树脂基复合材料

树脂基复合材料第一页，共二十七页，编辑于2023年，星期三热塑性树脂--Thermoplasticresins

在常温下是固体。加热到一定温度时，可软化，甚至流动（特别是在加压时易流动），它们可以塑制加工成一定的形状。冷却后变硬。再加热可软化。即它的变化（相变）是双向的。这类树脂中所包含的高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的有：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、氯化聚醚、聚砜、聚酚醚、有机氟树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚丁烯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、丙烯腈-丁烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺等、聚醚醚酮（PEEK）。第二页，共二十七页，编辑于2023年，星期三Thermoplasticresins主要种类的基本性能主要种类强度（MPa）模量（GPa）弯曲强度（MPa）延伸率（%）聚乙烯PE230.825-2960聚丙烯PP35-401.442-56>200聚苯乙烯PS592.3772聚碳酸酯PC632.310060-100第三页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding热塑性复合材料和热固性复合材料相比，具有不同的特点项目热塑性复合材料热固性复合材料成型加工性成型时间短、温度高，成型较困难成型时间长、温度低，成型较容易力学性能耐冲击和疲劳性能优良高强度、高刚度、静态性能好再生性次品可再生利用再生利用困难（一）短纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺1、挤拉成型2、注塑成型（二）连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺1、预浸料加工方法2、成型工艺：辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。第四页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding挤出成型

挤出成型工艺是生产热塑性复合材料制品的主要方法之一。各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。其工艺过程是先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却、定型成制品。纤维和树脂无规混合。长纤维粒料生产的制品力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品。（一）短纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺第五页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding优点：能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固性复合材料时，生产过程连续，自动化程度高，工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品。第六页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding注塑成型

注塑成型是树脂基复合材料生产中的——种重要成型方法材料，它适用于热塑性和热固性树脂基复合材料，但以热塑性树脂基复合材料应用为广。注射成型是将粒状或粉状的纤维-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，通过喷嘴注入温度较低的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。特点：成型周期短，热耗量少，闭模成型，可使形状复杂的产品一次成型，生产效率高、成本低。但是它不适于长纤维增强的产品，模具质量要求高。注射成型工艺在复合材料制品生产中，主要是代替模压成型工艺，生产各种电器材料、绝缘开关、汽车零部件、纺织零部件、家电壳体、安全帽、食品周转箱、空调机叶片等。

第七页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（二）连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺

长期以来，连续纤维增强热固性复合材料的研究与应用占主导地位。进入80年代，连续纤维增强热塑性复合材料的研究成为国际上关注的热点。研究表明：加工费用本身占先进热塑性复合材料部件总成本的72％。提高连续纤维增强热塑性复合材料的应用的关键是要开发最合适的成型技术。1、预浸料加工方法（1）溶液浸渍法。

（2）熔融浸渍法。

（3）薄膜叠合。（4）纤维混合：（A）共混纤维

（B）共织织物

（5）粉末浸渍。

第八页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（1）溶液浸渍法。热塑性聚合物被溶解在溶剂中，然后用低粘度溶液浸渍增强纤维集合体(纤维束或织物)。为了避免预浸料在复合材料固化中产生空隙，必须完全去除溶剂。亚基氯化物和N—甲基吡咯烷广泛用作溶剂。但是去除预浸料中的溶剂常常是一个困难工序，在最后成型时，遗留的溶剂能引起气泡、表面缺陷及内部空隙，并且排出的溶剂会带来环境污染。除此之外，许多重要的热塑性聚合物在室温下不能溶解于普通溶剂中，在使用高相对分子质量聚合物时，聚合物在溶液中的质量分数应该不大于15％，因为较高质量分数将产生高的溶液粘度，达不到使用溶剂的目的。经过浸渍的纤维集合体的柔软性、悬垂性差，不利于一些部件的成型加工。第九页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（2）熔融浸渍法。在这种方法中，熔融聚合物浸渍纤维粗纱已有两种方法用于生产中：(A)十字头挤拉机把熔融聚合物喂入纤维粗纱通过的模具中；(B)纤维粗纱通过一个配有浸渍杆的熔融基体槽以增加纤维束的渗透性。在每一种方法中，作用于纤维束上的力是非常高的并可能引起纤维损伤。并由于热塑性基体的高粘性，导致纤维粗纱不能充分预浸。同时，在基体熔融过程中，通常需要高的温度和压力来提供足够低的融化粘性，致使消耗大量能量，浸渍过的粗纱常常缺乏柔软性和悬垂性。第十页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（3）薄膜叠合。热塑性树脂的内在特性允许其以—种形式成型，然后通过加热和模压而成为另一种型式。因此，假如热塑性树脂成型为薄膜，就可用两层或更多层薄膜与纤维单向带或机织物相互交叉叠合，然后加热、加压，形成制品。双带机是该方法的一种成型设备。在这个加工中，增强材料夹在两个聚合物膜之间，由脱膜薄膜夹带通过加热区，施加热和压力使熔融的聚合物浸渍增强材料，然后在冷却区中进行硬化成型。由于熔融热塑性树脂相对高的粘性，该方法要求高压力。就板材尺寸而言，该加工也受到限制。（4）纤维混合。热塑性聚合物纺成多根长丝纤维，使得开发增强纤维和热塑性聚合物长丝混合形成特有预浸料成为可能。根据纤维混合方式的不同，该种方法又可分为共混纤维和共织织物。第十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（A）共混纤维：连续增强纤维和热塑性聚合物纤维(长丝或短纤维)通过特有的纺纱技术形成连续增强纤维／热塑性聚合物纤维混合纱。混合纱可以机织、针织、编织加工，形成机织物、针织物和编织物预浸料。也可进行单向缠绕加工单向复合材料板。混合纱的混合程度越好，在成型加工中熔融基体的浸渍性越好。理想的混合纱是每根增强纤维与热塑性聚合物纤维相邻，但由于两种纤维直径、刚度等方面存在着差异，在实际中不可能达到这种理想纱线结构。

该方法的优点是：解决了高相对分子质量聚合物浸渍的困难，两种纤维的含量比率能够精确地控制，容易调节增强纤维和基体的比例；有良好的柔顺性，容易适应复杂形状；混合纱能织成夏杂的形状。包覆法：通过特定纺纱技术将热塑性基体长丝均匀地、呈螺旋形地缠绕在增强纤维上。包缠法是利用摩擦纺纱技术将热塑性短纤维包缠在增强纤维外层。喷气法是利用气流来实现连续增强纤维与热塑性基体纤维长丝束的混合。前两种方法所形成纱线是增强纤维在内层的皮芯结构，增强纤维笔直平行，两相纤维的混合程度差。第十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（B）共织织物由增强纤维与热塑性基体纤维交替作经纱、纬纱进行织造。共织加工预浸料比混合纱加工织物预浸料的加工成本低。然而，混合纱织物悬垂性比共织织物好，并由于混合纱改善了聚合物和纤维的浸润，产生较好的材料性能。通常，共织加工对低相对分子质量聚合物是较合适的，而高相对分子质量聚合物应进行混合纱加工。第十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（5）粉末浸渍。即用聚合物粉末预浸纤维束。用聚合物粉末预浸纤维束时要求：a.纤维束蓬松，以便粉末均匀渗透纤维。b.粉末颗粒必须牢固粘附到纤维上，防止在下道处理过程中粉末从纤维束上掉下来。目前已经研究和开发了湿加工和干粉加工两种浸渍方法。湿加工要求：蓬松的纤维束在悬浮液中浸渍。悬浮液是含有少量浸润剂和乳化剂的树脂粉末水悬浮液。纤维束离开悬浮液槽后通过一个密封的量孔来控制树脂和水的含量。含有湿粉末的纤维柬通过烘室以去除水分并把粉末融合在纤维上。早期的加工是纤维束通过甲醇与润湿剂的水溶液，然后湿的纤维束经过粉末氮气硫化床，接着进入烘室以去除挥发物并把粉末融合在纤维上。干粉加工（浸渍）：是将靠压缩空气扩散展开的纤维束通过树脂粉末硫化床，然后经过烘室把树脂粉末融合在纤维上。由于范德华力和静电引力作用，使得树脂小的颗粒粘附到纤维上，大的颗粒沉落在纤维之间。可采用不同的加工方式，使树脂粉末沉积并被纤维束握持。第十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding干粉加工的方式1是：利用喷气冲击树脂粉末到纤维网，同时静电加工使硫化气体带电，依次使树脂颗粒带电，以增加粉末颗粒落在纤维上的运动速率。干粉加工的方式2是：不利用烘室来融合粉末，而是将含有粉末的纤维束用相同聚合物薄膜覆盖，把纤维束包裹在聚合物皮层中。与湿法加工相比，干粉加工的优点是：不需要干燥，不需要利用润湿剂和乳化剂。粉末浸渍技术的一个不足之处是：在加工阶段必须完成浸渍，同时对粉末的尺寸也有严格要求。第十五页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding2、成型工艺目前，有关连续纤维增强热塑性树脂复合材料部件的成型方法有辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。

（1）辊轧成型。辊轧成型工艺如简图所示。该工艺由把预成型板升温至模压温度的红外预加热室和成型、固化部件的一系列轧辊组成。第一轧辊必须加热，至少最后一个轧辊必须足够冷以硬化复合材料部件。轧辊传动机构、排列和支撑装置以及适于层合板厚度的轧辊间容许间隙是辊轧成型中必须控制的关键参数。

第十六页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（2）纤维缠绕。热塑性复合材料纤维缠绕的一个主要目的是减少热固性复合材料成型需要的长的缠绕固化周期。在缠绕过程中，对缠绕结构进行原位（in-situ）固化。图表示了热塑性复合材料纤维缠绕的工作原理。关键工序为纤维束预热、纤维束导向、接触点加热、芯模加热和后固化。理想情况下不利用后固化，但在一些情况下，为了获得要求的部件质量，进行后固化是必要的。原位(in-situ)固化所得部件空隙率为2.5%，如果利用后固化工序，空隙率能降到1%。用于热固性复合材料系统的相同基本缠绕设备也能用于热塑性复合材料系统，但改装要求增加热源以加热预浸纤维束达到树脂的熔点／软化点，加热技术如超声波、激光、聚焦红外、传导和对流加热。第十七页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（3）拉挤加工。尽管拉挤加工主要用于热固性树脂聚合物复合材料，但是该方法正在研究和改进以适应于连续纤维增强热塑性树脂复合材料成型。两者的主要不同有：（A）热塑性树脂拉挤要求模具温度远高于热固性树脂拉挤所要求的模具温度。（B）为了防止产品变形，热塑性树脂拉挤构件必须经过冷却模具。为了便于固化，热塑性树脂拉挤从模具入口到出口有变化的横截面，而热固性所用模具为恒定横截面。热固性拉挤时用过多的树脂进入模具，由于树脂粘度低，在模具入口过多的树脂被挤出；但由于热塑性树脂粘度大，进入模具时材料中树脂含量必须进行控制。热塑性树脂拉挤不依靠模具中的化学反应，热塑性树脂拉挤速度快于热固性拉挤速度。第十八页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（4）热成型工艺。（A）铺层成型。在这个工艺中，将预浸料层放入热模具或放在已处于热模具中的另一预浸料层上，加压轧辊使预浸料层粘合在一起。由于热塑性材料导热性差，预浸料上表面不会发粘，如果采用冷却轧辊，则不必要使用脱模剂，因为脱模剂影响预浸料层的粘合。使用的热源包括激光、红外和热气体。此加工也能自动化操作。为了全面提高材料质量，可通过真空或高压釜对部件进行后固化处理。第十九页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（B）模压成型。通过热合压力的使用，所有预浸料都能通过压缩模压转化为平面层合板。也能加工特定构形的材料。工艺步骤为：把预浸料层加热到热塑性基体熔点，然后施压并在压力作用下使层合板进行冷却。冷却方式可在模压压机上直接进行，也可快速转移到冷压机上并重新施压。前一种冷却方法，加热、冷却和固化全部在单一加工过程中进行，所以该方法加工速度慢；后一种方式能有效缩短加工周期。第二十页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（C）隔膜成型。隔膜加工是将热塑性树脂在真空隔膜内成型，并允许成型和固化同时进行。成型加工能在高压釜中进行或使用液压模压机。未固化的预浸料放在两个密封的、可发生塑性变形的薄铝片(在315-450℃伸长为250%～300%)之间，隔膜被夹到真空环上。在预浸料层中抽真空后，加热到聚合物熔点／软化点温度以上，然后施压以形成所要求的形状。在加工过程中，由于增强连续纤维的约束，预浸料层不受明显的拉伸，隔膜承受拉伸。拉伸的隔膜在整个部件上保持张力。在高压釜中隔膜成型的周期为40～60min。虽然这种方法费时、成本高，但是为单向预浸料加工复杂部件提供了一种途径。

第二十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding基本原理是把预浸料层放在两个超弹性隔膜之间，这些隔膜由硅橡胶制成（厚度约为0.8～1.0mm），能在290℃以下长期使用。隔膜固定在两个分离的框架上，框架密闭之后，抽真空。整个系统通过接触加热或对流加热至热塑性树脂的熔点／软化点温度以上，然后把整个系统快速移到成型压机上和模具紧锁。之后，压缩空气施于隔膜，使层合板紧贴在阴模上成型。该加工技术优点是：因为层合板限于两个相对硬的硅隔膜之间以及在整个隔膜表面施加压力均匀分布，避免了纤维皱曲；此外，加热的层合板被热隔膜绝缘，热损失降低。这项技术最关键的问题是选择具有高伸长及在热塑性基体熔点温度时稳定的超弹性隔膜。由于隔膜的限制，目前这项技术仅用于基体熔点温度相对低的复合材料成型加工如PP（聚丙烯）和某些PA。第二十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（D）液压成型。液压成型是广泛用于平板金属成型的技术，现已适用于热塑性复合材料部件成型。液压成型相似于有流体介质的隔膜成型，通常在柔性隔膜后面使用液压流体，使靠近阳模或阴模的热的复合材料层合板变形。

柔性隔膜是成型系统的一个水久性部件，它的尺寸常大于将要成型的层合板尺寸。在成型过程中，热的层合板放在模具上，然后压机密闭并增压，引起柔性隔膜对层合板施压。因为成型压力是由液压流体施压产生，所以在复合材料上能形成更加均匀的压力分布。第二十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmolding（E）冲压成型。它是压缩模压的变异，相似于平板金属冲压成型加工。热塑性树脂基复合材料冲压成型分为非等温冲压和等温冲压两种方式。非等温冲压是平面层合板在外部加热器加热到热塑性基体的熔点/软化点之上，然后热的层合板很快转移到冷的模具中进行冲压。为了防止热损失，转移时间要短，层合板与冷模具接触时间要短，即要求快速成型。典型的加工周期(包括预固化板的预热)是2-3min。在此成型中，机械和液压机都能使用，但要注意机械压机的惯性效应。使用金属对模能保证部件尺寸的高要求和热塑性树脂复合材料部件两表面的表面质量。然而在金属模成型中，模具的刚度是造成层合板内非均匀压实的主要原因，这将导致产品非均匀的力学性能以及将改变产品中纤维的体积分数。这项技术的最新成就是针棒床成型模具的使用。模具的两半由许多在金属框中的小圆金属棒构成，金属框的边框能进行调节，小圆金属棒通过弹簧元件与上、下模具板相连。冲压过程中为了防止在复合材料部件表面形成棒的压痕，用薄的硅橡胶覆盖在棒的端部。在加工医疗器械时这种模具有较大的应用潜力。

第二十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期三ThermoplasticResincompositesmol