纤维复合材料及其制造方法ppt课件

1、纤维复合资料及其制造方法沈燕高材101 051006122聚合物基复合资料 聚合物基复合资料PMC是以有机聚合物主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶为基体，延续纤维为加强资料组合而成的。聚合物基体资料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维结实地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传送到纤维上去，并允许纤维接受紧缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种资料在性能上相互取长补短，产生协同效应，资料的综合性能优于原组成资料而满足各种不同的要求，充分展现各自的优点，并能实现最正确构造设计、具有许多优良特性。分类适用PMC通常按两种方式分类。一种以

2、基体性质不同分为热固性树脂基复合资料和热塑性树脂基复合资料；另一种按加强剂类型及在复合资料中分布形状分类。如：玻璃纤维加强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维加强热塑性塑料、碳纤维加强塑料、芳香族聚酰胺纤维加强塑料、碳化硅纤维加强塑料、矿物纤维加强塑料、石墨纤维加强塑料、木质纤维加强塑料等。这些聚合物基复合资料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合资料普通就是指纤维加强塑料。性能特点性能特点 比强度大，比模量大 耐疲劳性能好 减震性好 工艺性好比强度大，比模量大比强度大，比模量大 比强度和比模量是度量资料承载才干的一个目的，比强度越高，同一零件的自重越小；比模

3、量越高，零件的刚性越大。复合资料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合资料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。耐疲劳性能好耐疲劳性能好 疲劳破坏是资料在变载荷作用下，由于裂纹的构成和扩展而构成的低应力破坏。聚合物复合资料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开场，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆，而且纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展。大多数金属资料的疲劳强度极限是其抗拉强度的20-50，而碳纤维/聚酯复合资料的疲劳极限可为其抗拉强度的70-80。减振性好减振性好许多机器和设备如汽车、动力机械等的振动问题非常突出，而复合资料的减振性能好。缘由是纤维加强复合资料比模量大，那么自振

4、频率高，可防止产生共振而引起的早期破坏。另外纤维与界面吸振才干强，故振动阻尼性好，即使发生振动也会很快衰减。 有很好的加工工艺性 延续纤维加强的聚合物基复合资料具有优良的工艺性能，可以经过手糊成型、缠绕成型和拉挤成型等复合资料特有的工艺方法制造制品。它能满足各种类型制品的制造需求，特别适宜于大型制品、外形复杂、数量少制品的制造。聚合物基复合资料的制造方法 聚合物基复合资料的制造把复合资料的聚合物基复合资料的制造把复合资料的制造和产品的制造交融为一体。制造和产品的制造交融为一体。 根据加强体和基体资料种类的不同，需根据加强体和基体资料种类的不同，需求运用不同的制造工艺和方法。求运用不同的制造工艺

5、和方法。根据基体资料不同分类：根据基体资料不同分类： 热固性树脂复合资料的制造方法：手糊成型法、放射成热固性树脂复合资料的制造方法：手糊成型法、放射成型法、模压成型法、注射成型法、型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等。等。 热塑性复合资料的制造方法：模压成型法、注射成型热塑性复合资料的制造方法：模压成型法、注射成型法、法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。模具预模具预备备树脂胶液树脂胶液配制配制加强资料加强资料预备预备涂脱模剂涂脱模剂手糊成型手糊成型固化固化脱模脱模后处置后处置检验检验制品制品手糊成型工艺流手

6、糊成型工艺流程程纤维加强资料和树脂胶纤维加强资料和树脂胶液在模具上铺覆成型，液在模具上铺覆成型，室温室温(或加热或加热)、无压、无压(或或低压低压)条件下固化，脱模条件下固化，脱模成制品的工艺方法。成制品的工艺方法。待浸树脂的加待浸树脂的加强资料强资料压实辊压实辊树脂树脂可选用胶衣可选用胶衣手糊成型表示图手糊成型表示图 胶衣是赋予复合资料制品外表的一胶衣是赋予复合资料制品外表的一层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和耐老化等的对其起到维护作用的外耐老化等的对其起到维护作用的外表涂层。表涂层。 优点：优点：(1) 不受尺寸、外形的限制，适宜尺寸大、批量小、外形复杂产品不受尺

7、寸、外形的限制，适宜尺寸大、批量小、外形复杂产品的消费；的消费； (2) 设备简单、投资少、设备折旧费低，本钱低；设备简单、投资少、设备折旧费低，本钱低； (3) 工艺简单；工艺简单； (4) 可在恣意部位增补加强资料，易满足产品设计要求；可在恣意部位增补加强资料，易满足产品设计要求； (5) 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。 (1) 消费效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差； (2) 产质量量不易控制，性能稳定性差； (3) 产品力学性能较低。缺陷 为改良手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺的为改良手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺

8、的变形。变形。工艺流程工艺流程玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂引发剂引发剂促进剂促进剂加热加热静态混合静态混合切割喷切割喷枪枪放射成放射成型型模具模具辊压辊压固化固化脱模脱模(1)消费效率比手糊法提高消费效率比手糊法提高24倍；倍；(2)利用粗纱替代织物，降低了资料本钱；利用粗纱替代织物，降低了资料本钱；(3)成型过程中无接缝，制品的整体性好；成型过程中无接缝，制品的整体性好；(4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗；减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗；(5)可自在调理产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维可自在调理产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维的长度。的长度。(1) 产品的均匀程度在

9、很大程度上取决于操作工人的产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的熟练程度；熟练程度；(2) 树脂含量高，加强纤维短，制品的强度较低，耐树脂含量高，加强纤维短，制品的强度较低，耐温性能差；温性能差；(3) 因过量喷涂而呵斥原资料损耗大；因过量喷涂而呵斥原资料损耗大；(4) 阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品难度大；品难度大；(5) 现场粉尘大，任务环境恶劣；现场粉尘大，任务环境恶劣；(6) 初期投资比手糊成型大。初期投资比手糊成型大。定义定义 将一定量的模压料放入金属对模中，将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制

10、品在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。的方法。 加热加压的作加热加压的作用用 使模压料塑化、流动，充溢空腔，使模压料塑化、流动，充溢空腔，并使树脂发生固化反响。并使树脂发生固化反响。 有较高的消费效率，适于大批量消费，制品尺寸准确，有较高的消费效率，适于大批量消费，制品尺寸准确，外表光洁，可以有两个精制外表，价钱低廉，容易实现机外表光洁，可以有两个精制外表，价钱低廉，容易实现机械化和自动化，多数构造复杂的制品可一次成型，无需有械化和自动化，多数构造复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的反复性好。损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的反复性好。 压模的设计

11、与制造较复杂，初次投资较高，压模的设计与制造较复杂，初次投资较高，制品尺寸受设备限制，普通只适于制备中、小制品尺寸受设备限制，普通只适于制备中、小型玻璃钢制品。型玻璃钢制品。层压工艺：层压工艺： 将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。制品的一种成型工艺。 缠绕工艺：缠绕工艺： 将浸过树脂胶液的延续纤维或布带，按照一定将浸过树脂胶液的延续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合资料制规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合资料制品的工艺过程。品的工艺过程。

12、决议产品外形的模具决议产品外形的模具绕线筒绕线筒张力控制器张力控制器预浸槽预浸槽小小车车吐丝嘴吐丝嘴芯模芯模缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图浸胶浸胶胶纱纱锭胶纱纱锭张力控制张力控制固化固化打模喷漆打模喷漆脱模脱模芯模制造芯模制造胶液配制胶液配制纱团纱团集束集束烘干烘干络纱络纱加热粘流加热粘流纵、环向缠绕纵、环向缠绕张力控制张力控制纵、环向缠绕纵、环向缠绕废品废品湿湿法法缠缠绕绕成成型型工工艺艺干干法法缠缠绕绕成成型型工工艺艺干法缠绕干法缠绕 将预浸纱带将预浸纱带(或预浸布或预浸布)，在缠绕机上经，在缠绕机上经加热软化至粘流形状并缠绕到芯模上的成型加热软化至粘流形状并缠绕到芯模上的成型工艺过程。工艺

13、过程。湿法缠绕湿法缠绕 将无捻粗纱将无捻粗纱(或布带或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。的成型工艺过程。 半干法缠绕半干法缠绕 将无捻粗纱将无捻粗纱(或布带或布带)浸胶后，随即预烘干，然后浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。缠绕到芯模上的成型工艺方法。 先将树脂和加强纤维制成粒料，然后再先将树脂和加强纤维制成粒料，然后再将粒料参与挤出机内，经塑化、挤出、冷却将粒料参与挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。定型而成制品。1、能加工绝大多数热塑性复合资料及部分、能加工绝大多数热塑性复合资料及部分热固性复合资料；热固性复合资料；2、消费过程延续

14、，自动化程度高；、消费过程延续，自动化程度高；3、工艺易掌握及产质量量稳定等。、工艺易掌握及产质量量稳定等。只能消费线型制只能消费线型制品品 注射成型适用于热塑性和热固性复合资料，以热塑性复合资注射成型适用于热塑性和热固性复合资料，以热塑性复合资料运用最广。料运用最广。 注射成型注射成型 将粒状或粉状的纤维将粒状或粉状的纤维树脂混合料从注射机的料斗送入机树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，经过喷嘴注入温度降低筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，经过喷嘴注入温度降低的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。 间歇式操作过程间歇式操作

15、过程注射成型相对于模压成型的特点：注射成型相对于模压成型的特点： (1) 成型周期短，物料的塑化在注射机内完成。成型周期短，物料的塑化在注射机内完成。(3) 闭模成型，能提高产品精度，保证质量，减少后加工闭模成型，能提高产品精度，保证质量，减少后加工任务量。任务量。 (4) 可使外形复杂的产品一次成型，能防止模腔内嵌件变形或可使外形复杂的产品一次成型，能防止模腔内嵌件变形或位移。位移。(5) 消费效率高，本钱低。消费效率高，本钱低。 注射成型的缺陷：注射成型的缺陷： (1) 不适用于长纤维加强的产品，普通纤维长不适用于长纤维加强的产品，普通纤维长度小于度小于7mm (2) 模具质量要求高模具质

16、量要求高 注射过程中，物料在模内流动充模，玻璃注射过程中，物料在模内流动充模，玻璃纤维对模具磨损较大，模具必需采用硬度较高纤维对模具磨损较大，模具必需采用硬度较高的合金钢资料或模具外表经过硬化处置，故造的合金钢资料或模具外表经过硬化处置，故造价较贵。价较贵。注射成型工艺原理注射成型工艺原理 (1) FRTP注射成型原理注射成型原理 加强粒料在注射机的料筒内加热熔化至粘流态，以高压迅速加强粒料在注射机的料筒内加热熔化至粘流态，以高压迅速注入温度较低的闭合模内，经冷却使物料恢复玻璃态并坚持模腔注入温度较低的闭合模内，经冷却使物料恢复玻璃态并坚持模腔外形，然后开模取出制品。外形，然后开模取出制品。

17、FRTP的注射成型过程主要产生物理变化的注射成型过程主要产生物理变化 (2) FRP注射成型原理注射成型原理 FRP的注射成型过程是一个复杂的物理和化学过程的注射成型过程是一个复杂的物理和化学过程 注射料在加热过程中温度升注射料在加热过程中温度升高，粘度下降，但随着时间的延高，粘度下降，但随着时间的延伸，分子间的交联反响添加，粘伸，分子间的交联反响添加，粘度又会上升。实践加热过程应综度又会上升。实践加热过程应综合思索两种作用的影响。合思索两种作用的影响。热固性树脂纤维混合料加热固性树脂纤维混合料加热时粘度与时间变化关系热时粘度与时间变化关系加热时加热时间间粘粘度度AOB 预浸渍料参与料筒，适当

18、加温加压，当物料运动到喷嘴时，预浸渍料参与料筒，适当加温加压，当物料运动到喷嘴时，粘度应到达最低值，并被迅速注入模腔。在热压作用下固化定粘度应到达最低值，并被迅速注入模腔。在热压作用下固化定型，然后开模取出制品。型，然后开模取出制品。FRP注射成型过程：注射成型过程：FRTP和和FRP的注射成型特点对比的注射成型特点对比 (1) FRTP可以反复加热塑化，可以反复加热塑化，物料的熔融和硬化完全是物理物料的熔融和硬化完全是物理变化；变化；FRP加热固化后不能再加热固化后不能再塑化，固化过程为不可逆反响。塑化，固化过程为不可逆反响。(2) FRTP受热时，物料由玻璃态变受热时，物料由玻璃态变为熔融

19、的粘流态，料筒温度要分段为熔融的粘流态，料筒温度要分段控制，其塑化温度应高于粘流温度，控制，其塑化温度应高于粘流温度，但低于分解温度；但低于分解温度；FRP在料筒中加在料筒中加热时，树脂分子链发生运动，物料热时，树脂分子链发生运动，物料熔融，但接着会发生化学反响、放熔融，但接着会发生化学反响、放热，加速化学反响过程。因此，热，加速化学反响过程。因此，FRP注射成型的温度控制要比注射成型的温度控制要比FRTP严厉得多。严厉得多。(3) FRTP注射成型注射成型时，料筒温度必需时，料筒温度必需高于模具温度，物高于模具温度，物料在模腔内冷却时料在模腔内冷却时会引起体积收缩，会引起体积收缩，故需求有相

20、应的料故需求有相应的料垫传压补料，垫传压补料，FRP注射成型时，料筒注射成型时，料筒温度低于模具温度，温度低于模具温度，物料在模腔内发生物料在模腔内发生固化收缩的同时，固化收缩的同时，也发生热膨胀，因也发生热膨胀，因此，充模后不需求此，充模后不需求补料。补料。作业：比较作业：比较FRTP和和FRP的注射成型各有哪些特点？的注射成型各有哪些特点？树脂传送模塑树脂传送模塑(Resin Transfer Molding, RTM)工艺过程：工艺过程： 将热固性树脂及固化剂混合均匀后注入事先将热固性树脂及固化剂混合均匀后注入事先铺有玻璃纤维加强资料的密封模内，经固化、脱铺有玻璃纤维加强资料的密封模内，

21、经固化、脱模制得制品的过程称为树脂传送模塑，简称模制得制品的过程称为树脂传送模塑，简称(RTM)。 RTM成型工艺特点成型工艺特点a. 设备投资少，用小吨位压机能消费大型制品设备投资少，用小吨位压机能消费大型制品(相对模压相对模压)。b. 制品双面光滑，尺寸稳定，容易组合；制品双面光滑，尺寸稳定，容易组合；c. 允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可设计性好，允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可设计性好，可部分加强，甚至消费泡沫夹层构造；可部分加强，甚至消费泡沫夹层构造；d. 模具制造较方便模具制造较方便(相对模压相对模压)；e. 对树脂和填料的顺应性广；对树脂和填料的顺应性广；f. 消费周

22、期短，劳动强度低，原资料损耗少；消费周期短，劳动强度低，原资料损耗少；g. 产品后加工量少；产品后加工量少；h. 环境污染小环境污染小(闭模，单体苯乙烯挥发少闭模，单体苯乙烯挥发少)。 碳基复合资料碳基复合资料因此在航空、航天、核能及许多民用工业领域遭到极大关注，近年来得以迅速开展和广泛运用。C/C(碳碳)复合资料是碳纤维加强碳基体特点:相对密度轻(实际密度为2.28cm3)高温下强度、模量高，断裂韧性良好耐磨性能优良，耐烧蚀好随温度升高强度不仅不降低反而升高主要工序主要工序坯体的预成形浸渍碳化致密化石墨化抗氧化涂层工艺过程 1.1 碳纤维的选择 1.1.1 碳纤维的制备方法三种,?越少越好碱

23、金属是碳的氧化催化剂?1.1.2 碳纤维的碱金属含量:1.1.3 外表处置碳纤维外表处置对碳纤维外表处置对CC复合资料的性能有着显著的影复合资料的性能有着显著的影响，响，经过外表处置的石墨纤维M40与基体呋喃树脂的界面粘结强度，在碳化过程中由于两相断裂应变不同而在收缩过程中纤维遭到剪切应力或被剪切断裂；同时基体收缩产生的裂纹在经过粘结界面时，纤维产生应力集中，严重时导致纤维断裂。C/C复合资料的强度下降未经外表处置的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收缩使两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体中裂纹传播到两相界面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改动裂纹传播方向，或界面剥离,使碳纤维免受损伤,复合资

24、料的强度高碳化时碳化时石墨化石墨化基体树脂碳经石墨化具有一定塑性的石墨化碳缓和或消除了集中的应力纤维免受损伤，强度得到提高裂纹支化1.2 基体树脂的选择 1.2.1 基体树脂的特点:残碳率高、有粘性、流变性好、与碳纤维具有良好物理相容性等特点1.2.2 常用树脂基体呋喃树脂、酚醛树脂、糠酮树脂等热固性树脂 石油沥青、煤焦油沥青：石油沥青等的石墨化程度高，与碳纤维一样具有良好的物理相容性。go物理相容性 主要是指热膨胀系数和固化或碳化过程中的收缩行为酚醛树脂经碳化后转化为难石墨化的玻璃碳，耐烧蚀性能优良；back液相浸渍和气相堆积的填孔和堵塞图解沥青与气孔壁有良好的润湿和粘接性，碳化后残留的碳向

25、孔壁收缩，有利于第二次再浸渍和再碳化，树脂与孔壁粘接不良而本身粘接强，碳化后树脂碳与孔壁脱粘，本身成为一团而堵塞气孔，不利于再浸渍和密度的再提高。2 预成形体 以多以多维编织为维编织为主主纤维含量高，但具有显著的各向异性和层间易剥离性3D陈列中纤维含量比较少，但各向异性和层间剥离得到改善3 制备工艺 3.1.1 原理 易挥发的烃如甲烷、丙烷、苯和其它低相对分子质量碳化合物经过热解堆积在热的基体外表的孔隙中，以到达致密化目的3.1 化学气相堆积法化学气相堆积法 反响气体经过层流向堆积衬底的边境层分散； 堆积衬底外表吸附反响气体，反响气体产生反响并构成固态产物和气体产物； 所产生的气体产物解吸附，

26、并沿一边境层区域分散； 产生的气体产物排出。3.1.2 CVD反响过程堆积碳易石墨化，与碳纤维的物理相容性好，所得CC复合资料构造致密，强度高。堆积碳直接堆积在碳纤维的孔壁的外表及丝束之间的孔隙里，有利于提高产品性能分散与堆积速度对孔隙封锁影响表示图(a)堆积速度分散速度 (b)分散速度 堆积速度3.2 预成纱工艺：工艺简化，基体与纤维结合好3.3 自烧结性焦烧结法 以残碳率高的自烧结性焦为基体，不用粘结剂，工艺不需致密化处置4 性能 4.1 力学性能密度小，抗拉强度为300一3000MPa、抗拉模量为30一350GPa，比强度是钢的3倍左右，在2000以下强度不随温度的升高而下降，反而略有上

27、升，模量那么随温度的上升一致添加，这是任何资料所无法比较的。耐疲劳性好4.2 热物理性能 C/C复合资料的热膨胀系数是金属资料的 110一15，并能在剧变的温度条件下坚持相对的尺寸稳定，特别适用于温度变化特大的太空环境 C/C复合资料的导热系数比较高 比热比较大，但热膨胀系数和摩擦因数较小，是理想的高级制动刹车资料。c/c复合资料置于高温暖快速加热的环境中，由于蒸发升华和能够的热化学氧化、其部分外表可被烧蚀，但其外表的凹陷浅，良好地保管其外形，且烧蚀均匀而对称，碳的升华温度是3700，资料C/C苯乙烯尼龙、酚醛高硅氧/酚醛有效烧蚀热kcal/kg11000-14000173024904180不同树料的有效烧蚀热的比较4.3 化学稳定性 常温下化学稳定性好，但耐热氧化性能差4.4 抗氧化防护涂层法添加抗氧化剂涂层法是在制备好的C/C资料上进展SiC、SiN或其它耐火资料的涂层，包括分散法和化学气相堆积法等。第四节第四节 混杂纤维复合资料混杂纤维复合资料 混杂纤维复合资料是指两种或两种以上纤维混杂加强一种基体构成的复合资料重要意义：节约本钱，经过采用廉价的玻璃纤维取代昂贵的碳纤维来降低本钱；经过对所用纤维及其体积含量的优化选择，从而到达较宽范围的物理和机械性能可以得到独特的单项或组合的性质，这是只用单一类型纤