纤维复合材料及其制造方法

耐疲劳性能好
• 疲劳破坏是材料在变载荷作用下， 由于裂纹的形成和扩展而形成的低 应力破坏。聚合物复合材料疲劳破 坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐 渐扩展到结合面上，破坏前有明显 的预兆，而且纤维与基体的界面能 阻止裂纹的扩展。大多数金属材料 的疲劳强度极限是其抗拉强度的20 ％-50％，而碳纤维/聚酯复合材料的 疲劳极限可为其抗拉强度的70％-80
FRP注射成型过程：
预浸渍料加入料筒，适当加温加压，当物料运动到喷嘴时， 粘度应达到最低值，并被迅速注入模腔。在热压作用下固化定型， 然后开模取出制品。
FRTP和FRP的注射成型特点对比
(1) FRTP可以反复加热塑化， 物料的熔融和硬化完全是物理变 化；FRP加热固化后不能再塑化， 固化过程为不可逆反应。 (2) FRTP受热时，物料由玻璃态变 为熔融的粘流态，料筒温度要分段 控制，其塑化温度应高于粘流温度， 但低于分解温度；FRP在料筒中加 热时，树脂分子链发生运动，物料 熔融，但接着会发生化学反应、放 热，加速化学反应过程。因此， FRP注射成型的温度控制要比FRTP 严格得多。
cc复合材料置于高温和快速加热的环境中由于蒸发升华和可能的热化学氧化其部分表面可被烧蚀但其表面的凹陷浅良好地保留其外形且烧蚀均匀而对称碳的升华温度是3700材料苯乙烯尼龙酚高硅氧酚醛有效烧蚀热kcalkg1100014000173024904180不同树料的有效烧蚀热的比较43化学稳定性常温下化学稳定性好但耐热氧化性能差44抗氧化防护涂层法添加抗氧化剂涂层法是在制备好的cc材料上进行sicsin或其它耐火材料的涂层包括扩散法和化第四节混杂纤维复合材料定义混杂纤维复合材料是指两种或两种以上纤维混杂增强一种基体构成的复合材料重要意义
产生的裂纹在通过粘结界面时，纤维产生应力集中，严 C/C复合材料的强度下 重时导致纤维断裂。
降
未经表面处理的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收 缩使两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体中裂纹传播 到两相界面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改变 裂纹传播方向，或界面剥离,使碳纤维免受损伤,复合材 料的强度高
(3) FRTP注射成型 时，料筒温度必须 高于模具温度，物 料在模腔内冷却时 会引起体积收缩， 故需要有相应的料 垫传压补料， FRP 注射成型时，料筒 温度低于模具温度， 物料在模腔内发生 固化收缩的同时， 也发生热膨胀，因 此，充模后不需要 补料。
作业：比较FRTP和FRP的注射成型各有哪些特点？
聚合物基复合材料的制造方法
• 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。 • 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。
根据基体材料不同分类：
热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷射成 型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法) 等。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性
树脂、热塑性树脂及橡胶）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，各种材料在性能上互相取长补短， 产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种 不同的要求，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。
决定产品形状的模具
小 车
张力控制器 绕线筒 预浸槽 吐丝嘴
芯模
基本纤维缠绕机
胶液配制 纱团 湿 法 缠 绕 成 型 工 艺 集束 浸胶 张力控制 纵、环向缠绕 芯模制造 烘干 络纱 胶纱纱锭 张力控制 加热粘流 纵、环向缠绕 干 法 缠 绕 成 型 工 艺
固化 脱模 打模喷漆 成品
缠绕工艺流程图
注射成型相对于模压成型的特点：
(1) 成型周期短，物料的塑化在注射机内完成。 (3) 闭模成型，能提高产品精度，保证质量，减少后加工 工作量。 (4) 可使形状复杂的产品一次成型，能防止模腔内嵌件变形或 位移。 (5) 生产效率高，成本低。
注射成型的缺点：
(1) 不适用于长纤维增强的产品，一般纤维长 度小于7mm (2) 模具质量要求高
c. 允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可设计性好， 可局部加强，甚至生产泡沫夹层结构；
d. 模具制作较方便(相对模压)； e. 对树脂和填料的适应性广； f. 生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少； g. 产品后加工量少； h. 环境污染小(闭模，单体苯乙烯挥发少)。
碳基复合材料
C/C(碳／碳)复合材料是碳纤维增强碳基体
定义
将一定量的模压料放入金属对模中， 在一定温度、压力作用下，固化成型制品 的方法。
加热加压的作 用
使模压料塑化、流动，充满空腔， 并使树脂发生固化反应。
有较高的生产效率，适于大批量生产，制品尺寸精确， 表面光洁，可以有两个精制表面，价格低廉，容易实现机 械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有 损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。
减振性好
• 许多机器和设备如汽车、动力机械等 的振动问题十分突出，而复合材料的减 振性能好。原因是纤维增强复合材料比 模量大，则自振频率高，可避免产生共 振而引起的早期破坏。另外纤维与界面 吸振能力强，故振动阻尼性好，即便发 生振动也会很快衰减。
有很好的加工工艺性 连续纤维增强的聚合物基复合材料 具有优良的工艺性能，可以通过手糊成 型、缠绕成型和拉挤成型等复合材料特 有的工艺方法制造制品。它能满足各种 类型制品的制造需要，特别适合于大型 制品、形状复杂、数量少制品的制造。
石墨化
基体树脂碳经石墨化
裂纹支化
具有一定塑性的石墨化碳
缓和或消除了集中的应力
纤维免受损伤，强度得到提高
1.2 基体树脂的选择
• 1.2.1 基体树脂的特点:
残碳率高、有粘性、流变性好、与碳纤维具有良 好物理相容性等特点
1.2.2 常用树脂基 呋喃树脂、酚醛树脂、糠酮树脂等热固性树脂 体
石油沥青、煤焦油沥青：石油沥青等的石墨化程度高， 与碳纤维一样具有良好的物理相容性。
热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型 法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。
模具准 备
树脂胶液 配制
增强材料 准备
纤维增强材料和树脂胶 液在模具上铺覆成型， 室温(或加热)、无压(或 低压)条件下固化，脱模 成制品的工艺方法。
涂脱模剂 手糊成型 固化 脱模 后处理 检验 制品
手糊成型工艺流 程
压模的设计与制造较复杂，初次投资较高， 制品尺寸受设备限制，一般只适于制备中、小 型玻璃钢制品。
层压工艺： 将浸有或涂有树脂的片材层叠，送入层 压机，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢 制品的一种成型工艺。
缠绕工艺： 将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定 规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制 品的工艺过程。
性能特点
• • • • 比强度大，比模量大 耐疲劳性能好 减震性好 工艺性好
比强度大，比模量大
• 比强度和比模量是度量材料承载能 力的一个指标，比强度越高，同一 零件的自重越小；比模量越高，零 件的刚性越大。复合材料的比强度 和比模量都比较大，例如碳纤维和 环氧树脂组成的复合材料，其比强 度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。
干法缠绕
将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕机上经 加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型 工艺过程。
湿法缠绕
将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上 的成型工艺过程。
半干法缠绕
将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干，然后 缠绕到芯模上的成型工艺方法。
工艺过 程：
先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再 将粒料Байду номын сангаас入挤出机内，经塑化、挤出、冷却 定型而成制品。
1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分 热固性复合材料； 2、生产过程连续，自动化程度高； 3、工艺易掌握及产品质量稳定等。
只能生产线型制 品
注射成型适用于 热塑性 和 热固性 复合材料，以热塑性复合材 料应用最广。
注射成型 间歇式操作过程
将粒状或粉状的纤维 —树脂混合料从注射机的料斗送入机 筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，通过喷嘴注入温度降低 的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。
胶衣是赋予复合材料制品表面的一 层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和 耐老化等的对其起到保护作用的表 面涂层。 待浸树脂的增 强材料 压实辊 树脂
可选用胶衣
手糊成型示意图
优点：
(1) 不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品 的生产； (2) 设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低； (3) 工艺简单； (4) 可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求； (5) 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
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物理相容性
主要是指热膨胀系数和固化或碳化过程中的收缩行为
酚醛树脂经碳化后转化为难石墨化的玻璃碳，耐烧
蚀性能优异；
back
液相浸渍和气相沉积的填孔和堵塞图解
沥青与气孔壁有良好的润湿和粘接性，碳化后残留的 碳向孔壁收缩，有利于第二次再浸渍和再碳化， 树脂与孔壁粘接不良而自身粘接强，碳化后树脂碳与 孔壁脱粘，自身成为一团而堵塞气孔，不利于再浸渍 和密度的再提高。
缺点
(1) 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差； (2) 产品质量不易控制，性能稳定性差； (3) 产品力学性能较低。
为改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊工艺的变 形。 玻璃纤维无捻粗纱 聚酯树脂 引发剂 促进剂 脱模 工艺流程 固化 辊压 加热
模具
静态混合
切割喷 枪
喷射成 型
分类
•
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。
注射过程中，物料在模内流动充模，玻璃 纤维对模具磨损较大，模具必须采用硬度较高 的合金钢材料或模具表面经过硬化处理，故造 价较贵。
注射成型工艺原理
(1) FRTP注射成型原理
增强粒料在注射机的料筒内加热熔化至粘流态，以高压迅速 注入温度较低的闭合模内，经冷却使物料恢复玻璃态并保持模腔 形状，然后开模取出制品。
(1)生产效率比手糊法提高2~4倍； (2)利用粗纱代替织物，降低了材料成本； (3)成型过程中无接缝，制品的整体性好； (4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗； (5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维 的长度。
(1) 产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的 熟练程度； (2) 树脂含量高，增强纤维短，制品的强度较低，耐 温性能差； (3) 因过量喷涂而造成原材料损耗大； (4) 阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制 品难度大； (5) 现场粉尘大，工作环境恶劣； (6) 初期投资比手糊成型大。
• 1.1 碳纤维的选择 1.1.1 碳纤维的制备方法
三种,?
1.1.2 碳纤维的碱金属含量:
越少越好
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碱金属是碳的氧化催化剂
1.1.3 表面处理
碳纤维表面处理对C／C复合材料的性能有着显著的影 响，
碳化时
经过表面处理的石墨纤维M40与基体呋喃树脂的界面粘 结强度，在碳化过程中由于两相断裂应变不同而在收缩 过程中纤维受到剪切应力或被剪切断裂；同时基体收缩
特点: 相对密度轻(理论密度为2.28／cm3)
高温下强度、模量高，断裂韧性良好 耐磨性能优异，耐烧蚀好
因此在航空、航天、核能及许多民用工业领域 受到极大关注，近年来得以迅速发展和广泛应 用。
随温度升高强度不仅不降低反而升 高
主要工序
坯体的预成形
浸渍
碳化
致密化
石墨化
抗氧化涂层
工艺过程
1 碳纤维和基体的选择
FRTP的注射成型过程主要产生物理变化
(2) FRP注射成型原理
度粘
注射料在加热过程中温度升 高，粘度下降，但随着时间的延 长，分子间的交联反应增加，粘 度又会上升。实际加热过程应综 合考虑两种作用的影响。
A
B
O 加热时 间 热固性树脂纤维混合料加 热时粘度与时间变化关系
FRP的注射成型过程是一个复杂的物理和化学过程
树脂传递模塑(Resin Transfer Molding, RTM)
工艺过程：
将热固性树脂及固化剂混合均匀后注入事先 铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱 模制得制品的过程称为树脂传递模塑，简称 (RTM)。
RTM成型工艺特点
a. 设备投资少，用小吨位压机能生产大型制品(相对模压)。 b. 制品双面光滑，尺寸稳定，容易组合；