30高分子复合材料

CFRP在民用飞机中的应用
第一节 概 述
聚合物基复合材料成形通常有一步法与二步 法之分。 一、“一步法”（湿法）内容及特点 1．内容：
由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍，一 步固化成形形成复合材料。
2．特点： （1）优点：工艺简单，设备简单。 （2）缺点：溶剂、水分等挥发物不易 去除，裹入制品形成孔洞，树脂不易分 布均匀，在制品中形成富胶区和贫胶区 ，严重时会因纤维浸渍不好而出现“白 丝”现象，生产效率低，环境恶劣。
第三节 高分子复合材料的成形 工艺
一、概述 1．纤维增强高分子基复合材料成形方法分 类
（1）闭模成形：模压成形、注射成形、 树脂传递模塑、增强反应性注射成形；
（2）开模成形：手糊成形、喷射成形、真 空袋成形、压力袋成形、缠绕成形、拉 挤成形、离心浇注成形；
（3）其它：编织、吸积（吸胶）成形。
2．高分子复合材料成形三要素 （1）赋形：在于增强材料如何达到均 匀或保证在特定的方向上排列；
二、“二步法”（干法）内容及特点
1．内容： 预先将纤维浸渍树脂，或纤维树脂预
先混合，经过一定处理，使浸渍物或混 合物成为一种干态或稍有粘性的材料， 即半成品材料，再用它形成复合材料制 品。
2．特点： 将浸渍过程提前，很好的控制含胶量和
解决纤维树脂均匀分布问题。在半成品制 备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分， 降低了制品的空隙率，也改善了复合材料 成型作业的环境。通过半成品的质量控制 ，确保复合材料制品的质量。
膜，而非由熔融漏斗流出。
3．粉末法制备预浸料 （1）粉末静电法：在连续纤维表面沉 积带电树脂粉末，用辐射加热方法使聚 合物粉末永久的粘附在纤维上。 （2）粉末悬浮法： ① 水悬法：水中悬浮的树脂颗粒粘附 到连续运动的纤维上； ② 气悬浮：细度为10～20цm聚合物颗 粒在硫化床中悬浮，粘附到连续运动的 纤维上。
272 669 222
CTE 10－6/K 8.0 0.2 1.8 4.0 4.0 2.6 12 23 9.0
在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油 耗，玻璃钢也大显身手，得到了大量应用，如 汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩以及 内部装饰件等。
除了比强度高外，玻璃钢还具有良好的耐 腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等 介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。因 此，在石油化工工业中玻璃钢得到了广泛应用 ，如玻璃钢制成的贮罐、容器、管道、洗涤器 、冷却塔等（下图）。
（2）一般塑料制品成形时，施压作用有： ①使塑料产生流动，即克服塑料本身粘滞流 动阻力和塑料与模具相对运动的摩擦阻力； ②排除低分子物压紧材料，使之与模具形状 吻合，并得到致密均匀的制品。
（3）纤维复合材料制品能用低压成形，主 要原因是采用了如下几点措施： ① 使填料预成形：减少相对流动及材 料与模具摩擦力； ② 采用可低压成形的树脂配方：放出 的挥发性副产物较少； ③ 利用弹性介质传递压力：使压力垂 直作用于制品表面，加压效果好。
模塑料：即短纤维预浸料，由树脂浸渍短 纤维烘干制成，因通常用于模压工艺，故 称之为模塑料。
1．组成 （1）树脂：酚醛树脂、氨基树脂、环 氧树脂、有机硅树脂等。 （2）纤维：玻璃纤维、石棉、有机纤 维、碳纤维等。
2．制造方法 （1）预混合法制造短纤维模塑料
生产工艺：配胶+纤维预处理+添加剂→ 浸渍与混合→撕松→烘干→并批。
1．溶液浸渍法： 一种湿法工艺，与浸渍法制备短纤维模 塑料一样。 生产工艺：各组分溶解到溶剂+纤维→烘 干（除溶剂）→按需切割
2．热熔浸渍法和胶膜辗压法
干法工艺 （1）熔融法： 熔融树脂(加隔离纸)→涂于纤维上→纤维 另一面附一层隔离纸→压实辊→收卷。
（2）胶膜法： 与熔融法类似，差别在于树脂形成胶
（3）特点： ① 纤维能保持连续完整，可连续化生
产； ② 设备复杂，工艺质量不易控制。
4．袋压成形 （1）定义：借助成形袋与模具之间抽 真空形成的负压或袋外施加压力，使复 合材料坯料紧贴模具，经固化成形的方 法。
（2）分类： ① 真空袋成形：
固化时利用抽真空产生的大气负压，对 制品施加压力的成形方法；
（2）分类： ① 反应注射成形：使两种高活性的液
状单体在高压下碰撞混合，并在模具中 迅速发生聚合反应的工艺方法。
② 增强反应注射成形：在反应注射成 形基础上发展起来的，在单体中加入增 强材料制成复合材料制品的工艺。
9．离心浇注成形： 将纤维和树脂置于旋转模的内表面，借助 模具转动的离心力将物料压紧，并排除其 中的空气，固化后得到制件的方法。
比强度 106cm 6.0 11.2 11.5 7.5 7.1 6.5 1.8 1.7 2.1
拉伸模量 GPa 42 130 80 220 120 130 210 77 110
比模量108cm 2.1 8.1 5.7 10.4 5.4 5.6 2.7 2.7 2.5
热导率 KJ/mhK
21 180 10 23 8.4
（3）挤出法制造短纤维模塑料
生产工艺：配料→混合→单螺杆挤出机 （加热熔融）
特点：不必使用有机溶剂，改善了劳动 卫生条件，降低了成本，产品质量稳定 ，生产连续化、自动化；玻璃纤维在螺 杆中被磨损、剪断的情况比较严重，降 低了塑料的强度。
三、片状模塑料SMC的制造方法
片状模塑料：用多组分的不饱和聚酯树 脂充分浸渍短切玻璃纤维，并在上下面 覆盖聚乙烯薄膜而获得的片状夹芯形成 的模塑料。
二、各种成形工艺方法简介
1．手糊成形工艺
（1）定义：以手工作业为主成形复合材料制 件的方法
（2）特点： ① 适于多品种，小批量生产，不受制品尺
寸、形状限制； ② 生产效率低，劳动强度大，质量不稳定
，性能差。
2．喷射成形工艺 （1）定义：通过喷射的树脂流与短纤维 混匀，沉积在开模上，压实固化成制件 的方法。 （2）特点：生产效率高，劳动强度低， 节省原材料，制品无搭接缝，整体性好 ，制件的形状和尺寸不受限制；但场地 污染大，制件的承受能力低。
各种单向连续纤维（60vol％）增强聚合物基复合材料的性能
材料
ห้องสมุดไป่ตู้
GF CFR KF BF AF SF 钢 铝 钛 RP P RP RP RP RP
密度 g/cm3 2.0 1.6 1.4 2.1 2.4 2.0 7.8 2.8 4.5
拉伸强度 GPa 1.2 1.8 1.5 1.6 1.7 1.5 1.4 0.48 1.0
特点：纤维松散无定向，流动性好，易 做形状复杂的小型模压制品；纤维的强 度损失较大，不宜制作强度要求很高的 模压制品。
（2）预浸渍法制造短纤维模塑料 生产工艺：连续纤维束→胶槽、浸渍→ 刮胶辊→烘干→切割 特点：连续生产，成束状，比较紧密， 纤维损伤较少，质量均匀；生产量小， 流动性及料束间的互溶性较差。
聚乙烯薄膜：防止污染、交联剂苯乙烯 的蒸发。使用时，需撕掉聚乙烯薄膜。
四、复合材料成形用连续纤维预浸料的制造 方法 纤维预浸料：将树脂浸涂到连续纤维或纤 维织物上，通过一定的处理过程，所形成 的一种储存备用的半成品，是制造连续纤 维增强复合材料的重要中间材料。
按树脂浸渍纤维方法不同，将预浸料制造 方法分为：
6．拉挤成形：将浸有树脂的纤维连续通过 一定型面的加热口模，挤出多余树脂， 在牵引条件下进行固化。
连续生产固定截面型材的成形方法。
7．树脂传递模塑（RTM）： 也称压注成形，是通过压力将树脂注入 密闭的模腔，浸润其中的纤维织物坯件 ，然后固化成形的方法。
8．注射成形 （1）定义：将纤维增强的粒料从料斗 加入注射成形机的料筒，受热熔化至流 动状态，以很高的压力和较快速度注入 温度较低的闭合模具内，在模具内固化 ，脱模即得到制品的成形方法。
玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用
玻璃钢应用于体育用品
在航空工业，CFRP首先在军用飞机中得到应用， 如美国F－14、F－16、F－18上主翼外壳、后翼、垂直 安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主旋翼和 机身等。现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。同样 ，在民用飞机中也在大量采用CFRP，如波音B－757、 B－777上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。
第二节 高分子复合材料成形用 半成品的制备
一、纤维增强热塑性塑料粒料的制造 1．长纤维型粒料的制造工艺
一般采用电缆包覆法制造。其工艺流 程如下：
2．短纤维型粒料的制造工艺 解决高熔融粘度树脂的长纤维型粒料
中纤维分布不均的缺点。
树脂干燥+纤维短切→初混合→挤出→ 切粒→粒料干燥→包装
二、短纤维增强热固性模塑料的制造方法
3．纤维缠绕成形
（1）定义：将浸渍树脂的纤维丝束或带， 按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化 成为制品的方法。
（2）分类： ① 干法缠绕：在缠绕机上对预浸胶带
加热软化再缠绕在芯模上；
② 湿法缠绕：将纤维经集束、浸胶后， 在张力控制下直接缠绕在芯模上再固化 成形； ③ 半干法缠绕：在纤维浸胶到缠绕到芯 模过程中加一烘干设备，将纱带胶液中 的溶剂基本上清除掉。
第十六章 纤维增强高分 子复合材料的制备与加工
复合材料基体（Matrix）材料
热固性聚合物：主要包括：环氧、酚醛、 双马、聚酰亚胺树脂等。
热塑性聚合物：包括各种通用塑料（聚 丙烯、聚氯乙烯等） 、工程塑料（尼龙、 聚碳酸酯等）和特种耐高温 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。
聚合物复合材料的分类 纤维增强（FRC） （1）按纤维形态： 连续纤维和非连续纤维； （2）按铺层方式：单向；织物；三维； （3）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维； 芳纶（Kevlar）纤维；混杂纤维； 晶须增强（WRC） 粒子增强（PRC）
（2）浸渍：将增强材料间的空气置换为基 体树脂，形成良好的界面粘接和复合材 料的低空隙率；
（3）固化：热固性树脂发生交联的化学反 应，形成三向网络基体材料。热塑性树 脂则是冷却硬化定型的过程。