聚合物基复合材料第六章 热塑性聚合物基复合材料的制造方法
聚合物基复合材料的设计制备
聚合物基复合材料的设计制备聚合物基复合材料是一种由聚合物基质和添加剂、填充物等组成的多相材料，其在过去几十年中得到了广泛的应用。
这种材料可以通过调整其配方及制备工艺来获得不同的性能，因此被广泛应用于领域包括汽车、航空航天、建筑等。
聚合物基复合材料的设计制备包括原材料选择、预处理方法及工艺控制等过程。
其中，原材料选择是制备过程的关键，主要有两个方面考虑：一是根据要求的性能选择不同类型的聚合物基质和添加剂；二是根据需要的材料结构和形态选择合适的填充物。
在原材料选择方面，不同的聚合物基材料具有不同的性质，在实际应用中可以选用树脂、热塑性弹性体等材料。
同时，由于复合材料体系中添加剂/填充物的种类和分散度等因素会对材料综合性能产生影响，应根据应用环境、功能和性能要求选择符合要求的添加剂/填充物。
预处理方法方面，它是制备复合材料的重要工艺环节。
针对不同的填充物形态及表面性质的不同，需要采取一系列处理措施使其与聚合物相互结合。
例如，对于填充物比较粗大且表面粗糙或表面有氧化处理的的玻璃纤维等，可以采用多层镀浆或表面处理的方法使其表面变得光滑均匀；对于比较细小的填充物，可以采用表面改性的方法增强其与聚合物的相互作用力。
工艺控制方面，它是制备复合材料的关键步骤之一。
在工艺流程中，需要对各个阶段进行合理地控制。
例如，在混合阶段中，需要控制混合时间和加热温度等参数，以保证各种原材料充分混合，并且获得合适的表面质量；在成型阶段中，需要控制成型温度、成型压力及工艺时间等参数，以获得合适的硬度、强度、韧性值和表面质量等等。
总之，通过优化材料配置方案、预处理方法及工艺控制等环节，可以获得结构完整、性能优良的聚合物基复合材料。
而且，这种材料可以根据不同的应用环境和需求进行调整，因此具有良好的可塑性和适应性。
在实际应用中，聚合物基复合材料的应用前景非常广阔，预计未来会有更多的领域会应用这种材料。
8-聚合物基复合材料制备方法
喷射成型工艺
3. 工艺流程
喷射成型工艺
4. 工艺控制 1）树脂凝胶时间 2）树脂/玻纤=（2.5~3.5）/1（质量比） 3）胶衣树脂凝胶 第N层
（2mm）
第一层
（1mm）
辊压
第二层
（2mm）
辊压……
最后一层（先喷树脂，后铺表面毡）
4）喷射速率：2~10Kg/min 5）树脂粘度：0.3~0.8Pa.S，含胶量约60% 6）玻纤为无捻粗纱，短切长度25~50mm
手糊成型工艺
三、手糊工艺过程
1. 原材料准备 1）胶液配制
胶液工艺性：胶液粘度、凝胶时间 手糊工艺进行前，必须进行胶液凝胶时间试验。要使凝胶时 间大于或等于所配胶液施工时间，否则手糊不能顺利进行。
不饱和树脂配方（质量份） 树脂：100份；过氧化甲乙酮：2份（引发剂）； 萘酸钴苯乙烯溶液：1~4份（促进剂，加入量与环境温度有关）
加热
预浸料熔融
粘流态
固化
高弹态
玻璃态
加压作用：压实预浸料，制备结构均匀、致密复合材料 加压时机：粘流态与高弹态区间 加压太早：树脂流失过多 加压太迟：树脂已进入高弹态，树脂结构不致密
袋压成型
3. 真空封装材料铺叠顺序 专家系统：控制热压罐成型工艺过程
固化模型
流动模型：树脂流动特性 热化学模型：树脂体系吸热、放热过程 空隙模型：成型缺陷 内应力模型：收缩应力、热应力
手糊成型工艺 3. 固化（凝胶-----定型-----熟化）
固化方式
常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h） 加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h）
丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
看！超全的聚合物基复合材料成型工艺（收藏版）
看！超全的聚合物基复合材料成型工艺（收藏版）复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。
随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，一些成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产，如：（1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；（11）ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；（23）挤出成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺；（25）其它成型技术。
视所选用的树脂基体材料的不同，上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。
复合材料制品成型工艺特点：与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点：（1）材料制造与制品成型同时完成一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。
材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。
（2）制品成型比较简便一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。
一、接触低压成型工艺接触低压成型工艺的特点是以手工铺放增强材料，浸清树脂，或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。
热塑性复合材料及其工艺
具有优良的力学性能、耐腐蚀性、绝 缘性、重量轻、易加工成型等特性。
分类与组成
分类
根据基体材料的不同，热塑性复合材料可分为聚合物基、无机非金属基和金属 基等。
组成
通常由增强材料、基体材料和各种添加剂组成，其中增强材料提供强度和刚度， 基体材料提供塑性和韧性。
历史与发展
历史
自20世纪50年代以来，热塑性复合材料的研究和应用逐渐受 到重视，随着科技的发展和环保意识的提高，热塑性复合材 料的应用领域不断扩大。
建筑行业
建筑模板
热塑性复合材料可用于建筑模板的制造 ，具有轻便、易加工和可重复使用的特 点。
VS
建筑管道
热塑性复合材料也可用于制造建筑管道， 如雨水管、排水管等，具有耐腐蚀、寿命 长的优点。
其他领域
医疗器械
热塑性复合材料可用于制造医疗器械，如导管、支架等，具有生物相容性好、耐高温和耐腐蚀的优点 。
挤出成型工艺具有生产效率高、制品尺寸精度高、可连续生 产等优点，广泛应用于管材、型材、板材等产品的生产。
注射成型工艺
01
注射成型工艺是一种将热塑性复 合材料加热至熔融状态，然后通 过注射机注入模具，冷却固化后 得到制品的加工方法。
02
注射成型工艺具有生产效率高、 制品尺寸精度高、可生产复杂结 构制品等优点，广泛应用于汽车 、电子、家电等领域。
加工效率高
热塑性复合材料的加工效率较高，能够提高 生产效率，降低生产成本。
市场接受度挑战
认知度低
相对于传统的金属和塑料材料，热塑性复合 材料的认知度较低，需要加强宣传和推广。
价格较高
热塑性复合材料的价格相对较高，可能会影 响其在某些领域的应用和推广。
技术成熟度挑战
聚合物基复合材料
PLS
PLS
插层聚合
缩聚
加聚
聚合物 溶液分散
聚合物 熔融分散
聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：
材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。
聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料
对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
过载安全性
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。
．酚醛玻璃钢 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
透光型玻璃钢
体育馆采光
赛艇、帆船壳体
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：
车用立体声音响喇叭
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。
Why nano? Why nanocomposite?
01
从界面角度:
是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.
从增强体角度:强度大，模量高
热固性聚合物基复合材料介绍
性能
密度，g/cm3 吸水率，% 收缩率，% 拉西格流动性，mm 马丁耐热，℃ 冲击强度，kJ/m2 弯曲强度，MPa
脲醛 树脂 1.5 0.5 0.6 175 100 8.0 100
MF
1.5 0.15 0.4-0.5 110-119 130 7.0 88
缺点：脆性大、粘结性差、施工工艺差
70年代中期，耐蚀玻璃钢，高温强腐蚀 环境。
性质：耐强酸(强氧化性的硝酸和硫酸除外)、强碱和有 机溶剂，耐高温。
应用： (1)防腐蚀的胶泥，化工设备衬里、涂料。 (2)耐热材料，150℃。 (3)搅拌装置、贮槽及管道。 (4)造型，模具。 (5)玻璃钢、自硬砂
5、硅树脂
五、热固性聚合物基复合材料废 弃物回收利用
回收利用方法
• 物理回收（机械） • 化学回收（热解、溶解） • 热能回收
六 、 不 足 与 方 向
使用温度较低,在长时 间使用的条件下, 环氧 树脂一般不超过200℃ , 耐高温聚酞亚胺也不超 过300一350 ℃。 方向：提高界面强度、 稳定性、降低加工成型 温度、减少成本、提高 树脂基体的韧性。
2、用热塑性树脂连续贯穿于热固性树脂网络中,形成半互穿网 络聚合物(S-IPN)来增韧改性
热塑性树脂架桥增韧
四、常见的热固性聚合物基体
1、酚醛树脂（PF）(电木)
合成：过量的甲醛和苯酚进行缩聚反应，在氨或氢 氧化钠碱性催化作用下，生成热固性PF树脂。 区分：热塑性PF
淡黄色至红棕色透明 粘稠液体
二、热固性复合材料的制备与成型
手糊成型 注射成型 模压成型
袋压成型 缠绕成型
成 投 规 形状 操作 周 效 性能
聚合物基复合材料制备方法
摘自课本《聚合物基复合材料》，针对的是聚合物基纳米复合材料的制备方法.1、溶胶-凝胶法溶胶—凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。
所谓的溶胶—凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液,均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。
溶胶—凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合，因其水解和缩合条件温和，因此在制备上显得特别方便。
根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类：(1）直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下,让前驱化合物水解,形成半互穿网络。
（2）嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用在聚合物侧基或主链末端引入能与无机组分形成共价键的基团，就可赋予其具有可与无机组分进行共价交联的优点，可明显增加产品的弹性模量和极限强度.在良好溶解的情况下,极性聚合物也可与无机物形成较强的物理作用，如氢键。
(3）有机-无机互穿网络在溶胶-凝胶体系中加入交联单体，使交联聚合和前驱物的水解与缩合同步进行，就可形成有机—无机同步互穿网络。
用此方法，聚合物具有交联结构,可减少凝胶的收缩，具有较大的均匀性和较小的微区尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均匀地嵌入到无机网络中.溶胶-凝胶法的特点是可在温和条件下进行,可使两相分散均匀,通过控制前驱物的水解-缩合来调节溶胶—凝胶化过程,从而在反应早期就能控制材料的表面与界面性能,产生结构极其精细的第二相。
存在的问题是在凝胶干燥过程中，由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料内部产生收缩应力，从而会影响材料的力学和机械性能。
另外，该法所选聚合物必须是溶解于所用溶剂中的,因而这种方法受到一定限制。
2、层间插入法层间插入法是利用层状无机物（如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能,使之作为无机主体,将聚合物（或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机-无机纳米复合材料。
5.聚合物基复合材料的制备工艺汇总
包括过滤、吸磁、干燥、研磨、称量、预热等
初混合
塑炼
造粒
粒料
初混合
在聚合物熔融温度以下、较缓和的剪切力作用，用捏合机、高 速混合机等设备将物料按顺序加入、混合均匀。
塑炼
在高于树脂熔融温度和较大的剪切力作用下 ，在双滚筒炼胶 机、密炼机、单螺杆挤出机等设备使物料热熔、剪切混合达到适当 的柔软度和可塑性，同时除去挥发物。
5.2 复合材料制品成型工艺
5.2.1 手糊工艺
5.2.2 模压成型工艺
5.2.3 RTM成型工艺 5.2.4 喷射成型工艺 5.2.5 连续缠绕成型工艺 5.2.6 拉挤成型工艺
5.2.7 挤出成型工艺
5.2.8 RRIM成型工艺
手糊成型工艺—流程
模具 准备
涂脱膜剂 手糊成型
连续纤维预浸料的制造
5.1 复合材料半成品制造工艺
5.1.1 热塑性塑料粒料
5.1.2 热固性模塑料 5.1.3 连续纤维预浸料
模塑粉 短纤维增强热固性模塑料 片状模塑料（SMC）
5.1.4 增强热塑性塑料片材
增强热塑性塑料片材（RTPS）
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料以其良好韧性、 快速成型和可回收利用的优势倍受重视。将增强材料和热塑 性树脂预先制成半成品板材，再将它剪裁成坯料，模压或冲 压成各种制品。这种半成品称为增强热塑性塑料片材
4
树脂糊
6
9
顶部PE薄膜
割刀
中空钢鼓轮
7
粗纱切割器 5
割刀
3
粗纱
10
树脂糊 2
1
低部PE薄膜
8
11
压紧辊
聚合物基复合材料 (2)
聚合物基复合材料1. 引言聚合物基复合材料是一种由聚合物基质和填充物组成的复合材料。
它具有优异的物理和化学性质，被广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车制造、建筑和电子行业等。
本文将介绍聚合物基复合材料的概念、制备方法、性能特点以及应用领域。
2. 聚合物基复合材料的概念聚合物基复合材料是指由聚合物基质和其中添加的填充物或增强剂共同构成的复合材料。
聚合物基质可以是热固性树脂或热塑性聚合物，填充物可以是纤维、颗粒或片状材料。
复合材料的制备过程中，通过改变基质和填充物的组成和结构，可以调节复合材料的性能，满足不同的工程应用需求。
3. 聚合物基复合材料的制备方法聚合物基复合材料的制备方法包括浸渍法、注塑法、挤出法和压延法等。
其中，浸渍法是最常用的制备方法之一。
它的基本过程是将填充物浸渍到聚合物基质中，然后通过热固化或化学固化使基质和填充物形成牢固的结合。
注塑法和挤出法适用于制备纤维增强的复合材料，通过将熔融的聚合物基质注塑或挤出到预定的模具中，再经过固化得到复合材料。
压延法适用于制备片状复合材料，通过将预先加热的聚合物基质和填充物经过辊压成型，再进行固化得到复合材料。
4. 聚合物基复合材料的性能特点聚合物基复合材料具有以下几个突出的性能特点：•轻质高强：由于复合材料中填充物的加入，能够明显降低材料的密度，同时保持较高的强度，从而达到轻质高强的特点。
这使得聚合物基复合材料在航空航天和汽车制造等领域中具有广泛应用的潜力。
•优异的机械性能：聚合物基复合材料的机械性能由聚合物基质和填充物的特性共同决定。
填充物可以增加复合材料的刚度和强度，提高其抗拉强度和冲击韧性等性能指标。
与传统材料相比，聚合物基复合材料在机械性能方面表现出色。
•良好的耐热性：聚合物基复合材料中的聚合物基质通常具有良好的耐热性。
这使得复合材料可以在高温环境下工作，例如航空发动机和火箭推进系统中的应用。
•耐腐蚀性好：聚合物基复合材料对大多数化学物质都具有较好的耐腐蚀性。
聚合物基复合材料的成型工艺流程
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聚合物基复合材料
4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料(FR-ABS)
基体树脂:丁二烯-苯乙烯共聚物(BS) 丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS) 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
性能改进:强度、弹性模量有成倍提高 耐高温、耐低温、尺寸稳定性等都有所改善
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚碳酸酯(FR-PC)
Kevlar纤维增强树脂:良好压延性、耐冲击、 良好振动衰减性、优异得耐疲劳性
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比
增强纤维 相对密度 拉伸强度,MPa 弹性模量,GPa
碳纤维 1、6 1500 12
Kevl 2、0 1750 120
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
轮鼓缠绕法预浸料制备示意图
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
(2)预混料:
工艺对象:不连续纤维浸渍或混合树脂 制品特征:片状模塑料(Sheet molding pound,SMC)
块状模塑料( Bulk Molding pound,BMC) 注射模塑料(Injection molding pound,IMC)
高强度、高模量纤维增强塑料
基体树脂:环氧树脂 增强材料:碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维
性能特点:密度小、强度模量高、热膨胀系数小; 制备工艺简单、成型方法多; 纤维价格昂贵,使用范围到限
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强树脂: 强度、刚度、耐热性均好
硼纤维增强树脂: 刚性好(模量高于碳纤维增强)
聚合物基复合材料
4、1 概述
4、1 概述
4、1 概述
聚合物基复合材料的工艺
3.聚合物基复合材料的工艺（重要）（1）预浸料的制备工艺1.热固性预浸料的制备1）溶液浸渍法。
将树脂基体个组分按规定的比例溶解于低沸点的溶剂中，使之成为一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以规定的速度通过基体溶液，使其浸渍上定量的基体溶液，并通过加热除去溶剂，使树脂得到合适的黏性。
2）热熔法。
分为直接熔融法和胶膜压延法。
2.热塑性预浸料制备。
可分为预浸渍技术与后浸渍技术两类。
（2）手糊成型工艺。
先在磨具上涂刷一层脱膜剂，后加入含固化剂树脂混合物，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，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。
然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。
（3）模压成型工艺。
是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。
是广泛使用的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。
（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测(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。
持沉积到一定厚度，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。
（5）连续缠绕工艺。
一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上。
常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。
是一种生产各种尺寸回转体的简单有效的方法。
（6）注射成型。
将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。
6.陶瓷基复合材料的制备工艺（成型工艺）（1）等静压成型。
一般等静压指的是湿袋式等静压（也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的坯体。
（2）热压铸成型。
热压铸成型是将粉料和蜡（或其他有机高分子黏结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分子黏结剂）熔化，使混合料具有一定流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的较硬实的坯体。
聚合物基复合材料
一、1、复合材定义(ISO、GB3961)及定义包含的内容(ISO):有两种或两种以上物和化学性质同的物质组合而成的一种多和固体材。
国标GB3961 :两个或两个以上独的物相，包括粘接材(基体)和纤维或片状材所组成的一种固体物。
定义包含的内容：(1)复合材的组分材虽然保持其相对独性，但复合材的性能却是各组分材性能的简单加和，而是有着重要的改进。
(2)复合材中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材。
(3)分散相是以独的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗状或弥散的填。
2、有机纤维碳化法将有机纤维经过稳定化处变成耐焰纤维；在惰性气氛中，于高温下进焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。
3、复合材的分类按增强材形态分类:连续纤维复合材、短纤维复合材、状填复合材、编织复合材按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材、碳纤维复合材、玄武岩纤维复合材、有机p纤维复合材、属纤维复合材、陶瓷纤维复合材按基体材分类：环氧树脂基、酚醛树脂基、聚氨酯基、聚萨亚胺基、饱和聚芮基以及其他树脂基复合材按材作用分类：结构复合材、功能复合材4、聚合物基复合材的主要性能和目前存在的缺点：主要性能：1轻质高强（比强、比模大）2可设计性好3具有多种功能性 4过载安全性好5耐疲劳性能好6减振性好（非均相多相体系）存在的缺点：（1）材工艺的稳定性差（2）材性能的分散性大：材和产品是同时完成的，许多因素会影响到每一步的性能，质控制（3）长期耐温与耐环境化性能好（4）抗冲击性能低：大多数增强纤维伸时的断应变代小，纤维增强复合材是脆性材，抗冲击性低（5）横向强和层间剪强好等二、1、聚合物基复合材的增强材应具有的特征：（1）增强材应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，如高的比强、比模、高导热性、耐热性、低热膨胀性等，以赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能。
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控聚合物基复合材料是由聚合物基体和填料相互作用形成的新型材料。
它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、热稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
本文将讨论高性能聚合物基复合材料的制备方法以及如何通过性能调控来提高材料的综合性能。
一、制备方法1.浸涂法：该方法常用于纤维增强复合材料的制备。
首先，将预先处理的纤维浸入聚合物基体中，待基体固化后，形成复合材料。
这种方法制备的材料具有良好的界面结合性能和强度。
2.热塑性复合法：该方法适用于高分子材料的制备。
首先，将填料与聚合物基体混合均匀，然后通过热塑性加工方法，如挤出、注塑等，使复合材料成型。
相比于其他方法，热塑性复合法制备的材料可以实现大规模、高效率的生产。
3.原位聚合法：该方法通过在填料表面进行原位聚合反应来实现聚合物基复合材料的制备。
首先，在填料表面引发聚合反应，形成聚合物基体，然后通过加热或其他处理方式，使基体与填料形成强烈的物理结合。
这种方法制备的材料具有良好的亲和力和增强效果。
二、性能调控1.界面改性：填料与聚合物基体的界面性能直接影响复合材料的综合性能。
通过表面处理、增加界面黏合剂等方式，可以增强界面粘结力，提高复合材料的强度和耐热性能。
2.填料选择：不同填料对复合材料的性能有着不同的影响。
例如，炭纤维填料可以增强材料的强度和刚度，而纳米颗粒填料可以提高材料的硬度和耐磨性能。
因此，在制备复合材料时，根据所需性能选择合适的填料对于提高材料性能至关重要。
3.添加剂调控：通过添加适量的增韧剂、抗氧化剂、阻燃剂等，可以改善聚合物基复合材料的力学性能、耐热性能和阻燃性能。
这种方法在航空航天等领域得到了广泛应用。
4.多组分共混：将两种或多种不同的聚合物基体以及不同的填料进行共混，可以得到具有优秀综合性能的复合材料。
多组分共混方法可以改善材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等，提高材料的适用范围。
综上所述，高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控是一个复杂而关键的过程。
聚合物复合材料的制备技术
聚合物复合材料的制备技术聚合物复合材料(polymer composite materials，PCM)是一种独特的新型材料，由两种或以上的物质组合而成，是一种在工业中更为广泛应用的新型结构材料。
聚合物复合材料由聚合材料和增强材料构成，聚合材料是基体，增强材料是填料，可使聚合物复合材料在力学性能、物理性能、热性能等方面得到了显著的提高，并且具有较高的强度、刚度、耐磨性和防腐蚀性等优点。
一、制备材料1.聚合材料的选择聚合材料是指制备聚合物复合材料的基体，它的选择直接影响到最终的性能。
常见的聚合材料包括塑料、树脂、橡胶和胶粘剂等。
其中，树脂是最常用的一种材料。
在树脂中，环氧树脂和不饱和聚酯树脂是应用最广泛的两种。
2.增强材料的选择增强材料是聚合物复合材料中的填料，决定了聚合物复合材料的物理性能和强度。
常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶丝等。
其中，碳纤维是目前应用最广泛的一种。
在选择碳纤维材料时，需要结合具体的应用环境和要求进行选择，例如选择碳纤维长度、直径、分布和取向等。
二、制备工艺1.树脂基复合材料的制备工艺树脂基复合材料的制备工艺一般包括树脂注塑和模压两种。
树脂注塑是一种快速制备树脂基复合材料的方法。
首先，将固态增强材料放置于注塑机的注塑腔中，然后将树脂加热至液态状态，通过注塑机将树脂注入注塑腔中，再通过成型过程，形成树脂基复合材料。
模压是一种制备高强度树脂基复合材料的方法。
在模压过程中，将增强材料置于模具中，再将树脂加热至液态状态，然后通过压力和温度对其加固，成型成树脂基复合材料。
2.碳纤维基复合材料的制备方法碳纤维基复合材料的制备方法一般包括湿法和干法两种。
湿法是通过浸渍法制备碳纤维基复合材料的一种方法。
先将碳纤维浸泡在预浸涂层中，再将其从预浸涂层中取出，通过加热和固化，形成碳纤维基复合材料。
干法则是通过预浸涂料制备碳纤维基复合材料的一种方法。
首先，将干燥的碳纤维预处理涂上预浸涂层，然后通过烘干和固化获得碳纤维基复合材料。
热塑性复合材料成型工艺
热塑性复合材料成型工艺热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称FRTP（Fiber Rinforced Thermo Plastics）。
由于热塑性树脂和增强材料种类不同，其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。
从生产工艺角度分析，塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类：（1）短纤维增强复合材料①注射成型工艺；②挤出成型工艺；③离心成型工艺。
（2）连续纤维增强及长纤维增强复合材料①预浸料模压成型；②片状模塑料冲压成型；③片状模塑料真空成型；④预浸纱缠绕成型；⑤拉挤成型。
热塑性复合材料的特殊性能如下：（1）密度小、强度高热塑性复合材料的密度为1.1～1.6g/cm3，仅为钢材的1/5～1/7，比热固性玻璃钢轻1/3～1/4。
它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。
一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。
（2）性能可设计性的自由度大热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都是通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。
由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。
（3）热性能一般塑料的使用温度为50～100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。
尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热形温度可提高到190℃。
聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。
热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4～1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。
其导热系数为0.3～0.36W(㎡·K)，与热固性复合材料相似。
（4）耐化学腐蚀性复合材料的耐化学腐蚀性，主要由基体材料的性能决定，热塑性树脂的种类很多，每种树脂都有自己的防腐特点，因此，可以根据复合材料的使用环境和介质条件，对基体树脂进行优选，一般都能满足使用要求。
复合材料聚合物基复合材料
5.工艺性好。
制造工艺简单，过载时安全性好。
设计性强
由于纤维复合材料的各向异性，与之相关的是性 能的可设计性。由于控制其性能的因素很多，增强剂 类型、基体类型、纤维的排列方向、铺层次层、层数、 成型工艺等都可以根据使用目的和要求不同而进行选 择，因而易于对PMC结构进行最优化设计，做到安全 可靠，经济合理。
•复合材料的破坏有明显预兆，可以在事先检 测出来，而金属的疲劳破坏则是突发性的。
•复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的 扩展，其疲劳总是从纤维的薄弱环节开始， 裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，所以破 坏前有明显的预兆。
3.阻尼减振性好
受力结构的自振频率除了与结构本身形状 有关外，还同结构材料的比模量平方根成 正比。所以复合材料有较高的自振频率。
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制 品，而后逐渐扩展到民用。
1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压 和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。 1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚 醛树脂烧蚀防热弹头。 1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂 窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直 升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠 绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。
同时，复合材料基体与纤维的界面有较大 的吸收振动能量的能力，致使材料的振动 阻尼较高，一旦振起来，在短时间内也能 停下来。
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6.1 概述
1、定义：
热塑性复合材料是以热塑性树脂为基体，以纤维为增强材料制成的复合材料。
2、分类：
①按性能分：
普通型复合材料
高性能热塑性复合材料
HFUT Polymer Matrix Composites 3②按增强材料形状分：
短纤维增强热塑性复合材料连续纤维增强热塑性复合材料
3、特性：
韧性、加工速度、废料的回收等
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4、热塑性复合材料的成型方法分类：
短纤维增强热塑性树脂的成型方法：注塑和挤出连续纤维增强热塑性树脂成型方法：
片状模塑料冲压成型工艺预浸料模压成型工艺片状模塑料真空成型工艺预浸纱缠绕成型工艺拉挤成型工艺
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6.2 预浸料或片状模塑料的制备
关键技术：热塑性树脂的浸渍技术1、预浸渍技术：
预浸渍后浸渍
主要特征：增强材料的完全浸润和浸渍，无缺陷，树脂
分布均匀。
HFUT Polymer Matrix Composites 7①熔融浸渍：
②溶剂辅助浸渍：
缺点：树脂粘度高，浸渍效果难达到；优点：无需溶剂缺点：溶剂沸点高，难除去；留在树脂中有增塑作用。
优点：粘度小，可采用类似热固性树脂的浸渍技术。
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2、后浸渍技术：
——仅是纤维和树脂的物理混合
包括：薄膜层叠、粉末涂料、包裹、共纺织、混杂
HFUT Polymer Matrix Composites 93、热塑性片状模塑料的制备：
（国外简称GMT 或AZDEL ）①GMT 的干法工艺：
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优点：
增强材料可以任意设计、铺层，并可选择多种增强材料，生产不污染环境。
常用：PP 、PVC 、尼龙等。
工艺：
熔融浸渍法，即将连续纤维毡和PP 塑料片叠合后，在加热加压下使PP 浸透玻纤毡，排除气泡，冷却定型后制成GMT 。
HFUT Polymer Matrix Composites 11②GMT 的湿法工艺：HFUT Polymer Matrix Composites 12
特点：
纤维和树脂分布均匀，纤维含量高。
但该工艺不能用连续纤维，增强材料不能按需要铺设，生产过程有污水排放。
工艺：
将粉末树脂和短纤（10-15mm ）在拌浆槽内加水或泡沫悬浮剂搅拌成均匀的悬浮料浆，用泵输送到传送网带上，经减压脱水，形成湿毡，再干燥，收卷成坯料，在复合机内加热、加压、冷却、切断成GMT 。
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6.3 热塑性复合材料的冲压成型工艺
1、工艺：
2、特点：成型周期短、生产效率高；
收缩率低；模具费用低；
能成型形状复杂的大型制品。
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3、分类：
固态冲压成型工艺流动态冲压成型
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6.4 热塑性复合材料的拉挤成型工艺
常用的：PP 、尼龙，其它有PEEK 、PI 、PPS 、
聚砜、聚醚等；1、概述：
2、特点：无化学反应、易成型；
质量稳定、易控制；韧性好，断裂延伸率8-12%；
纤维不易露出制品表面，表面性能好。
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3、分类：
预浸纤维拉挤成型工艺纤维直接拉挤成型
4、预浸纤维拉挤成型工艺：
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5、纤维拉挤成型工艺：
HFUT Polymer Matrix Composites 196.5 热塑性复合材料的模压成型工艺
是采用热塑性树脂预浸料在模具内加热加压成型复合材料的一种成型方法。
工艺参数：温度、压力、时间；
一般模压压力为0.7-2.0MPa ，在成型温度下仅需几分钟时间。
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6.6 热塑性复合材料缠绕成型工艺
工艺原理与热固性树脂的干法缠绕相同，都是用预浸纤维或预浸带缠绕成型。
热塑性树脂熔融温度较高；
热塑性树脂缠绕成型后不需固化，因此，加工成本低。
热塑性树脂成型时，先将预浸纤维加热至熔融，再在与芯模的接触点加热，并由加压辊加压，使其熔接成一个整体。