玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料
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关于玻璃纤维 增强环氧树脂基复合材料的综述
一、概述及复合材料结构 二、主要成型工艺 三、力学性能 四、应用
一、概述及复合材料结构
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年玻璃纤维增强塑料(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)。作 为复合材料中的一枝的玻璃纤维增强环氧树脂（GFEP）具有 力学强度高、成形收缩小、尺寸稳定性好和良好的耐化学腐 蚀性能和电气绝缘性能等特点，作为典型的纤维增强塑料 （FRP）广泛应用于制造工业零部件和印刷电路板等产业 。 截止2010年1月底全国共有61家玻璃钢生产企业（其中包括 四川省江南玻璃钢有限公司,重庆市君豪玻璃钢有限责任公 司)
当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料的性能较好
四、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的应用
（一）、在航空、航天工业中应用 （二）、环氧复合材料在民用工业中的应用 1、玻璃钢的压力容器和管道 3、玻璃钢模具 2、玻璃钢电机护环、套环等 4、防腐蚀制品
。
(三）、主要产品 汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件小艇半成品、 列车和卡车车身面板、艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、方向 舵管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)、固体火箭发动机壳体
2、优点
1)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量； 可以可靠地得到高纤维含量。 2)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁； 3)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程； 4)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的； 5)材料有效时间长(室温下可保质数月)，这意味着可优化结构、复合材料易铺层； 6)可能实现自动化和节省劳动力。
表1 不同成型方法的玻璃钢(欧洲地区）产量
（一）、手糊成型(hand lay up)
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，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、手糊成型工艺的优点： 1)、不受尺寸、形状的限制； 2)、设备简单、投资少； 3)、工艺简单； 4)、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求； 5)、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
＜50 1.2~20 容易 高 容易 无 中
不限 1.5~1.0 困难 中 困难 有 高
（三）、树脂传递成型RTM
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具内， 浸渍纤维材料。
SMC成型与喷射成型、树脂注射成型的优缺点
成型方法 SMC 高 高 1~8 100~160 5~12 容易 喷射成型 便宜 便宜 60min~1日 15~40 常压 要熟练 树脂注射成型 中 中 30~200 20~60 ＜2 要熟练 树脂、GF过氧化物、其他 胶衣液态树脂、玻 璃纤维 低填充 25~30 强 ＜50 2~12 容易 中 困难 有 高
10、压力袋成型 1、手糊成型——湿法铺层成型 11、树脂注射和树脂传递RTM模塑成 2、夹层结构成型（手糊法、机械法） 型 3、模压成型 12、卷制成型 4、层压成型 13、真空辅助注射成型 5、缠绕成型 14、离心浇铸成型 6、拉挤成型 15、片状smc（团状bmc）模塑成型 7、注射成型 16、连续板材成型 8、喷射成型 目前我国还是以手糊成型为主， 9、真空袋压力成型 在树脂基复合材料中约占80%。
三、力学性能分析
（一）、复合材料的弹性模量分析
以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后, 所得复合材料试样的弹性模量变化如图1所示。
（二）、复合材料的强度分析
由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后, 当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生 变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分 散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含 量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱 的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降
相对密度
拉伸强度 拉伸模量 伸长率 弯曲强度
Baidu Nhomakorabea
2.08
551.6Mpa 27.58GPa 1.6% 689.5MPa
7.86
331.0MPa 206.7GPa 37.0%
弯曲模量 压缩强度
34.48GPa 310.3MPa 331.0MPa
纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介
目前在生产上经常采用的成型方法有16种：
优点
1） 制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少； 2） 闭模成型，生产环境好； 3） 劳动强度较低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低； 4） 制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高； 5） 成型周期较短； 6） 产品可大型化； 7） 强度可按设计要求具有方向性； 8） 可与芯材、嵌件一体成型 9） 相对注射设备与模具成本较低。
5、手糊成型易发生的缺陷及防止措施
1）、制品表面发粘
原因1：空气湿度太大，水对树脂起阻聚作用 解决办法： （1）在树脂中加入0.02％左右的液体石蜡； （2）在树脂中掺加5％的异腈酸酯 ； （3）制品表面覆盖薄膜隔绝空气；
原因2： 引发剂、促进剂的比例弄错或失效，更换引 发剂、促进剂。
2）、制品内气泡太多
3、手糊成型工艺的缺点
1）、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差； 2）、产品性能稳定性差；有些树脂有害健康 3）、产品力学性能较低。
4、手糊制品为什么要在表面覆盖聚酯薄膜？
自由基与苯乙烯的反应速度比自由基与O2的反应速度慢104倍， 一般聚酯树脂制品固化时，表面应覆盖聚酯薄膜。若不用薄膜覆盖， 也应使成型表面形成与空气隔离的物质如蜡类，否则自由基与周围 空气中的O2 、H2O反应，耗去大部分自由基，造成表面固化不完 全而发粘
缺点
1） 不宜制作较小产品 2） 因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价位也高一些
典型产品
小型飞机和汽车零部件、客车座椅、仪表壳
（四）、预浸料(高压釜)成型
1、概要
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和(或)纤维预先用 预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周 或几个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须在冷冻条件下贮存。 树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感， 象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。 预浸渍材料用手或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热 到120-180º C。使树脂重新流动，并最终固化。盛开附加压力通常藉助 高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供，它能对铺层施加达5个大气压的 压力。
(4)缺点
1)对于预浸织物，材料成本高；
2)通常要对高压釜固化复合材料制品， 耗费大、作业慢、制品尺寸受限制； 3)模具需能承受作业温度； 4)芯材需要承受作业温度和压力。
(5)典型产品
飞机结构复合材料(如机翼和尾翼)、 卫星与运载火箭结构件(太阳能电池基 板、夹层结构板、卫星接口支架、火 箭整流罩等)、赛车、运动器材(如网 球拍、滑雪板等)。
成型 设备费 模具费 成型周期/min 成型温度/℃ 成型压力/Mpa 成型作业
成型材料 材料 操作 填料 玻璃纤维/% 臭味 制品 大小/㎏ 壁厚/mm 壁厚控制 尺寸精度 复杂形状 加热尺寸变化 耐候性
SMC 非黏着半固体 高填充 20~40 弱
树脂、GF过氧化物、其他胶衣 液态树脂、玻璃纤维 无 25~35 强
1、控制胶含量 原因1： 树脂用量过多 解决办法： 2、注意拌合方式
原因2： 树脂粘度过大 解决办法： 1、适当增加稀释剂 2、提高环境温度 原因3： 增强材料选择不当
3）、流胶
选用浸透性好的无捻玻璃布
树脂粘度太小，可加入2～3％的活性氧化硅。
配料不均匀， 充分搅拌 。 固化剂用量不足， 适当调整固化剂用量。
为什么采用环氧树脂做基体？
环氧树脂固化收缩率代低，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。
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。
玻璃含量 GF/EPR(玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢
6、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。
（二）、SMC成型
片状模塑料成型(Sheet Molding Compound)简称SMC
在树脂中加入引发剂、填料、颜料、内脱 模剂、低收缩添加剂、增稠剂等，经搅匀成为 树脂糊。树脂糊落到SMC机组的下薄膜上(常用 聚乙烯薄膜或尼龙薄膜)，与此同时在下薄膜上 沉降短切成25～55mm的玻璃纤维原丝，再往上 面覆盖一层薄膜，成为片状夹心卷。将卷材存 放数日使料稠化，以达到可模塑的黏度。SMC以 捆卷状态供应备用。将卷材展开、剪裁、称量， 放人加热的钢模铂，加压使之固化成型、脱模， 即为成品
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的能力，可选择真空辅助注射。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制作。若采用加热工艺，宜用钢模。
一、概述及复合材料结构 二、主要成型工艺 三、力学性能 四、应用
一、概述及复合材料结构
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年玻璃纤维增强塑料(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)。作 为复合材料中的一枝的玻璃纤维增强环氧树脂（GFEP）具有 力学强度高、成形收缩小、尺寸稳定性好和良好的耐化学腐 蚀性能和电气绝缘性能等特点，作为典型的纤维增强塑料 （FRP）广泛应用于制造工业零部件和印刷电路板等产业 。 截止2010年1月底全国共有61家玻璃钢生产企业（其中包括 四川省江南玻璃钢有限公司,重庆市君豪玻璃钢有限责任公 司)
当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料的性能较好
四、玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的应用
（一）、在航空、航天工业中应用 （二）、环氧复合材料在民用工业中的应用 1、玻璃钢的压力容器和管道 3、玻璃钢模具 2、玻璃钢电机护环、套环等 4、防腐蚀制品
。
(三）、主要产品 汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件小艇半成品、 列车和卡车车身面板、艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、方向 舵管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)、固体火箭发动机壳体
2、优点
1)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量； 可以可靠地得到高纤维含量。 2)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁； 3)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程； 4)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的； 5)材料有效时间长(室温下可保质数月)，这意味着可优化结构、复合材料易铺层； 6)可能实现自动化和节省劳动力。
表1 不同成型方法的玻璃钢(欧洲地区）产量
（一）、手糊成型(hand lay up)
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，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、手糊成型工艺的优点： 1)、不受尺寸、形状的限制； 2)、设备简单、投资少； 3)、工艺简单； 4)、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求； 5)、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
＜50 1.2~20 容易 高 容易 无 中
不限 1.5~1.0 困难 中 困难 有 高
（三）、树脂传递成型RTM
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具内， 浸渍纤维材料。
SMC成型与喷射成型、树脂注射成型的优缺点
成型方法 SMC 高 高 1~8 100~160 5~12 容易 喷射成型 便宜 便宜 60min~1日 15~40 常压 要熟练 树脂注射成型 中 中 30~200 20~60 ＜2 要熟练 树脂、GF过氧化物、其他 胶衣液态树脂、玻 璃纤维 低填充 25~30 强 ＜50 2~12 容易 中 困难 有 高
10、压力袋成型 1、手糊成型——湿法铺层成型 11、树脂注射和树脂传递RTM模塑成 2、夹层结构成型（手糊法、机械法） 型 3、模压成型 12、卷制成型 4、层压成型 13、真空辅助注射成型 5、缠绕成型 14、离心浇铸成型 6、拉挤成型 15、片状smc（团状bmc）模塑成型 7、注射成型 16、连续板材成型 8、喷射成型 目前我国还是以手糊成型为主， 9、真空袋压力成型 在树脂基复合材料中约占80%。
三、力学性能分析
（一）、复合材料的弹性模量分析
以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后, 所得复合材料试样的弹性模量变化如图1所示。
（二）、复合材料的强度分析
由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后, 当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生 变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分 散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含 量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱 的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降
相对密度
拉伸强度 拉伸模量 伸长率 弯曲强度
Baidu Nhomakorabea
2.08
551.6Mpa 27.58GPa 1.6% 689.5MPa
7.86
331.0MPa 206.7GPa 37.0%
弯曲模量 压缩强度
34.48GPa 310.3MPa 331.0MPa
纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介
目前在生产上经常采用的成型方法有16种：
优点
1） 制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少； 2） 闭模成型，生产环境好； 3） 劳动强度较低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低； 4） 制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高； 5） 成型周期较短； 6） 产品可大型化； 7） 强度可按设计要求具有方向性； 8） 可与芯材、嵌件一体成型 9） 相对注射设备与模具成本较低。
5、手糊成型易发生的缺陷及防止措施
1）、制品表面发粘
原因1：空气湿度太大，水对树脂起阻聚作用 解决办法： （1）在树脂中加入0.02％左右的液体石蜡； （2）在树脂中掺加5％的异腈酸酯 ； （3）制品表面覆盖薄膜隔绝空气；
原因2： 引发剂、促进剂的比例弄错或失效，更换引 发剂、促进剂。
2）、制品内气泡太多
3、手糊成型工艺的缺点
1）、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差； 2）、产品性能稳定性差；有些树脂有害健康 3）、产品力学性能较低。
4、手糊制品为什么要在表面覆盖聚酯薄膜？
自由基与苯乙烯的反应速度比自由基与O2的反应速度慢104倍， 一般聚酯树脂制品固化时，表面应覆盖聚酯薄膜。若不用薄膜覆盖， 也应使成型表面形成与空气隔离的物质如蜡类，否则自由基与周围 空气中的O2 、H2O反应，耗去大部分自由基，造成表面固化不完 全而发粘
缺点
1） 不宜制作较小产品 2） 因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价位也高一些
典型产品
小型飞机和汽车零部件、客车座椅、仪表壳
（四）、预浸料(高压釜)成型
1、概要
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和(或)纤维预先用 预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周 或几个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须在冷冻条件下贮存。 树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感， 象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。 预浸渍材料用手或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热 到120-180º C。使树脂重新流动，并最终固化。盛开附加压力通常藉助 高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供，它能对铺层施加达5个大气压的 压力。
(4)缺点
1)对于预浸织物，材料成本高；
2)通常要对高压釜固化复合材料制品， 耗费大、作业慢、制品尺寸受限制； 3)模具需能承受作业温度； 4)芯材需要承受作业温度和压力。
(5)典型产品
飞机结构复合材料(如机翼和尾翼)、 卫星与运载火箭结构件(太阳能电池基 板、夹层结构板、卫星接口支架、火 箭整流罩等)、赛车、运动器材(如网 球拍、滑雪板等)。
成型 设备费 模具费 成型周期/min 成型温度/℃ 成型压力/Mpa 成型作业
成型材料 材料 操作 填料 玻璃纤维/% 臭味 制品 大小/㎏ 壁厚/mm 壁厚控制 尺寸精度 复杂形状 加热尺寸变化 耐候性
SMC 非黏着半固体 高填充 20~40 弱
树脂、GF过氧化物、其他胶衣 液态树脂、玻璃纤维 无 25~35 强
1、控制胶含量 原因1： 树脂用量过多 解决办法： 2、注意拌合方式
原因2： 树脂粘度过大 解决办法： 1、适当增加稀释剂 2、提高环境温度 原因3： 增强材料选择不当
3）、流胶
选用浸透性好的无捻玻璃布
树脂粘度太小，可加入2～3％的活性氧化硅。
配料不均匀， 充分搅拌 。 固化剂用量不足， 适当调整固化剂用量。
为什么采用环氧树脂做基体？
环氧树脂固化收缩率代低，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。
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。
玻璃含量 GF/EPR(玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢
6、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。
（二）、SMC成型
片状模塑料成型(Sheet Molding Compound)简称SMC
在树脂中加入引发剂、填料、颜料、内脱 模剂、低收缩添加剂、增稠剂等，经搅匀成为 树脂糊。树脂糊落到SMC机组的下薄膜上(常用 聚乙烯薄膜或尼龙薄膜)，与此同时在下薄膜上 沉降短切成25～55mm的玻璃纤维原丝，再往上 面覆盖一层薄膜，成为片状夹心卷。将卷材存 放数日使料稠化，以达到可模塑的黏度。SMC以 捆卷状态供应备用。将卷材展开、剪裁、称量， 放人加热的钢模铂，加压使之固化成型、脱模， 即为成品
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的能力，可选择真空辅助注射。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制作。若采用加热工艺，宜用钢模。