纤维增强聚合物基复合材料

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1、纤维增强聚合物基复合材料高分子材料专业课程复合材料按基体材料分类树脂基热固性热塑性聚合物基复合材料复合材料的组成飞机上用的复合材料飞机上用的复合材料飞机上用的复合材料飞机上用的复合材料 荷 兰 计 划研发新型绿色环保飞机外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，因此可以节省燃油。聚合物基复合材料聚合物基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热

2、塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国俗称玻璃钢。火箭飞机上用的复合材料1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料（Sheet Molding Compound,简称SMC）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，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树

3、脂基复合材料的应用领域。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。固体火箭发动机的壳体聚合物基复合材料的发展历程 拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。70年代树脂反应注射成型（简称RIM）和增强树脂反应注射成型（简称RRIM）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汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生产。管状构件的工艺除缠绕成型外，80年代又发

4、展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。聚合物基复合材料的发展历程进入20世纪70年代，人们一方面不断开辟玻纤树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（简称ACM）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。自从先进复合材料投入应用以

5、来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以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哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。第三件是在波音767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增

6、强树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，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。我国复合材料工业的发展历程起始于1958年，先军工，后民用。手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962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，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。到2009年国内玻璃钢产量已达到30万吨，

7、产品2000多种。从生产工艺来看从生产工艺来看，尽管引进了不少先进技术设备，但利用率不高，所有制品仍有80%是手糊成型，仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等设备成型，因此玻璃钢工业的生产潜力很大。先进复合材料先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料，主要是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂，多官能团环氧树脂和BMI，复合材料的性能稳定，已大量投入应用，相当于T300/PMR15性能的复合材料已研制成功，一批高性能的热塑性树脂基复合材料，如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实用。聚合物基复合材料成型工艺(1)手糊成型(2)喷射成型(3)缠绕成型(4)挤拉成型(5)连

8、续成型(6)袋压成型拉挤成型于1951年首次在美国注册专利，60年代发展很慢，70-80年代进入快速发展阶段。我国起步则较晚，直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发展时期。目前，引进及国产拉挤生产线已超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似：先开发形状简单的棒材，然后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求，开发了型材制品，目前这些技术已经比较成熟。拉挤成型典型工艺流程为：玻璃纤维粗纱排布浸胶预成型挤压模塑及固化牵引切割制品拉挤成型拉挤成型制品应用制品应用制品包括各种杆棒、平板、空心管及型材，应用领域包括以下几个方面：1 1、电气市场、电气市场这是拉挤玻璃钢应用最早的个市场，

9、目前成功开发应用的产品有：电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、电机槽楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯材等。在这个市场中还有许多值得我们进一步开发的产品。2 2、化工、防腐市场、化工、防腐市场化工防腐是拉挤玻璃钢的一大用户，成功应用的有：玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、行走格栅、楼梯扶手及支架、各种化学腐蚀环境下的结构支架、水处理厂盖板等。3 3、消费娱乐市场、消费娱乐市场这是一个潜力巨大的市场，目前开发应用的有：钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯柱、栏杆、扶手、楼梯、无线电天线、游艇码头、园林工具及附件。4 4、建筑市场、建筑市场在建筑市场拉挤玻璃钢己渗入传

10、统材料的市场，如：门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间墙板、筋材、装饰材料等。值得注意的是筋材和装饰材料将有很大的上升空间。5 5、道路交通市场、道路交通市场成功应用的有：高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔音壁、冷藏车构件等。缠绕成型纤维缠绕成型是一种快捷高效的方法。在模具上铺放树脂和加固物，经缠绕后制造出坚固，轻质的复合材料产品。缠绕物的形状大小受模具和旋转芯模的限制。如果生产的部件所需芯模的直径大于30米，那么就需在安装现场进行缠绕成型。纤维缠绕成型的零部件具有很高的纤维含量（高达80%）以及精准可控制的纤维取向。缠绕成型的应用挤压成型 悬架零件，前、后保险杠，仪表板等；

11、车身及车身部件，硬壳车顶，防滑地板，阻流板，遮阳罩，发动机罩；发动机盖下部件，导风罩，进气管盖，风扇导片圈，发动机隔音板；车内装饰部件：车门把手，仪表盘，转向杆部件。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；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；因为批量生产，价格相对低廉。模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件

12、、浴盆、整体卫生间组件等。手糊成型工艺手糊成型顾名思义是作业者用手工制作的方法来制作复合材料的一种成型工艺。做为最古老的一种复合材料的成型方法。手糊成型在现在复合材料成型中仍占有很大比例。从世界各国来看，手糊法仍占相当比重，说明它仍有生命力。但是随着复合材料工业的不断发展，机械化水平的日益提高，手糊工艺面临的挑战也越来越大。手糊优点：优点：1）、不需复杂的设备，只需简单的模具、工具，故投资少、见效快，适合我国乡镇企业的发展；2）、生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产；3）、所制作的FRP产品不受尺寸、形状的限制，如：大型游船、圆屋顶、水槽等均可；4）、可与其他材料（如：金属、木材、泡沫

13、等）同时复合制作成一体；5）、对一些不宜运输的大型制品（如：大罐、大型屋面）皆可现场制作。缺点：缺点：1）、生产效率低、速度慢、生产周期长，对于批量大的产品不太适合；2）、产品质量不够稳定。由于操作人员技能水平不同及制作环境条件的影响故产品质量稳定性差；3）、生产环境差，气味大，加工时粉尘多，故需从劳动总之，手糊成型工艺的优点是其他工艺方法所不能替代的，其存在的缺点，须在操作过程中加以克服。喷射成型和传递成型喷射成型是利用喷枪将玻璃纤维及树脂同时喷到模具上而制得玻璃钢的工艺方法。具体做法是：加了引发剂的树脂和加了促进剂的树脂分别由喷枪上两个喷嘴喷出，同时切割器将连续玻璃纤维切成短纤维，由喷枪第

14、三个喷嘴均匀地喷到模具表面上，用小辊压实。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。基体材料环氧树脂环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的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交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。根据分

15、子结构，环氧树脂大体上可分为五大类：1、缩水甘油醚类环氧树脂2、缩水甘油酯类环氧树脂3、缩水甘油胺类环氧树脂4、线型脂肪族类环氧树脂5、脂环族类环氧树脂基体材料酚醛树脂酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等复合材料。酚醛树脂复合材料尤其在宇航工业方面（空间飞行器、火箭、导弹等）作为瞬时耐高温和烧蚀的结构材料有着非常重要的用途。酚醛树脂的合成和固化过程完全遵循体型缩聚反应的规律。控制不同的合成条件（如酚和醛的比例，所用催化剂的类型等），可以得到两类不同的酚醛树脂：

16、一类称为热固性酚醛树脂，它是一种含有可进一步反应的羟甲基活性基团的树脂，如果合成不加控制，则会使体型缩聚反应一直进行至形成不熔、不溶的具有三向网络结构的固化树脂，因此这类树脂又称为一阶树脂；另一类称为热塑性酚醛树脂，它是线型树脂，在合成过程中不会形成三向网络结构，在进一步的固化过程中必须加入固化剂，这类树脂又称为二阶树脂。1、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂 2、聚酰胺改性酚醛树脂 3、环氧改性酚醛树脂 4、有机硅改性酚醛树脂 5、硼改性酚醛树脂6、二甲苯改性酚醛树脂 7、二苯醚甲醛树脂基体材料其它热固性树脂1、三聚氰胺甲醛树脂三聚氰胺与甲醛反应所得到的聚合物。又称密胺甲醛树脂、密胺树脂。英文缩写MF

17、。加工成型时发生交联反应，制品为不溶不熔的热固性树脂。习惯上常把它与脲醛树脂统称为氨基树脂。2、呋喃树脂呋喃树脂是糠醇与尿醛、酚醛、酮醛合成物的总称，为棕红色、琥珀色液体，微溶于水，易溶于酯、酮等有机溶剂，是铸造工业的砂（型）芯粘结剂。3、聚丁二烯树脂4、有机硅树脂硅树脂是高度交联的网状结构的聚有机硅氧烷，通常是用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷的各种混合物，在有机溶剂如甲苯存在下，在较低温度下加水分解，得到酸性水解物。水解的初始产物是环状的、线型的和交联聚合物的混合物，通常还含有相当多的羟基。水解物经水洗除去酸，中性的初缩聚体于空气中热氧化或在催化

18、剂存在下进一步缩聚，最后形成高度交联的立体网络结构。基体材料聚氨酯树脂70年代，出现了一种新的玻璃纤维增强复合材料成型（聚合）工艺方法，即反应注射成型（Reaction Injection Moulding,RIM）。如果同时加入增强材料，则称为增强反应注射成型（Rerinfouced Reaction Injection Moulding,RRIM）。这种工艺方法的特点是反应液体能快速混合、快速反应，在反应的同时即可成型。RIM和RRIM技术的出现，意味着包括聚合与制品成型在内的生产周期大大缩短，反应时间可以秒计。包括模具清理等辅助操作在内的整个生产周期只有几分钟。反应注射成型过程可以在较低

19、温度下进行，所以能耗较低。目前，聚氨酯树脂反应注射成型已获得工业化实施，它可用于制作聚氨茏微孔弹性体、泡沫塑料和聚氨酯结构泡沫塑料，后者可以用来代替金属材料。主链含NHCOO重复结构单元的一类聚合物。英文缩写PU。由异氰酸酯（单体）与羟基化合物聚合而成。由于含强极性的氨基甲酸酯基，不溶于非极性基团，具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。用不同原料可制得适应较宽温度范围（50150）的材料，包括弹性体、热塑性树脂和热固性树脂。高温下不耐水解，亦不耐碱性介质。基体材料热塑性树脂热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物。这一类树脂的特点是遇热软化或熔融而处于可塑性状态，冷却后

20、又变坚硬，而且这一过程可以反复进行。典型代表性热塑性树脂如聚烯烃、氟树脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS树脂）、聚苯乙烯-丙烯腈（SAN或AS树脂）等。这类塑料虽有许多优点，但仍有不少不足之处，如强度、硬度、耐热性、尺寸精度等较低，热膨胀系数较大，力学性能受温度影响较大，蠕变、冷流、耐负荷变形较大等。用玻璃纤维增强热塑性树脂而制得的热塑性玻璃纤维增强复合材料，不仅可使上述缺点得到不同程度的改善，还可使某些性能达到或超过热固性玻璃纤维增强复合材料的水平，而且仍可以用一般注射方法成型。纤维的含量通常在20%40%。总的来说，用（玻璃）纤维增强热塑性塑料，可以达到下述

21、效果：提高拉伸、弯曲、压缩等力学强度及弹性模量，改善蠕变性能；提高热变形温度；降低线膨胀系数；降低吸水率，增加尺寸稳定性；改善热导率；提高硬度；抑制应力开裂；阻迟燃烧性；改善电性能。玻璃纤维增强热塑性复合材料的不足之处，主要是冲击韧性降低，冲击疲劳韧性有所下降，但带缺口冲击韧性有所提高。复合材料常用热塑性树脂1、聚烯烃 （1）聚氯乙烯（2）聚乙烯（3）聚丙烯（4）聚苯乙烯2、氟树脂3、聚酰胺树脂4、聚酯树脂（涤纶）5、聚碳酸酯树脂6、聚甲醛树脂7、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂（ABS树脂）8、聚苯乙烯-丙烯腈树脂（SAN或AS树脂）基体材料不饱和聚酯树脂1、邻苯型不饱和聚酯和间苯型不饱和聚酯2、双酚A型不饱和聚酯3、乙烯基树脂4、卤代不饱和聚酯基体材料高性能树脂1、聚酰亚胺2、聚砜和聚醚砜3、聚苯硫醚4、聚芳醚酮5、其它高性能树脂