴柯尔硬度达到30时方可脱模。脱模后继续在高于15的环境温度下固化或加热处理。一般在成型后24h可达到脱模强度。脱模后再放置1周左右即可使用。但要达到最高强度值，则需要较长时间。5喷射成型将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷抢中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸

30、透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。,3.4.3 袋压成型借助于成型袋与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使复合材料坏料紧贴模具，从而固化成型的方法。分为：真空袋成型、压力袋成型、热压罐成型三种。优点：仅用一面模具就能得到形状复杂、尺寸较大、质量较好的制品。真空袋成型：在固化时利用抽真空产生的负压对制品施加压力的成型方法（图3-24）。真空袋要有延展性（尼龙薄膜），真空袋内要放透气毡保证真空通路畅通。适用于大尺寸制品如船体、浴缸、飞机部件等。压力袋成型：向气压室通入压缩空气使毛坯加压。压力可达0.250.5MPa热压罐成型：将装有预浸料的真空袋放在热压罐内，抽真空后，边加热、边加压，

31、使制品致密。设备复杂，但温度和压力均匀，成型质量高，用于先进复合材料制备。,图3-24 典型袋系统,3.4.4 缠绕成型1工艺过程将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，在一定张力作用下按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕成型。缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。芯模应有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过程中各种载荷如缠绕张力、固化时的热应力、自重等，满足制品形状尺

32、寸和精度要求以及容易与固化制品分离。芯模材料有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用水溶性高分子材料如以聚烯醇作粘结剂粘结型砂制成芯模。,图3-25 湿法缠绕成型的工艺原理图,缠绕成型机,缠绕成型制品,2特点优点：具有高度的准确性和重复性，纤维按预定要求排列，规整度和精度高；通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点，制品结构合理；纤维含量高（一般70%75%）,比强度和比模量高；质量稳定，生产效率高，便于实现自动化等。缺点：设备投资大，只有大批量生产时才可能降低成本。3适用范围适于制作承受一定内压的回转体中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹

33、放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。,3.4.5 拉挤成型1工艺过程将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物（预浸料）在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材（如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等）。要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用玻璃纤维无捻粗纱，也可使用芳纶纤维、碳纤维等。基体材料以热固性树脂为主，要求树脂粘度低和适用期长，大量使用不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。2特点优点：生产效率高，便于实现自动化；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作用，制品性能稳定可

34、靠；不需要或仅需要进行少量加工；生产过程中树脂损耗少；制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求；其长度可根据需要定长切割。,图3-26 拉挤成型工艺原理图,3.4.6 模压成型法1工艺过程将定量的模塑料放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。2特点优点：生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损制品性能的二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等优点。缺点：模具设计制造复杂，压机及模具

35、投资高，制品尺寸受设备限制，适合于制造批量大的中、小型制品。,图3-28 模压成型工艺过程示意图,图3-27 模压成型示意图,模压成型机,部分模压制品,SMC汽车部件,SMC模压汽车部件,用SMC工艺制造的复合材料后行李厢盖被用在雷诺公司MEGANE CC车上,3模压工艺要点（1）压制前准备预热：为了改善模压料的工艺性能，便于装模和降低制品收缩率，要对模压料预热处理。还可缩短固化时间，降低成型压力。预成型：将模压料在室温下预先压成与制品相似的形状，然后再进行压制。可缩短成型周期，提高生产率及制品性能。装料量的估算：装料量等于模压料制品的密度乘以制品的体积，再加上3%5%的挥发物、毛刺等损耗。脱

36、模剂：在模压中采用外脱模剂和内脱模剂结合使用的办法。（2）压制温度制度：包括装模温度、升温速度、最高温度、恒温、降温及后固化温度等。制品厚度为2535mm时，其成型温度为135143，而更薄的制品就可在170左右成型。一般片状模塑料的成型温度在120170之间。压力制度：包括成型压力、加压时机、放气等。形状简单的制品，仅需1.53.0MPa，形状复杂的制品，如带加强筋、翼、深拉结构等，成型压力可达14.021.0MPa。固化时间（即保温时间）：一般按40smm计算。,3.4.7 树脂传递模塑（RTM）1工艺过程将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备、分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，低压（

37、约0.45MPa）注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品。可以生产高性能、尺寸较大、高综合度、数量中等到大量的产品。RTM主要是通用型不饱和聚酯树脂。增强材料一般以玻璃纤维为主含量为2540%，玻璃纤维毡、短切纤维毡、无捻粗纱布、预成型坯和表面毡等。2特点（1）主要设备（如模具和摸压设备等）投资少，即用低吨位压机能生产较大的制品；（2）生产的制品两面光滑、尺寸稳定、容易组合；（3）可使用多种形式增强材料，纤维含量高达50%60%，允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物；（4）制品设计自由度大，制造模具时间短，大缩短制造周期；（5）闭模成型，因而单体（苯乙烯）挥发少，环

38、境污染小；（6）对树脂和填料的适用性广泛。,图3-29 RTM工艺基本原理示意图,几种成型工艺的关系,RTM成型机,RTM制品,3.4.8 纤维增强热塑性聚合物（FRTP）注射技术热塑性聚合物熔点较高，熔体粘度大，需要高温、高压工艺，但成型周期短。除了手糊、喷射、RTM等方法以外，大多数工艺都可以用于热塑性聚合物，但设备、工艺参数都不相同，要求更高。,3.4.9 注射成型注射成型：将颗粒状树脂、短纤维送人注射腔内加热熔化和混合均匀，并以一定的挤出压力注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。整个过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。要求树脂与短纤维的混

39、合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，一般在30%40%左右。特点：制品精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。常用的注射机有柱塞式和螺杆式两种。普遍使用的是往复螺杆式注射机。,图3-30 注射成型工艺过程示意图,3.5 聚合物基复合材料的力学性能,3.5.1 静态力学性能静态力学性能包括：拉伸、压缩、弯曲、剪切强度和模量、泊松比等，还要分纵向、横向、层间等。1纤维增强聚合物基复合材料的断裂都是完全弹性的，没有屈服点或塑性区，断裂应变小，断裂功小，韧性差。2纤维增强聚合物基复合材料不均匀，强度与承载方向有关。纵向拉伸

40、强度和弹性模量由增强材料决定，远大于横向，也大于压缩强度。3纤维增强聚合物基复合材料的高温力学性能主要由基体控制。基体热变形温度高，强度和模量的保持率较高。,图3-31 单向碳纤维复合材料拉伸强度随纤维方向的变化关系示意图,图3-33 FRP在高温下弯曲模量保持率,图3-34 FRP在高温下弯曲强度保持率,3.5.2 疲劳性能疲劳：指材料在低于静态强度极限的动态载荷反复作用下，经过一段时间后发生破坏，破坏时其强度低于其静态强度，并且与动态载荷的作用次数有关。金属材料、无机材料的疲劳破坏是由里往外突然发展，事先无预兆；聚合物基复合材料破坏前有明显的预兆，疲劳性能优于金属材料。3.5.3 冲击和韧

41、性复合材料抗冲击性能用冲击强度、断裂韧性、冲击后压缩强度来表征。聚合物基复合材料受冲击时吸收的能量用于：纤维破坏、基体变形和开裂、纤维脱粘、纤维拔出、分层等。试验方法：落锤试验，记录冲击次数与裂纹引发与扩展情况。影响抗冲击性能因素：1纤维韧性。玻璃纤维和芳纶纤维较好，碳纤维和硼纤维较差，采用混杂纤维的方法改进。2纤维与基体的界面粘结强度。脱粘会吸收大量能量，因而其韧性较好。3纤维编织方式。三维增强的较好。,图3-36 冲出试验的典型加载历程,思考题,1、RTM成型与模压成型、手糊成型相比有何特点？2、拟生产一批体育馆的玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料座椅，应该采用什么成型工艺？为什么？3、拟生产一批玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料游船，应该采用什么成型工艺？为什么？4、请金属材料专业同学备课“4 金属基复合材料”中“4.2.2 种类金属基体”，下次课请一个同学试讲！,