复合材料制备工艺

第八章聚合物复合材料（PMC）制备工艺

8.1 聚合物复合材料的分类

8.1.1 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；

8.1.2 晶须增强（WRC）

8.1.3 粒子增强（PRC）

8.2 聚合物复合材料的性能（1）高比强、高比模量。

（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。

8.3 聚合物复合材料的制备工艺

8.3.1 预浸料/ 预混料制备

预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、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）。

SMC片状模塑料；GMT玻璃毡增强热塑性塑料；

BMC团状模塑料；IMC颗粒状注射模塑料；

（1）预浸料制备：

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。

（2）预混料制造

a.SMC(片状模塑料)和BMC(团状模塑料)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一般用专用SMC机组制造；

BMC用捏合法制造。

b.GMT(玻璃毡增强热塑性塑料) 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。c.IMC(颗粒状注射模塑料)制造：

IMC一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为3–6mm。

8.3.2 成型工艺

（1）手糊成型

用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，通过浇、刷或喷的方法加上树脂；纱或毡也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。

（2）压力成型：

a.袋压成型：

真空袋成型；

压力袋成型；

袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件。

b.热压罐成型

工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力通常在0.35 -0.7MPa。

1-橡皮囊；

2-成型套；

3-模具；

4-毛坯；

5-弓形

夹；

6-热压

罐；

7-底板；

（3）缠绕成型：缠绕成型是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。

（4）拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合

型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。

（5）模压成型：对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。

（6）挤出成型

是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。

挤出成型工艺示意图

（7）注射成型

注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法，多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要为短切纤维，纤维含量通常有20％、30%两种。

（8）喷射成型

这是一种半机械化成型技术。它是将混有引发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制品。

喷射成型原理图

（9）树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增强塑料）的主要成型工艺之一。

特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优于SMC、BMC。

树脂传递成型示意图

8.3.3 PMC的界面

(1)PMC的界面特点：

（A）大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。

（B）PMC的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。

（C）PMC中增强剂本身一般不与基体材料反应。

(2)PMC界面设计

基本原则：改善浸润性、提高界面结合强度。

(A)使用偶联剂

偶联剂是一种化合物，其分子两端含有不同的基团，一端可与增强剂发生化学或物理作用，另一端则能与基体材料发生化学或物理作用，从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。