玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料

关于玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料第1页，课件共24页，创作于2023年2月一、概述及复合材料结构

复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国(含台湾省)、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料(玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”)逾90万吨，已居世界第二位(美国2003年为169万吨，日本不足70万吨)。作为复合材料中的一枝的玻璃纤维增强环氧树脂（GFEP）具有力学强度高、成形收缩小、尺寸稳定性好和良好的耐化学腐蚀性能和电气绝缘性能等特点，作为典型的纤维增强塑料（FRP）广泛应用于制造工业零部件和印刷电路板等产业。截止2010年1月底全国共有61家玻璃钢生产企业（其中包括四川省江南玻璃钢有限公司,重庆市君豪玻璃钢有限责任公司)

第2页，课件共24页，创作于2023年2月为什么采用环氧树脂做基体？环氧树脂固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；粘结力强；有B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低；固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。玻璃含量GF/EPR(玻纤含量80wt%)AISI1008冷轧钢相对密度2.087.86拉伸强度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸长率1.6%37.0%弯曲强度689.5MPa弯曲模量34.48GPa压缩强度310.3MPa331.0MPa第3页，课件共24页，创作于2023年2月1、手糊成型——湿法铺层成型2、夹层结构成型（手糊法、机械法）3、模压成型4、层压成型5、缠绕成型6、拉挤成型7、注射成型8、喷射成型9、真空袋压力成型纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介10、压力袋成型11、树脂注射和树脂传递RTM模塑成型12、卷制成型13、真空辅助注射成型14、离心浇铸成型15、片状smc（团状bmc）模塑成型16、连续板材成型

目前我国还是以手糊成型为主，在树脂基复合材料中约占80%。

目前在生产上经常采用的成型方法有16种：第4页，课件共24页，创作于2023年2月表1

不同成型方法的玻璃钢(欧洲地区）产量第5页，课件共24页，创作于2023年2月（一）、手糊成型(handlayup)

第6页，课件共24页，创作于2023年2月1、概要

依次在模具表面上施加脱模剂、胶衣一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)一层纤维增强材料，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。

2、手糊成型工艺的优点：

1)、不受尺寸、形状的限制；

2)、设备简单、投资少；

3)、工艺简单；

4)、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求；

5)、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。第7页，课件共24页，创作于2023年2月3、手糊成型工艺的缺点

1）、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差；

2）、产品性能稳定性差；有些树脂有害健康

3）、产品力学性能较低。

自由基与苯乙烯的反应速度比自由基与O2的反应速度慢104倍，一般聚酯树脂制品固化时，表面应覆盖聚酯薄膜。若不用薄膜覆盖，也应使成型表面形成与空气隔离的物质如蜡类，否则自由基与周围空气中的O2、H2O反应，耗去大部分自由基，造成表面固化不完全而发粘4、手糊制品为什么要在表面覆盖聚酯薄膜？5、手糊成型易发生的缺陷及防止措施1）、制品表面发粘原因1：空气湿度太大，水对树脂起阻聚作用解决办法：（1）在树脂中加入0.02％左右的液体石蜡；（2）在树脂中掺加5％的异腈酸酯；（3）制品表面覆盖薄膜隔绝空气；

第8页，课件共24页，创作于2023年2月原因2：引发剂、促进剂的比例弄错或失效，更换引发剂、促进剂。2）、制品内气泡太多

原因1：树脂用量过多解决办法：

1、控制胶含量

2、注意拌合方式

原因2：树脂粘度过大解决办法：

1、适当增加稀释剂2、提高环境温度

原因3：增强材料选择不当选用浸透性好的无捻玻璃布

3）、流胶树脂粘度太小，可加入2～3％的活性氧化硅。

配料不均匀，

充分搅拌。固化剂用量不足，

适当调整固化剂用量。第9页，课件共24页，创作于2023年2月6、典型产品舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。第10页，课件共24页，创作于2023年2月

在树脂中加入引发剂、填料、颜料、内脱模剂、低收缩添加剂、增稠剂等，经搅匀成为树脂糊。树脂糊落到SMC机组的下薄膜上(常用聚乙烯薄膜或尼龙薄膜)，与此同时在下薄膜上沉降短切成25～55mm的玻璃纤维原丝，再往上面覆盖一层薄膜，成为片状夹心卷。将卷材存放数日使料稠化，以达到可模塑的黏度。SMC以捆卷状态供应备用。将卷材展开、剪裁、称量，放人加热的钢模铂，加压使之固化成型、脱模，即为成品（二）、SMC成型

片状模塑料成型(SheetMoldingCompound)简称SMC

第11页，课件共24页，创作于2023年2月成型方法SMC喷射成型树脂注射成型成型

设备费

模具费

成型周期/min

成型温度/℃成型压力/Mpa成型作业

高高1~8100~1605~12容易

便宜便宜60min~1日15~40常压要熟练

中中30~20020~60＜2要熟练成型材料

材料操作

填料

玻璃纤维/%

臭味

SMC

非黏着半固体高填充20~40弱

树脂、GF过氧化物、其他胶衣液态树脂、玻璃纤维无25~35强

树脂、GF过氧化物、其他胶衣液态树脂、玻璃纤维低填充25~30强制品

大小/㎏

壁厚/mm

壁厚控制

尺寸精度

复杂形状

加热尺寸变化

耐候性

＜501.2~20容易高容易无中

不限1.5~1.0困难中困难有高

＜502~12容易中困难有高SMC成型与喷射成型、树脂注射成型的优缺点

第12页，课件共24页，创作于2023年2月（三）、树脂传递成型RTM

RTM是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模具内，浸渍纤维材料。

第13页，课件共24页，创作于2023年2月

RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5Mpa。当制造高纤维含量（体积比超过50％）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7Mpa.纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维的能力，可选择真空辅助注射。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材制作。若采用加热工艺，宜用钢模。第14页，课件共24页，创作于2023年2月

优点

1）制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少；

2）闭模成型，生产环境好；

3）劳动强度较低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；

4）制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高；

5）成型周期较短；

6）产品可大型化；

7）强度可按设计要求具有方向性；

8）可与芯材、嵌件一体成型

9）相对注射设备与模具成本较低。

缺点

1）不宜制作较小产品

2）因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价位也高一些第15页，课件共24页，创作于2023年2月典型产品小型飞机和汽车零部件、客车座椅、仪表壳第16页，课件共24页，创作于2023年2月（四）、预浸料(高压釜)成型

第17页，课件共24页，创作于2023年2月1、概要

预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和(或)纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周或几个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须在冷冻条件下贮存。树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感，象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热到120-180ºC。使树脂重新流动，并最终固化。盛开附加压力通常藉助高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供，它能对铺层施加达5个大气压的压力。

2、优点

1)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量；可以可靠地得到高纤维含量。

2)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁；

3)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程；

4)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的；

5)材料有效时间长(室温下可保质数月)，这意味着可优化结构、复合材料易铺层；

6)可能实现自动化和节省劳动力。第18页，课件共24页，创作于2023年2月(4)缺点

1)对于预浸织物，材料成本高；

2)通常要对高压釜固化复合材料制品，耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；

3)模具需能承受作业温度；

4)芯材需要承受作业温度和压力。

(5)典型产品

飞机结构复合材料(如机翼和尾翼)、卫星与运载火箭结构件(太阳能电池基板、夹层结构板、卫星接口支架、火箭整流罩等)、赛车、运动器材(如网球拍、滑雪板等)。第19页，课件共24页，创作于2023年2月三、力学性能分析（一）、复合材料的弹性模量分析

以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后,所得复合材料试样的弹性模量变化如图1所示。第20页，课件共24页，创作于2023年2月（二）、复合材料的强度分析

由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后,当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降第21页，课件共24页，创作于2023年2月当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料的性能较好四、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的应用

（一）、在航空、航天工业中应用

（二）、环氧复