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1、复合材料复合材料2012年春季材料学院材料学院0909级级第三章第三章聚合物基复合材料聚合物基复合材料(PMC)3-1聚合物基复合材料的发展史聚合物基复合材料的发展史聚聚合合物物基基复复合合材材料料：树树脂脂基基复复合合材材料料（ResinMatrixComposite）,纤纤 维维 增增 强强 塑塑 料料（Fiber ReinforcedPlastics），是是目目前前技技术术比比较较成成熟熟且且应应用用最最为为广广泛泛的的一一类类复复合合材材料料。这这种种材材料料是是用用短短切切的的或或连连续续纤纤维维及及其其织织物物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。增强热固性或热塑性树脂基体，经复
2、合而成。19321932年，树脂基复合材料于在美国出现。年，树脂基复合材料于在美国出现。19401940年，以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的年，以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的军用飞机的雷达罩，其后不久雷达罩，其后不久，美国莱特空军发，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机机身和机翼身和机翼的飞机的飞机，1944年年3试飞成功。试飞成功。聚合物基复合材料的发展史聚合物基复合材料的发展史19461946年，年，纤维缠绕成型技术纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。缠绕压力容器的
3、制造提供了技术贮备。19491949年，研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面年，研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件复合材料模压件。成型工艺成型工艺研究成功，并制成直升飞机的研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨螺旋桨。6060年代，玻璃纤维年代，玻璃纤维-聚酯树脂聚酯树脂喷射成型技术喷射成型技术得到了得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。19611961年，年，片状模塑料片状模塑料（Sheet Molding Compound,Sheet Molding Compound,简称简称SMCSMC
4、）在法国问世，利用这种技术可制出大幅在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船汽车、船的壳体以及卫生洁具的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。脂基复合材料的应用领域。拉挤成型工艺拉挤成型工艺的研究始于的研究始于5050年代，年代，6060年代中期实年代中期实现了连续化生产，在现了连续化生产，在7070年代拉挤技术又有了重大的年代拉挤技术又有了重大的突破突破，近年来发展更快。，近年来发展更快。7070年代树脂反应注射成型（年代树脂反应注射成型（Reaction Inje
5、ction Reaction Injection Molding,Molding,简称简称RIMRIM）和增强树脂反应注射成型和增强树脂反应注射成型（ReinforcedReactionInjectionMolding,简称简称RRIMRRIM）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大量用于卫生洁具和艺，使产品两面光洁，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产汽车的零件生产 。19721972年年美国美国PPGPPG公司研究成功公司研究成功热塑性片状模型料成热塑性片状模型料成型技术型技术。其最大特点是改变了热塑性基体复合材。其最大特点是改变
6、了热塑性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外，制造管状构件的工艺除缠绕成型外，8080年代年代又发又发展了展了离心浇铸成型法离心浇铸成型法 。2020世纪世纪7070年代年代 ，进入先进复合材料（，进入先进复合材料（Advanced Advanced Composite Materials,Composite Materials,简称简称ACMACM）阶段阶段。有三件值有三件值得一提的成果得一提的成果：第一件是美国全部用第一件是
7、美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳里尔芳2100号号，并试飞成功，这架飞机仅重并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以它以结构小巧、重量轻而称奇于世。结构小巧、重量轻而称奇于世。第二件是采用大量先进复合材料制成的第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机，年月日首次发射。这架航天飞机用碳纤维年月日首次发射。这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长环氧树脂制作长18.2m、宽宽4.6m的主货舱门，用的主货舱门，用凯芙拉纤维凯芙拉纤维/环氧树脂环氧树脂制造各种压力容器，用制造各种压力容器，用硼硼/铝复合材料铝复合材料制造主
8、机身制造主机身隔框和翼梁，用隔框和翼梁，用碳碳/碳复合材料碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料硼纤维增强钛合金复合材料制成，被制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。在在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞行器上使用了树脂、这架代表近代最尖端技术成果的航天飞行器上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。金属和陶瓷基复合材料。第三件是在第三件是在波音波音-767大型客机大型客机上使用了先进复上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载合材料作为主承力结构
9、，这架可载80人的客运人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。聚合物基复合材料在中国的发展聚合物基复合材料在中国的发展 中国的复合材料起始于中国的复合材料起始于19581958年，首先用于军工制品，而后年，首先用于军工制品，而后逐渐扩展到民用。逐渐扩展到民用。1958年以手糊工艺研制了年以手糊工艺研制了玻璃钢艇
10、玻璃钢艇，以层压和，以层压和卷制工艺研制卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹玻璃钢板、管和火箭弹。1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树酚醛树脂烧蚀脂烧蚀防热弹头防热弹头。1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机直升机螺旋桨叶和风洞叶片螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等研究并生产出一批氧气瓶等压力容器压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的
11、雷达罩。自的雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。民用。1981年复合材料的年产量为年复合材料的年产量为1.5万吨，到万吨，到1986年达年达到到6.5万吨，年增长率为万吨，年增长率为13%。19871987年以后大量引进国外先进技术，如在原材料年以后大量引进国外先进技术，如在原材料方面引进了池窑拉丝、短切毡、表面毡、喷射纱、方面引进了池窑拉丝、短切毡、表面毡、喷射纱、缠绕纱以及各种牌号树脂和辅助材料的生产技术。缠绕纱以及各种牌号树脂和辅助材料的生产技术。从从生产工艺生产工艺来看，尽管引进了不少先进技术设备，来看，尽管引进了不少先进技术设备，但利用率不
12、高，所有制品仍有但利用率不高，所有制品仍有80%是手糊成型，是手糊成型，仅有仅有20%由缠绕、拉挤、由缠绕、拉挤、SMC及及RTM等设备成型，等设备成型，因此玻璃钢工业的生产潜力很大。因此玻璃钢工业的生产潜力很大。在在成型工艺方面成型工艺方面引进了制造管罐的大型缠绕系统、引进了制造管罐的大型缠绕系统、拉挤工艺生产线、拉挤工艺生产线、SMCSMC生产线、连续制板机组、树生产线、连续制板机组、树脂传递模型机组、喷射成型技术、树脂注射成型脂传递模型机组、喷射成型技术、树脂注射成型技术等先进工艺和设备，形成了研究、设计、生技术等先进工艺和设备，形成了研究、设计、生产及原材料相互配套较完整的工业体系产及
13、原材料相互配套较完整的工业体系。逐步实。逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。但现由手糊到机械化自动化的转变。但总的水平与总的水平与国外先进技术还有一定距离国外先进技术还有一定距离。3-2聚合物基复合材料的分类及性能聚合物基复合材料的分类及性能聚合物基复合材料聚合物基复合材料（PMC）通常按两种方通常按两种方式分类。一种以式分类。一种以基体性质基体性质不同分为热固性树脂基复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和热塑性树脂基复合材料；合材料；一、分一、分类类另一种按另一种按增强剂类型及在增强剂类型及在复合材料中分布状态复合材料中分布状态分类分类（如右图）。（如右图）。二、二、性能特点
14、性能特点1.高比强度、高比模量高比强度、高比模量 2.可设计性可设计性3.热膨胀系数低，尺寸稳定热膨胀系数低，尺寸稳定 4耐腐蚀耐腐蚀 5耐疲劳耐疲劳6.阻尼减震性好阻尼减震性好 比强度比强度是材料的强度和密度之比值，是材料的强度和密度之比值，比模量比模量是材料的模量与密度之比值。是材料的模量与密度之比值。在质量相等的前提下，它是衡量材料在质量相等的前提下，它是衡量材料承载能承载能力力和和刚度特性刚度特性的指标。的指标。复合材料的高比强度和高比模量来源于增强复合材料的高比强度和高比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。纤维的高性能和低密度。1.高比强度、高比模量高比强度、高比模量2.可设计性可设
15、计性由于纤维复合材料的由于纤维复合材料的各向异性各向异性，与之相关的是性，与之相关的是性能的能的可设计性可设计性。由于控制。由于控制FRP（Fiber Reinforce Plastic）性能的因素很多，增强剂类型、基体类型、性能的因素很多，增强剂类型、基体类型、纤维的排列方向、铺层次层、层数、成型工艺等都可纤维的排列方向、铺层次层、层数、成型工艺等都可以根据使用目的和要求不同而进行选择，因而易于对以根据使用目的和要求不同而进行选择，因而易于对PMC结构进行最优化设计，做到安全可靠，经济合理。结构进行最优化设计，做到安全可靠，经济合理。如如BFRP具有优异的压缩性能具有优异的压缩性能(其压缩强
16、度高于其拉伸其压缩强度高于其拉伸强度强度)，可用于制造受压杆体，可用于制造受压杆体，KFRP的拉伸强度高的拉伸强度高而而压缩性能很差，应避免其承受压缩载荷而应使其承受压缩性能很差，应避免其承受压缩载荷而应使其承受拉伸载荷。拉伸载荷。3.热膨胀系数低，尺寸稳定热膨胀系数低，尺寸稳定FRP具有比金属材料低得多的热膨胀系数，具有比金属材料低得多的热膨胀系数，CFRP的热膨胀系数接近零。而且，通过合适铺层设计，的热膨胀系数接近零。而且，通过合适铺层设计，可使热膨胀系数进一步降低。可使热膨胀系数进一步降低。4耐腐蚀耐腐蚀FRP的的耐耐腐腐蚀蚀性性(如如耐耐酸酸减减、耐耐盐盐水水等等)比比金金属属材材料料
17、如如钢钢、铝铝要要好好得得多多。常常用用FRP来来制制造造化化工工设设备备的的防防腐腐管管道道玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料在在很很多多场场合合下下的的应应用用主要不是利用其结构特性而是考虑其防腐性能。主要不是利用其结构特性而是考虑其防腐性能。5耐疲劳耐疲劳多数金属材料疲劳极限仅为其拉伸强度的多数金属材料疲劳极限仅为其拉伸强度的30一一50，而，而CFRP可达可达70一一80。复合材料的破坏有。复合材料的破坏有明显预兆，可以在事先检测出来，而金属的疲劳破明显预兆，可以在事先检测出来，而金属的疲劳破坏则是突发性的。坏则是突发性的。复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，复合材料中纤维与基体
18、的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损其疲劳总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，破坏前有明显的预兆。伤逐步进行，时间长，破坏前有明显的预兆。6.阻尼减震性好阻尼减震性好受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关外，还同结构材料的外，还同结构材料的比模量比模量平方根成正比。所平方根成正比。所以复合材料有较高的自振频率。同时，复合材以复合材料有较高的自振频率。同时，复合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料的振动阻尼较高，一旦振起来，能力，致使材料的振
19、动阻尼较高，一旦振起来，在短时间内也能停下来。在短时间内也能停下来。3-2聚合物基体聚合物基体基体材料的作用基体材料的作用均衡载荷、传递载荷均衡载荷、传递载荷保护纤维，防止纤维磨损保护纤维，防止纤维磨损决定复合材料一些性能，如耐热性、耐腐蚀性、决定复合材料一些性能，如耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂、抗辐射及吸湿性、耐溶剂、抗辐射及吸湿性、横向性能、剪切性能横向性能、剪切性能决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择对复合材料的一些性能有重要影响，如纵向拉伸、对复合材料的一些性能有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等尤其是压缩性能、疲劳性能、断裂
20、韧性等复合材料用树脂基体复合材料用树脂基体l热固性树脂：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树热固性树脂：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等脂等l热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚砜、聚甲醛、聚热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚砜、聚甲醛、聚苯醚等苯醚等热固性聚合物热固性聚合物，通过化学交联由液态树脂转变成硬而脆，通过化学交联由液态树脂转变成硬而脆的固体物质，交联导致了高分子链的三维网络的紧密键的固体物质，交联导致了高分子链的三维网络的紧密键合的形成。合的形成。热固性树脂的最大特点是对热的响应，它不因加热而熔热固性树脂的最大特点是对热的响应，它不因加热而熔化，这一点与热塑性塑料不同。不过，当加热到热变形化
21、，这一点与热塑性塑料不同。不过，当加热到热变形温度时，热固性树脂会失去其刚度，这也就规定了热固温度时，热固性树脂会失去其刚度，这也就规定了热固性树脂在结构件上应用的有效上限温度。性树脂在结构件上应用的有效上限温度。复合材料用树脂基体复合材料用树脂基体l热固性树脂：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛热固性树脂：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等树脂等l热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚砜、聚甲醛、热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚砜、聚甲醛、聚苯醚等聚苯醚等 热塑性塑料分子间没有交联。热塑性塑料的强热塑性塑料分子间没有交联。热塑性塑料的强度和刚度来源于单体链节所固有的性质及其高度和刚度来源于单体链节所固有
22、的性质及其高分子量。由此可以肯定，在非晶态热塑性塑料分子量。由此可以肯定，在非晶态热塑性塑料中存在着高度集中的分子缠结，这些缠结起着中存在着高度集中的分子缠结，这些缠结起着交联的作用，与热固性树脂不同。交联的作用，与热固性树脂不同。一、热固性树脂一、热固性树脂(Thermosettingresin)1.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂(UP-UnsaturatedPolyesterResin)不饱合聚酯不饱合聚酯:含有非芳族的不饱和键含有非芳族的不饱和键,是由不饱合二是由不饱合二元酸或酸酐、饱合二元酸或酸酐与二元醇经缩聚反应合成元酸或酸酐、饱合二元酸或酸酐与二元醇经缩聚反应合成的低聚物。将其溶解在
23、乙烯类单体中所形成的溶液称不饱的低聚物。将其溶解在乙烯类单体中所形成的溶液称不饱合聚酯树脂。合聚酯树脂。聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键没有非芳族的不饱和键UP的固化是由聚酯中的双键，在引发剂的固化是由聚酯中的双键，在引发剂(如如过氧化物过氧化物)作用下与固化剂苯乙烯作用下与固化剂苯乙烯(或或MMA)共共聚形成高交联度的三维网状结构而完成的。聚形成高交联度的三维网状结构而完成的。2.环氧树脂（环氧树脂（Epoxyresin）环氧树脂环氧树脂是是种分子中含有两个或两个以上活性种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的高分子化合物。环
24、氧基团的高分子化合物。分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。构的高聚物。在加热条件下即能固化，无须添加固化剂在加热条件下即能固化，无须添加固化剂粘附力强，树脂中含有极性的醚键和羟基粘附力强，树脂中含有极性的醚键和羟基酸、碱对固
25、化反应起促进作用酸、碱对固化反应起促进作用已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能良好的尺寸稳定性和耐久性良好的尺寸稳定性和耐久性环氧树脂环氧树脂特点特点3.酚醛树脂（酚醛树脂（Phenolics）酚醛树脂酚醛树脂是由酚类是由酚类(主要是苯酚主要是苯酚)和醛类和醛类(主要是甲醛主要是甲醛)聚聚合生成的一类树脂，它是最早工业化的热固性合成树脂。合生成的一类树脂，它是最早工业化的热固性合成树脂。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料。树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行，
26、树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，断裂延伸率低，脆性大。断裂延伸率低，脆性大。苯酚苯酚 甲醛甲醛聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂PI是一类耐高温树脂，它通是一类耐高温树脂，它通常有热固性常有热固性(不熔性不熔性)和热塑性两类，使用温度和热塑性两类，使用温度可达可达180一一316，个别甚至高达，个别甚至高达371。PI是是由芳香族四酸二酐与芳香族二氨经缩聚反应合由芳香族四酸二酐与芳香族二氨经缩聚反应合成的。成的。4.聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂(PolyimideResin)聚酯树脂聚酯树脂与与 环氧、
27、酚醛树脂相比环氧、酚醛树脂相比工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。置简单。树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。脂或环氧树脂。固化过程中无挥发物逸出，制品的致密性好。固化过程中无挥发物逸出，制品的致密性好。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等耐热性差等主要用于一般民用工业和生活用品中。主要用于一般民用工业和生活用品中。二、热塑性树脂（二
28、、热塑性树脂（Thermoplastic resin）所有的所有的热塑性树脂热塑性树脂，如，如聚烯烃、聚醚、聚酰聚烯烃、聚醚、聚酰胺、聚酯、聚甲醛、聚矾胺、聚酯、聚甲醛、聚矾等都可作为复合材料等都可作为复合材料基体。它们通常用基体。它们通常用202040 40 的短纤维增强，拉的短纤维增强，拉伸强度和弹性模量可提高伸强度和弹性模量可提高1 12 2倍，可明显改善倍，可明显改善蠕变性能，提高热变形温度和导热系数，降低蠕变性能，提高热变形温度和导热系数，降低线膨胀系数，增加尺寸稳定性，降低吸湿率，线膨胀系数，增加尺寸稳定性，降低吸湿率，抑制应力开裂提高疲劳性能等等。抑制应力开裂提高疲劳性能等等。聚
29、醚砜聚醚砜 聚醚醚酮聚醚醚酮 聚苯硫醚聚苯硫醚 聚酰胺酰亚胺聚酰胺酰亚胺 聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺 聚酰亚胺聚酰亚胺 聚合物基复合材料的制造把复合材料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。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，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。需要应用不同的制造工艺和方法。3-3聚合物基复合材料的制备及成型工艺聚合物基复合材料的制备及成型工艺根据基体材料不同分类：根据基体材料不同分类：热固性树脂复合材料的制造方法热固性树脂复合材料的制造方法：手：手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注糊成型法、喷射成型法、模
30、压成型法、注射成型法、射成型法、RTM成型法等。成型法等。热塑性复合材料的制造方法：模压成热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型法、型法、注射成型法、RTM成型法、真空成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。热压成型法、缠绕成型法等。聚合物基复合材料的制造过程：聚合物基复合材料的制造过程：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等。后处理与机械加工等。1.预浸料制备预浸料制备 预浸料是指定向排列的预浸料是指定向排列的连续纤维连续纤维（单向、织（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状薄片状半成品。半
31、成品。预浸料制备：预浸料制备：预浸料一般要储存在预浸料一般要储存在18度以下。度以下。2.制件成型固化工艺制件成型固化工艺一是一是成型成型，即将，即将预浸料预浸料按产品的要求，按产品的要求，铺置成铺置成一定的形状一定的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状;二是二是固化固化，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的叠层预浸叠层预浸料料，在，在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使形形状固定状固定下来，并能达到预期的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。3.生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺 (1)手糊手糊成型成型 (2)喷射成型喷射成型 (3)树脂传递
32、成型树脂传递成型 (4)树脂膜熔浸成型树脂膜熔浸成型 (5)真空袋成型真空袋成型 (6)模压成型工艺模压成型工艺 (7)纤维缠绕成型纤维缠绕成型 (8)反应注射成型反应注射成型 (9)拉挤成型拉挤成型 (10)离心成型工艺离心成型工艺 (11)浇注成型工艺浇注成型工艺 一、手糊成型工艺一、手糊成型工艺（handlayup)手糊成型示意图手糊成型示意图手糊工艺手糊工艺是聚合物基复合材是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单料制造中最早采用和最简单的方法。的方法。工艺过程：工艺过程：先在磨具上涂刷先在磨具上涂刷一层脱膜剂，然后加入含有一层脱膜剂，然后加入含有固化剂的树脂混合物，再在固化剂的树脂混合
33、物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡，浸胶并排除气泡，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后再固化、脱膜、修边，得到复合直至达到所需厚度为止。然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。材料制品。树脂树脂不饱和聚酯树脂（最常用）、环氧树脂、酚醛不饱和聚酯树脂（最常用）、环氧树脂、酚醛树脂等。树脂等。纤维纤维玻纤、碳纤、芳纶等。厚的芳纶织物难于手工玻纤、碳纤、芳纶等。厚的芳纶织物难于
34、手工将树脂浸透，但亦可用。将树脂浸透，但亦可用。原材料原材料手手糊糊成成型型不不受受产产品品尺尺寸寸和和形形状状限限制制，适适宜宜于于尺尺寸寸大、批量小、形状复杂产品的生产。大、批量小、形状复杂产品的生产。设备简单，投资少，设备折旧费低。设备简单，投资少，设备折旧费低。工艺简便。工艺简便。易易于于满满足足产产品品设设计计要要求求，可可以以在在产产品品不不同同部部位位任任意增补增强材料。意增补增强材料。制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。优优 点：点：缺缺 点：点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。产品质量不易控制，性能稳定性
35、不高。产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。产品力学性能较低。典型产品：典型产品：舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型壳体、建筑模型二、喷射成型（二、喷射成型（SprayMolding)喷喷射射成成型型技技术术是是手手糊糊成成型型的的改改进进，半半机机械械化化程程度度。喷喷射射成成型型技技术术在在复复合合材材料料成成型型工工艺艺中中所所占占比比例例较较大大，如如美美国国占占9.1%，西西欧欧占占11.3%，日日本本占占21%。目前国内用的喷射成型机主要是从美国进口。目前国内用的喷射成型机主要是从美国进口。喷射成型工艺喷射成型工
36、艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧雾化喷出，同时将切断的玻纤粗酯分别从喷枪两侧雾化喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。原材料原材料主要是树脂（主要用不饱和聚酯树脂）和无捻玻纤主要是树脂（主要用不饱和聚酯树脂）和无捻玻纤粗纱粗纱喷射成型示意图喷射成型示意图喷射成型的优点：喷射成型的优点：用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成
37、本；用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本；生产效率比手糊的高生产效率比手糊的高24倍；倍；产产品品整整体体性性好好，无无接接缝缝，层层间间剪剪切切强强度度高高，树树脂脂含含量量高高，抗腐蚀、耐渗漏性好；抗腐蚀、耐渗漏性好；可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗；可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗；产品尺寸、形状不受限制。产品尺寸、形状不受限制。缺缺点：点：树脂含量高，制品强度低；树脂含量高，制品强度低；产品只能做到单面光滑；产品只能做到单面光滑；污染环境，有害工人健康。污染环境，有害工人健康。典型产品：典型产品：适用于制造船体、浴盆、汽车壳体、容器、板材适用于制造船体、浴盆、汽车壳体、容器、板材等大
38、型部件。等大型部件。树脂传递成型示意图树脂传递成型示意图RTMRTM它它是是一一种种闭闭模模成成型型的的工工艺艺方方法法。国国外外属属于于这这一一工工艺艺范范畴畴的的还还有有树树脂脂注注射射工工艺艺（Resin Resin InjectionInjection）和和压压力力注注射射工工艺艺(Pressure(Pressure Infection)Infection)。基基本本工工艺艺过过程程：将将液液态态热热固固性性树树脂脂（通通常常为为不不饱饱和和聚酯）及固化剂，聚酯）及固化剂，由由计计量量设设备备分分别别从从储储桶桶内内抽抽出出，经经静静态态混混合合器器混混合合均均匀匀。注注入入事事先先铺
39、铺有有玻玻璃璃纤纤维维增增强强材材料料的的密密封封模模内内，经经固固化化、脱脱模模后后加工而制成制品。加工而制成制品。三、树脂传递成型（三、树脂传递成型（ResinTransferMolding，RTM）树脂树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛。：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛。法国法国Vetrotex公司开发了热塑性树脂公司开发了热塑性树脂RTM。纤维：纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤维间任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤维间的缝隙适宜于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤与的缝隙适宜于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材（法国热塑性塑料的复
40、合纱及其织物与片材（法国Vetrotex商品名商品名TWINTEX）。）。原材料原材料从目前的研究水平来看，从目前的研究水平来看，RTM技术的研究发展技术的研究发展方向方向将包括微机控制注射机组，增强材料预成型技将包括微机控制注射机组，增强材料预成型技术，低成本模具，快速树脂固化体系，工艺稳定性术，低成本模具，快速树脂固化体系，工艺稳定性和适应性等。和适应性等。优优点点：可以制造两面光的制品，尺寸稳定，容易组合；可以制造两面光的制品，尺寸稳定，容易组合；成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件件/年以内）；年以内）；RTM为闭模操作，不
41、污染环境，不损害工人健康；为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况铺放增强材料；况铺放增强材料；原材料及能源消耗少；原材料及能源消耗少；建厂投资少，上马快。建厂投资少，上马快。不易制作较小产品；不易制作较小产品；因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些；杂，价位也高一些；有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。工艺难度大，注胶周期长，注胶质量不宜控制。工艺难度大，注胶周期长，注胶质量不宜控制。典型产品典型产
42、品汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、8.5m长的风力长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇。座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇。缺缺点点四、树脂膜熔浸成型（四、树脂膜熔浸成型（RFI-ResinFilmInfusion)树脂膜熔浸成型树脂膜熔浸成型RFI是将是将树脂膜熔浸与纤维预制树脂膜熔浸与纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术。体相结合的一种树脂浸渍技术。树脂膜熔浸树脂膜熔浸成型示意图成型示意图RFI成成型型过过程程：将将树树脂脂制制成成树树脂脂
43、膜膜或或稠稠状状树树脂脂块块，放放于于模模具具底底部部，其其上上层层覆覆以以纤纤维维预预制制体体，将将模模腔腔封封装装，加加热热并并在在一一定定的的压压力力或或真真空空下下，树树脂脂熔熔融融软软化化并并由由下下向向上上爬爬升升（流流动动），浸浸渍渍预预成成型型体体，然然后后固固化化成型。成型。优点优点 1 1）空隙率低，可精确获得高的纤维含量；）空隙率低，可精确获得高的纤维含量；2 2）铺层清洁，有利于健康和安全（似预浸）；）铺层清洁，有利于健康和安全（似预浸）；3 3）可较预浸法成本低。）可较预浸法成本低。缺点缺点 1 1）目前仅用于宇航工业，还未推广；）目前仅用于宇航工业，还未推广；2 2
44、）模具要求能经受树脂膜片的工艺温度（低）模具要求能经受树脂膜片的工艺温度（低温固化即需温固化即需60-10060-100 C C）；）；3 3）要求所用芯材能经受工艺温度和压力；要求所用芯材能经受工艺温度和压力；典型产品典型产品 飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩。播音飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩。播音-麦道公麦道公司用此技术制造了一个长司用此技术制造了一个长12.1912.19米、宽米、宽2.442.44米的大型米的大型机翼部件。适合大尺寸复合材料的制造。机翼部件。适合大尺寸复合材料的制造。RFI与RTM的比较vRTM可在无压力下固化成型，而可在无压力下固化成型，而RFI通常需要自下而通常需要自下而上
45、的压力环境。上的压力环境。vRFI技术无需技术无需RTM工艺的专业设备，模具也较工艺的专业设备，模具也较RTM简简单。单。vRFI的树脂流动方向为纵向，相对于的树脂流动方向为纵向，相对于RTM（横向流动）横向流动），缩短了树脂流动浸渍纤维的路径，使纤维更容易被，缩短了树脂流动浸渍纤维的路径，使纤维更容易被树脂浸润。树脂浸润。vRFI工艺不要求树脂粘度足够低，可以是高粘度甚至工艺不要求树脂粘度足够低，可以是高粘度甚至是粉末固体树脂，只要在一定温度下能流动浸润纤维是粉末固体树脂，只要在一定温度下能流动浸润纤维即可。即可。vRTM、RFI无需预浸料，缩短了工艺流程，降低了成无需预浸料，缩短了工艺流程
46、，降低了成本。本。RFI与RTM两种工艺被认为是综合性能最优，有可能摆脱复合材料高成本的办法。目前复合材料的成本是6400-9100元/千克。目标是1800-4600元/千克。金属结构价格是2700-5500元/千克。五、真空袋成型（五、真空袋成型（Vacuumbagprocess)真空袋成型工艺示意图真空袋成型工艺示意图真空袋成型真空袋成型是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层树脂与模具放在一积层树脂与模具放在一起，在积层上覆以橡胶袋，周边密起，在积层上覆以橡胶袋，周边密封，再用真空泵抽真空，积层从而受到不大于封，再用真空泵抽真空，积层从而受到不
47、大于1个气压的压个气压的压力，而被压实、成型。力，而被压实、成型。真空袋成型法由于真空压力较小，故真空袋成型法由于真空压力较小，故此法仅用于此法仅用于聚酯和环氧复合材料制品聚酯和环氧复合材料制品的湿法成型。的湿法成型。树脂：树脂：主要采用环氧树脂、酚醛树脂。不饱和聚酯主要采用环氧树脂、酚醛树脂。不饱和聚酯树脂与乙烯基酯树脂则因真空泵将树脂中的苯乙烯树脂与乙烯基酯树脂则因真空泵将树脂中的苯乙烯（交联剂）过度抽出，可能会造成问题，故一般不（交联剂）过度抽出，可能会造成问题，故一般不用；用；纤维：纤维：玻纤、碳纤、芳纶等玻纤、碳纤、芳纶等原材料原材料优优 点点1）采用普通的湿法铺层技术，可获得高纤维
48、含量的采用普通的湿法铺层技术，可获得高纤维含量的制品；制品；2 2）可制造大尺寸产品；）可制造大尺寸产品；3 3）产品两面光；）产品两面光；0.1 MP0.1 MP，适合，适合1.5mm1.5mm以下复合板材。以下复合板材。4 4）由于压力，树脂流经结构纤维，纤维得以较好地）由于压力，树脂流经结构纤维，纤维得以较好地浸渍树脂；浸渍树脂；5 5）有利于操作人员健康和安全；真空袋减少了固化）有利于操作人员健康和安全；真空袋减少了固化时逸出的挥发性物质。时逸出的挥发性物质。缺点缺点1）额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本；）额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本；2）要求操作人员有较高的技术熟练水平，
49、树脂混）要求操作人员有较高的技术熟练水平，树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技术；合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技术；3）生产效率不高。）生产效率不高。典型产品典型产品艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、方向舵方向舵六、模压成型工艺六、模压成型工艺（CompressMolding）模压成型工艺是模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法料加入金属对模内，经加热
50、、加压固化成型的方法。加热加压的作用加热加压的作用使模压料塑化、流动，充满使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。空腔，并使树脂发生固化反应。主要优点：主要优点：生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；能一次成型结构复杂的制品；因为批量生产，价格相对低廉。因为批量生产，价格相对低廉。模压成型的模压成型的不足之处在不足之处在于模具制造复杂，投资较大于模具制造复杂，投资较大。难点难点在于它的模具结构形式的选择，模具各模块协