《复合材料教学课件》5聚合物基复合材料

(5)压力袋成型
(6)纤维缠绕成型
(7)树脂注射和树脂传递成型
(8)真空辅助树脂注射成型
(9)连续板材成型 (10)拉挤成型 (11)离心浇铸成型 (12)层压或卷制成型 (13)夹层结构成型 (14)模压成型 (15)热塑性片状模塑料热冲压成型 (16)喷射成型
(1)手糊成型工艺
手糊成型工艺是复合材料最早的一 种成型方法，也是一种最简单的方法， 其具体工艺过程如下：
— 按铺层方式：单向 角铺层：（0 / 织物 三维
— 按纤维种类：玻璃纤维 碳纤维 芳纶（Kevlar）纤 混杂纤维
— 晶须增强（WRC） — — 粒子增强（PRC） —
二、聚合物复合材料的性能
1、高比强、高比模量：
表8-1 聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较
材料
GFRP
CF RP
KP BFR 钢 铝 RP P
首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度 高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等 强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维 抗张性能优异的特点，
其次，用连续纤维缠绕技术所制得 的成品，结构合理，比强度和比模量高， 质量比较稳定和生产效率较高等。
连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用大，只有大批量生产时 才可能降低成本。
工 艺
固化
脱模
打模喷漆
成品
缠绕工艺流程图
8-5 湿法缠绕的工艺原理图
图8-6 缠绕线成型图
利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时， 有两种不同的方式可供选择：
一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯 模上；
二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。 目前普遍采用前者。
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。
成型工艺主要包括以下两个方面：
一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置 成一定的形状，一般就是产品的形状;
二是固化，即把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，并能达到预期的性能要求。
生产中采用的成型工艺
(1) 手糊成型
(2)注射成型
(3)真空袋压法成型
(4)挤出成型
另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应 有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过 程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、 自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以 及容易与固化制品分离等。
常用的芯模材料有石膏、石蜡、金 属或合金、塑料等，也可用水溶性高分 材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。
连续纤维缠绕技术的优点
模压成型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。
模压成型工艺过程
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，形成与模腔相同形状的 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。
拉挤成型的优点
①生产效率高，易于实现自动化；
②制品中增强材料的含量一般为40％-80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品 性能稳定可靠；
③不需要或仅需要进行少量加工，生 产过程中树脂损耗少；
钛
密度, g/cm3 2.0 1.6 1.4 2.1 7.8 2.8 4. 5
拉伸强度,GPa 1.2 1.8 1.5 1. 6 1.4 0.48 1. 0 比强度 600 1120 1150 750 180 170 210
拉伸模量,GPa 42 130 80 220 210 77 110
比模量
21 81 57 104 27 27 25
热膨胀系数(106/K)
8
0.2
1.8 4.0 12 23 9.0
2、设计性强、成型工艺简单。 3、热膨胀系数低，尺寸稳定。 4、耐腐蚀、抗疲劳性能好。 5、减震性能好。 6、高温性能好。 7、安全性能好。
三、聚合物复合材料的制备工艺
1、预浸料 / 预混料制备 预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、
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、卫星上也都得到应用。
3. 层压成型工艺
层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸) 叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压 力下压制成板材的工艺。
织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片 状半成品。
预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树 脂混合后所形成的较厚的片（SMC、GMT） 团状（BMC）或粒状半成品以及注射模塑料 （IMC）。
1-1 热固性预浸料： 湿法：溶液浸渍法。 干法：热熔预浸法 轮鼓缠绕法
图 8-1 浸渍法制备预浸料示意图
1-2 热塑性预浸料： 按树脂状态不同，分为预浸渍技术和后浸渍
（2）GMT和IMC制造：GMT是一种类似于热 固性SMC的复合材料半成品。所采用的增强剂是无 碱玻璃、无纺毡或连续纤维。制造工艺有熔融浸渍 法和悬浮浸渍法。IMC一般使用双螺杆挤出机制造， 由切割机切断，长度一般为3 – 6 mm。
1、聚合物基复合材料的成型工艺
聚合物基复合材料的性能在纤维与树 脂体系确定后，主要决定于成型工艺。
模压成型工艺缺点
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。
模压成型工艺已成为复合材料的重要 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。
近年来随着专业化、自动化和生产效 率的提高，制品成本不断降低，使用范围 越来越广泛。
金属对 模准备
模塑料、 颗粒树脂
短纤维涂脱模剂源自加热、加压膜压成型 加热 冷却
固化
脱模
制品 检验 后处理
膜压成型工艺流程图
图 8-7 模压成型工艺原理
模压成型工艺优点
模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸 准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成 型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好， 容易实现机械化和自动化等。
其具体工艺流程图如下：
玻璃纤维无捻粗纱
脱模 模 具
聚酯树脂 加热
固化
切
喷
引发剂 静态混合
割 喷
射 成
辊压
枪
型
促进剂
喷射成型工艺流程图
图8-10 喷射成型原理图
喷射成型对所用原材料有一定要求，例如 树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除 气泡和浸润纤维以及不带静电等。
最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可 固化的不饱和聚酯等。
连续纤维缠绕法适于制作承受一定 内压的中空型容器，如固体火箭发动机 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 以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈 矩形、方形以及不规则形状容器的成型。
6. 拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂 胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置 作用下通过成型模而定型；
模具 准备
树脂胶 液配制
增强材 料准备
涂脱模剂
手糊成型
固化
脱模
手糊成型工艺流程图
制品 检验 后处理
为了得到良好的脱模效果和理想 的制品，同时使用几种脱模剂，可以 发挥多种脱模剂的综合性能。
手糊成型工艺优点
①不受产品尺寸和形状限制，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。
首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混 合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维 织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均 匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺 贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所 需厚度为止。
然后，在一定压力作用下加热固化成 型（热压成型）或者利用树脂体系固化时 放出的热量固化成型（冷压成型），最后 脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下 图所示：
③工艺简单； ④易于满足产品设计要求，可以在 产品不同部位任意增补增强材料 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
手糊成型工艺缺点
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，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。
图 8-2 手糊成型工艺示意图
2．模压成型工艺
模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世 纪初就出现了酚醛塑料模压成型。
喷射法使用的模具与手糊法类似， 而生产效率可提高数倍，劳动强度降低， 能够制作大尺寸制品。
用喷射成型方法虽然可以制成复杂 形状的制品，但其厚度和纤维含量都较 难精确控制，树脂含量一般在60%以上， 孔隙率较高，制品强度较低，施工现场 污染和浪费较大。
利用喷射法可以制作大蓬车车身、 船体、广告模型、舞台道具、贮藏箱、 建筑构件、机器外罩、容器、安全帽等。
5. 连续缠绕成型工艺
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，然后固化脱模成为增强塑 料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。
缠绕工艺流程图如下图所示：
胶液配制
纱团 集束 浸 胶
湿
法 缠
张力控制
绕
成
型 纵、环向缠绕
工
艺
烘干
络纱
胶纱纱绽
干
张力控制
法 缠
绕 加热粘流 成
型
芯模
纵、环向缠绕
其次，在模中或固化炉中固化，制成具 有特定横截面形状和长度不受限制的复合材 料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方 型材等。
一般情况下，只将预制品在成型模中加热到 预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。
纤维
挤 胶
预 成
热
器型 模
拉 拢
切割
制品
树脂槽
卧式拉挤成型过程原理图
拉挤成型过程中，要求增强纤维的强 度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树 脂胶液浸润。
第八章 聚合物基复合材料
一、聚合物基复合材料的分类 二、聚合物基复合材料的性能 三、聚合物基复合材料的制备工艺 四、复合材料成型固化工艺 五、PMC的界面 六、纤维增强聚合物复合材料的力学性能 七、铺层设计 八、结构设计
一、聚合物复合材料的分类
—纤维增强（FRC） —按纤维形态：连续纤维 非连续纤维
层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复 合材料的一种主要成型工艺。
层压成型工艺生产的制品包括各种 绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、 覆铜箔层压板等。
复合材料层压板的生产工艺流程如下
增强材料 热固性树脂
浸胶
胶布
裁
剪
热
脱
切
产
叠
压
模
边
品
合
层压板的生产工艺流程
层压成型工艺的优点是制品表面光洁、 质量较好且稳定以及生产效率较高。
常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族 聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。
用作基体材料的树脂以热固性树脂为 主，要求树脂的粘度低和适用期长等。
大量使用的基体材料有不饱和聚酯树 脂和环氧树脂等。
另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的 热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了 很大进展。
其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。
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，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材 料制品。
利用纤维缠绕工艺制造压力容器时， 一般要求纤维具有较高的强度和模量， 容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以 及缠绕时不起毛、不断头等。
在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热 熔涂覆法和混编法。
热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂， 浸渍树脂后在成型模中冷却定型；
混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物 纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形 状的织物；
然后，利用具有一定几何形状的织物通过热 模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后 成为产品。
技术两大类。 预浸渍技术：— 溶液浸渍； — 熔融浸渍。 特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维。 后浸渍技术：预浸料中树脂以粉末、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。
1–3 预混料制造 （1）SMC和BMC制造：这是一类可直接进行
模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序 的纤维增强热固性模塑料。其组成包括短切玻璃纤 维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。 SMC一般使用专用SMC机组制造；BMC常用捏合 法制造。
层压成型工艺的缺点是只能生产板材， 且产品的尺寸大小受设备的限制。
风车叶片
4．喷射成型工艺
将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚 酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷 出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切 断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉 积到模具上。
当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱 混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤 维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成 制品。