复合材料第五章

第五章聚合物基复合材料

聚合物基复合材料（PMC）通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；一、分类另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类（如右图）。第一节聚合物基复合材料PMCPMC二.基本性能•

具有较高的比强度和比模量。•

抗疲劳性能好，安全性高。•

减振、隔音、保温、隔热、耐烧蚀性好。•

弹性模量不够高、断裂延伸率小、抗冲击强度差、横向强度、层间剪切强度低。•

工艺性好，但手工劳动强度大，质量不稳定。三.

品种1、GF增强热固性塑料（GFRP）--玻璃钢

根据基体种类分类:①玻璃纤维增强环氧树脂；②玻璃纤维增强酚醛树脂；③玻璃纤维增强聚酯树脂1）优点：（1）GFRP的突出特点是比重小、比强度高。比重为1.6—2.0，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级合金钢还高，“玻璃钢”这个名称便由此而来。（2）GFRP还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海水等介质中均很稳定。（3）也是一种良好的电绝缘材料，所以它可做为耐高压的电器零件。（4）GFRP不受电磁作用的影响，它不反射无线电波．微波透过性好，因此可用来制造扫雷艇和雷达罩。GFRP还具有保温、隔热、隔音、减振等性能。2)GFRP也有不足之处(1）最大的缺点是刚性差，它的弯曲弹性模旦仅为0.2×103GPa，它的刚度比木材人大两倍，而比钢材小十倍。(2）玻璃钢的耐热性低。玻玻璃纤维增强聚聚酯树脂连续使用温度在280℃以下，其他GFRP在350℃以下。(3）导热性也很差．磨擦产生的热量不易导出，从而使GFRP的温度升高，导致其破坏。(4）GFRP的易产生老化现象。⑴、聚酯玻璃钢

加工性能最好。低粘度，可室温固化；透光性好、透光率可达60％-80％；价低，用量占80%。不足之处是固化时收缩率大，可达4％—8％。耐酸、碱性差些

⑵、环氧玻璃钢

综合力学性能最好，耐蚀性好；尺寸稳定性最好；粘度大，施工困难。⑶．酚醛玻璃钢

耐热性最好,<350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐电弧。不足之处是性能较脆，尺寸不稳定，收缩率大。酚醛树脂对人体皮肤有刺激作用

玻璃钢采光板玻璃钢汽车保险杠玻璃钢型材透光型玻璃钢体育馆采光赛艇、帆船壳体2、GF增强热塑性塑料(FR-TP)

特点：⑴、比重最轻1.1～1.6⑵、抗蠕变性等力学性能明显提高⑶、热学性能大大改善>50%⑷、尺寸稳定性提高3、高强度纤维增强塑料（环氧树脂）特点：(1)比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数，其数据见表5—5。(2)加工工艺简单。该种增强塑料可采用G5RP的各种成型方法，如模压法、缠绕法、手糊法等。(3)价格昂贵。该种材料唯一的缺点是价格比较贵。除芳香族聚酰胺纤维而外，其他纤维由于加工比较复杂，原料价格昂贵，致使其增强塑料价格昂贵，从而限制了大量应用。

⑴、C纤维增强塑料比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很好。不足之处是，碳纤维与塑料的粘结性差，而且各向异性；价格昂贵。

⑵、芳纶纤维增强塑料

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与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。

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抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维；振动衰减是玻璃钢的4～5倍。

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抗压性能差。⑶、B纤维增强塑料突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。⑷、SiC纤维增强塑料突出优点是与树脂相容性好。碳纤维头盔地铁闸瓦芳纶纤维增强C纤维增强第二节聚合物基复合材料的制备

聚合物基复合材料的制造把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。根据增强体和基体材料种类的不同，需要应用不同的制造工艺和方法。根据基体材料不同分类：

热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。

热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。1.手糊成型工艺2.喷射成型工艺3.模压成型工艺4.缠绕成型工艺5.拉挤成型工艺1.手糊成型工艺模具准备树脂胶液配制增强材料准备涂脱模剂手糊成型固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温(或加热)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的工艺方法。1、定义

手糊成型又称接触成型，采用手工方法将纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型、室温（或加热）、无压（或低压）条件下固化，脱模成制品的工艺方法。一、手糊成型工艺工艺流程模具清理涂脱模剂涂胶衣胶液配制表面层制作织物剪裁增强层制作补强层制作固化脱模切边加工产品检验1)脱模剂、胶衣和纤维布2)倒树脂并赶匀。3)重复纤维布和树脂过程。4)固化手糊成型工艺示意图特点优点：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，设备折旧费低。③工艺简单。④容易满足产品设计要求。⑤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，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。2、原材料选择1）

增强材料①无捻粗纱布（方格布）：0.1~0.8mm变形性好，易被树脂浸透，易排除气泡，增厚效率高。②加捻布（平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布）0.05~0.6mm表面平整、气密性好；价格贵、不易浸透树脂、增厚效果差③玻璃布带；④短切纤维；⑤表面毡；⑥短切毡

树脂浸透性好，气泡容易排除，变形性好，施工方便，制品含胶量高60~80%，防渗效果好。2）

树脂（1）要求①粘度适宜，0.2~0.8Pa.S，对玻纤有良好浸润性；②在室温下凝胶、固化，并且无低分子物产生；③无毒或低毒；④价格便宜，来源广泛。（2）常用树脂：不饱和聚酯（80%）、环氧树脂（3）辅助材料①稀释剂②填料（降低成本，提高性能）③触变剂（适用垂直面施工，活性SiO2）④颜料（一般选用无机颜料，有机颜料影响固化）1）

原材料准备3、手糊工艺过程（1）胶液配制胶液工艺性：胶液粘度、凝胶时间手糊工艺进行前，必须进行胶液凝胶时间试验。要使凝胶时间大于或等于所配胶液施工时间，否则手糊不能顺利进行。不饱和树脂配方（质量份）树脂：100份；过氧化甲乙酮：2份（引发剂）；萘酸钴苯乙烯溶液：1~4份（促进剂，加入量与环境温度有关）（2）增强材料准备玻纤布裁剪：圆环形制品玻布沿径向45°剪裁（2）增强材料准备玻纤布裁剪：圆锥形制品玻布裁成扇形玻纤布裁剪圆环形制品圆锥形制品玻布沿径向45°剪裁玻布裁成扇形布的拼接对接（表面质量要求高的产品）搭接（3）胶衣糊准备可选用专用胶衣糊制作表面层，提高表面层质量（外观、性能）2）

糊制（1）表面层（胶衣层、富树脂层）厚度：0.25~0.5mm，或300~500g/m2涂刷（二遍，互相垂直）、喷涂胶衣是赋予复合材料制品表面的一层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和耐老化等的对其起到保护作用的表面涂层。（2）结构层糊制胶衣层全部凝胶后，即可进行手糊作业；首先应铺放一层较柔软的增强材料-玻璃布，接着在模具上交替刷一层树脂、铺一层玻璃布，并要排除气泡，如此重复直到设计厚度。待浸树脂的增强材料压实辊树脂可选用胶衣3）固化（凝胶-----定型-----熟化）固化方式常温固化：温度＞15℃（25~30℃）；湿度≤80%（15~30℃，8~24h）加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外线加热（60~80℃，1~2h）固化度丙酮萃取法硬度法（巴氏硬度）＞154.）脱模：气脱、顶脱、水脱5）

后处理修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔装配：机械连接、胶接表面涂饰图4-5手糊玻璃钢制品举例2.喷射成型工艺

为改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺的变形。工艺流程玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂引发剂促进剂加热静态混合切割喷枪喷射成型模具辊压固化脱模将混有引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂从喷枪喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，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，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。优点(1)生产效率比手糊法提高2~4倍；(2)利用粗纱代替织物，降低了材料成本；(3)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；(5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维的长度。缺点(1)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；(2)树脂含量高，增强纤维短，制品的强度较低，耐温性能差；(3)因过量喷涂而造成原材料损耗大；(4)阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品难度大；(5)现场粉尘大，工作环境恶劣；(6)初期投资比手糊成型大。3.模压成型工艺定义

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，固化成型制品的方法。加热加压的作用

使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。优点缺点

有较高的生产效率，适于大批量生产，制品尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面，价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。

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，一般只适于制备中、小型玻璃钢制品。模压工艺模具预热脱模剂涂刷料的称量料预热成预成型装模压制脱模后处理打底及辅助加工检验成品压制前准备压制模压成型工艺流程4.缠绕成型工艺缠绕工艺：

将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。决定产品形状的模具绕线筒张力控制器预浸槽小车吐丝嘴芯模基本纤维缠绕机缠绕工艺流程图浸胶胶纱纱锭张力控制固化打模喷漆脱模芯模制造胶液配制纱团集束烘干络纱加热粘流纵、环向缠绕张力控制纵、环向缠绕成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺干法缠绕

将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕机上经加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。湿法缠绕

将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。

半干法缠绕

将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。1）纤维能保持连续完整，制品强度高2）可连续化、机械化生产，生产周期短，劳动强度小3）产品尺寸、外形准确，不需机械加工4）设备复杂，技术难度大，工艺质量不易控制工艺特点计算机控制的缠绕机玻璃钢固化玻璃钢管道6.拉挤成型工艺

拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；

其次，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，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。连续生产固定界面型材的成型方法1.工艺过程拉挤成型排纱浸胶预成型固化成型牵引切割产品1、纤维粗砂2、树脂浸渍槽3、预成型模4、固化模5、拉拔牵引增强纤维的要求拉挤成型过程中，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。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。基体材料的要求用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进