第5章 聚合物基復(fù)合材料

1、1基體：聚合物（粘結(jié)、傳遞分配載荷）基體：聚合物（粘結(jié)、傳遞分配載荷）增強材料：連續(xù)纖維（高強、高模）增強材料：連續(xù)纖維（高強、高模）21. 高比強度、高比模量高比強度、高比模量力學(xué)性能出色：比模量和比強度可與常用金屬進行比較（鋼、鋁、力學(xué)性能出色：比模量和比強度可與常用金屬進行比較（鋼、鋁、鈦）鈦）;見表見表5-1；2. 抗疲勞性好抗疲勞性好金屬：由里往外、無預(yù)兆；疲勞極限為抗拉強度的金屬：由里往外、無預(yù)兆；疲勞極限為抗拉強度的40%50%；聚合物基：界面阻礙裂紋擴散、從薄弱環(huán)節(jié)開始、征兆明顯；聚合物基：界面阻礙裂紋擴散、從薄弱環(huán)節(jié)開始、征兆明顯；70%80%；3. 減振性好減振性好纖維與基

2、體的基面具有吸振能力；纖維與基體的基面具有吸振能力；34. 高溫性能好高溫性能好耐熱性好，可作為燒蝕材料（高溫分解、氣化、吸熱、冷卻基體）。耐熱性好，可作為燒蝕材料（高溫分解、氣化、吸熱、冷卻基體）。5. 安全性好安全性好纖維量多，少數(shù)斷裂，載荷會重新分配，不會引起材料失效；纖維量多，少數(shù)斷裂，載荷會重新分配，不會引起材料失效；6. 可設(shè)計性強、成型工藝簡單可設(shè)計性強、成型工藝簡單改變量：纖維、基體種類；相對含量；纖維集合形式、排列方式、改變量：纖維、基體種類；相對含量；纖維集合形式、排列方式、鋪層結(jié)構(gòu)；鋪層結(jié)構(gòu)；工藝簡單：整體、一次成型工藝簡單：整體、一次成型缺點：缺點：斷裂伸長小；抗沖擊強

3、度差、橫向強度和層間剪切強度低；斷裂伸長??；抗沖擊強度差、橫向強度和層間剪切強度低；手工勞動多；質(zhì)量不夠穩(wěn)定；手工勞動多；質(zhì)量不夠穩(wěn)定；45.1.1 玻璃纖維增強熱固性塑料（玻璃纖維增強熱固性塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP，玻璃鋼），玻璃鋼）優(yōu)點：優(yōu)點：增強材料：玻璃纖維（長纖維、布、帶、氈）；增強材料：玻璃纖維（長纖維、布、帶、氈）；基體：熱固性塑料（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹基體：熱固性塑料（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂）、三類；脂）、三類；比重?。ū戎匦。?.62.0）、比強度高（比鋁輕、比合金鋼強）。）、比強度高（比鋁輕、比

4、合金鋼強）。耐腐蝕性好：在酸、堿、有機溶劑、海水中穩(wěn)定；耐腐蝕性好：在酸、堿、有機溶劑、海水中穩(wěn)定；電絕緣性好：電阻率和擊穿電壓強度指標(biāo)；電絕緣性好：電阻率和擊穿電壓強度指標(biāo)；不受電磁作用：微波透過性好，不反射電磁波；不受電磁作用：微波透過性好，不反射電磁波；保溫、隔熱、隔音、減振；保溫、隔熱、隔音、減振；5缺點：缺點：剛性差：木材的剛性差：木材的2倍；鋼材的倍；鋼材的1/10；耐熱性比塑料高，但低于金屬和陶瓷；耐熱性比塑料高，但低于金屬和陶瓷；導(dǎo)熱性差；導(dǎo)熱性差；易老化；易老化；總體上是比較理想的結(jié)構(gòu)材料！總體上是比較理想的結(jié)構(gòu)材料！6幾種聚合物基材料各具特點：幾種聚合物基材料各具特點：玻璃

5、纖維增強環(huán)氧樹脂：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂：綜合性能最好；粘接力強，機械強度高；收縮率低，尺寸穩(wěn)綜合性能最好；粘接力強，機械強度高；收縮率低，尺寸穩(wěn)定性好；價格最高；成型需加熱，加工不便；定性好；價格最高；成型需加熱，加工不便；玻璃纖維增強酚醛樹脂：玻璃纖維增強酚醛樹脂：耐熱性好最好；收縮率大，脆性高，刺激皮膚，最便宜；耐熱性好最好；收縮率大，脆性高，刺激皮膚，最便宜；玻璃纖維增強聚酯樹脂：玻璃纖維增強聚酯樹脂：加工性好（由于引入引發(fā)劑和促進劑，可室溫固化成型）；加工性好（由于引入引發(fā)劑和促進劑，可室溫固化成型）；透光性好；價格便宜；耐腐蝕性；使用最廣泛。透光性好；價格便宜；耐腐蝕性；使用最廣泛。

6、7增強材料：增強材料：長纖維、短切纖維；長纖維、短切纖維；基體：基體：熱塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、熱塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、）特點：特點：比重更輕（比重更輕（1.11.6）、比強度高、蠕變性能大大改善；）、比強度高、蠕變性能大大改善；種類：種類：玻璃纖維增強玻璃纖維增強聚丙烯聚丙烯、玻璃纖維增強、玻璃纖維增強聚酰胺聚酰胺、玻璃纖維、玻璃纖維增強增強聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料、玻璃纖維增強、玻璃纖維增強聚碳酸酯聚碳酸酯詳見表詳見表5-45.1.2 玻璃纖維增強熱塑性塑料（玻璃纖維增強熱塑性塑料（Fiber Reinforced Thermoplastic Plastic，F(xiàn)R-TP）8基體：基體

7、：環(huán)氧樹脂；環(huán)氧樹脂；增強纖維：增強纖維：高強、高模纖維（碳纖維、硼纖維、芳香族聚高強、高模纖維（碳纖維、硼纖維、芳香族聚酰胺纖維、各種晶須等）酰胺纖維、各種晶須等）特點：特點：比重輕、強度高、模量高、熱膨脹系數(shù)??；表比重輕、強度高、模量高、熱膨脹系數(shù)??；表5-5加工工藝簡單；加工工藝簡單；價格昂貴；價格昂貴；5.1.3 高強度、高模量纖維增強塑料高強度、高模量纖維增強塑料9 碳纖維增強塑料碳纖維增強塑料優(yōu)點：優(yōu)點：強度、剛度、耐熱性均很好！強度、剛度、耐熱性均很好！缺點：缺點：粘接性差，各向異性；價格昂貴；宇航領(lǐng)域；粘接性差，各向異性；價格昂貴；宇航領(lǐng)域；2. 芳香族聚酰胺纖維增強塑料芳香族

8、聚酰胺纖維增強塑料基體：基體：主要為環(huán)氧樹脂，也可為熱塑性塑料的聚乙烯、聚主要為環(huán)氧樹脂，也可為熱塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等；碳酸酯、聚酯等；突出特點：突出特點：壓延性，與金屬相似；抗沖擊性好；壓延性，與金屬相似；抗沖擊性好；103. 硼纖維增強塑料硼纖維增強塑料優(yōu)點：優(yōu)點：剛度好；強度和彈性模量超過碳纖維增強環(huán)氧樹脂，剛度好；強度和彈性模量超過碳纖維增強環(huán)氧樹脂，是纖維增強塑料中最好的一種。是纖維增強塑料中最好的一種。4. 碳化硅纖維增強塑料碳化硅纖維增強塑料特點：特點：不需表面處理，粘接力強；不需表面處理，粘接力強；115.1.4 其他纖維增強塑料其他纖維增強塑料增強材料：增強材料

9、：石棉纖維；礦棉纖維；棉纖維；麻纖維；木質(zhì)石棉纖維；礦棉纖維；棉纖維；麻纖維；木質(zhì)纖維；合成纖維；纖維；合成纖維；基體：基體：熱塑性塑料和熱固性塑料；熱塑性塑料和熱固性塑料；122. 礦物纖維增強塑料礦物纖維增強塑料礦物纖維增強聚丙烯和增強聚酯礦物纖維增強聚丙烯和增強聚酯特點：纖維短，直徑小，與樹脂接觸面大；分配、定特點：纖維短，直徑小，與樹脂接觸面大；分配、定向性好，撓度扭曲??；向性好，撓度扭曲?。?石棉纖維增強聚丙烯復(fù)合材料石棉纖維增強聚丙烯復(fù)合材料性能提高：表性能提高：表5-6 抗拉彈性模量提高；抗拉彈性模量提高； 耐熱性提高；耐熱性提高； 線膨脹系數(shù)降低，尺寸穩(wěn)定性變好；線膨脹系數(shù)降低

10、，尺寸穩(wěn)定性變好；13聚合物基復(fù)合材料的性能聚合物基復(fù)合材料的性能在在與與體系確定后體系確定后，主要，主要決定于決定于。主要包括以下兩個方面：主要包括以下兩個方面：一是一是，即將，即將按產(chǎn)品的要求，按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀一般就是產(chǎn)品的形狀;二是二是，即把已，即把已鋪置成一定形狀的鋪置成一定形狀的，在，在溫度、溫度、時間和壓力等因素影響下時間和壓力等因素影響下使使下來，并能達到預(yù)期的性下來，并能達到預(yù)期的性能要求。能要求。1415首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷，再在，再在其上鋪貼一層其上鋪貼一層按要求剪裁好的按要求剪裁好的，用刷子、壓輥或用刷子、

11、壓輥或刮刀壓擠織物刮刀壓擠織物，使其，使其并排除氣泡后，再并排除氣泡后，再涂刷樹脂涂刷樹脂混合物混合物和和鋪貼第二層纖維織物鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達到所，反復(fù)上述過程直至達到所需厚度為止。需厚度為止。 然后，然后，在一定壓力作用下在一定壓力作用下（）或者利用或者利用樹脂體系固化時放出的熱量樹脂體系固化時放出的熱量固化成型（固化成型（），最后），最后得到復(fù)合材料制品。得到復(fù)合材料制品。161718不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜、產(chǎn)品的生產(chǎn)；產(chǎn)品的生產(chǎn)；、設(shè)備、設(shè)備。 ；易于滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，可以易于滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，可以在產(chǎn)品不同部位在產(chǎn)品不同部位制品制品

12、，。 低，低，大，大，差。差。 不易控制，不易控制，不高。不高。 產(chǎn)品產(chǎn)品較低。較低。19是一種古老的技術(shù)，早在是一種古老的技術(shù)，早在20世紀(jì)初就出世紀(jì)初就出現(xiàn)了現(xiàn)了酚醛塑料酚醛塑料模壓成型。模壓成型。模壓成型是一種對模壓成型是一種對和和都適用的都適用的纖纖維復(fù)合材料維復(fù)合材料成型方法。成型方法。將定量的將定量的與與放入敞放入敞開的開的金屬對模金屬對模中，閉模后中，閉模后使其使其，并，并在壓力作用下在壓力作用下充充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品；滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品；使樹脂使樹脂進進一步發(fā)生一步發(fā)生而固化而固化，或者，或者冷卻使冷卻使，脫，脫模后得到模后得到。202122模壓

13、成型工藝有模壓成型工藝有，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可，無需二次，無需二次加工，加工，制品外觀及尺寸的制品外觀及尺寸的，容易實現(xiàn)，容易實現(xiàn)等。等。，壓機及模具，壓機及模具，制品尺寸，制品尺寸受設(shè)備限制，一般只受設(shè)備限制，一般只的中、小型制品。的中、小型制品。23已成為已成為復(fù)合材料的重要成型方法復(fù)合材料的重要成型方法，在，在各種成型工藝中各種成型工藝中所占比例僅次于所占比例僅次于和和，居第三位。居第三位。近年來隨著近年來隨著專業(yè)化專業(yè)化、自動化自動化和和生產(chǎn)效率的提高生產(chǎn)效率的提高，制制品成本品成本不斷降低，使用范圍越來越廣泛。不斷降低，使用范圍越來越廣泛。主要用作主要用作結(jié)構(gòu)件

14、結(jié)構(gòu)件、連接件連接件、防護件防護件和和電氣電氣絕緣絕緣等，廣泛應(yīng)用于等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)工業(yè)、農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)、交通運輸交通運輸、電氣電氣、化化工工、建筑建筑、機械機械等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。由于模壓制品由于模壓制品，在，在兵器兵器、飛機飛機、導(dǎo)彈導(dǎo)彈、衛(wèi)衛(wèi)星星上也都得到應(yīng)用。上也都得到應(yīng)用。24，是把一定層數(shù)的，是把一定層數(shù)的(紙紙)疊在一疊在一起，送入起，送入，在一定的溫度和壓力下在一定的溫度和壓力下的工藝。的工藝。屬于屬于干法壓力成型范疇干法壓力成型范疇，是復(fù)合材料，是復(fù)合材料的一種主要成型工藝。的一種主要成型工藝。生產(chǎn)的制品生產(chǎn)的制品包括各種包括各種、等。等。2526制品制品表面光潔表面光潔、質(zhì)量較好質(zhì)

15、量較好且且穩(wěn)定穩(wěn)定以以及及生產(chǎn)效率較高生產(chǎn)效率較高。只能生產(chǎn)只能生產(chǎn)板材板材，且，且產(chǎn)品的尺寸大小產(chǎn)品的尺寸大小受設(shè)備的限制受設(shè)備的限制。27將分別將分別混有促進劑和引發(fā)劑的混有促進劑和引發(fā)劑的從噴從噴槍兩側(cè)（或槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時將）噴出，同時將用切割機切斷用切割機切斷并并由噴槍中心由噴槍中心噴出，與樹脂一起噴出，與樹脂一起。當(dāng)當(dāng)與與混合沉積到一定混合沉積到一定厚度時，厚度時，、，最后最后。282930對所用原材料對所用原材料有一定要求有一定要求，例如樹脂體系的，例如樹脂體系的，、和和以及以及等。等。最常用的樹脂最常用的樹脂是是在室溫下在室溫下即可固化的即可固化的等

16、。等。噴射法使用的模具與手糊法類似，而噴射法使用的模具與手糊法類似，而可提高可提高數(shù)倍，數(shù)倍，降低，能夠降低，能夠。 用用方法雖然可以制成方法雖然可以制成，但其，但其都較難精確控制，樹脂含量一般在都較難精確控制，樹脂含量一般在60%以上，以上，較高，較高，施工現(xiàn)場污染施工現(xiàn)場污染和和浪費較大浪費較大。 利用利用可以制作可以制作大蓬車車身大蓬車車身、船體船體、廣告模型廣告模型、舞臺舞臺道具道具、貯藏箱貯藏箱、建筑構(gòu)件建筑構(gòu)件、機器外罩機器外罩、容器容器、安全帽安全帽等。等。31將將的的連續(xù)纖維或布帶連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律，按照一定規(guī)律上，然后上，然后成為成為的工藝過程，的工藝過程，稱為稱為

17、。32纏繞工藝流程圖纏繞工藝流程圖33利用利用制作復(fù)合材料制品時，制作復(fù)合材料制品時，有兩種不同的方式可供選擇：有兩種不同的方式可供選擇：一是將一是將浸樹脂后，再纏繞在芯浸樹脂后，再纏繞在芯模上；模上；二是先將二是先將纏好后，再浸漬樹脂。纏好后，再浸漬樹脂。目前普遍采用前者。目前普遍采用前者。34首先，纖維首先，纖維按預(yù)定要求排列的按預(yù)定要求排列的和和，通過改變，通過改變纖維排布方式、數(shù)量纖維排布方式、數(shù)量，可以實現(xiàn)，可以實現(xiàn)，因此，能，因此，能在較大在較大程度上程度上發(fā)揮發(fā)揮優(yōu)異的特點優(yōu)異的特點; 其次，用其次，用所制得的成品，所制得的成品，和和高，高，比較比較和和較高等。較高等。大，只有大

18、，只有大批量生產(chǎn)時大批量生產(chǎn)時才可能降低成本。才可能降低成本。35適于制作適于制作承受一定內(nèi)壓的承受一定內(nèi)壓的，如如固體火箭發(fā)動機殼體固體火箭發(fā)動機殼體、導(dǎo)彈放熱層導(dǎo)彈放熱層和和發(fā)射筒發(fā)射筒、壓力容器壓力容器、大型貯罐大型貯罐、各種管材各種管材等。等。 近年來發(fā)展起來的近年來發(fā)展起來的，可以實現(xiàn)，可以實現(xiàn)復(fù)雜橫截復(fù)雜橫截面形狀的面形狀的或斷面呈或斷面呈、以及以及容器容器的成型。的成型。36 拉擠成型工藝中，首先將拉擠成型工藝中，首先將浸漬過樹脂膠液的浸漬過樹脂膠液的或或在牽引裝置作用下在牽引裝置作用下通過通過而而； 其次，其次，在模中或固化爐中在模中或固化爐中，制成具有，制成具有特定橫截面特定

19、橫截面形狀形狀和和長度不受限制的長度不受限制的復(fù)合材料，如復(fù)合材料，如、等。等。3738拉擠工藝實物圖拉擠工藝實物圖39拉擠成型工藝制備型材實物解剖圖拉擠成型工藝制備型材實物解剖圖40 過程中，要求過程中，要求增強纖維的增強纖維的強度高強度高、集、集、和容易被樹脂膠液和容易被樹脂膠液。常用的常用的如如玻璃纖維玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺纖維、碳碳纖維纖維以及以及金屬纖維金屬纖維等。等。 用作用作以以為主，要求樹脂的為主，要求樹脂的粘度低粘度低和和適用期長適用期長等。等。大量使用的基體材料有大量使用的基體材料有和和等。等。41 ，易于實現(xiàn)自動化；，易于實現(xiàn)自動化； 制品中增強材料的含量

20、一般為制品中增強材料的含量一般為40-80，能夠充分，能夠充分發(fā)揮增強材料的作用，發(fā)揮增強材料的作用，； 不需要或僅需要進行少量加工，生產(chǎn)過程中不需要或僅需要進行少量加工，生產(chǎn)過程中；制品的制品的，以適應(yīng)不同制，以適應(yīng)不同制品的使用要求，其長度可品的使用要求，其長度可根據(jù)需要根據(jù)需要。42(1)。主要用于。主要用于上、下水裝置上、下水裝置，工業(yè)，工業(yè)廢水處廢水處理設(shè)備理設(shè)備、化工擋板化工擋板及化工、石油、造紙和冶金等工廠內(nèi)的及化工、石油、造紙和冶金等工廠內(nèi)的欄桿欄桿、樓梯樓梯、平臺扶手平臺扶手等。等。(2)。主要用于主要用于高壓電纜保護管高壓電纜保護管、電纜架電纜架、絕絕緣梯緣梯、絕緣桿絕緣桿

21、、燈柱、變壓器和電機的零部件等。、燈柱、變壓器和電機的零部件等。 (3)。主要用于。主要用于門窗結(jié)構(gòu)用門窗結(jié)構(gòu)用型材、桁架、橋梁、型材、桁架、橋梁、欄桿、支架、天花板吊架等。欄桿、支架、天花板吊架等。43(4)。主要用于卡車構(gòu)架、冷藏車箱、汽車籠。主要用于卡車構(gòu)架、冷藏車箱、汽車籠板、剎車片、行李架、保險桿、船舶甲板、電氣火車軌道板、剎車片、行李架、保險桿、船舶甲板、電氣火車軌道護板等。護板等。(5)。主要用于釣魚桿、弓箭桿、滑雪板、。主要用于釣魚桿、弓箭桿、滑雪板、撐桿跳桿、曲輥球輥、活動游泳池底板等。撐桿跳桿、曲輥球輥、活動游泳池底板等。(6)。主要用于主要用于太陽能收集器太陽能收集器、支架、支架、風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機葉