热固性复合材料与热塑性复合材料

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1、热固性复合材料与热塑性复合材料1 热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料 是经过复合而成，在许多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究， 例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机 的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异 的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。典型的热固性树脂复合材料分为以下几种：(1) 酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西方化学 公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的 酚醛树脂复合材料。其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加 优异的热机械物理性能。

2、在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人 员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速 度，减少了挥发组分。使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发 展。(2) 环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行 了两方面的改性研究，一方面是改善湿热性能提高其使用温度;另一方 面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。含有环氧树脂所制备的复合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。(3) 双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由 于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、 耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树

3、脂则会广 泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。(4) 聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及 优异的热氧化稳定性。其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明 显减轻发动机重量，提高发动机推重比。所以在航天航空领域得到了 大力的发展和运用。2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合 材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。在热塑性复合 材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类 热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。而热塑性树脂复合材料

4、具有很多的特点，以下概述了一些热塑性 树脂复合材料的特点。1）比强度高热塑性聚合物基复合材料的密度为l.lT.9g/cm 3,仅为 钢材的 1/7-1/4,铝合金的 2/5-2/3,钦合金的 1/4-2/5 左右。另外，热 塑性树脂复合材料的力学强度一般低于以上的材料,但是由于其密度 较低,因而热塑性树脂复合材料具有较高的比强度,能够用较小的单 位质量承受更高的外加应力。2）性能可设计性自由度大热塑性树脂复合材料力学性能、物理性能 和化学性能都可以通过合理选择原材料种类、配比以及适当的加工方 法进行设计。由于热塑性树脂复合材料的基体材料种类比热固性复合 材料多得多,因此其选材设计自由度也要大很

5、多。3）热学性能优异由于引入了无机填料,热塑性树脂复合材料具有优 异的热学性能。一般热塑性塑料的使用温度在50-100U,用玻璃纤维 增强后，可提高到100C以上。热塑性聚合物复合材料的线膨胀系数 比未增强的塑料低 1/4-1/2,从而能够降低制品成型过程中的收缩率, 提高制品尺寸精度。4）耐化学腐蚀性热塑性树脂基的种类很多,一般都有耐化学腐蚀性 的特点,热塑性聚合物基复合材料和他们的基体一般都会具有化学腐 蚀性的优点。5）电性能一般热塑性聚合物复合材料都具有良好的介电性能，不反 射无线电电波，透过微波性能良好。6）优异的抗疲劳性能热塑性聚合物基复合材料内部存在大量的界 面，使用过程中即使过载

6、而造成少量纤维断裂。一方面，热塑性树脂 基体一般具有一定的阻碍裂纹扩展的能力，从而在短期内不会使整个 构件丧失承载能力，具有优异的破损安全性。7）废料回收利用由于热塑性塑料具有遇热可熔融的特点，所以这种 复合材料可以重复加工成型，废品、边角料以及旧品都可以回收利用， 进行再加工，这样对于环境起到了很好的保护作用。在以上优异性能 和特点上，科研人员看准了热塑性树脂复合材料的性能可以与热固性 树脂复合材料相媲美。同时，热塑性基体的良好韧性是它重要的技术 优势，更吸引人的一方面就是其具有降低制备成本的潜力。3、热固性树脂基复合材料与热塑性树脂复合材料的比较在加工过程中，热固性树脂材料是经过化学反应和

7、邻近的支链通 过共价键结合在一起，所以在此受热时是不会熔融变软的;而热塑性树 脂材料则具有较高的分子质量和较大的熔体茹滞度，所以在制备相应 的复合材料的时候，制备温度很大程度上要高于其自身的玻璃化转变温度。在比较了热固性树脂与热塑性树脂的不同后，表1.2 阐述了热 固性树脂复合材料与热塑性复合材料的不同点。4、热固性树脂预浸料的制备方法在制备热固性树脂预浸料的过程中，通常采用两种工艺方法，分 别为溶液浸渍法和热熔法。（1）溶液浸渍法:溶液浸渍法则是要把树脂基体中的各个组份按规 定的比例溶解到较低沸点的溶剂中，从而使溶液达到一定的溶度，接 下来将纤维束或织物按设定的浸渍速度通过树脂基体溶液，使碳

8、纤维 布上浸渍上一定量的树脂基体。而溶液浸渍法又可以分为滚筒缠绕法 和多数纤维连续浸渍法。滚筒缠绕法是要把纤维束通过树脂基体的 溶液槽中，经过几组导向辊以除去多余的树脂，随后平行缠绕在滚筒 上，并沿着辊筒纵向切开，才可以得到单向的预浸料。多丝束连续 浸渍法的工艺过程是要将纱架引出纤维束，用以调节丝束纤维张力基 本相等，经过整径、分散、展平、进入浸胶槽等工序，通过挤胶除去 多余的树脂，最后再放进烘干炉中，使溶剂充分挥发。溶液浸渍法的 优点则是可以很大程度上增强树脂基体浸透到材料中，可以制备薄型 的预浸料，也可以制备厚型的预浸料;在设备上其造价相对较低，可以很好的节省成本。表 2 热固性与热塑性复

9、合材料的比较h冃丈舛仙1豪1三7 C M 腔!丈鹑翌j卜且站介卡才韋導半山宜玉a rm *4 w 在 限113甘女上诃半zK久琢存-bjr fiij命疋:西2湍D直fl lFK Zjf氏J启i畑汽f綁；力II询（贺:半斗聊則蛍工予嵐梓Q門 池?4匪帕三Ctf千奸女于n-L *Hi0j容鎭妊F苗飞齐E显吗怙炖贬戸寿- ：if中寿好斜jffi册氐 r . HU fifeJiijj汕丨击r ijL沁羽性那即也生訂总忧此甘世女于图 2 连续浸渍法制备预浸料工艺2）热熔法:热熔法可以分为直接热熔法和膜胶压延法。直接热熔法是 把树脂基体放于胶槽中，在加热到一定的温度下从而使树脂熔融，然 后再将纤维束依次通

10、过展开机构、胶槽、几组挤胶辊、重排机构上。 这种制备工艺要求所用的树脂基体具有良好的流动性，在不高的温度下就可以呈现出很好的流动态有利于纤维束的浸渍。膜胶压延法包含有制膜和预浸两个步骤。就是要把树脂基体放在混合器中充分混合，等到加热到最佳涂膜温度后，用电机枢机的计量泵将树脂基体输送到 涂胶辊上，调节涂胶辊的间距并且使离型纸的运动呈线速度，制备得 到不同膜厚的膜。再取出纤维，调节张力后，通过蓖子集束、展平到 规定的宽度，从上、下胶膜辊引出预先制备出的胶模，并和纤维形成 夹心结构，再通过几组热压辊，使树脂基体达到熔融温度，使树脂基 体充分浸渍到纤维中。这种热熔法制备预浸料其具有线速度大、效率 较高

11、、树脂的含量更容易控制掌握;没有溶剂，预浸料挥发含量则较低， 工艺操作步骤也很安全，对于环境的污染较小，是目前采用比较多的 热固性预浸料制备方法。图 3 直接热熔法工艺示意图图 4 膜胶压延法预浸示意图5、热塑性树脂预浸料的制备方法通过研究得知一系列的热塑性树脂都具有熔点较高，熔融粘度都 较大一般大于lOOPas，并且粘度都会随温度的变化很小，这就给热 塑性树脂基复合材料的制备产生了很大的困难，所以热塑性树脂预浸 料就成了制备热塑性树脂基复合材料非常重要的研究方向和研究目 标。1）溶液浸渍法 这种方法可以运用热固性树脂溶液法预浸料设备及其工艺，但是需要 增加熔融炉，使树脂熔融并且可以粘附在增强

12、材料上。2）泥浆法 此种方法是要把树脂粉末悬浮在具有规定特性的液体介质中，树脂粉 末应尽量的细，可以很好的分布均匀从而使纤维浸透。而工艺的制备 过程和上述的溶液浸渍方法相类似。这种方法可以充分使树脂浸渍但 是如果增稠剂处理添加不适当，会影响所得到的复合材料的性质。3）热压工艺热压工艺的设备则是热压机，是要将定量的树脂粉末均匀涂覆在热压 板上，并用增强纤维织物盖在树脂上，接下来放上第二块热压板，加 热到树脂的加热温度，使其熔融，随后缓慢施加压力，使树脂充分的 浸渍到纤维布的织物中。此种方法更多的应用在纤维织物所制备的预 浸料中。但是制备单向预浸料过程中，由于施加的压力会使纤维在树 脂的带动下产生

13、移位，很难保证预浸料的质量问题。r 丁1IJ图 5 热压法制备预浸料示意图4）热熔法热塑性树脂的热熔法与热固性树脂的热熔法非常相似，就是要把增强 纤维通过树脂熔融浴中，再利用刮刀或计量辊筒控制树脂的含甲纤维 混杂法纤维混杂法首先把热塑性树脂纺成纤维或膜带，然后根据含胶 量的多少中的具体情况再将增强纤维和树脂纤维按规定的配比紧密的 合成混合纱。接下来把纤维制备成所需要的形状，最后则是通过高温 的情况下将树脂熔融在纤维中。这种方法是可以很好的掌握树脂所需 要的含量并且可以使树脂充分均匀的浸渍在纤维束中。5）粉末法 粉末法就是制备热塑性预浸料比较常用的方法。而粉末法根据设备和 条件不同可以分为多种方

14、法，其中包括粉末浸渍法、流态化床工艺、FIT，预浸法、静电流化床预浸工艺。概括粉末法主要是把带有静电的 树脂粉末沉积在被吹散的纤维上，然后通过高温的作用把树脂熔融在 纤维中。这种方法最大的优点则是不需要采用溶剂，材料形式简单易 得，制备工艺简单，纤维不会受损，成本较低。针对热固性树脂预浸 料来说，在加工过程中，运送过程中，储存过程中都会使树脂产生一 系列的化学反应变化，所以在这几方面对比热固性树脂预浸料的影响 很大。而热塑性树脂预浸料由于其自身是高聚合物所以不容易在上述 情况下发生化学反应和变化，但是热塑性高聚合的分子质量，分子质 量的分布，纯度等等各种因素也会对制备成的热塑性树脂预浸料产生

15、很大的影响。通过热塑性树脂和热固性树脂预浸料的制备中，都会有 很多因素对于制备过程和制备成型的预浸料产生影响，进而对所要制 备成型的复合材料进行影响，因此，我们要对热固性树脂和热塑性树 脂所制备的预浸料进行严格的把控，这样才能保证预浸料的质量，制 备成性能优异的复合材料。6连续纤维增强复合材料的制备工艺近来复合材料的工业化得到了快速的发展，但是在工业化过程中 复合材料也存在许多的问题。在复合材料的制备成型上存在了很多有 待解决的问题，这些问题会直接影响到复合材料制备成型后产品的质 量。而在选择复合材料制备成型的工艺条件时应该满足以下几点在 技术层面上，我们要做到在符合市场要求的基础上，提升产品

16、本身的 质量;在制备过程中，要做到操作简单，成本要适当降低，安全效率 提高;在生产过程中要尽量减小对环境的污染。而要满足上述的复合 材料要求，就要了解复合材料的制备工艺和发展历程。近年来复合材 料的制备工艺得到了大幅度提升，越来越能满足对于产品的高要求。 接下来我们介绍几种连续纤维增强复合材料的制备工艺。1) RTM 成型工艺:由于复合材料工业上己经进入大产量、大消费的阶段，所以树脂传递模塑(RTM)工艺正好符合这一趋势的发展。这一工艺灵活，适应性较高，在与其他工艺结合性好，所以其得到了大规模的应用。闭模模塑工艺使用的模具是上下的对称模 具，下模具一般是厚实、刚硬的，而上模具则是分为两种，一种

17、 是与下模具一样厚实、刚硬的 ;另一种则是比较薄、比较软的或 者真空膜I SH-mriirhiTfiimiftthri!I inilUllr图 6 RTM 成型工艺这种制备工艺具有很多优点，所以在很多领域得到了广泛的应用和研 究，例如:可选用的树脂和增强体材料比较多;制备出的产品孔隙率低， 机械性能高，尺寸稳定性强，生产效率高;设备和制备的产品成本较低 等等优异的性能。缠绕成型工艺:缠绕成型工艺的原理是要把浸胶以后 的连续纤维等增强体材料，按照规定的缠绕方法缠绕到芯模上，最后 再固化成型。这种成型工艺采用的增强体材料多数为纤维或者布带。在使用这种成型工艺条件时不仅对其增强体的种类有所要求外，对

18、于 树脂基体也有明确要求，对于采用的树脂基体应该具有对纤维良好的 润湿性和粘附能力;固化之后应该具有局域较高的强度和伸长率 ;在开 始时树脂基体应该有较低的粘度;毒性要尽量的低，不能对人体产生毒 性。利用缠绕成型工艺制备的复合材料拥有纤维方向整齐、准确率高、 比强度和比刚性都要较强等优异性能。拉挤成型工艺:这种制备工艺的 原理则是把己经湿润的树脂胶液的连续的纤维在牵引结构的拉力作用 下再通过模具成型，最后在模具中固化，连续生长出长度不受限制的 复合材料。在这种工艺条件下则要求树脂基体粘度较低，而纤维则要 求与树脂基体相匹配的。图 7 拉挤成型工艺示意图拉挤成型工艺其生产效率较高，制备出的产品质

19、量稳定性较高。但是这一工艺使制品的横向强度很差，制备所用的设备繁琐，在 生产过程中带来很多的不便。2）手糊成型工艺:手糊成型工艺另一个名称叫接触成型工艺，在人工操 作下将玻璃纤维织物和树脂基体进行交替性的铺附在模具中，两者进 行粘附后再进行固化，进而成型。这种工艺其优点在于设备的简单， 人工很容易掌握。但是制备出的产品达不到所要求的标准，产品性能 差，稳定性得不到提升，力学性能较低，对于环境的污染严重，气味 较大，对于身体的伤害严重，粉尘较多，容易造成危险等因素。所以 近些年来，研究人员对这种成型工艺进行了大量的研究，改善了其产 生的产品不足等缺点。3）模压成型工艺:这种成型工艺是把一定量的将

20、要混合的材料或者预 料加入到金属对模的内部，然后再进行加热，加压的处理，在进行加 热，加压处理过程中进行固化的一种工艺方法。这种方法的优点是制 备过程中生产的效率较高，可以降低制备的成本问题，尽可能的实现 现代化，专业的生产流程，制备出的产品尺寸精度高，重复性好，可 以一次制备出成型比较复杂的制品。但是在这些优点的基础上还是会 产生一些缺点，例如模具的制备过程比较复杂无形中增加了生产的成 本等一系列不足之处。在近些年来，模压成型工艺主要在长短纤维增 强材料，热塑性树脂，热固性树脂基体的复合材料中得到大力发展和 应用。在航空航天通讯电子设备上贡献了很大的作用。4）铺放成型工艺:其是自动铺丝束成型

21、技术与自动窄带铺放成型技术的统一名称。自动铺带技术主要采用了隔离衬纸的带向预浸带，在铺 带前就己经完成了设定好的形状的切割和定位。然后再通过加热处理 按照规定的设计方向在压辊中进行操作，并且可以直接铺叠到半径较 大的模具表面。由于这种技术利用的材料成熟度较高，设计成型方法 可以完成数字化和自动化的生产，所以近年来在国内外被应用到很多 复合材料大型构件的制备中。在上述的制备方法下制备成型的复合材 料都应用到各个领域中。总的来说复合材料具有优异的性能，才能受 到国内外的广泛应用与关注。复合材料具有以下优点:一方面，其具有 质量轻，力学性能优异，由于树脂基体的加入使复合材料具有比强度 高，比模量大，

22、抗疲劳性能优异。例如高模量的碳纤维/环氧树脂的比 强度是钢材料的5倍;其比模量是铜的4 倍。第二点则是在设计方面， 树脂基复合材料具有成型灵活，在结构和性能上都拥有优异的可设计 性。在加入增强体纤维中我们可以通过改变纤维的各个性质，从而使 增强体的材料得到最大的发挥，这样就可以提高复合材料的力学性能。 其次则是改变树脂基体的性能，引入各种官能团来改变复合材料的化 学性质，例如加入卤素聚合物可以使复合材料有优异的阻燃性能。第 三点则是耐化学的腐蚀性，在电解质溶液中不会产生离子，所以在一 般的介质情况下都具有很高的化学稳定性，抗腐蚀性。第四点则是电性能稳定，树脂基复合材料拥有较高的绝缘性质，所以可以运用到很 多绝缘性能要求较高的领域。最后一点则是树脂基复合材料的热性能良好，其自身的热导率要明显低于绝大多数材料，在一定温度的范围内，复合材料表现出良好的热稳定性。.页脚.