1、第二节 聚合物基复合材料（PMC ）1.1 聚合物基体1.2 PMC 界面1.3 PMC 制备工艺1.4 PMC 性能与应用聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。实用 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；另一种按增强剂类型及
2、在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢 )、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料(FRP)，而为各种目的加入各种填料的高分子材料不在这里论及。1.1 聚合物基体聚合物基体是纤维增强塑料的一个必需组分，在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体。因而基体性能直接影响复合材料性能。基体的主要作用包括将纤
3、维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均匀；决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性) 、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能 )等；决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；保护纤维免受各种损伤。此外对复合材料一些性能有重要影响，如纵向位伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。1、分类用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们
4、在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。2、热塑性基体原则上所有的热塑性树脂，如聚烯烃、聚醚、聚酰胺、聚脂、聚砜等都可作为复合材料基体。普通的热塑性基体包括通用塑料，如聚丙烯(PP)、ABS 树脂和工程塑料等。它们通常用 20 一 40的短纤维增强，拉伸强度和弹性模量可提高 12 倍，可明显改善蠕变性能，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，抑制应力开裂、提高疲劳性能。这些短纤维增强的热塑性塑料作为工程材料广泛用于机械零部件、汽车、化工设备等。而耐高温的特种工程塑料作为先进复合材料基
5、体，通常以连续纤维增强，其典型品种的结构和物性数据列于表 44。聚醚醚酮（PEEK）是一种半结晶性热塑性树脂，其玻璃化转变温度为 143 度，熔点为 334 度，结晶度与其加工热历史有关，一般在 20 一 40，最大结晶度为 48。PEEK具有优异的力学性能和耐热性，其在空气中的热分解温度达 6500C，加工温度在 370 一4200C，以 PEEK 为墓体的复合材料可在 2500C 的高温下长期使用。在室温下， PEEK 的模量与环氧树脂相当，强度优于环氧，而断裂韧性极高(比韧性环氧树脂还寓一个数量级以上)。PEEK 耐化学腐蚀性可与环氧树脂媲美而吸湿宰比环氧低得多。PEEK 耐绝大多数有机
6、溶剂和酸碱，除液体氢氟酸、浓硫酸等个别强质子酸外，PEEK 不为任何溶剂所溶解。此外，PEEK 还具有优秀的阻燃性、极低的发烟串和有毒气体释放率，以及极好的耐辐射性。碳纤维(AS4)增强 PEEK 的第二代产品称 ACP2，耐疲劳性超过环氧碳纤维复合材料耐冲击性好，在室温下具有很良好的耐蛹变性能。APc2 的层间断裂韧性很高，(G1cL 8KJ m)。PEEK 基复合材料已经在飞机结构上大量使用。聚醚砜(PES)是一种非晶聚合物，其玻璃化转变温度高达 225nC，可在 1800c 温度下长期使用。但是，由于 PEs 的耐溶剂性差，限制了它在飞机结构等领域的应用，但 PES 基复合材料的在电子产
7、品、雷达天线罩、靶机蒙皮等方面得到大量应用，它也可用于宇宙飞船的关键部件。聚酰按酰亚胺(PAI)是一种熔体粘度很高的热塑性树脂，通常也称假热塑性树脂。它具有优异的耐热性，其玻璃化温度 Tg 可达 280，长期使用温度达 240。 3、热固性基体热固性基体(不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等 )在连续纤维增强树脂基复合材料中一直占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的 80，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。几种热固性树脂(浇铸体)典型的物理及力学性能列于表 42。不饱合聚酯树脂(UPUnsaturatedPo1yes 比 rR6
8、sin)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。表 43 比较了几种热固性树脂基体的性能及应用范围。通用不饱合聚酯是由顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐与 I，2丙二醉按摩尔比 1“1；215 合成的，溶于苯乙烯中得到低粘度树脂。UP 的固化是由聚亩中的双键，在引发剂(如过氧化物) 作用下与固化剂苯乙烯(或 MMA)共聚形成高交联度的三维网状结构而完成的。不饱合聚酯的性能取决于单体类型和比例，饱和二元酸与不饱和二元酸比例越大，则树脂韧性越好，但耐热性越差。UP 是目前复合材料领域中用量最大约一类树脂基体，其牌号繁多、用
9、途广泛，可根据制品性能要求及成型工艺方法的不同，选用不同种类树脂，可适用于手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺。与环氧比较，不炮台聚酪树胎的固化收缩率较大、耐热性较差，但由于它的价格较便宜，制造也较方便，因而作为通用复合材料加 GFUP 玻璃钢仍占市场主导地位。广泛用于电器、建筑、防腐、交通等许多领域。环氧树脂(EP)是种分子中各有两个或两个以上活性环氧基团( 二二 12 一)的低聚物。环氧树脂具有适应性湿( 可选择的品种、固化剂、改性剂等种类很多) 、工艺件好、粘接力大、成型收缩率低、化学稳定性好等优点因而其用量大，使用广泛。环氧树脂的固化可以通过催化剂使环氧基相互连接而固化，也可以用台有能与环
10、氧基反应的官能团的反应性固化剂固化。常用固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。单纯的环氧树脂固化后是很脆的，为了改善这一性能，常向体系中加入增韧剂。它不但能改善树脂的冲击强度相耐热冲击性能还能减少固化时反应热和收缩率。但增韧剂的加入会导致树脂耐热性、电性能、耐化学腐浊性及某些力学性能的下降。酚醛树脂是由酚类(主要是苯酚 )和醛类(主要是甲醛) 聚合生成的一类树脂，它是最早工业化的热因性合成树脂。由于其合成方便，价格低廉以及固化彻的一些特殊性能，如阻燃性、耐烷蚀性、低发烟性和耐热性等，使其不但在胶粘剂、油漆、电绝缘材料等方面仍大量应用。作为 FRP 基体也有许多应用如制造宇宙飞行器的
11、耐烧蚀材料、印刷电路板、隔热板、摩擦材料等。用于 FRP 的酚醛树脂很多是改性的，如硼酚醛、有机硅酚醛等。1.2 PMC 界面由于复合材料结构有不同于金属材料结构的许多特点，因此复合材料结构设计也不同于金属材料结构设计。复合材料结构设计包含了材料设计的内容，复合材料的界面结构与性质直接控制或影响复合材料的性能。因而，复合材料的界面表征、控制或改善界面状态，对于复合材料设计来说是一项重要内容。1.PMC 界面结构PMC 界面层结构主要包括接近反应层的基体拟制层、与基体的反应层或偶联剂参与的反应层、以及增强剂表面。有时，增强剂表面吸附的一些物质也可能残留在界面区或由于浸润不完全而在界面产生孔隙。当
12、然，在界面区还存在残余热应力的作用。因而了解界面结构的目的就是要了解基体与增强剂表面的作用，偶联剂与增强剂及基体作用，增强剂表面的组成、结构及物理、化学性质，界面层性质，界面粘接强度的大小以及残余应力的大小及作用等。界面结构可以通过电子显微镜(SEM 和 TEM)、光电子能谱(ESCA，AES)、红外光谱(FTIR)和拉曼(只。man)光谱、二次离子质谱(s1MS)、色谱等现代分析技术进行界面层的化学结构和组织结构解析。由于界面粘结取决于纤维的排列、化学性质，以及高分子基体的分子结构和化学组成，因此界面性质是因纤维基体系统而异的。粘着理论认为，对一个简单系统来说，界面的粘结是由纤维与基体间的粘
13、着力引起的。然而，纤维上常涂有一层涂料，这层涂料形成纤维与基体之间的结合层，对粘着可以认为主要是发生在界面上的五种机理，即吸附和浸润、相互扩散、静电吸引、化学键结合、机械粘着，所造成的。它们或者独立作用或者联合作用产生界面的粘结。2. PMC 界面粘接强度测定PMC 界面粘接强度是 PMC 界面的一项重要的性能指标，对于界面研究和复合材料设计都有重要意义。常用的界面粘接强度测定有两类方法，即单纤维测试方法和。单纤维测试方法中有单纤维拔出法、单纤维临界长度法、微压入法等(如图 46)。它们可容易地判断界面断裂机制和粘接强度，特别适用于经不同表面处理的纤维间的比较及研究真实的界面现象但它的局限性是
14、把一根孤立的纤维包埋在基体中，不能真实反映复合材料性能。第二类方法是基于实际复合材料的测试技术，如短梁剪切方法、薄壁管扭转方法、90。拉伸方法等它们通常是在简单的平面应力假设下，测得复合材料层板的面内或层间剪切强度，它们适用于作为工程数据并用于不同材料的比较，但不是真实的界面强度数据，有时也不能真实反映界面失效机制。常用的短梁剪切法是由小跨度三点弯曲法测定剪切强度，原理图如下。虽然层间剪切强度并不是纤维一基体界面剪切强度，但它直接反映界面粘接的好坏，并与界面剪切强度相一致，同时，它随复合材料孔隙率的增加而下降，因而也常用其评价复合材料质量。3.PMC 界面特点与界面设计由上述可见，PMC 有如
15、下几方面的特点， （1）大多数界面为物理粘接，粘接强度较低。PMC 的界面粘接主要来自物理粘接力，如色散力、偶极力、氢键等，因而相对来说，界面粘接强度较低。GF 表面经偶联剂处理后，可与基体反应，但偶联剂与纤维表面的结合 f 化学反应或氢键)，亦是不稳定的，可能被环境 (水、化学介质等 )破坏。CF 或 KF 经表面处理后也能与基体发生局部反应，但反应浓度很低。 （2）PMC 一般在较低温度下使用，故界面可保持相对稳定。PMc 的界面一经形成，除非被水、化学介质等腐蚀，一般就不再发生变化。 （3）PMC 中增强本体一般不与基体反应。PMC 界面设计的基本原则是：改善浸润性，提高界面粘接强度。提
16、高 PMC 的界面粘接强度对其大多数性能是有利的。目前对 PMC 界面研究的主要目的是改善增强剂与基体的捏润性，提高界面粘接力。方法有：1）使用偶联剂。 对 GFP，偶联剂已是必不可少的。根据基体性质不同，选择不同的偶联剂，可以使 GF 被基体更好地浸润；同时提高复合材料的耐湿性、耐化学药品性等。 常用侗联剂有有机硅、有机铬、钦酸酪等。其中，有机硅偶联别是一类品种最多、效果显着、应用员广的偶联剂。一般有机硅偶联剂结构通式为 RS；(oR)：。其中“R”为能与树脂兼容或反应的有机基团如cHCH2tCH s4H；CH2、CH?CH2CH：NH2 等，“Rf”为甲基或乙基。改变 R 的结构就可得到适
17、合不同树胎体系的有机硅偶联剂。 常见偶联剂结构式列于表 45；2）增强剂表面活化。这是对碳纤维主要采取的表面处理方法。通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子体处理，可在惰性的 cF、KF 表面上引入活性官能团如CooH、oH、NH2 等等，这些活性官能团可与基体中活性基团反应。另一方面这些活性官能团也可提高纤维与基体兼容性，提高粘接强度。3)使用聚合物涂层。这也是改善 PMC 界面粘接状况的一种有效方法，一些聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的涅润性。聚合物涂层的另一外作用是改善界面应力状态，减弱界面残余应力，涂层作为界面过渡层，可明显改善复合材料的冲击和疲劳性能。1.3 PMC 制备工艺在
18、纤维与树脂体系确定后，复合材料的性能主要决定于制备工艺。PMC 制备工艺包括三部分方面的内容，一预浸料/ 预混料的制造，预浸料或预混料是一类 PMC 的半成品形式，它们是其它一些制品制造工艺( 如压力成型) 的原材料；二是成型，就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状；三是进行固化，这就是使已铺置成一定形状的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。1 预浸料及预混料制造工艺预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单向、织物) 等浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片状、团状
19、或粒状半成品，包括片状模塑料(SMC，GMT) 、团状模塑料(BMC)和注射模塑料(MC)。它们是复合材料生产过程中由增强纤维与树脂系统、填料混合或浸渍而成的半成品形式，可由它们直接通过各种成型工艺制成最终构件或产品。表 xx 为预浸科及预混料的基本特征。预浸料制造。热固性预浸料的组成简单，通常仅由连续纤维或织物及树脂(包括固化剂) 组成，除持殊用途外，一般不加其它填料。 根据浸渍设备或制造方式不同，热固性 FRP 预浸料的制造分轮鼓缠绕法和阵列排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法) 和干法(热熔预浸法)。轮鼓缠绕法是一种间歇式的预浸料制造工艺，其浸渍用树脂系统通常要加稀释刑以保证粘度足够
20、低，因而它是一种湿法工艺。其工艺原理如图 49 所示。 该方法持别适用于实验室的研究性工作或小批量生产。阵列排铺法是一种连续生产单向或织物预浸料的制造工艺，有湿达和干法两种，具有生产效率高、质量稳定性好、适于大规模生产等特点，其中湿法制造的原理是许多平行排列的纤维束同时进入胶槽，浸渍树脂后由挤胶器除去多余胶液，经烘干炉除去溶剂后，加隔离纸并经辊压整平，最后收卷而成。热塑性复合材料（FRTP)预浸料制造，按照树脂状态不同，可分为预浸渍技术和后浸渍技术两大类。预浸渍技术包括溶液预浸和熔融预浸两种，其特点是，预浸料中树脂完全浸渍纤维。而后预浸技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混杂、纤维混编等，其特点是，
21、预浸料中树脂是以粉末、纤维、或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。各种技术制造的 FRTP 预浸料结构如图 410 所示。对于制造的预浸料，评价和选择要考虑的参数主要是，纤维与基体类型，预浸料规格(厚度、宽度、单位面积重量等 )，性能指标(如树脂含量、粘性、凝胶时间等)。其中纤维与基体类型是复合材料性能的决定因素，要根据制件的使用要求(如强度、刚度、耐热性、耐腐蚀性等) 选择不同类型预浸料。同一类型预浸料，通常有不同规格以满足用户需要。预浸料厚度一般在 0.08 一 0.25mm，标准厚度为 0.13mm；宽度在 251500mm。而评价其性能指标包括树脂含量、粘性、凝
22、胶时间、贮存期、挥发份含量等，是确定复合材料生产工艺、控制制品质量的重要参数。预混料中常用的是片状模塑料(即 SMC)、团状模塑料(DMc)和散状模塑料(BMc)。SMC是用不饱和聚酪树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、项料、内脱模剂着色剂等混合成树脂糊程渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚 8 包覆起来形成的片状模压成型材料。 团状模塑料(DMc)及散状模塑料(BMc)是以聚脂为基体，因此，又称为“聚酯料团” ，以过增稠处理的聚脂料团称作“散状模塑料” 。SMC、DMC 及 BMC 是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序的一类纤维增强热固性( 通
23、常为不饱和聚酯材脂) 模塑料。 SMC 的生产一般是在专用SMC 机组上进行。生产上，一般先把除增强纤维以外的其它组分配成树脂糊，再在 SMC机组上与增强纤维复合成 SMC。一般的 SMC 生产工艺原理见图 412。 BMC 的生产方法很多，最常用是捏合法，即在捏合机(桨叶式混合器)中，将短切纤维、填料与液态树脂(如 UP)或树脂 k 液(如 PF 溶于乙醇) 充分搅拌混匀，移出后晾干溶剂)，即得产品。用连续粗纱或织物浸渍树脂后切断的方法可生产纤维更长、强度更高的 BMC。2 成型固化工艺复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺性来确定的。从本世纪 40 年
24、代聚合物基复合材料及其制件成型方法的研究与应用开始，随着聚合物基复合材料工业迅速发展和日渐完善，新的高效生产方法不断出现，已在生产中采用的成型方法有：1）接触成型类：手糊成型湿法铺层成型、注射成型；2）压力成型类：真空袋压法成型、压力袋成型、热压罐成型、模压成型、层压或卷制成型；3）其他成型：纤维缠绕成型、拉挤成型、连续板材成型、热塑性片状模塑料热冲压成型、树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、真空辅助树脂注射成型、夹层结构成型、挤出成型、离心浇铸成型等，我们仅介绍几种工业常用的和有发展前途的工艺。模压成型工艺简介模压成型工艺是一种古老工艺技术，早在 20 世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型
25、是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中、闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模胖相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光沽，多数结构复杂的制品可一次成型无需有损制品性能的二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等优点。模压工艺的主要缺点是模具设计制造复杂，压机及模具投资高制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。由于模压成型工艺具有上述优点，已成为复
26、合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊喷射和连续成型，居第三位。近年来由于 SMC、BMC 和新型模塑料的出现以及它们在汽车工业上的广泛应用、实现了专业化、自动化和高效率生产。制品成本不断降低，其使用范围越来越广泛。模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等。广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到了应用。模压工艺流程入上图。模压料主要使用片状模塑料(即 SMC)、团状模塑料(DMc)和散状模塑料(BMc) 。压制前的准备工作包括模压料的预热和预成型、估算装料量和给模具涂刷脱模剂。压制过程中，
27、物料宏观上历经粘流、凝胶和硬因三个阶段。微观上分子链由线型变成了网状体型结构。这种变化是以一定的温度、压力和时间为条件的。模压工艺的压制制度包含温度制度和压力制度。温度制度包括装模温度、升温速度、最高温度、恒温、降温及后固化温度等。成型温度取决于树脂糊的固化体系、制品厚薄、生产效率和制品结构的复杂程度。制品厚度为2535mm 时，其成型温度为 135143，而更薄的制品就可在 170左右成型。一般认为，片状模塑料的成型温度在 120170之间，应避免在高于 170下成型，否则在制品上会产生气泡，温度低于 140，固化时间将增加，温度低于 120时，不能确保基本的固化反应顺利进行。压力制度主要包
28、括成型压力、加压时机、放气等。成型压力随物料的增碉程度、加料面积、制品结构、形状、尺个的不同而异。形状简单的制品，仅需 l 530MPa，形状复杂的制品，如带加强筋、翼、深拉结构等，成型压力可达 14.021.0MP。另外，成型压力还与分模面、外观性能及平滑度右关。为了让模塑料有较允分的反应程度，应把握好加压时机。由丁在模压过程中常常有小分子物放出，必须及时放气，排出气体小分子。固化时间(即保温时间 )一般按 40smm 计算。 当工艺不当时制品将产生缺陷，常见的缺陷有：翘曲变形、裂纹、 、表面或内部起泡、粘模、树脂集聚、局部缺料、局部纤维裸露、表面凹凸不平、光洁度差及脱模困难等。挤出成型工艺
29、挤出成型工艺是热塑性复合材料的成型方法。挤出成型主要包括加料、塑化、成型、定型四个过程。挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断面形状制品。增强粒料在挤出机的挤出过程如图 515 所示。粒料从料斗 3 进入挤出机的料简 7，在热压作用下发生物理变化，并向前推进。由于滤板 8、机头 9和料筒 7 阻力，使粒料压实、排除气。与此同时，外部热源与和物料磨擦热使料粒受热塑化，变成熔融钻流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出。连续缠绕成型工艺将浸过树脂溶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。利用连续纤维缠
30、绕技术制作复合材料制品时有两种不同的方式：将纤维或带状织物浸渍树脂后缠绕在芯模上，或者先将纤维或带状织物缠好后再浸渍树脂。目前前者应用较普遍。缠绕机类似一部机床、纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。为改善工艺性能和避免损伤纤维可预先在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者直接使用预浸料。纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。缠绕达到要求厚度后。根据所选用的树脂类型，在室温或加热箔内固化、脱模便得到复合材料制品。连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，加固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横
31、截面形状的回转体或断面力矩形、方形以及不规则形状容器的成型除以上这三种工业常用工艺外，目前更有发展前途的注射成型工艺和 RTM 成型工艺注射成型工艺注射成型是树脂基复合材料生产中的种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。 注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内加热熔化和混合均匀，并以一定的挤出压力注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品 s 整个过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。加工热固性树脂时、一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化) 与短
32、纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。注射成型法现在普遍使用的是往复螺杆式注射机，所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外、几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。RTM 成型工艺树脂传递模塑为 Resin Transfer Modeling，简称 RTM，这是一种闭模成型工艺方法，其基本工艺过程为：将液态热固性树脂(通常为不饱和聚配 )及固化剂由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内、经固化、脱模、后加工而成制品。图 510 为一个用 RTM 法生产汽车零件的过程图。用于 R1M 工艺的树脂系统主
33、要是通用型不饱和聚酯树脂，增强材料一般以玻璃纤维为主，含量为 2540。常用的有玻璃纤维毡、短切纤巨维毡、无捻组纱布、预成型坯和表面毡等。R1M 成型工艺与其它工艺相比优点是，主要设备(如模具和摸压设备等)投资少，即用低吨位压机能生产较大的制品；生产的制品两面光滑、尺寸稳定、容易组合；制造模具对间短( 一般仅需几周)可在短期内投产；对树脂和填料的适用性广泛；生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少；产品后加工量少；是闭模成型工艺，因而单体(苯乙烯) 挥发少，环境污染小。RTM 工艺可以生产高性能、尺寸较大、高综合度、数量中等到大量的产品，是一种很有前途的工艺方法。下表为1.4 PMC 性能与应用1
34、 力学性能 复合材料力学性能主要包括静态性能(拉、压、弯、剪、扭等) 和动态性能(断裂韧性、蠕变、疲劳、冲击等)。 代表性的 FRP 静态力学性能列于表 48。与传统材料不同，复合材料是不均匀的其性能依赖于位置和方向。固 421 为复合材料强度与纤维方向关系。 FRP 一般直到断裂都是完全弹性的，没有屈服点或塑性区，一般断裂应变很小；与金属比，断裂功小、韧性差，这对工程设计是一个缺点。所有材料在低于静态强度极限的动载荷作用下，经过不同时间都要破坏，这一现象称为材料的疲劳。通常用疲劳寿命 N 或疲劳强度 SN 来表示材料的疲劳性能并以所加应力幅值或最大应力与应力循环次数的关系曲线(称 sN 曲线
35、 )形式给出。复合材料的 sN 曲线受各种材料和试验参数影响，如纤维类型及体积分数、基体类型、铺层形式、界面性质、载荷形式、平均应力、交变应力频率、环境条件。前四种为材料参数，后四种为实验参数。FRP 的疲劳损伤首先由发生在与载荷方向垂直或成大角度的铺层中特别是那些富纤维区域的裂纹开始。损伤起源于纤维与基体的界面脱拈，且通常沿纤维基体界面扩展。通常把复合材料在交变应力作用下完全破坏作为复合材料失效准则。但一些情况下，也把复合材料经一定疲劳循环后静强度或模量下降到莱一待定值时作为失效准则。在同样的试验条件下，FRP 的疲劳性能一般优于金属。而高模量的 cF， KF 或 BF 增强塑料疲劳性能优于
36、GFRP。因为复合材料模量越低，则产生同样大小应力的应变就大，因而更易发生疲劳损伤。复合材料在应用过程中难免受冲击载荷或发生高速变形，尤其是那些表观上不使复合材料破坏的低能冲击，往往造成复合材料的内部损伤从而使其性能大大下降。因而，受冲击载荷时的力学响应及能量吸收性质或抵抗裂纹扩展能力(断裂韧性) 是复合材料的重要性能。常用的用于表征复合材料韧性的方法有三种，即冲击强度、断裂韧性 Gc 及冲击后压缩强度(cAI)。纤维断裂的数目对总冲击能无直接显著影响，但它非常显著地影响破坏模式，因而也就影响了总冲击能。通常韧性纤维，如玻璃纤维、Kev 比纤维增强塑料具有比较高的冲击强度，而脆性纤维复合材料如
37、 CFRP 或 BFRP 冲击强度较低( 见表 411)。纤维与基体界面粘接强度强烈影响 FRF 的冲击破坏模式，包括纤维的断裂、脱胶、分层等。纤维脱胶会吸收大量能量，因而，如果 FRP 的脱胶程度较大，则可明显增加冲击能。当纤维断裂的裂纹没有能力扩展到韧性基体中时，纤维常常可从基体中拔出并引起基体变形，它们明显增加断裂能。分层裂纹通常吸收比较大的能量，分层的增加会显著提高冲击能。2、应用复合材料范围广，产品多，在国防工业和国民经济各部门中都有广泛的应用。在复合材料中，聚合物基复合材料的应用最广，发展也最快。例如在汽车、船舶、飞机、通讯、建筑电子电气、机械设备、体育用品等各个方面部有应用。玻璃
38、纤维增强塑料(GFRP)的应用。石油化工工业利用 GPRP 的特点，解决了许多工业生产过程中的关健问题，尤其是耐腐蚀性和降低设备维修费等方向。GFRP 管道和罐车是原油陆上运输的主要设备，聚脂和环氧 GFRP 均可做输油管和储油设备，以及天然气和汽油 LFBP 罐车和贮槽。海上油田不可缺少的海水淡化及污水处理装置可用玻璃钢制造管道。在化工生产过程中，经常产生各种强腐蚀性的物质。所以一般不能采用普通钢制造设备或管道，而需要耐腐蚀的环氧删 P 和酚醛 GrBP 来制造。大型冷却塔的导风机叶片以及各种耐腐蚀性酌贮槽、贮罐、反应设备、管道、阀门、泵、管件等。用 GFRP 制成的风机叶片，不仅延长了使用
39、的奉命，而且还大大地降低了电耗量。如发电厂锅炉送风机、轴流式风机，装 GFRP 叶片的比装金属叶片的离心式风机，平均每台每天节电 2500kw”h一年可节电91 万 Lwh。我国每年生产各类风机 10 万台如果全部换上玻璃钢叶片，节约能量就相当可观了。玻璃纤维增强热塑性塑料(FRTP)的应用。玻璃纤维增强聚丙烯的电绝缘性良好，用它可以制作高温电气零件。由于它的各方面性能均超过了一般的工程塑料，而且价格低廉，因而它不但进入了工程塑料的行列，而月在某些领域中还代替金属使用。主要应用于汽车、电风扇、洗衣机零部件，油泵阀门、管件、泵件等。玻璃纤维聚酰胺可用来代替有色金属制造原为有色金属的轴承舶承架、仍
40、轮、精密机器零件、电器零件、汽车零件等。玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料主要用于制造汽车内部的零部件、家用电器的零部件、线圈骨架等。玻璃纤维增强聚碳酸熊上耍应用于机械工业和电器工业方面。玻璃纤维增强聚脂，主要用于制造电器零件、特别是那些在高温、高机械强度条件下使用的部件，例如印刷线路板、各种线圈骨架、电视机的商压变压器、硒整流器、配电敛、集成电路罩壳等。高强度、高模量纤维增强塑料的应用。碳纤维增强塑料主要是火箭和人造卫星最好的结构材料。因为它不但强度高，而且具有良好的减振性，用它制造火箭和人造卫星的机架、壳体、无线构架是非常理想的种材料。用它制造的人造卫星和火箭的飞行器，不仅机械强度高，而且重量比金
41、属轻一半，这意昧着可以节省大迟的燃料，因为飞行器拣增加一公斤就会消耗数字可观的燃料。用它制造火箭和导弹的发动机的壳体，可比金属制的重量减轻 45，射程由原来的 1600km 增加到 4000km；用它制造个宙飞船的助推器推力结构时，可比金属制造的飞船减轻 26，还可用它制飞行器上的仪器设备的台架、齿轮等。也可制造飞行器的外壳，因它有防宇宙射线的作用。飞行器穿过大气层时，由于与空气摩擦，产生了大量的热位飞行器外表面的温度高达 40006000 度，因此飞行器的外表面须加防热层这种材料就是采用最好的合金或陶瓷也无法承担。目前还没有种材料的熔点达到4000 度以上，而采用碳纤维增强的酚酪塑料就能够胜任。Kevlar29 增强塑料在要求非常高的拉神强度、低延伸率、电气绝缘性、耐反复疲劳性、耐蠕变性及高的强韧性等领域，可代替拉伸机构和电缆类。此外安全手套、防护衣、耐热衣等劳动保护服也是开关拉29的重要用途之一。 碳化硅纤维增强塑料可用来制造飞机的门、降落传动装置箱、机翼等。其他纤维增强塑料的应用。石棉纤维增强聚丙烯，由于石棉纤维和聚丙烯的电绝缘性都好，所以复合以后电绝缘性仍然很好、因此主要用作制造电器绝缘件的材料。矿物纤维增强塑料主要用于制造耐磨材料。
