纤维增强聚合物基复合材料

1961年片状模塑料（Sheet
Molding
Compound, 简称SMC）在法国问世，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。
固体火箭发动机的壳体
9
a
聚合物基复合材料的发展历程
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。
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。 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。
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
14
a
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。
a
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
1
a
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
2
a
复合材料的组成
3
a
飞机上用的复合材料
4
a
飞机上用的复合材料
5
a
飞机上用的复合材料
6
飞机上用的复合材料
a
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。
7
a
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。
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。
10
a
聚合物基复合材料的发展历程
8
a
火箭飞机上用的复合材料
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。
11
a
我国复合材料工业的发展历程
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。
12
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
a
(4)挤拉成型 (5)连续成型 (6)袋压成型
13
a
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。