材料合成與制備_第四章-1

1、第四章復(fù)合材料的制備第四章復(fù)合材料的制備 聊城大學(xué)聊城大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 第四章復(fù)合材料的制備 現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛現(xiàn)代高科技的發(fā)展對材料提出了更高、更苛 刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展、刻的要求。航空、航天和海洋開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展、 現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐現(xiàn)代武器系統(tǒng)，要求材料質(zhì)輕、高強(qiáng)、高韌、耐 熱、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特?zé)?、抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕、吸波、隱身等特 點(diǎn)。點(diǎn)。 很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無法滿足以上綜合 要求，不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。要求，不能滿足現(xiàn)代

2、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。 一、復(fù)合材料出現(xiàn)的必然性一、復(fù)合材料出現(xiàn)的必然性 二、復(fù)合材料的定義二、復(fù)合材料的定義 （各教科書說法不同，意見基本一致，沒有完全統(tǒng)一（各教科書說法不同，意見基本一致，沒有完全統(tǒng)一 的說法）的說法） 廣義的定義：廣義的定義： 復(fù)合材料復(fù)合材料是指由是指由兩種或兩種兩種或兩種以上的不同材料，通以上的不同材料，通 過一定的過一定的工藝工藝復(fù)合而成的，性能復(fù)合而成的，性能優(yōu)于優(yōu)于原原單一材料的單一材料的多多 相固體材料相固體材料。 注意：注意：所研究的所研究的復(fù)合材料與化合物材料復(fù)合材料與化合物材料、混合材料的區(qū)別。、混合材料的區(qū)別。 v主要體現(xiàn)在：主要體現(xiàn)在： v多相體系多相

3、體系和和復(fù)合效果復(fù)合效果是復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)的是復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)的“混合材料混合材料” 和和“化合材料化合材料”的兩大特征的兩大特征。 v舉例：舉例：砂子與石子混合砂子與石子混合，合金或高分子聚合物合金或高分子聚合物 v狹義定義：狹義定義： v（通常研究的內(nèi)容：通常研究的內(nèi)容：）用纖維用纖維、顆粒增強(qiáng)樹脂、顆粒增強(qiáng)樹脂、金屬、無、金屬、無 機(jī)非金屬材料所得的多相固體材料。機(jī)非金屬材料所得的多相固體材料。 v由此可以得出：由此可以得出： 復(fù)合材料復(fù)合材料 = = 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料 基體材料基體材料 例如：例如： v天然木材天然木材 - - 纖維素纖維纖維素纖維 + + 木質(zhì)素木質(zhì)素 v鋼筋混凝

4、土鋼筋混凝土- - 砂、石、鋼筋砂、石、鋼筋 + + 水泥水泥 v玻璃鋼玻璃鋼 - - 玻璃纖維玻璃纖維 + + 熱固性樹脂熱固性樹脂 四、復(fù)合材料發(fā)展史四、復(fù)合材料發(fā)展史 l幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料幾乎所有的生物材料都是復(fù)合材料 竹子、骨骼、貝殼等等竹子、骨骼、貝殼等等 l古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和古代人們用草梗和泥造墻，用稻草和 泥做屋頂泥做屋頂 五、復(fù)合材料的命名與分類五、復(fù)合材料的命名與分類 命名方法：命名方法： （1） 基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法這種命名方法 常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材常用來表示某一種具體的

5、復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材 料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，最后加料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，最后加 上上“復(fù)合材料復(fù)合材料” （2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖以增強(qiáng)體材料的名稱為主。如玻璃纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng) 復(fù)合材料等。復(fù)合材料等。 （3）強(qiáng)調(diào)基體時強(qiáng)調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合如樹脂基復(fù)合 材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等等。 復(fù)合材料分類：復(fù)合材料分類： p按增強(qiáng)材料形態(tài)分類按

6、增強(qiáng)材料形態(tài)分類 顆粒、纖維、層片顆粒、纖維、層片 p按增強(qiáng)纖維種類分類按增強(qiáng)纖維種類分類 長纖維、短纖維、晶須長纖維、短纖維、晶須 p按基體材料分類按基體材料分類 金屬基、樹脂基、陶瓷基金屬基、樹脂基、陶瓷基 p按材料作用分類按材料作用分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料 六、六、 復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能 共同的特點(diǎn)：共同的特點(diǎn)： p取長補(bǔ)短，協(xié)同作用取長補(bǔ)短，協(xié)同作用 p性能的可設(shè)計性性能的可設(shè)計性 p可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品， 可避免多次加工工序可避免多次加工工序 性能：取決于基體相、增強(qiáng)相種類及數(shù)量，其次是性能：取決于基體相、增

7、強(qiáng)相種類及數(shù)量，其次是 它們的結(jié)合界面、成型工藝等。它們的結(jié)合界面、成型工藝等。 1 1、取決于增強(qiáng)相的性能、取決于增強(qiáng)相的性能 . .比強(qiáng)度比剛度高比強(qiáng)度比剛度高 . .沖擊韌性和斷裂韌性高沖擊韌性和斷裂韌性高 . .耐疲勞性好耐疲勞性好 . .減震性減震性 . .熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小 七、七、 復(fù)合材料的性能比較復(fù)合材料的性能比較 裂紋擴(kuò)展示意圖裂紋擴(kuò)展示意圖 材料材料密度密度 g/cmg/cm3 3 抗拉強(qiáng)抗拉強(qiáng) 度度 10103 3MPaMPa 彈性模彈性模 量量 10105 5MPaMPa 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 10107 7cmcm 比模比模 量量 10109 9cmcm 鋼鋼7.81

8、.032.10.130.27 鋁合金鋁合金2.80.470.750.170.26 鈦合金鈦合金4.50.961.140.210.25 玻璃鋼玻璃鋼2.01.060.40.530.20 碳纖維碳纖維/ /環(huán)氧環(huán)氧1.451.501.41.030.97 有機(jī)纖維有機(jī)纖維/ /環(huán)環(huán) 氧氧 1.41.40.81.00.57 硼纖維硼纖維/ /環(huán)氧環(huán)氧2.11.382.10.661.0 硼纖維硼纖維/ /鋁鋁2.651.02.00.380.57 各種材料的比強(qiáng)度和比模量各種材料的比強(qiáng)度和比模量 、硬度、硬度 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 、耐熱性、耐熱性 樹脂基樹脂基: 60 : 60 25

9、0250 金屬基金屬基: 400 : 400 8 80000 陶瓷基陶瓷基: 1000 : 1000 15001500 、耐自然老化、耐自然老化 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 2 2、取決于基體相的性能、取決于基體相的性能 、導(dǎo)熱導(dǎo)電性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性 金屬基金屬基 陶瓷基陶瓷基 樹脂基樹脂基 、耐蝕性、耐蝕性 陶瓷基和樹脂基陶瓷基和樹脂基 金屬基金屬基 、工藝性及生產(chǎn)成本、工藝性及生產(chǎn)成本 陶瓷基陶瓷基 金屬基金屬基 樹脂基樹脂基 1 1、設(shè)計的三個層次：、設(shè)計的三個層次： 單層設(shè)計單層設(shè)計 - - 微觀力學(xué)方法微觀力學(xué)方法 層合體設(shè)計層合體設(shè)計 - - 宏觀力學(xué)方法宏觀力學(xué)方法 產(chǎn)

10、品結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計 - - 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 八、復(fù)合材料設(shè)計八、復(fù)合材料設(shè)計 層合體設(shè)計層合體設(shè)計 2 2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： 性能可設(shè)計性強(qiáng)性能可設(shè)計性強(qiáng) （可調(diào)因素多）（可調(diào)因素多） 材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)聯(lián)材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)聯(lián) 性能預(yù)測性差性能預(yù)測性差 如如: : 加和法加和法 沒有考慮界面結(jié)合的影響，預(yù)測性很差。沒有考慮界面結(jié)合的影響，預(yù)測性很差。 BBAA ff 九、復(fù)合材料的應(yīng)用九、復(fù)合材料的應(yīng)用 戰(zhàn)車戰(zhàn)車 導(dǎo)彈 陶瓷刀具 1 1、航空航天、武器方面的應(yīng)用、航空航天、武器方面的應(yīng)用 波音波音787“夢幻客夢幻客 機(jī)機(jī)”半成機(jī)身材半成機(jī)身材 料為輕型復(fù)合材料為輕型復(fù)合材

11、 料，而波音料，而波音777 型客機(jī)機(jī)身輕型型客機(jī)機(jī)身輕型 復(fù)合材料比例僅復(fù)合材料比例僅 為為12。由此，。由此， “夢幻客機(jī)夢幻客機(jī)”更更 輕更省油。輕更省油。 2、信息電子、生物方面的應(yīng)用信息電子、生物方面的應(yīng)用 l光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤，光導(dǎo)纖維，電子設(shè)備的電路板，磁帶磁盤， 機(jī)殼和屏蔽機(jī)殼和屏蔽 l修復(fù)和更換臟器、人造骨修復(fù)和更換臟器、人造骨 鋁木復(fù)合門窗鋁木復(fù)合門窗 汽車保險杠和底板、發(fā)動機(jī)汽車保險杠和底板、發(fā)動機(jī) 罩等，甚至全復(fù)合材料汽車罩等，甚至全復(fù)合材料汽車 3、人類生活方面的應(yīng)用人類生活方面的應(yīng)用 跳高撐跳高撐 桿桿 4、節(jié)約能源、開發(fā)能源方面應(yīng)用節(jié)約能源、開發(fā)

12、能源方面應(yīng)用 復(fù)合地板復(fù)合地板 玻璃鋼管道玻璃鋼管道 5、環(huán)境方面應(yīng)用、環(huán)境方面應(yīng)用 十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢十、復(fù)合材料的發(fā)展趨勢 l發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合 材料材料 l發(fā)展納米復(fù)合材料發(fā)展納米復(fù)合材料 l發(fā)展仿生復(fù)合材料發(fā)展仿生復(fù)合材料 4.2 4.2 基體材料基體材料 v基體的作用基體的作用: : 固結(jié)增強(qiáng)相，均衡載荷和傳遞應(yīng)力固結(jié)增強(qiáng)相，均衡載荷和傳遞應(yīng)力, ,保持基本性質(zhì)。保持基本性質(zhì)。 v選材原則：選材原則： 強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，只作一般性考慮。強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，只作一般性考慮。 兩者相容性，環(huán)境適應(yīng)性，工藝性，重點(diǎn)考慮。兩者相容性，環(huán)

13、境適應(yīng)性，工藝性，重點(diǎn)考慮。 4.3 4.3 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料 玻璃纖維玻璃纖維 低檔低檔 20204040元元/Kg/Kg 芳綸纖維芳綸纖維 中檔中檔 200200400400元元/ Kg/ Kg 碳纖維碳纖維 高檔高檔 60060010001000元元/ Kg/ Kg SiC SiC纖維纖維 陶瓷顆粒陶瓷顆粒 AlAl2 2O O3 3纖維纖維 金屬絲金屬絲 金屬和陶瓷基金屬和陶瓷基 1. 1. 品種品種 有堿玻璃纖維有堿玻璃纖維 Na-Ca-SiNa-Ca-Si系普通玻璃（系普通玻璃（NaNa2 2O O15%15%） 中堿玻璃纖維中堿玻璃纖維 NaNa2 2O (10.5O (10.5

14、12.5%) 12.5%) 用量少用量少 無堿玻璃纖維無堿玻璃纖維 Ca-Al-B-SiCa-Al-B-Si系系 用量大用量大 高強(qiáng)玻璃纖維高強(qiáng)玻璃纖維 Mg-Al-SiMg-Al-Si系系 或或B B2 2O O3 3系系 高彈玻璃纖維高彈玻璃纖維 Mg-Al-SiMg-Al-Si系系 或或B B2 2O O3 3系中加入系中加入BeOBeO 一一. . 玻璃纖維玻璃纖維GFGF 2.2. GFGF的制備的制備 制玻璃球制玻璃球 鉑金坩堝熔融鉑金坩堝熔融 小漏孔拉絲小漏孔拉絲 涂浸潤劑涂浸潤劑 并股成紗并股成紗 紡織成布、氈或帶紡織成布、氈或帶。 粗紗粗紗 30m30m 初級紗初級紗 20m

15、20m 中級紗中級紗 101020m 20m 高級紗高級紗 3 310m10m 浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損。浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損。常用的有：常用的有： 石蠟乳液石蠟乳液 復(fù)合前須清除復(fù)合前須清除 聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯 不必清除不必清除 改性有機(jī)硅類改性有機(jī)硅類 不必清除不必清除 3.GF3.GF的性能的性能 (1).(1).力學(xué)性能力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個數(shù)量級；抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個數(shù)量級； 彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/31/3倍。倍。 因密度低因密度低2.52.5，比模量高。，比模量高。 斷裂延伸率：低斷裂延伸率：低3%3% (

16、2).(2).熱學(xué)性能熱學(xué)性能 導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低1 12 2個數(shù)量級個數(shù)量級 耐熱性：普通耐熱性：普通Na-Ca-SiNa-Ca-Si玻纖玻纖 500;500; 耐熱玻纖耐熱玻纖( (石英，高硅氧石英，高硅氧) ) KF KF GF GF 抗沖擊性能很好。抗沖擊性能很好。 熱學(xué)性能熱學(xué)性能 長期使用長期使用 200 200 化學(xué)性能化學(xué)性能 耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。 四四. .其它纖維其它纖維 SiCSiC纖維纖維 B B纖維纖維 AlAl2 2O O3 3纖維纖維 晶須晶須 4.4 4.4 復(fù)合界面復(fù)合界面 v復(fù)合過程中，材料通過潤濕、

17、滲透、復(fù)合過程中，材料通過潤濕、滲透、 擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)形成一層成分、結(jié)構(gòu)不擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)形成一層成分、結(jié)構(gòu)不 同于兩相的過渡層微區(qū)同于兩相的過渡層微區(qū)界面。界面。 v基體擴(kuò)散層化合物層基體擴(kuò)散層化合物層 擴(kuò)散層纖維擴(kuò)散層纖維 基體基體 纖維纖維 1.1. 物理結(jié)合物理結(jié)合 （機(jī)械咬合（機(jī)械咬合 + + 次價鍵結(jié)合）次價鍵結(jié)合） v液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。 v粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。 v極性樹脂極性樹脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維

18、與極性纖維 具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié)合具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié)合。 v非極性樹脂非極性樹脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等， 結(jié)合力弱結(jié)合力弱，復(fù)合效果差復(fù)合效果差。 一典型界面結(jié)合一典型界面結(jié)合 總之：總之： v物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。 v樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多 為物理結(jié)合。為物理結(jié)合。 v金屬基部分以物理方式結(jié)合。金屬基部分以物理方式結(jié)合。 v陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。 2.2. 擴(kuò)散融合擴(kuò)散融合 v兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融

19、形成過渡層，性質(zhì)介于兩兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩 相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。 v金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴(kuò)散，金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴(kuò)散， 較常見。較常見。 3.3. 化學(xué)結(jié)合化學(xué)結(jié)合 v化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué)化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時，性能反而下降。反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時，性能反而下降。 v樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力，樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力， 通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加通常采

20、用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加 到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。 v金屬與陶瓷材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界金屬與陶瓷材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界 面上形成化合物層，脆性大，對力學(xué)性能不利。尤面上形成化合物層，脆性大，對力學(xué)性能不利。尤 其是高溫使用的材料，應(yīng)防止反應(yīng)發(fā)生。其是高溫使用的材料，應(yīng)防止反應(yīng)發(fā)生。 二二. . 增強(qiáng)材料的表面處理增強(qiáng)材料的表面處理 v為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對纖維為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對纖維 進(jìn)行的預(yù)處理進(jìn)行的預(yù)處理 表面改性。表面改性。 v要點(diǎn)：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方

21、法。要點(diǎn)：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。 樹脂基樹脂基 提高化學(xué)結(jié)合提高化學(xué)結(jié)合 金屬及陶瓷基金屬及陶瓷基 抑制化學(xué)反應(yīng)抑制化學(xué)反應(yīng) 1 1玻璃纖維玻璃纖維 v引入偶聯(lián)劑。引入偶聯(lián)劑。 2.2. 碳纖維碳纖維 氧化法氧化法 - - 提高表面粗造度和極性。提高表面粗造度和極性。 沉積法沉積法 - CVD- CVD沉積碳晶須。沉積碳晶須。 電聚合法電聚合法 - - 接枝高分子支鏈接枝高分子支鏈 3 3芳綸等有機(jī)纖維芳綸等有機(jī)纖維 等離子處理，使苯環(huán)氧化成等離子處理，使苯環(huán)氧化成 -COOH-COOH、 -OH -OH ；或；或 接枝聚合生成高分子支鏈。接枝聚合生成高分子支鏈。 4. 4. 與

22、金屬基復(fù)合的纖維與金屬基復(fù)合的纖維 目的：目的： 提高浸潤性，抑制化學(xué)反應(yīng)。提高浸潤性，抑制化學(xué)反應(yīng)。 CF CF、BFBF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性差；與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性差； 氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低；氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低； Al Al2 2O O3 3反應(yīng)活性最低。反應(yīng)活性最低。 措施：措施： 降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時間。降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時間。 涂覆隔離層。如涂覆隔離層。如CFCF、BFBF表面涂表面涂SiCSiC。 鍍覆金屬層，改善浸潤性。如鍍覆金屬層，改善浸潤性。如AlAl2 2O O3 3纖維鍍纖維鍍CuCu、NiNi等。等。 成型固化工藝：

23、成型固化工藝： p成型：將預(yù)浸料鋪置成一定的形狀成型：將預(yù)浸料鋪置成一定的形狀 p固化：在溫度、時間和壓力等因素影響下使形固化：在溫度、時間和壓力等因素影響下使形 狀固定下來，并達(dá)到預(yù)定性能要求狀固定下來，并達(dá)到預(yù)定性能要求 成型方法：成型方法： 手糊成型，手糊成型，壓力袋成型，樹脂注射和樹脂傳遞成型，壓力袋成型，樹脂注射和樹脂傳遞成型， 噴射成型，噴射成型，模壓成型，模壓成型，注射成型，擠出成型，注射成型，擠出成型，纖維纖維 纏繞成型，纏繞成型，連續(xù)板材成型，離心澆注成型連續(xù)板材成型，離心澆注成型 4.5 樹脂基復(fù)合材料的制備方法樹脂基復(fù)合材料的制備方法 4.5.1 手糊工藝手糊工藝 定義：

24、定義：用纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪敷成型，用纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液在模具上鋪敷成型， 室溫（或加熱）、無壓（或低壓）條件下固化，脫模成室溫（或加熱）、無壓（或低壓）條件下固化，脫模成 制品的工藝方法。制品的工藝方法。 模具模具 準(zhǔn)備準(zhǔn)備 樹脂膠樹脂膠 液配制液配制 增強(qiáng)材增強(qiáng)材 料準(zhǔn)備料準(zhǔn)備 涂脫涂脫 模劑模劑手糊成手糊成 型型 固固 化化 脫脫 模模 檢檢 驗驗 制制 品品 后處后處 理理 手糊成型工藝流程手糊成型工藝流程 1. 原材料選擇原材料選擇 聚合物基體：聚合物基體： p能在室溫下凝膠、固化，且無低分子物產(chǎn)生能在室溫下凝膠、固化，且無低分子物產(chǎn)生 p能配制成粘度適當(dāng)?shù)哪z液（能配

25、制成粘度適當(dāng)?shù)哪z液（0.20.5 PaS） p無毒或低毒，價格便宜無毒或低毒，價格便宜 常用：常用：不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂（約占（約占80%），環(huán)氧樹脂），環(huán)氧樹脂 航空材料：航空材料：雙馬來酰亞胺（濕熱型，斷裂韌性高）；雙馬來酰亞胺（濕熱型，斷裂韌性高）； 聚酰亞胺（耐高溫、輻射，良導(dǎo)電性）聚酰亞胺（耐高溫、輻射，良導(dǎo)電性） 增強(qiáng)材料：增強(qiáng)材料： 常用常用玻璃纖維及其織物玻璃纖維及其織物（無堿纖維、中（無堿纖維、中 堿纖維、有堿纖維、玻璃纖維細(xì)布），堿纖維、有堿纖維、玻璃纖維細(xì)布）， 少量少量碳纖維碳纖維、芳倫纖維、芳倫纖維。 常用外脫模劑：常用外脫模劑： p薄膜型：薄膜型：聚酯薄膜、

26、聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃紙聚乙烯醇薄膜、玻璃紙 p混合溶液型：混合溶液型：聚乙烯醇溶液聚乙烯醇溶液 p蠟型脫模劑：蠟型脫模劑： 2. 模具的設(shè)計與制造模具的設(shè)計與制造 模具類型：單模（陽模、陰模），對模模具類型：單模（陽模、陰模），對模 模具材料：模具材料：玻璃鋼玻璃鋼，木材、石膏砂、可溶性木材、石膏砂、可溶性 鹽、低熔點(diǎn)金屬等鹽、低熔點(diǎn)金屬等 3. 原材料的準(zhǔn)備原材料的準(zhǔn)備 膠液粘度：膠液粘度：粘度應(yīng)控制在粘度應(yīng)控制在0.20.8PaS之間，可通過之間，可通過 稀釋劑調(diào)節(jié)稀釋劑調(diào)節(jié) 凝膠時間：凝膠時間：指在一定溫度條件下，樹脂中加入定量的指在一定溫度條件下，樹脂中加入定量的 引發(fā)劑、促進(jìn)

27、劑或固化劑，從粘流態(tài)失去流動性，變引發(fā)劑、促進(jìn)劑或固化劑，從粘流態(tài)失去流動性，變 成軟膠狀態(tài)的凝膠所需的時間。成軟膠狀態(tài)的凝膠所需的時間。 膠液膠液 膠衣糊準(zhǔn)備：用來制作表面膠衣糊準(zhǔn)備：用來制作表面膠衣層膠衣層（耐水型、（耐水型、 自熄型、耐熱型、柔韌耐磨型）自熄型、耐熱型、柔韌耐磨型） 膠衣糊膠衣糊 4. 糊制糊制 涂刷或噴涂，厚度一般為涂刷或噴涂，厚度一般為0.250.5mm 鋪層控制：鋪層控制： 首先應(yīng)鋪放一層較柔軟的增強(qiáng)材料，首先應(yīng)鋪放一層較柔軟的增強(qiáng)材料， 形成一層富樹脂層形成一層富樹脂層 鋪層接縫處理鋪層接縫處理“階梯階梯”接縫層拼接形式接縫層拼接形式 刷膠衣：刷膠衣： 糊制結(jié)構(gòu)層

28、：糊制結(jié)構(gòu)層： 5. 固化固化 凝膠階段凝膠階段 定型閉（硬化）階段定型閉（硬化）階段 熟化（完全固化）階段熟化（完全固化）階段 固化過程：固化過程： 樹脂與樹脂與 填料填料 置于型置于型 腔中腔中 合模合模 加壓加壓 成型成型 固化固化 4.5.2 模壓成型工藝模壓成型工藝(Compression Molding) 定義：定義：將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定的將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定的 溫度和壓力作用下，固化成型并脫模后得到復(fù)合材料溫度和壓力作用下，固化成型并脫模后得到復(fù)合材料 制品的一種方法。制品的一種方法。 模壓成型工作循環(huán)模壓成型工作循環(huán) 料預(yù)熱和預(yù)成型料預(yù)熱和預(yù)

29、成型料的稱量料的稱量 清洗嵌件，嵌件預(yù)熱清洗嵌件，嵌件預(yù)熱 清清 理理 壓壓 模模 涂涂 脫脫 模模 劑劑 放嵌件放嵌件加加 料料 合合 模模 加熱加壓加熱加壓 排排 氣氣 加熱卸壓加熱卸壓 固固 化化 保溫保壓保溫保壓 開開 模模 卸壓脫模卸壓脫模 塑件整形塑件整形去去 應(yīng)應(yīng) 力力塑件送至下一工序塑件送至下一工序 片狀模塑料片狀模塑料（Sheet Molding Compound ）：）： 組成：組成：不飽和聚酯樹脂糊不飽和聚酯樹脂糊 + 短切纖維粗紗或玻璃纖維氈短切纖維粗紗或玻璃纖維氈 1. 模壓料模壓料 可模壓性：可模壓性：即模壓時應(yīng)具有良好即模壓時應(yīng)具有良好 的均勻性和流動性的均勻性和

30、流動性 散狀模塑料散狀模塑料（Bulk Molding Compound ） 團(tuán)狀模塑料團(tuán)狀模塑料（Dough Molding Compound ） 模壓料預(yù)熱和預(yù)成型：模壓料預(yù)熱和預(yù)成型：改善工藝性能，縮短固改善工藝性能，縮短固 化時間，降低成型壓力化時間，降低成型壓力 裝料量的估算裝料量的估算： 脫模劑的選用脫模劑的選用：內(nèi)外：內(nèi)外 2. 模壓工藝模壓工藝 溫度制度：溫度制度： 壓力制度：壓力制度： 裝模溫度、升溫速度、最高溫度、恒溫、裝模溫度、升溫速度、最高溫度、恒溫、 降溫、后固化溫度降溫、后固化溫度 成型壓力、加壓時機(jī)、放氣成型壓力、加壓時機(jī)、放氣 壓制過程壓制過程 固化時間：即保溫

31、時間固化時間：即保溫時間 4.5.3 連續(xù)纏繞成型工藝連續(xù)纏繞成型工藝(Filament Winding Process) 4.5.3 連續(xù)纏繞成型工藝連續(xù)纏繞成型工藝 將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定 規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑 料制品的工藝過程。料制品的工藝過程。 纏繞工藝：纏繞工藝： 干法纏繞：設(shè)備成本高，勞動條件好，生產(chǎn)效率高干法纏繞：設(shè)備成本高，勞動條件好，生產(chǎn)效率高 濕法纏繞：成本低，產(chǎn)品氣密性好，生產(chǎn)環(huán)境差濕法纏繞：成本低，產(chǎn)品氣密性好，生產(chǎn)環(huán)境差 半干法纏繞：半干法纏繞： 三大

32、過程：預(yù)浸、纏繞、固化脫模。三大過程：預(yù)浸、纏繞、固化脫模。 石膏、鋼、鋁、低熔點(diǎn)金屬、木材、水泥、石石膏、鋼、鋁、低熔點(diǎn)金屬、木材、水泥、石 蠟、聚乙烯醇等蠟、聚乙烯醇等 所用材料：所用材料： 結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)形式： 1. 芯模芯模 p實心或空心整體式芯模實心或空心整體式芯模 p組合裝配式芯模組合裝配式芯模 p石膏隔板組合式芯模石膏隔板組合式芯模 p管道芯模管道芯模 2. 纏繞規(guī)律纏繞規(guī)律 纏繞規(guī)律：描述紗片均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模表面以及纏繞規(guī)律：描述紗片均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模表面以及 芯模與導(dǎo)絲頭間運(yùn)動關(guān)系的規(guī)律芯模與導(dǎo)絲頭間運(yùn)動關(guān)系的規(guī)律 纏繞線型：是連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布形式纏繞線型

33、：是連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布形式 完整循環(huán)：螺旋纏繞時，纖維自芯模上某點(diǎn)開始，導(dǎo)絲完整循環(huán)：螺旋纏繞時，纖維自芯模上某點(diǎn)開始，導(dǎo)絲 頭經(jīng)過若干次往復(fù)運(yùn)動后，又纏回到原來的頭經(jīng)過若干次往復(fù)運(yùn)動后，又纏回到原來的 起始點(diǎn)上，這一段纏繞稱為一個完整循環(huán)。起始點(diǎn)上，這一段纏繞稱為一個完整循環(huán)。 纏繞線型需滿足的要求：纏繞線型需滿足的要求： p纖維既不重疊又不離縫，均勻連續(xù)纖維既不重疊又不離縫，均勻連續(xù) 布滿芯模表面布滿芯模表面 p纖維在芯模表面位置固定，不打滑纖維在芯模表面位置固定，不打滑 纏繞線型分類：環(huán)向纏繞，縱向平面纏繞，螺纏繞線型分類：環(huán)向纏繞，縱向平面纏繞，螺 旋纏繞旋纏繞 環(huán)向纏繞：

34、環(huán)向纏繞： 芯模繞自身軸線作勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭沿芯模筒體段軸芯模繞自身軸線作勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭沿芯模筒體段軸 線方向勻速移動，芯模轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭移動一個紗片線方向勻速移動，芯模轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭移動一個紗片 寬度（軸向紗片寬），如此循環(huán)。寬度（軸向紗片寬），如此循環(huán)。 縱向平面纏繞：縱向平面纏繞： 導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，芯導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，芯 模繞自身軸慢速旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)絲頭轉(zhuǎn)一周，芯模繞自身軸慢速旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)絲頭轉(zhuǎn)一周，芯 模轉(zhuǎn)動一個微小角度，反映在芯模表面為模轉(zhuǎn)動一個微小角度，反映在芯模表面為 近似一個紗片的寬度。紗片依次連續(xù)纏繞近似一個紗片的寬度。紗片依次連續(xù)纏繞 到芯模上，各

35、紗片均與極孔相切，相互間到芯模上，各紗片均與極孔相切，相互間 緊挨著而不交叉，纖維纏繞軌跡近似為一緊挨著而不交叉，纖維纏繞軌跡近似為一 個平面單圓封閉曲線。個平面單圓封閉曲線。 螺旋纏繞（測地線纏繞）：螺旋纏繞（測地線纏繞）： 芯模繞自身軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭依特定速度沿芯模軸線方芯模繞自身軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭依特定速度沿芯模軸線方 向往復(fù)運(yùn)動，螺旋纏繞是一種連續(xù)的纖維纏繞過程，纏繞向往復(fù)運(yùn)動，螺旋纏繞是一種連續(xù)的纖維纏繞過程，纏繞 軌跡是由筒身段的螺旋線和封頭上的空間曲線所組成，纖軌跡是由筒身段的螺旋線和封頭上的空間曲線所組成，纖 維纏繞不僅在筒身段，而且也在封頭上進(jìn)行。特點(diǎn)是每束維纏繞不僅在筒身

36、段，而且也在封頭上進(jìn)行。特點(diǎn)是每束 纖維都對應(yīng)極孔圓周上的一個切點(diǎn)，相同方向臨近紗片之纖維都對應(yīng)極孔圓周上的一個切點(diǎn)，相同方向臨近紗片之 間相接而不相交，不同方向的纖維則相交，當(dāng)纖維均勻纏間相接而不相交，不同方向的纖維則相交，當(dāng)纖維均勻纏 滿芯模表面時，就構(gòu)成了雙層纖維層。滿芯模表面時，就構(gòu)成了雙層纖維層。 固化制度：取決于樹脂系統(tǒng)性質(zhì)和制品的物化固化制度：取決于樹脂系統(tǒng)性質(zhì)和制品的物化 性能性能 張力制度：采用逐層速減的張力制度，主要問題張力制度：采用逐層速減的張力制度，主要問題 包括纖維初應(yīng)力的確定和張力速減制度包括纖維初應(yīng)力的確定和張力速減制度 3. 纏繞工藝過程纏繞工藝過程 三種樹脂基復(fù)合材料制備方法的比較三種樹脂基復(fù)合材料制備方法的比較 方法方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用 手糊手糊 成型成型 適宜尺寸大、批量小、形適宜尺寸大、批量小、形 狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)備狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)備 簡單、工藝簡便，可在產(chǎn)簡單、工藝簡便，可在產(chǎn) 品任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料品任意部位增補(bǔ)增強(qiáng)材料 效率低、勞動強(qiáng)度效率低、勞動強(qiáng)度 大，產(chǎn)品質(zhì)量不易大，產(chǎn)品質(zhì)量不易 控制，