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1、 School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering 复合材料制备新技术复合材料制备新技术 第一章第一章 复合材料及其制备技术的发展复合材料及其制备技术的发展 主讲：梅启林主讲：梅启林 单位：材料学院单位：材料学院School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势n机敏复合材料机敏复合材料: 具有感知外界作用而且作出适
2、当反应的能力。具有感知外界作用而且作出适当反应的能力。 机敏复合材料系统包括：传感功能材料、执行功能材料、基体材料、外机敏复合材料系统包括：传感功能材料、执行功能材料、基体材料、外部信息处理系统。部信息处理系统。传统材料传统材料复合材料复合材料先进先进复合材料复合材料功能功能复合材料复合材料结构功能一体化结构功能一体化复合材料复合材料机敏机敏复合材料复合材料智能智能复合材料复合材料School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势n智能复
3、合材料：智能复合材料： 功能复合材料的最高形式，是在机敏复合材料的基础上向自决策能力上的发展，依靠外部信息处理系统中增加的人工智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行材料作出优化的动作。n提高复合材料性能的途径提高复合材料性能的途径 （1）高性能原材料）高性能原材料 （2）复合材料的优化设计）复合材料的优化设计 （3）制备方法和设计技术）制备方法和设计技术 School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineeringn复合材料的基本概念复合材料的基本概念n定义：定义：复合材料是由
4、两种或多种不同类型、不同性能、不同复合材料是由两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料，通过适当的复合方形态、不同成分和不同相型的组分材料，通过适当的复合方法，将其组合成一种具有整体结构特性的、使用性能优异的法，将其组合成一种具有整体结构特性的、使用性能优异的材料体系。复合材料是由基体相、增强相和界面相三相组成材料体系。复合材料是由基体相、增强相和界面相三相组成的。的。n分类：分类：(1)(1)按基体分类通常可分为：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、按基体分类通常可分为：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料、碳碳复合材料和纳米复合材料五类；树脂基复合材料、碳
5、碳复合材料和纳米复合材料五类；(2)(2)按增强材料形态可分为：连续纤维增强复合材料、短纤维制按增强材料形态可分为：连续纤维增强复合材料、短纤维制品、晶须增强复合材料、颗粒品、晶须增强复合材料、颗粒( (或填料或填料) )填充复合材料、纤维填充复合材料、纤维及颗粒增强增强复合材料和纳米粉体改性复合材料五类；及颗粒增强增强复合材料和纳米粉体改性复合材料五类；(3)(3)按增强材料区分：纤维增强复合材料、颗粒按增强材料区分：纤维增强复合材料、颗粒( (或填料或填料) )填充复填充复合材料和纳米粉体改性复合材料等。合材料和纳米粉体改性复合材料等。一、基本概念一、基本概念School of Mater
6、ials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering复合材料制备技术的概念复合材料制备技术的概念复合材料制备技术是指将两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、复合材料制备技术是指将两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料复合成整体结构的形式，且能发挥出优不同成分和不同相型的组分材料复合成整体结构的形式，且能发挥出优良特性材料体系的良特性材料体系的“合适的复合方法或技术合适的复合方法或技术”。复合材料的制造方法或。复合材料的制造方法或技术的持点：技术的持点：(1)(1)主要根据基
7、体相的加工性能不同而选用不同的加工方法。如：树脂基复主要根据基体相的加工性能不同而选用不同的加工方法。如：树脂基复合材料选用塑料成型方法或技术；合材料选用塑料成型方法或技术； ( (C/C)C/C)复合材料初期采用塑料成型技复合材料初期采用塑料成型技术，后期采用陶瓷或金属烧结技术；陶瓷基和金属基复合材料采用陶瓷术，后期采用陶瓷或金属烧结技术；陶瓷基和金属基复合材料采用陶瓷和金属材料传统的制造加工技术，而纳米复合材料的制造技术同样也放和金属材料传统的制造加工技术，而纳米复合材料的制造技术同样也放在对基体材料的改性技术，另一方面是采用纳米材料生成法制备纳米结在对基体材料的改性技术，另一方面是采用纳
8、米材料生成法制备纳米结构的基体或增强材料；构的基体或增强材料；(2)(2)复合材料制造技术的另一个特点是基本上继承了传统的制备工艺，并在复合材料制造技术的另一个特点是基本上继承了传统的制备工艺，并在此基础上发展起来，如：树脂基复合材料的手糊工艺是继承有数千年此基础上发展起来，如：树脂基复合材料的手糊工艺是继承有数千年历史的裱糊工艺；模压工艺则是继承金属的制造、模锻工艺等；历史的裱糊工艺；模压工艺则是继承金属的制造、模锻工艺等；(3)(3)高新技术在复合材料制造中的广泛应用，使现有的工艺技术不断得到完高新技术在复合材料制造中的广泛应用，使现有的工艺技术不断得到完善，工作效率明显提高，新的制造方法
9、和技术不断涌现，形成了复合材善，工作效率明显提高，新的制造方法和技术不断涌现，形成了复合材料制造技术发展的又一特点。如：在复合材料加工中广泛利用计算机技料制造技术发展的又一特点。如：在复合材料加工中广泛利用计算机技术进行选材、制品设计、工艺控制等。新型的液体模塑工艺术进行选材、制品设计、工艺控制等。新型的液体模塑工艺( (如树脂传递如树脂传递模塑工艺反应注射模塑工艺等模塑工艺反应注射模塑工艺等) )的出现，电子束固化工艺技术的应用等的出现，电子束固化工艺技术的应用等都充分说明复合材料发展的这一特点。都充分说明复合材料发展的这一特点。School of Materials Science and
10、 EngineeringSchool of Materials Science and Engineering高技术复合材料的基本概念高技术复合材料的基本概念n材料的概念与范畴材料的概念与范畴 所谓高技术复合材料是指那些已得到较为广泛应用的，并在实际应所谓高技术复合材料是指那些已得到较为广泛应用的，并在实际应用中已证明其使用性能优良、制造工艺与技术先进、产品技术含量高的用中已证明其使用性能优良、制造工艺与技术先进、产品技术含量高的材料品种，以及代表材料科学发展方向的材料体系。如：树脂基复合材材料品种，以及代表材料科学发展方向的材料体系。如：树脂基复合材料、碳碳复合材料和纳米复合材料等。料、碳碳
11、复合材料和纳米复合材料等。其中，树脂基复合材料中高技术其中，树脂基复合材料中高技术材料主要是指：高性能玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、材料主要是指：高性能玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、高拉伸芳纶纤维增强复合材料、高拉伸( (或超高分子质量或超高分子质量) )聚乙烯纤维增强复合聚乙烯纤维增强复合材料、陶瓷纤维材料、陶瓷纤维( (晶须晶须) )增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、金属纤增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、金属纤维、有机纤维增强功能或超混杂复合材料等。而碳碳复合材料是航天、维、有机纤维增强功能或超混杂复合材料等。而碳碳复合材料是航天、航空结
12、构件，导弹、火箭耐烧蚀件等的专用材料。纳米复合材料是日前航空结构件，导弹、火箭耐烧蚀件等的专用材料。纳米复合材料是日前可实现商品化生产的纳米技术产品之一，代表着来来材料科学的发展方可实现商品化生产的纳米技术产品之一，代表着来来材料科学的发展方向。由于陶瓷基和金属基复合材料尚处于研制阶段，其应用量很小，制向。由于陶瓷基和金属基复合材料尚处于研制阶段，其应用量很小，制备技术还基于传统材料制造方法，未形成独特的工艺技术，所以来将其备技术还基于传统材料制造方法，未形成独特的工艺技术，所以来将其列为高技术材料之列。随着这两种复合材料在制造过程中高新技术的引列为高技术材料之列。随着这两种复合材料在制造过程
13、中高新技术的引入相信在不远的将来会逐步形成自己独特的工艺技术。入相信在不远的将来会逐步形成自己独特的工艺技术。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering高技术复合材料的基本概念高技术复合材料的基本概念n制备技术的概念制备技术的概念 高技术复合材料制各工艺是在原复合材料制备工艺基础高技术复合材料制各工艺是在原复合材料制备工艺基础上，引入高新技术，更适合于材料制备，且技术水平高，产上，引入高新技术，更适合于材料制备，且技术水平高，产品技术含量高，性能优越的制备技术。其中
14、包括：计算机选品技术含量高，性能优越的制备技术。其中包括：计算机选材设计、预混料制备技术、织物编织技术、新型成型工艺技材设计、预混料制备技术、织物编织技术、新型成型工艺技术术( (如树脂传递模塑成型、增强反应注射成型等如树脂传递模塑成型、增强反应注射成型等) )、碳碳复合、碳碳复合材料的先驱体浸渍热解技术、纳米复合材料的插层、共混、材料的先驱体浸渍热解技术、纳米复合材料的插层、共混、原位聚合、溶胶原位聚合、溶胶凝胶、分子自组装等技术，均代表了现代凝胶、分子自组装等技术，均代表了现代科学技术发展方向。科学技术发展方向。School of Materials Science and Enginee
15、ringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n复合材料的发展复合材料的发展n第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代表第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代表，是目前用量最大、技术最为成，是目前用量最大、技术最为成熟的低成本复合材料之一。熟的低成本复合材料之一。n第二代树脂基复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表第二代树脂基复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表。n第三代树脂基复合材料是有机纤维增强复合材料第三代树脂基复合材料是有机纤维增强复合材料。如以美国杜邦公司的。如以美国杜
16、邦公司的KVlarKVlar芳纶芳纶纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻璃纤纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻璃纤维的维的2 2倍，价格只有碳纤维的倍，价格只有碳纤维的1/31/3，加之其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备，加之其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备的，故而问世不久就被各国工业部门和军方采用，是目前最有发展前途的增强材料的，故而问世不久就被各国工业部门和军方采用，是目前最有发展前途的增强材料之一。之一。n第四代树脂基复合材料是第四代树脂基复合材料是2020世纪世纪8080年代末年代末美国美国A11idA11id
17、公司商品化的一种以公司商品化的一种以S900S900和和S1000S1000为代表的具有超高强度、模量的高拉伸聚乙烯纤维。荷兰研究所和日本东洋为代表的具有超高强度、模量的高拉伸聚乙烯纤维。荷兰研究所和日本东洋纺织公司联合开发纺织公司联合开发高拉伸聚乙烯纤维高拉伸聚乙烯纤维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度3 35 5GPaGPa、模量达模量达125125GPaGPa、比强度比钢大比强度比钢大1010倍、比碳纤维大倍、比碳纤维大4 4倍、比芳纶纤维大倍、比芳纶纤维大5050，是是2020世纪世纪9090年代世界上强度最大的纤维，而且其密度最小年代世界
18、上强度最大的纤维，而且其密度最小( (0 092kG92kGm m3 3) )，具有可具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等待点，经透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等待点，经v50v50弹道实验表明，该纤维是弹道实验表明，该纤维是2020世纪世纪9090年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用持别是年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用持别是装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的领域装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的领域。另外，它还可作为超轻质复合结另外，它还可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料加以应用。构材料和超轻质功能结构材料加以应用
19、。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n复合材料的发展复合材料的发展 第五代为第五代为PBOPBO纤维增强复合材料纤维增强复合材料。随着材料科学的高速发展，使。随着材料科学的高速发展，使众多新材料问世。如美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成众多新材料问世。如美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成功的功的聚苯并双噁唑聚苯并双噁唑( (PBO)PBO)纤维纤维及其复合材料被称为及其复合材料被
20、称为2121世纪超级纤维复合世纪超级纤维复合材料。该纤维无熔点，在高温下不熔融，经热量分析测得的在宅气中材料。该纤维无熔点，在高温下不熔融，经热量分析测得的在宅气中的热分解温度高达的热分解温度高达650650；比对位芳酰胺纤维高；比对位芳酰胺纤维高100100左右。极限氧指左右。极限氧指数为数为6868，在有机纤维中，小于，在有机纤维中，小于PTFEPTFE纤维纤维(95)(95)，而高于，而高于聚苯并眯唑聚苯并眯唑( (PDI)PDI)纤维纤维。该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，朽料。该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，朽料质地柔软。其密度为质地柔软。其密度为(
21、1(154541 156)56) ，拉伸强度为拉伸强度为5.85.8GPaGPa，断裂伸断裂伸长率为长率为3 35 5。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦住，可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦住，加工性能良好是目前惟一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和加工性能良好是目前惟一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机纤维。目前此种纤维增强复合材料优良的加工性能结合在一起的有机纤维。目前此种纤维增强复合材料尚处在实验室阶段，但从其展示的使用性能上看，可为尚处在实验室阶段，但从其展示的使用性能上看，可为2121世纪集耐高世纪集耐高温和力学特性于一身的超高性能
22、复合材料也是一代更新换代的材料温和力学特性于一身的超高性能复合材料也是一代更新换代的材料品种。品种。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n树脂基复合材料制备工艺的进展树脂基复合材料制备工艺的进展n早在早在2020世纪世纪4040年代初年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达罩，国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达罩，19421942年第一艘玻璃钢渔船又采用手糊法制造成功年第一艘玻璃钢渔船又采用手糊法
23、制造成功. .n为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低，严重影响制品强度为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低，严重影响制品强度的缺点，的缺点，2020世纪世纪5050年代初年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等技研制出真空袋、压力袋、压力罐等技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。n为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，2020世纪世纪6060年代年代又又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺( (低压成型低压成型) )一类。一类。它的主要不同处是增强材料改用短切纤
24、维代替玻璃布，短切纤它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型较之手糊工艺适应性提高，制品的质量也获得改善。较之手糊工艺适应性提高，制品的质量也获得改善。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合
25、材料制备技术的发展n树脂基复合材料制备工艺的进展树脂基复合材料制备工艺的进展n19941994年年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机翼的上下，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机翼的上下蒙皮均是玻璃布层板，中间粘结轻质材料作为夹芯。蒙皮采用了层压蒙皮均是玻璃布层板，中间粘结轻质材料作为夹芯。蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于手糊工艺。同时夹芯工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘结工艺，从此将具有悠久历史的粘结技术引人了复合的装配采用了粘结工艺，从此将具有悠久历史的粘结技术引人了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美
26、陆军还采用模压成型工艺制造材料工艺。在第二次世界大战期间，美陆军还采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托和握把，出碎布增强的枪托和握把，2020世纪世纪5050年代一年代一6060年代又改用玻璃钢枪托年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模压出大口径炮弹弹托。使武器装备的质量大大护木和握把，同时还模压出大口径炮弹弹托。使武器装备的质量大大减轻，机动灵活性增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的减轻，机动灵活性增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。研究领域。n5050年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的优越性能，立即被作为复年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的优越性能，立即被作
27、为复合材料基体用于直升机旋翼。合材料基体用于直升机旋翼。19561956年年，采用层压工艺生产出了玻璃布，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊和喷射成环氧树脂板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置于上下平板模之间加压型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质且改善，易于实现连续化大批量生产，这种工加温固化，因此产品质且改善，易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能进艺直接继承了木胶合板的生产方法与设备，并根据树脂
28、的流变性能进行了改进和完善。行了改进和完善。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n树脂基复合材料制备工艺的进展树脂基复合材料制备工艺的进展n与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺是在对模中加温加压与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工艺参照了金属成型的铸造、模锻等工一次得到所需形状的制品。模压工艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品
29、作为一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早些，可以艺，模压制品作为一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早些，可以追溯到追溯到1919世纪未期世纪未期. .n从从1949年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料“团状模塑料团状模塑料(DMC)”出售。后来又出现了块状模塑料出售。后来又出现了块状模塑料(BMC)；n20世纪世纪60年代初年代初在联邦德国出现了片状模塑料在联邦德国出现了片状模塑料(SMC)，1965年左右美、年左右美、日等国相继发展了片状模塑料的成型工艺。日等国相继发展了片状模塑料的成型工艺。n从从20世纪世纪60年代年代开始，美国将纤维缠绕技术用
30、于制造大型固体火箭发开始，美国将纤维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机完体使导弹的质量大大减轻，射程成倍增加。例如动机完体使导弹的质量大大减轻，射程成倍增加。例如“北极星北极星”A3导导弹一、二级发动机壳体用复合材料代替合金钢，质量减轻弹一、二级发动机壳体用复合材料代替合金钢，质量减轻45，射程由，射程由1600km增至增至4000km，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技术中的地位。纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发国防技术中的地位。纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转机构，并
31、捻、络展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取厂车床走刀系统的动作原理。纱和张力控制等，同时也汲取厂车床走刀系统的动作原理。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n树脂基复合材料制备工艺的进展树脂基复合材料制备工艺的进展n为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑( (RIM)RIM)、增强
32、反应注射模塑增强反应注射模塑( (RRIM)RRIM)新工艺和树脂传递模塑等液体新工艺和树脂传递模塑等液体法成型复合材料新工艺。它将液态单体合成为高分子聚合物，再法成型复合材料新工艺。它将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接咨模具中同时从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接咨模具中同时次完成，现减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期次完成，现减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期( (只需约只需约2121minmin便可完成一件制品便可完成一件制品) )。当然，此种工艺的推广应用，。当然，此种工艺的推广应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力
33、自动控制为基础。必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering二、树脂基复合材料制备技术的发展二、树脂基复合材料制备技术的发展n复合材料制造工艺发展过程四次重大的技术进步复合材料制造工艺发展过程四次重大的技术进步n第一次技术进步是第一次技术进步是19261926年发明的传递模塑工艺年发明的传递模塑工艺对树脂基复合材料制对树脂基复合材料制品采用厂专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑化状况，品采用厂专用的塑化装置
34、，有效地改变了制品在型腔内的塑化状况，解决厂树脂基复合材料，特别是用量较大的热固性树脂基复合材料复解决厂树脂基复合材料，特别是用量较大的热固性树脂基复合材料复杂结构制品质量和制造难题。杂结构制品质量和制造难题。n第二次技术进步是第二次技术进步是19451945年研制的高频预热技术年研制的高频预热技术，克服了以往几种预热，克服了以往几种预热方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高：方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高：n第三次技术进步是于第三次技术进步是于19631963年研制成功的注射成型技术年研制成功的注射成型技术，特别是热固性，特别是热固性树脂基复合材料的注射成型技术，使其制品
35、质量、生产效率、自动化树脂基复合材料的注射成型技术，使其制品质量、生产效率、自动化程度得到明显提高。程度得到明显提高。n第四次技术进步是第四次技术进步是2020世纪世纪8080年代研制的液体模塑成型技术即增强反年代研制的液体模塑成型技术即增强反应注射成型和树脂传递模塑成型技术。应注射成型和树脂传递模塑成型技术。它用单体注射，转化为聚合物，它用单体注射，转化为聚合物，再用预成型物结合制成高级复合材料或制品。利用这种工艺可制造超再用预成型物结合制成高级复合材料或制品。利用这种工艺可制造超厚截面制品厚截面制品( (加厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料装甲加厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料装甲) )
36、、雷达罩、雷达罩、汽车车体、直升机机体和舰船船体、汽车车体等，再加上电子束固化汽车车体、直升机机体和舰船船体、汽车车体等，再加上电子束固化技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道路上迈出了技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道路上迈出了坚定的一步，坚定的一步，标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复合材料时代标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复合材料时代。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering三、树脂基复合材料的发展趋势三、树脂基复合材料的
37、发展趋势n1 1ABCABC改性技术改性技术 所谓所谓ABCABC改性是合金化、掺混化和复合化改性方法的英文缩写。众改性是合金化、掺混化和复合化改性方法的英文缩写。众所周知，热固性树脂刚性好，但耐冲击性能偏低，加上流动性能差。针所周知，热固性树脂刚性好，但耐冲击性能偏低，加上流动性能差。针对树脂存在的问题，常采用橡胶和弹性体以及加工流动性好、韧性高的对树脂存在的问题，常采用橡胶和弹性体以及加工流动性好、韧性高的其他树脂与其进行合金化、掺混化和复合化改性，从而提高其制品的耐其他树脂与其进行合金化、掺混化和复合化改性，从而提高其制品的耐冲击强度及加工特性。众所周知，不管是热固性树脂，还是热塑性树脂
38、冲击强度及加工特性。众所周知，不管是热固性树脂，还是热塑性树脂都各自具备各自特性，也有其固有的缺点，不加以改性很难满足工程上都各自具备各自特性，也有其固有的缺点，不加以改性很难满足工程上的应用需求。若把两种或多种性能不同的树脂，通过物理或化学方法将的应用需求。若把两种或多种性能不同的树脂，通过物理或化学方法将其组合在一起，通过树脂内部的其组合在一起，通过树脂内部的“混杂效应混杂效应”，可扬长避短，获得优于，可扬长避短，获得优于单一成分材料的性能。目前常采用的方法为共混、接枝、互贯网络和相单一成分材料的性能。目前常采用的方法为共混、接枝、互贯网络和相容化技术，使热固性树脂实现工程化、高性能化和功
39、能化。容化技术，使热固性树脂实现工程化、高性能化和功能化。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering三、树脂基复合材料的发展趋势三、树脂基复合材料的发展趋势n2 2高层次复合技术高层次复合技术 纯树脂，即便是通过合金化或掺混化改性的树脂，其刚性和纯树脂，即便是通过合金化或掺混化改性的树脂，其刚性和力学性能往往偏低难以满足工程结构部件的使用安求，只有添力学性能往往偏低难以满足工程结构部件的使用安求，只有添加增强材料加以改善。然而一般情况下，添加加增强材料加以改善。然而
40、一般情况下，添加2020左右就达到饱左右就达到饱和状态，制品性能不能进一步提高。最近的研究趋势是采用和状态，制品性能不能进一步提高。最近的研究趋势是采用“开开环环”聚合技术以低分子聚合物浸馈增强材料，使增强材料添加聚合技术以低分子聚合物浸馈增强材料，使增强材料添加量达量达8080。而且增强材料的添加方式也是目前研究的重点，采用。而且增强材料的添加方式也是目前研究的重点，采用比普通长度长比普通长度长(10(10一一20)20)倍的长纤维增强、三维编织物和多向编织倍的长纤维增强、三维编织物和多向编织织物增强，可在树脂基体中形成互贯网络结构，即使去掉树脂基织物增强，可在树脂基体中形成互贯网络结构，即
41、使去掉树脂基体，纤维结构依然可整体存在，可使制品的强度提高几倍乃至几体，纤维结构依然可整体存在，可使制品的强度提高几倍乃至几十倍。这是由于：制品的强度和刚性主要依赖于增强材料和内部十倍。这是由于：制品的强度和刚性主要依赖于增强材料和内部形态结构的缘故。形态结构的缘故。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering三、树脂基复合材料的发展趋势三、树脂基复合材料的发展趋势n3 3混杂增强技术混杂增强技术 混杂增强也是一种高层次的增强方式，通过不同质的组成、不同相混杂增强也是
42、一种高层次的增强方式，通过不同质的组成、不同相的结构、不同方式的复合可以制造出满足多种用途的树脂基复合材料。的结构、不同方式的复合可以制造出满足多种用途的树脂基复合材料。混杂增强利用两种或两种以上的纤维增强同一种基体，它不仅保留单一混杂增强利用两种或两种以上的纤维增强同一种基体，它不仅保留单一纤维复合材料的优点，而且不同纤维间混杂通过纤维复合材料的优点，而且不同纤维间混杂通过“界面相界面相可产生一可产生一种种“混杂效应混杂效应”，使不同相取长补短，匹配协调，使之具有优异的综合，使不同相取长补短，匹配协调，使之具有优异的综合性能，不同的混杂结构可拓宽适应性，增大设计使用自由度，同时又是性能，不同
43、的混杂结构可拓宽适应性，增大设计使用自由度，同时又是一种既经济又高效的结构材料，设计得当的混杂增强题料还具有优良的一种既经济又高效的结构材料，设计得当的混杂增强题料还具有优良的功能性，成为功能与受力统一的结构材料。例如，它可利用玻璃纤维价功能性，成为功能与受力统一的结构材料。例如，它可利用玻璃纤维价格偏低的优点与碳纤维混合增强可制备比碳纤维复合材料性能更好的材格偏低的优点与碳纤维混合增强可制备比碳纤维复合材料性能更好的材料，同时又降低了材料成本：为解决芳纶增强复合材料压缩强度和弯曲料，同时又降低了材料成本：为解决芳纶增强复合材料压缩强度和弯曲疲劳强度差，与其他纤维混合可充分发挥其长处，届改进芳
44、纶复合材料疲劳强度差，与其他纤维混合可充分发挥其长处，届改进芳纶复合材料性能的重要途径。美国制备的玻璃纤维澈纤维混杂增强复合材料集力学性能的重要途径。美国制备的玻璃纤维澈纤维混杂增强复合材料集力学性能与水下吸被透波性、隐身性、烧蚀防热、抗核加固及承受气动载荷性能与水下吸被透波性、隐身性、烧蚀防热、抗核加固及承受气动载荷的多功能于一体、用于美国隐身战略轰炸机的多功能于一体、用于美国隐身战略轰炸机R R2 2的前绿和后绿结构。的前绿和后绿结构。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Eng
45、ineering三、树脂基复合材料的发展趋势三、树脂基复合材料的发展趋势n4 4超细微填料填充技术超细微填料填充技术 在复合材料制品设计时，经常遇到对制品使用性能的严格要求，其在复合材料制品设计时，经常遇到对制品使用性能的严格要求，其中最为重要的是刚性与韧性的问题。树脂基复合材料的刚性与金属材料中最为重要的是刚性与韧性的问题。树脂基复合材料的刚性与金属材料相比较低，采用纤维增强可提高刚性，但随着刚性提高，冲击强度就随相比较低，采用纤维增强可提高刚性，但随着刚性提高，冲击强度就随之下降。如何调节刚性与冲击性是树脂基复合材料改性的重要研究课题之下降。如何调节刚性与冲击性是树脂基复合材料改性的重要研
46、究课题之一。利用矿物填料，特别是用超细粉填料是解决这一难题的好方法。之一。利用矿物填料，特别是用超细粉填料是解决这一难题的好方法。超细粉填料在树脂基体中由于体积小相互接近，形成超细粉填料在树脂基体中由于体积小相互接近，形成“海岛海岛”式结构，式结构，容易产生补偿效应，对改进基体材料性能有较大的作用。超微细粉填料容易产生补偿效应，对改进基体材料性能有较大的作用。超微细粉填料粒度为粒度为(0(00505一一0 05)um5)um。超过超过0 05um5um改性效果很差改性效果很差。另外在树脂基体中另外在树脂基体中分散的粒子间距也是重要因素，粒子间距大于分散的粒子间距也是重要因素，粒子间距大于0.5
47、0.5时改性效果会发生锐减。时改性效果会发生锐减。除这些因家外，还应在粘于粉碎过程对其进行表面处理，在填料超细粉除这些因家外，还应在粘于粉碎过程对其进行表面处理，在填料超细粉粒子表面接枝上有机化合物，进一步改进复合材料界面提高材料质量粒子表面接枝上有机化合物，进一步改进复合材料界面提高材料质量。这一材料改性技术是目前及至将来改进复合材料这一材料改性技术是目前及至将来改进复合材料“韧性刚性韧性刚性”平衡性平衡性更高层次的技术。这技术主要依赖于粉碎研磨和填料表面处理技术的发更高层次的技术。这技术主要依赖于粉碎研磨和填料表面处理技术的发展。日前的使用日的是用弹性体、云母、碳酸钙和二氧化硅改进材料展。
48、日前的使用日的是用弹性体、云母、碳酸钙和二氧化硅改进材料“韧性刚性韧性刚性”平衡；用二氧化硅、滑石粉、氮化硼或云母改进表面质平衡；用二氧化硅、滑石粉、氮化硼或云母改进表面质量和形态质量；用金属、石墨、高岭土等改进材料功能特性。量和形态质量；用金属、石墨、高岭土等改进材料功能特性。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering三、树脂基复合材料的发展趋势三、树脂基复合材料的发展趋势n5 5一体化技术一体化技术 树脂基复合材料与传统金属、陶瓷材料不同，在传统制品设计中，树脂
49、基复合材料与传统金属、陶瓷材料不同，在传统制品设计中，均质材料只有很少的几个性能参数，且对材料自身结构和制造工艺考虑均质材料只有很少的几个性能参数，且对材料自身结构和制造工艺考虑较少，材料与设计各有独立性，设计人员对材料选择考虑较少，但复合较少，材料与设计各有独立性，设计人员对材料选择考虑较少，但复合材料性能与结构具有很强的依赖关系，材料研究人员可根据设计制备材材料性能与结构具有很强的依赖关系，材料研究人员可根据设计制备材料，而设计人员也必须系统地了解材料的性能后再进行设计。在产品设料，而设计人员也必须系统地了解材料的性能后再进行设计。在产品设计的同时还必须进行材料结构设计、工艺选择，设计材料
50、厦艺三者必须计的同时还必须进行材料结构设计、工艺选择，设计材料厦艺三者必须形成一有机整体，才能实现树脂基复合材料的实用化。实施形成一有机整体，才能实现树脂基复合材料的实用化。实施体化是复体化是复合材料应用的关键环节。合材料应用的关键环节。School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering课程内容课程内容复合材料及其制备技术的发展复合材料及其制备技术的发展高技术树脂基复合材料的制备高技术树脂基复合材料的制备 复合材料预浸料的制备复合材料预浸料的制备 复合材料低压成型技术复合材