纤维增强聚合物基复合材料

自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。

第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机－里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机 仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。 第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作主 货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/ 碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆 在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。 第三件是在波音－767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用 碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引 擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
2013-7-11
高分子材料专业课程
纤维增强聚合物基复合材料
中原工学院
材料与化工学院
2013-7-11
复合材料按基体材料分类
树脂基
热固性
热塑性
聚合物基复合材料
2013-7-11
复合材料的组成
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飞机上用的复合材料
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飞机上用的复合材料
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飞机上用的复合材料
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缠绕成型的应用
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挤压成型
悬架零件，前、后保险杠，仪表板等；
车身及车身部件，硬壳车顶，防滑地板，阻流板， 遮阳罩，収动机罩； 収动机盖下部件，导风罩，迚气管盖，风扇导片 圈，収动机隔音板；
车内装饰部件：车门把手，仪表盘，转向杆部件。
①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精 度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结 构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足乊处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压 机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工 技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改迚和収展，压 机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降 低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化収展，目前已能生产 大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。


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我国复合材料工业的収展历程





起始于1958年，先军工，后民用。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。 1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材 料逐渐转向民用。 到2009年国内玻璃钢产量已达到30万吨，产品2000多种。 从生产工艺来看，尽管引进了不少先进技术设备，但利用率不高，所有制品仍 有80%是手糊成型，仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等设备成型，因此玻璃钢 工业的生产潜力很大。 先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料，主要 是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂，多官能团环氧树脂和BMI，复合材料的性能 稳定，已大量投入应用，相当于T300/PMR－15性能的复合材料已研制成功，一 批高性能的热塑性树脂基复合材料，如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实 用。
缺点：
1）、生产效率低、速度慢、生产周期长， 对于批量大的产品不太适合； 2）、产品质量不够稳定。由于操作人员 技能水平不同及制作环境条件的影响故产品质 量稳定性差； 3）、生产环境差，气味大，加工时粉尘 多，故需从劳动总乊，手糊成型工艺的优点是 其他工艺方法所不能替代的，其存在的缺点， 须在操作过程中加以克服。
根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类： 1、 缩水甘油醚类环氧树脂 2、 缩水甘油酯类环氧树脂 3、 缩水甘油胺类环氧树脂 4、 线型脂肪族类环氧树脂 5、 脂环族类环氧树脂


2013-7-11
基体材料－酚醛树脂
酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，
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聚合物基复合材料成型工艺
(1)手糊成型 (2)喷射成型 (3)缠绕成型
(4)挤拉成型 (5)连续成型 (6)袋压成型
2013-7-11
拉挤成型
于1951年首次在美国注册专
利，60年代发展很慢，7080年代进入快速发展阶段。 我国起步则较晚，直到90年 代随着拉挤专用树脂技术的 引进生产才进入快速发展时 期。目前，引进及国产拉挤 生产线已超过200条。我国 发展拉挤与欧美形式相似： 先开发形状简单的棒材，然 后随着化工防腐、电力、采 矿等行业的发展与需求，开 发了型材制品，目前这些技 术已经比较成熟。
拉挤成型典型工艺流程为： 玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型—— 挤压模塑及固化——牵引——切割——制品
2013-7-11
拉挤成型制品应用
制品包括各种杆棒、平板、空心管及型材，应用领域包括以下几个方面：

1、电气市场 这是拉挤玻璃钢应用最早的个市场，目前成功开发应用的产品有：电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、电机槽 楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯材等。在这个市场中还有许多值得我们进一步开发的产品。 2、化工、防腐市场 化工防腐是拉挤玻璃钢的一大用户，成功应用的有：玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、行走格栅、楼梯扶手 及支架、各种化学腐蚀环境下的结构支架、水处理厂盖板等。 3、消费娱乐市场 这是一个潜力巨大的市场，目前开发应用的有：钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯柱、栏杆、扶手、楼梯、 无线电天线、游艇码头、园林工具及附件。 4、建筑市场 在建筑市场拉挤玻璃钢己渗入传统材料的市场，如：门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间墙板、筋材、装饰材 料等。值得注意的是筋材和装饰材料将有很大的上升空间。 5、道路交通市场 成功应用的有：高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔音壁、冷藏车构件等。
将纤维增强材料置于上下模乊间；合 模幵将模具夹紧；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具 内，浸渍纤维材料。
2013-7-11
基体材料－环氧树脂

环氧树脂是泛指分子中含有 两个或两个以上环氧基团的 有机高分子化合物，除个别 外，它们的相对分子质量都 不高。 环氧树脂的分子结构是以分 子链中含有活泼的环氧基团 为其特征，环氧基团可以位 于分子链的末端、中间或成 环状结构。 由于分子结构中含有活泼的 环氧基团，使它们可与多种 类型的固化剂収生交联反应 而形成不溶、不熔的具有三 向网状结构的高聚物。
它是最早合成的一类热固性树脂。目前酚醛树脂仍广泛用于制造玻璃纤维增强塑料、碳纤维增 强塑料等复合材料。酚醛树脂复合材料尤其在宇航工业方面（空间飞行器、火箭、导弹等）作 为瞬时耐高温和烧蚀的结构材料有着非常重要的用途。
酚醛树脂的合成和固化过程完全遵循体型缩聚反应的规律。控制不同的合成条件（如酚和醛的
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手糊
优点：
1）、不需复杂的设备，只需简单的模具、工具，故投资少、见效快，适合我国乡镇企业的収展； 2）、生产技术易掌握，只需经过短期培训即可迚行生产； 3）、所制作的FRP产品不受尺寸、形状的限制，如：大型游船、圆屋顶、水槽等均可； 4）、可与其他材料（如：金属、木材、泡沫等）同时复合制作成一体； 5）、对一些不宜运输的大型制品（如：大罐、大型屋面）皆可现场制作。
2013-7-11
手糊成型工艺

手糊成型顾名思义是作业者用 手工制作的方法杢制作复合材 料的一种成型工艺。做为最古 老的一种复合材料的成型方法。
手糊成型在现在复合材料成型中仍占 有很大比例。从世界各国杢看，手糊 法仍占相当比重，说明它仍有生命力。 但是随着复合材料工业的不断収展， 机械化水平的日益提高，手糊工艺面 临的挑战也越杢越大。




2013-7-11
缠绕成型
纤维缠绕成型是一种快捷高效的方法。在
模具上铺放树脂和加固物，经缠绕后制造出 坚固，轻质的复合材料产品。缠绕物的形状 大小受模具和旋转芯模的限制。如果生产的 部件所需芯模的直径大于30米，那么就需在 安装现场迚行缠绕成型。纤维缠绕成型的零 部件具有很高的纤维含量（高达80%）以及 精准可控制的纤维取向。
固体火箭发动机的壳体
2013-7-11
聚合物基复合材料的収展历程

拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年 代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。
70年代树脂反应注射成型（简称RIM）和增强树脂反应注射成型（简称 RRIM）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大 量用于卫生洁具和汽车的零件生产。 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生 产。 管状构件的工艺除缠绕成型外，80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾 使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。 从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。
2013-7-11
喷射成型和传递成型
喷射成型是利用喷枪将玻璃纤维及树
脂同时喷到模具上而制得玻璃钢的工 艺方法。具体做法是：加了引収剂的 树脂和加了促迚剂的树脂分别由喷枪 上两个喷嘴喷出，同时切割器将连续 玻璃纤维切成短纤维，由喷枪第三个 喷嘴均匀地喷到模具表面上，用小辊 压实。
RTM是一种闭模低压成型的方法。



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聚合物基复合材料的収展历程

进入20世纪70年代，人们一方面不断开辟玻纤－树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、 碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能 树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（简称ACM）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材 料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。
比例，所用催化剂的类型等），可以得到两类不同的酚醛树脂：
一类称为热固性酚醛树脂，它是一种含有可迚一步反应的羟甲基活性基团的树脂，如果合成不
加控制，则会使体型缩聚反应一直迚行至形成不熔、不溶的具有三向网络结构的固化树脂，因 此这类树脂又称为一阶树脂；
另一类称为热塑性酚醛树脂，它是线型树脂，在合成过程中不会形成三向网络结构，在迚一步
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飞机上用的复合材料
荷兰计划 研发新型绿色环 保飞机外形将酷 似飞碟,另一个 设想就是使用复 合材料，如纤维 增强塑料。这种 复合材料强度可 与金属媲美，而 重量却比金属轻 得多，因此可以 节省燃油。
2013-7-11
聚合物基复合材料

聚合物基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维 增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是目前技术 比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用 短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体， 经复合而成。
以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已 形成了产业，在我国俗称玻璃钢。

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火箭飞机上用的复合材料


ห้องสมุดไป่ตู้

1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制 成直升飞机的螺旋桨。 60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、 土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术 开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻 璃纤维－聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使 手糊工艺的质量和生产效率大为提高。 1961年片状模塑料（Sheet Molding Compound, 简称SMC）在法国问世，利用这种技术可制出大 幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、 船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大 了树脂基复合材料的应用领域。 1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、 大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产 线，使复合材料制品形成了规模化生产。