复合材料成型工艺及应用

高性能复合材料

作者：中国玻璃钢工业协会陈博

摘要：本文从环氧树脂的特性出发，分析了以环氧树为基体的复合材料的常用生产技术，典型产品，并介绍了国内外的有关情况。

一、前言

相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小(据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨)，但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国(含台湾省)、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料(玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”)逾90万吨，已居世界第二位(美国2003年为169万吨，日本不足70万吨)。

复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成：

增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP(碳纤维增强塑料)中的碳纤维素就是增强材料。

基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢(GRP)中的树脂(本文谈到的环氧树脂)就是基体。

按基体材料不同，复合材料可分为三大类：

树脂复合材料

金属基复合材料

无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。

本文讨论环氧树脂基复合材料。

1、为什么采用环氧树脂做基体？

固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；

粘结力强；

有B阶段，有利于生产工艺；

可低压固化，挥发份甚低；

固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。

值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。

2、环氧玻璃钢性能(按ASTM)

以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。

表1 GF/EPR与钢的性能比较

介电强度11.8×106V/m

吸水率0.5%(24h)

表2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量

材料名称密度g/cm3 拉伸强度×104MPa 弹性模量×106MPa 比强度×106cm 比模量×109cm

钢7.8 10.10 20.59 0.13 0.27

铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26

钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25

玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21

碳纤维/环氧树脂 1.45 14.71 13.73 0.21

碳纤维/环氧树脂 1.6 1049 23.54 1.5

芳纶纤维/环氧树

1.4 13.73 7.85 0.57

脂

硼纤维/环氧树脂 2.1 13.53 20.59 1.0

硼纤维/铝 2.65 9.81 19.61 0.75

图1 复合材料的比强度与比刚性二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介

1、手糊成型(hand lay up)

图2 手糊成型示意图(1)概要

依次在模具表面上施加脱模剂胶衣

一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)

一层纤维增强材料(玻纤、芳纶、碳纤维......)，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子

使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。

树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。

(2)原材料

树脂不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。

纤维玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透，亦可用。

芯材任意。

(3)优点

1)适合少量生产；

2)可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；

3)可制造大型制品和型状复杂产品；

4)树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计；

5)可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；

6)可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面(如开模成型则一面不平滑)；

7)玻纤含量较喷射成型高。

无捻粗纱布50%左右

织物35%-45%

短切原丝毡30%-40%

(4)缺点

1)属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；

2)玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限制；

3)手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。

(5)典型产品

舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。

2、树脂传递成型(RTM)

图3 树脂传递成型示意图(1)概要

RTM是一种闭模低压成型的方法。

将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。

树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。

RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量(体积比超过50%)的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。

纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状(带粘结剂)，再在第二个模具内注射成型。

为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助注射(V ARI-vacuum saaistedrsin injection)。

注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺。宜用钢模。

(2)原材料

树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。