复合材料工艺及设备2-原材料

1、第二章第二章 原材料原材料 原材料：基体材料 增强材料 添加剂 基体材料聚合物基复合材料无机非金属基复合材料金属基复合材料 聚合物基体材料： 热固性树脂、热塑性树脂、橡胶 增强材料： 各种纤维，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。2、1 基体材料基体材料 热固性树脂热固性树脂 1.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 2环氧树脂环氧树脂 3. 酚醛树脂酚醛树脂热塑性树脂热塑性树脂 聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯聚甲醛、聚丙烯-丁丁二烯二烯-苯乙烯（苯乙烯（ABS树脂）、树脂）、聚苯乙烯聚苯乙烯-丙烯腈等。丙烯腈等。2. 1.

2、 1 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 常用的基体材料，主要用于玻璃纤维复常用的基体材料，主要用于玻璃纤维复合材料。合材料。 占玻璃纤维复合材料用树脂总量的占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80以上。以上。 不饱和聚酯是不饱和二元羧酸（或酸酐）或它们与饱和二元羧酸（或酸酐）组成的混合酸与多元醇缩聚而成的。不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 主链上同时具有重复主链上同时具有重复酯键酯键和和 不饱和双键不饱和双键的一类线型聚合物。的一类线型聚合物。 1. 不饱和聚酯树脂的物理和化学性质 物理性质 不饱和聚酯树脂的密度在1.111.20左右。热性能 绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在5060，一些耐热性好的树

3、脂则可达120。力学性能 不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。耐化学腐蚀性能 不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，介电性能不饱和聚酯树脂的介电性能良好。化学性质 不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有酯键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。2.商品树脂 不饱和聚酯树脂的品种很多。(1)通用型树脂 通用型树脂主要是邻苯型不饱和聚酯树脂，亦包括部分间苯型不饱和聚酯树脂，它们大多用于手糊玻璃纤维增强塑料制品。(2)耐热型树脂 要求不饱和聚酯树脂在高温下应用，热变形温度较低的通用型树脂就不适用。 耐热型树脂的热变形温度应不小于1

4、10。 这类树脂具有优异的耐腐蚀性能和耐水性能，商品树脂主要有双酚A型不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、间苯型不饱和聚酯树脂和卤代聚酯树脂等。(3)耐化学型树脂(4)阻燃型树脂 阻燃性能(5)耐候型树脂 添加紫外光吸收剂，提高了树脂的耐气候性和光稳定性。(6)高强型树脂 这类树脂具有高的强度和坚韧性，主要用于纤维缠绕工艺制备的复合材料。(7)胶衣树脂 用于复合材料的胶衣层，以提高制品的外观（美观）、质量和使用寿命。(8)SMC或BMC专用树脂 (9)其它类型树脂 这是近年来的新品种，如注射、RTM、拉挤等成型工艺专用树脂。2.1. 2 环氧树脂环氧树脂 环氧树脂是一类含有两个或两个以上环氧树脂是一类

5、含有两个或两个以上环氧基团环氧基团的聚合物。的聚合物。环氧树脂环氧树脂 由于活泼环氧基的存在，环氧树脂可由于活泼环氧基的存在，环氧树脂可与多种类型的固化剂发生交联反应形成三与多种类型的固化剂发生交联反应形成三元网状结构的、不溶不熔的体型高分子化元网状结构的、不溶不熔的体型高分子化合物。合物。1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性 （1）类型多）类型多 树脂组成、固化剂和改性剂的不同，树脂组成、固化剂和改性剂的不同，产品性能、用途差异很大，其形态可从极产品性能、用途差异很大，其形态可从极低的粘度到高熔点的固体低的粘度到高熔点的固体.1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性 （2）固化容易）固化容易 根据实

6、际要求选用不同的固化剂和环根据实际要求选用不同的固化剂和环氧体系，可在氧体系，可在0-180C范围内快速或缓慢范围内快速或缓慢固化。固化。 1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性（3）成型收缩率低）成型收缩率低 固化时无水或挥发物发生，因而收缩固化时无水或挥发物发生，因而收缩率极小率极小,环氧树脂是热固性树脂中收缩性环氧树脂是热固性树脂中收缩性最最小小的一种（一般都小于的一种（一般都小于2%）。）。1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性 （4）粘结力强）粘结力强 对金属、非金属材料有很高的粘合力。对金属、非金属材料有很高的粘合力。1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性 （5）力学性能力学性能好好1. 环氧

7、树脂的特性环氧树脂的特性（6）化学稳定性好）化学稳定性好 耐酸、碱、溶剂、耐水，耐大多数耐酸、碱、溶剂、耐水，耐大多数霉菌霉菌。 1. 环氧树脂的特性环氧树脂的特性（7）电绝缘性好）电绝缘性好 在在宽广宽广的频率和的频率和温度范围内有良好的温度范围内有良好的介电性能、介电强度介电性能、介电强度高，耐电弧、耐表面高，耐电弧、耐表面漏电。漏电。 2. 分类 根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类： (1)缩水甘油醚类环氧树脂 (2) 缩水甘油酯类环氧树脂 (3) 缩水甘油胺类环氧树脂 (4)线型脂肪族类环氧树脂 (5)脂环族类环氧树脂 复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是上述第一类缩水甘油醚

8、类环氧树脂。 双酚A型环氧树脂2.1.3 酚醛树脂酚醛树脂 酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂。酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂。 一般常指由一般常指由苯酚苯酚和和甲醛甲醛经缩聚反应而得的经缩聚反应而得的合成树脂。合成树脂。酚醛树脂酚醛树脂 酚醛树脂是工业上最早生产的一种合成树酚醛树脂是工业上最早生产的一种合成树脂。脂。 由于原料的组份用量比以及催化剂的不同，由于原料的组份用量比以及催化剂的不同，酚醛树脂可分为酚醛树脂可分为热塑性树脂热塑性树脂和和热固性树脂热固性树脂两大类。两大类。酚醛树脂酚醛树脂 酚醛树脂虽然是最老的一类热固性树脂，但由于酚醛树脂虽然是最老的一类热固性树脂，但由于它它原料

9、易得，合成方便原料易得，合成方便，以及酚醛树脂具有良好，以及酚醛树脂具有良好的机械强度和耐热性能，尤其具有突出的的机械强度和耐热性能，尤其具有突出的瞬时耐瞬时耐高温烧蚀高温烧蚀性能，而且树脂本身又有性能，而且树脂本身又有广泛改性广泛改性的余的余地，所以目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维地，所以目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料。增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料。 酚醛树脂复合材料尤其在宇航工业方面（空间飞酚醛树脂复合材料尤其在宇航工业方面（空间飞行器、火箭、导弹等）作为瞬时耐高温和烧蚀的行器、火箭、导弹等）作为瞬时耐高温和烧蚀的结构材料有着非常重要的用途。结

10、构材料有着非常重要的用途。2.1.4 其它热固性树脂1. 三聚氰胺甲醛树脂 三聚氰胺甲醛树脂是由三聚氰胺和甲醛缩聚而成的热固性树脂。 用玻璃纤维增强的三聚氰胺甲醛层压板具有高的力学性能、优良的耐热性和电绝缘性及自熄性。 2、呋喃树脂 由糠醛或糠醇本身进行均聚或与其它单体进行共聚而得到的产物，称为呋喃树脂。3. 有机硅树脂 用这类树脂制造的玻璃纤维增强复合材料，在较高的温度范围内（200250）长时间连续使用后，仍能保持优良的电性能，同时，还具有良好的耐电弧性能及憎水防潮性能。 （1）热稳定性 热稳定性范围可达200250 （2）力学性能 有机硅树脂固化后的力学性能不高 （3）电性能 有机硅树脂

11、具有优良的电绝缘性能，它的击穿强度、耐高压电弧及电火花性能均较优异。 （4）憎水性 有机硅树脂的吸水性很低2.1.5 热塑性树脂 热塑性树脂： 聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯-丁二烯-苯乙烯（ABS树脂）、聚苯乙烯-丙烯腈等。2.1.6 高性能树脂 高性能树脂通常具有优良的力学、电学、热学、耐化学腐蚀等综合性能，其中尤以耐高温性能最重要。 它们的问世给复合材料提供了高性能的基体材料，促进了复合材料迅速地向高性能复合材料（Advanced Composite Materials, ACM）的发展，从而促使宇航、航空、太空武器、先进军事武器、电子技术等以更惊人的速度发展。1

12、. 聚酰亚胺这类树脂具有以下特性：在宽广的温度范围内保持高的强度。高的热稳定性和氧化稳定性。优良的耐腐蚀特性。优良的电性能，在高温下电性能基本保持恒定。具有自熄性能，发烟量小。2. 聚砜和聚醚砜 聚砜和聚醚砜具有下述特性：具有优良的耐热及耐老化性，其优良的力学性能可以保持到200；在宽广的温度和频率范围内具有优良的电性能；具有优良的耐X射线、射线和射线性能；具有优良的耐火焰作用；纯树脂制品具有透明性。3. 聚苯硫醚 聚苯硫醚是目前被认为耐热性最佳的聚合物之一。 它可以在300短期受载，在240时可以长期使用。 它具有特别显著的耐化学腐蚀性能，经高温、长期在腐蚀介质中使用后，聚合物的性能仍然保持

13、完好。 4. 聚芳醚酮 聚芳醚酮中最重要的是聚醚醚酮（PEEK）。 PEEK最高长期使用温度可达200， PEEK有优良的化学稳定性，除一些如浓硫酸等强酸外，在常温下几乎可以耐所有的化学试剂。5. 双马来酰亚胺树脂 双马来酰亚胺具有良好的耐热性,军用飞机.2.2 增强材料2.2.1 玻璃玻璃纤维纤维 （glass fiber） 1893年美国研究成功。年美国研究成功。 世界上三十国家生产，世界上三十国家生产，40005000种。种。 我国玻璃纤维工业始于我国玻璃纤维工业始于1958年，产量居世年，产量居世界第五位。界第五位。玻璃纤维（玻璃纤维（Glass Fiber） 玻璃纤维价格便宜，品种多

14、，适于玻璃纤维价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布。编织各种玻璃布。 1、玻璃纤维的分类、玻璃纤维的分类分类分类单丝直径纤维外观玻璃原料纤维特性 (1) 按玻璃原料分类按玻璃原料分类 碱性氧化物含量碱性氧化物含量 有碱玻璃纤维有碱玻璃纤维 大于大于12 中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维 612 低碱玻璃纤维低碱玻璃纤维 26 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维 小于小于1 无碱玻纤无碱玻纤 亦称亦称E-玻纤玻纤 ，目前是应用最广泛的一种，目前是应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分玻璃纤维用玻璃成分. 具有良好的电气绝缘性及机械性能，化具有良好的电气绝缘性及机械性能，化学稳定性好学稳定性好, 广泛用于复合材料的增强

15、材料广泛用于复合材料的增强材料. 中碱玻纤中碱玻纤 亦称亦称C-玻纤，其特点是耐化学性特别玻纤，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维机械强度低于无碱玻璃纤维10%20%， (2) 按纤维外观分类按纤维外观分类 按纤维外观分类按纤维外观分类 连续纤维连续纤维 短切纤维短切纤维 玻璃粉玻璃粉(3) 按纤维特性分类按纤维特性分类 按纤维特性分类按纤维特性分类 高强度纤维：高强度纤维：S玻纤，强度高。玻纤，强度高。 低介纤维：低介纤维：D玻纤，电绝缘性好。玻纤，电绝缘性好。 耐化学药品纤维：耐化学药品纤维：C玻纤，耐腐蚀。

16、玻纤，耐腐蚀。 耐电腐蚀纤维：耐电腐蚀纤维：E-CR玻纤玻纤2 . 玻璃布玻璃布 1)平纹布平纹布 布面平整，适宜于制作简单或平坦的玻璃布面平整，适宜于制作简单或平坦的玻璃钢制品钢制品。 2)斜纹布斜纹布 它具有良好的铺覆性和变形性，适用于它具有良好的铺覆性和变形性，适用于制造双曲面制品或复杂形状的玻璃钢制品。制造双曲面制品或复杂形状的玻璃钢制品。 3)缎纹布缎纹布 缎纹布比斜纹布更柔软，有良好铺覆缎纹布比斜纹布更柔软，有良好铺覆性，适用于铺复型面复杂的玻璃钢制品。性，适用于铺复型面复杂的玻璃钢制品。2.2.2 碳纤维碳纤维carbon fiber 碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原碳纤维是由

17、有机纤维或低分子烃气体原料加热至料加热至1500所形成的纤维状碳材料，所形成的纤维状碳材料，其碳含量在其碳含量在90%以上。以上。碳纤维碳纤维carbon fiber 碳纤维的研究有碳纤维的研究有100多年的历史多年的历史. 碳纤维碳纤维碳纤维最突出的优点是：碳纤维最突出的优点是： 强度高、模量高、密度小； 耐高温，可在2000摄氏度使用，3000摄氏度非氧化真氛中不熔不软； 耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀； 热膨胀系数小，约等于零； 热导率高； 导电性好； 摩擦系数小并具润滑性。碳纤维碳纤维是一类极为重要的高性能增强材料。是一类极为重要的高性能增强材料。 碳纤维的应用碳纤维

18、的应用 （1）宇航工业）宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥鼻锥。 碳纤维的应用碳纤维的应用 （2）航空工业）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架机体；次承力构件，如方向舵、起落架等。等。碳纤维的应用碳纤维的应用 （3）交通运输）交通运输 制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇等。等。碳纤维的应用碳纤维的应用 （4）运动器材）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛棒球、曲棍球和

19、高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。艇、钓杆、滑雪板、雪车等。碳纤维的应用碳纤维的应用 （5）土木建筑）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、地板、窗框、管道、海洋跨度大的管线、地板、窗框、管道、海洋浮杆、抗震救灾用补强材料。浮杆、抗震救灾用补强材料。2.2.3 芳纶纤维芳纶纤维 芳纶是芳香族聚酰胺类纤维的通称。芳纶是芳香族聚酰胺类纤维的通称。 芳纶纤维是一种高性能纤维。芳纶纤维是一种高性能纤维。芳纶纤维芳纶纤维 杜邦公司于杜邦公司于1973年研究成功了一类全年研究成功了一类全对位芳香族聚酰胺纤维，商品名称对位芳香族聚酰胺纤维，商品

20、名称Kevlar（凯夫拉）纤维。（凯夫拉）纤维。芳纶纤维的分类芳纶纤维的分类 芳纶纤维有两大类：芳纶纤维有两大类： 全芳族聚酰胺纤维全芳族聚酰胺纤维 杂环芳族聚酰胺纤维杂环芳族聚酰胺纤维 全芳族聚酰胺纤维全芳族聚酰胺纤维 主要包括主要包括对位对位的聚对苯二甲酰对苯二的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位间位的聚间苯二的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚共聚芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维。的其它芳族聚酰胺纤维。 杂环芳族聚酰胺纤维杂环芳族聚酰胺纤维 是指含有氮、硫

21、等杂质原子的二胺和是指含有氮、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶纤维二酰氯缩聚而成的芳纶纤维。1、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维）纤维PPTA纤维是芳纶在复合材料中应用最纤维是芳纶在复合材料中应用最为普遍的一个品种。为普遍的一个品种。 中国于中国于80年代中期试生产此纤维，定名年代中期试生产此纤维，定名为芳纶为芳纶1414（芳纶（芳纶II）。）。 2、聚对苯甲酰胺（、聚对苯甲酰胺（PBA）纤维）纤维中国于中国于80年代初期曾试生产此纤维，年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶定名为芳纶14（芳纶（芳纶I）。）。 芳纶芳纶I的拉伸强度比芳纶的拉伸强度比芳纶II低约低

22、约20%，但，但拉伸模量却高出拉伸模量却高出50%以上。以上。 凯夫拉纤维是一类高强度、高模量、耐高温、耐凯夫拉纤维是一类高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度的新型纤维。腐蚀、低密度的新型纤维。 由于它们有一系列优异性能，在很多重要工业部由于它们有一系列优异性能，在很多重要工业部门得到了广泛的应用。门得到了广泛的应用。 尤其是在航天、航空等国防部门，可制成火箭发尤其是在航天、航空等国防部门，可制成火箭发动机壳体；飞机的各种整流罩、舵面和发动机舱；动机壳体；飞机的各种整流罩、舵面和发动机舱；坦克、装甲车、飞机、舰艇的防弹板；防弹头盔坦克、装甲车、飞机、舰艇的防弹板；防弹头盔及防弹衣等。及防弹衣

23、等。 在其他民用方面，可制成各种体育用品、轮胎和在其他民用方面，可制成各种体育用品、轮胎和船舶。船舶。2.2.4 超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维UHMWPE 超高分子量聚乙烯纤维（超高分子量聚乙烯纤维（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称，简称UHMW-PE纤维）纤维）。 是采用冻胶纺丝是采用冻胶纺丝-超倍热拉伸技术（超倍热拉伸技术（Gel Spinning Method-Ultra Drawing Technology）制得的。）制得的。 由于该纤维密度低（0. 97）、比强度、比模量高等众多优异特性。 从海上油田的系泊

24、绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和宇航、航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。 该纤维在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。2.3 复合材料添加剂 添加剂是复合材料产品在生产或加工过程中需要添加的辅助化学品通称为添加剂或助剂。2.3.1 添加剂在复合材料中的作用（1）稳定化作用 稳定化添加剂主要是抑制由氧、光和热等引起的复合材料在制备、加工和应用时产生的老化过程。（2）改善力学性能 为了改善某些力学性能，如拉伸强度、硬度、刚性、抗冲击强度等，可在复合材料制备加工时，添加一些可以改善力学性能的添加剂。（3）改善加工性能 稀释

25、剂的加入可以降低树脂的粘度，改善胶液对增强材料的浸润性。 润滑剂的加入可以提高聚合物分子之间以及聚合物与增强材料之间的润滑性，从而改善复合材料的加工性。 （4）阻燃作用 随着复合材料在航空、汽车、建筑及电器等方面应用的迅速扩大，对其阻燃性能的要求也越来越高。 树脂基复合材料基体多数是由碳氢化合物构成的有机聚合物，具有可燃性。 （5）改进表面性能 为了防止复合材料加工和使用时产生静电的危害，在复合材料制备时常常加入一类具有表面活性的添加剂物质，以改善复合材料的表面性能，这类添加剂包括抗静电剂和防雾剂等。（6）改善外观质量 在复合材料及其制品加工或制备时，为了改善复合材料及其制品的外观质量，常加入

26、一类能赋予复合材料外观光洁或使制品具有各种色彩的添加剂，如着色剂。2.3.2 添加剂的种类 1. 偶联剂 偶联剂是一类具有两种不同性质官能团的物质，它们分子中的一部分官能团可与有机分子反应，另一部分官能团可与无机物反应。 偶联剂在复合材料中的作用在于它既能与增强材料表面的某些基团反应，又能与基体树脂反应，在增强材料与树脂基体之间形成一个界面层，增强了增强材料与树脂之间粘合强度，提高了复合材料的性能。（1）铬络合物偶联剂 （2）硅烷偶联剂 （3）钛酸酯偶联剂 （4）其它偶联剂：镁类偶联剂 锡类偶联剂2. 增韧剂 增韧剂是具有降低复合材料脆性和提高复合材料抗冲击性能的一类助剂。 活性增韧剂 非活性增韧剂 活性增韧剂是指其分子链上含有能与基体树脂反应的活性基团，它能形成网络结构，增加一部分柔性链，从而提高复合材料的抗冲击性能。 非活性增韧剂则是一类与基体树脂很好相溶、但不参