熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料

1、熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料1熱固性樹脂基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料是應(yīng)用十分廣泛的復(fù)合型材料，這種材料是經(jīng)過復(fù)合而成，在許多高科技產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用與研究，例如在大型客運(yùn)機(jī)的應(yīng)用中，其不僅減輕了重量，并且還優(yōu)化了飛機(jī)的性能，減輕了飛機(jī)在飛行過程中的阻礙，熱固性樹脂具有非常優(yōu)異的開發(fā)潛能，其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)在其改性后得到更大的發(fā)展。典型的熱固性樹脂復(fù)合材料分為以下幾種：(1) 酚醛樹脂復(fù)合材料:隨著對(duì)阻燃材料的強(qiáng)烈需求，美國(guó)西方化學(xué)公司，道化學(xué)公司等一系列大型化學(xué)公司都先后研制成功了新一代的酚醛樹脂復(fù)合材料。其具有優(yōu)異的阻燃、低發(fā)煙、低毒霧性能和更加優(yōu)異的熱機(jī)械物理性能。在制備這種具有阻

2、燃效果的材料上，研究人員重新設(shè)計(jì)思路，在加入不飽和鍵等其他基團(tuán)條件下，提高了反應(yīng)速度，減少了揮發(fā)組分。使酚醛樹脂復(fù)合材料在其應(yīng)用領(lǐng)域得到大力發(fā)展。(2) 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料:由于環(huán)氧樹脂本身的弱點(diǎn)，研究人員對(duì)其進(jìn)行了兩方面的改性研究，一方面是改善濕熱性能提高其使用溫度;另一方面則是提高韌性，進(jìn)而提高復(fù)合材料的損傷容限。含有環(huán)氧樹脂所制備的復(fù)合材料己經(jīng)大力應(yīng)用到機(jī)翼、機(jī)身等大型主承力構(gòu)件上。(3) 雙馬來酞亞胺樹脂復(fù)合材料:在雙馬來酞亞胺樹脂復(fù)合材料中，由于雙馬來酞亞胺樹脂具有流動(dòng)性和可模塑性，良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，所以這種樹脂則會(huì)廣泛運(yùn)用在絕緣材料、航空

3、航天結(jié)構(gòu)材料、耐磨材料等各個(gè)領(lǐng)域中。(4) 聚酰亞胺復(fù)合材料:聚酰亞胺復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，比模量以及優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性。其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，主要可明顯減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。所以在航天航空領(lǐng)域得到了大力的發(fā)展和運(yùn)用。2熱塑性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料:其自身中的基體是熱塑性樹脂，該類復(fù)合材料是由熱塑性樹脂基體、增強(qiáng)相以及一些助劑組成。在熱塑性復(fù)合材料中最典型和最常見的熱塑性樹脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯樹脂、聚碳酸樹脂、聚甲醛樹脂、聚醚酮類、熱塑性聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚颯等。而熱塑性樹脂復(fù)合材料具有很多的特點(diǎn)，以下概述了一些熱塑性樹脂復(fù)合

4、材料的特點(diǎn)1）比強(qiáng)度高熱塑性聚合物基復(fù)合材料的密度為3,僅為鋼材的1/7-1/4,鋁合金的2/5-2/3,欽合金的1/4-2/5左右。另外，熱塑性樹脂復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度一般低于以上的材料，但是由于其密度較低，因而熱塑性樹脂復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度，能夠用較小的單位質(zhì)量承受更高的外加應(yīng)力。2）性能可設(shè)計(jì)性自由度大熱塑性樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能都可以通過合理選擇原材料種類、配比以及適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄟM(jìn)行設(shè)計(jì)。由于熱塑性樹脂復(fù)合材料的基體材料種類比熱固性復(fù)合材料多得多，因此其選材設(shè)計(jì)自由度也要大很多。3）熱學(xué)性能優(yōu)異由于引入了無機(jī)填料，熱塑性樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱學(xué)性能。一般熱塑性塑料

5、的使用溫度在50-100C，用玻璃纖維增強(qiáng)后，可提高到100C以上。熱塑性聚合物復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)比未增強(qiáng)的塑料低1/4-1/2，從而能夠降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度。4）耐化學(xué)腐蝕性熱塑性樹脂基的種類很多，一般都有耐化學(xué)腐蝕性的特點(diǎn)，熱塑性聚合物基復(fù)合材料和他們的基體一般都會(huì)具有化學(xué)腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)5）電性能一般熱塑性聚合物復(fù)合材料都具有良好的介電性能，不反射無線電電波，透過微波性能良好。6）優(yōu)異的抗疲勞性能熱塑性聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部存在大量的界面，使用過程中即使過載而造成少量纖維斷裂。一方面，熱塑性樹脂基體一般具有一定的阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，從而在短期內(nèi)不會(huì)使整個(gè)構(gòu)件喪失承載能

6、力，具有優(yōu)異的破損安全性。7）廢料回收利用由于熱塑性塑料具有遇熱可熔融的特點(diǎn)，所以這種復(fù)合材料可以重復(fù)加工成型，廢品、邊角料以及舊品都可以回收利用，進(jìn)行再加工，這樣對(duì)于環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。在以上優(yōu)異性能和特點(diǎn)上，科研人員看準(zhǔn)了熱塑性樹脂復(fù)合材料的性能可以與熱固性樹脂復(fù)合材料相媲美。同時(shí)，熱塑性基體的良好韌性是它重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更吸引人的一方面就是其具有降低制備成本的潛力。3、熱固性樹脂基復(fù)合材料與熱塑性樹脂復(fù)合材料的比較在加工過程中，熱固性樹脂材料是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)和鄰近的支鏈通過共價(jià)鍵結(jié)合在一起，所以在此受熱時(shí)是不會(huì)熔融變軟的;而熱塑性樹脂材料則具有較高的分子質(zhì)量和較大的熔體茹滯度，所以在

7、制備相應(yīng)的復(fù)合材料的時(shí)候，制備溫度很大程度上要高于其自身的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在比較了熱固性樹脂與熱塑性樹脂的不同后，表1.2闡述了熱固性樹脂復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料的不同點(diǎn)。4、熱固性樹脂預(yù)浸料的制備方法在制備熱固性樹脂預(yù)浸料的過程中，通常采用兩種工藝方法，分別為溶液浸漬法和熱熔法。（1）溶液浸漬法:溶液浸漬法則是要把樹脂基體中的各個(gè)組份按規(guī)定的比例溶解到較低沸點(diǎn)的溶劑中，從而使溶液達(dá)到一定的溶度，接下來將纖維束或織物按設(shè)定的浸漬速度通過樹脂基體溶液，使碳纖維布上浸漬上一定量的樹脂基體。而溶液浸漬法又可以分為滾筒纏繞法和多數(shù)纖維連續(xù)浸漬法。滾筒纏繞法是要把纖維束通過樹脂基體的溶液槽中，經(jīng)過幾組導(dǎo)

8、向輥以除去多余的樹脂，隨后平行纏繞在滾筒上，并沿著輥筒縱向切開，才可以得到單向的預(yù)浸料。多絲束連續(xù)浸漬法的工藝過程是要將紗架引出纖維束，用以調(diào)節(jié)絲束纖維張力基本相等，經(jīng)過整徑、分散、展平、進(jìn)入浸膠槽等工序，通過擠膠除去多余的樹脂，最后再放進(jìn)烘干爐中，使溶劑充分揮發(fā)。溶液浸漬法的優(yōu)點(diǎn)則是可以很大程度上增強(qiáng)樹脂基體浸透到材料中，可以制備薄型的預(yù)浸料，也可以制備厚型的預(yù)浸料;在設(shè)備上其造價(jià)相對(duì)較低，可以很好的節(jié)省成本表2熱固性與熱塑性復(fù)合材料的比較JUiU才*斗材申：1伽存半Mi呦顱他t牛斗釘莊闿扌時(shí)扯似昭ism吋I訶假|(zhì)13|Inlj型卻剳1工網(wǎng)昵i護(hù)卜肘:乘十iij-/應(yīng)椒力注中訐f&于池翱蠱1

9、隹能小巒f財(cái)存片軸f女于AilM1iK”t/L誑巧&fk轡梅缶1*上訂匡血圖2連續(xù)浸漬法制備預(yù)浸料工藝2）熱熔法:熱熔法可以分為直接熱熔法和膜膠壓延法。直接熱熔法是把樹脂基體放于膠槽中，在加熱到一定的溫度下從而使樹脂熔融，然后再將纖維束依次通過展開機(jī)構(gòu)、膠槽、幾組擠膠輥、重排機(jī)構(gòu)上。這種制備工藝要求所用的樹脂基體具有良好的流動(dòng)性，在不高的溫度下就可以呈現(xiàn)出很好的流動(dòng)態(tài)有利于纖維束的浸漬。膜膠壓延法包含有制膜和預(yù)浸兩個(gè)步驟。就是要把樹脂基體放在混合器中充分混合,等到加熱到最佳涂膜溫度后，用電機(jī)樞機(jī)的計(jì)量泵將樹脂基體輸送到涂膠輥上，調(diào)節(jié)涂膠輥的間距并且使離型紙的運(yùn)動(dòng)呈線速度，制備得到不同膜厚的膜。

10、再取出纖維，調(diào)節(jié)張力后，通過蓖子集束、展平到規(guī)定的寬度，從上、下膠膜輥引出預(yù)先制備出的膠模，并和纖維形成夾心結(jié)構(gòu)，再通過幾組熱壓輥，使樹脂基體達(dá)到熔融溫度，使樹脂基體充分浸漬到纖維中。這種熱熔法制備預(yù)浸料其具有線速度大、效率較高、樹脂的含量更容易控制掌握；沒有溶劑，預(yù)浸料揮發(fā)含量則較低,工藝操作步驟也很安全，對(duì)于環(huán)境的污染較小，是目前采用比較多的熱固性預(yù)浸料制備方法。陵槽加熱泵統(tǒng)圖3直接熱熔法工藝示意圖圖4膜膠壓延法預(yù)浸示意圖5、熱塑性樹脂預(yù)浸料的制備方法通過研究得知一系列的熱塑性樹脂都具有熔點(diǎn)較高，熔融粘度都較大一般大于lOOPas并且粘度都會(huì)隨溫度的變化很小，這就給熱塑性樹脂基復(fù)合材料的制

11、備產(chǎn)生了很大的困難，所以熱塑性樹脂預(yù)浸料就成了制備熱塑性樹脂基復(fù)合材料非常重要的研究方向和研究目標(biāo)。1）溶液浸漬法這種方法可以運(yùn)用熱固性樹脂溶液法預(yù)浸料設(shè)備及其工藝，但是需要增加熔融爐，使樹脂熔融并且可以粘附在增強(qiáng)材料上。2）泥漿法此種方法是要把樹脂粉末懸浮在具有規(guī)定特性的液體介質(zhì)中，樹脂粉末應(yīng)盡量的細(xì)，可以很好的分布均勻從而使纖維浸透。而工藝的制備過程和上述的溶液浸漬方法相類似。這種方法可以充分使樹脂浸漬但是如果增稠劑處理添加不適當(dāng)，會(huì)影響所得到的復(fù)合材料的性質(zhì)。3）熱壓工藝熱壓工藝的設(shè)備則是熱壓機(jī)，是要將定量的樹脂粉末均勻涂覆在熱壓板上，并用增強(qiáng)纖維織物蓋在樹脂上，接下來放上第二塊熱壓板，

12、加熱到樹脂的加熱溫度，使其熔融，隨后緩慢施加壓力，使樹脂充分的浸漬到纖維布的織物中。此種方法更多的應(yīng)用在纖維織物所制備的預(yù)浸料中。但是制備單向預(yù)浸料過程中，由于施加的壓力會(huì)使纖維在樹脂的帶動(dòng)下產(chǎn)生移位，很難保證預(yù)浸料的質(zhì)量問題。圖5熱壓法制備預(yù)浸料示意圖4）熱熔法熱塑性樹脂的熱熔法與熱固性樹脂的熱熔法非常相似，就是要把增強(qiáng)纖維通過樹脂熔融浴中，再利用刮刀或計(jì)量輥筒控制樹脂的含甲纖維混雜法纖維混雜法首先把熱塑性樹脂紡成纖維或膜帶，然后根據(jù)含膠量的多少中的具體情況再將增強(qiáng)纖維和樹脂纖維按規(guī)定的配比緊密的合成混合紗。接下來把纖維制備成所需要的形狀，最后則是通過高溫的情況下將樹脂熔融在纖維中。這種方法

13、是可以很好的掌握樹脂所需要的含量并且可以使樹脂充分均勻的浸漬在纖維束中。5）粉末法粉末法就是制備熱塑性預(yù)浸料比較常用的方法。而粉末法根據(jù)設(shè)備和條件不同可以分為多種方法，其中包括粉末浸漬法、流態(tài)化床工藝、FIT，預(yù)浸法、靜電流化床預(yù)浸工藝。概括粉末法主要是把帶有靜電的樹脂粉末沉積在被吹散的纖維上，然后通過高溫的作用把樹脂熔融在纖維中。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)則是不需要采用溶劑，材料形式簡(jiǎn)單易得，制備工藝簡(jiǎn)單，纖維不會(huì)受損，成本較低。針對(duì)熱固性樹脂預(yù)浸料來說，在加工過程中，運(yùn)送過程中，儲(chǔ)存過程中都會(huì)使樹脂產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)變化，所以在這幾方面對(duì)比熱固性樹脂預(yù)浸料的影響很大。而熱塑性樹脂預(yù)浸料由于其自身

14、是高聚合物所以不容易在上述情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和變化，但是熱塑性高聚合的分子質(zhì)量，分子質(zhì)量的分布，純度等等各種因素也會(huì)對(duì)制備成的熱塑性樹脂預(yù)浸料產(chǎn)生很大的影響。通過熱塑性樹脂和熱固性樹脂預(yù)浸料的制備中，都會(huì)有很多因素對(duì)于制備過程和制備成型的預(yù)浸料產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)所要制備成型的復(fù)合材料進(jìn)行影響，因此，我們要對(duì)熱固性樹脂和熱塑性樹脂所制備的預(yù)浸料進(jìn)行嚴(yán)格的把控，這樣才能保證預(yù)浸料的質(zhì)量，制備成性能優(yōu)異的復(fù)合材料。6連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝近來復(fù)合材料的工業(yè)化得到了快速的發(fā)展，但是在工業(yè)化過程中復(fù)合材料也存在許多的問題。在復(fù)合材料的制備成型上存在了很多有待解決的問題，這些問題會(huì)直接影響到復(fù)合材料

15、制備成型后產(chǎn)品的質(zhì)量。而在選擇復(fù)合材料制備成型的工藝條件時(shí)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn).在技術(shù)層面上，我們要做到在符合市場(chǎng)要求的基礎(chǔ)上，提升產(chǎn)品本身的質(zhì)量;在制備過程中，要做到操作簡(jiǎn)單，成本要適當(dāng)降低，安全效率提高;在生產(chǎn)過程中要盡量減小對(duì)環(huán)境的污染。而要滿足上述的復(fù)合材料要求，就要了解復(fù)合材料的制備工藝和發(fā)展歷程。近年來復(fù)合材料的制備工藝得到了大幅度提升，越來越能滿足對(duì)于產(chǎn)品的高要求。接下來我們介紹幾種連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝。1）RTM成型工藝:由于復(fù)合材料工業(yè)上己經(jīng)進(jìn)入大產(chǎn)量、大消費(fèi)的階段，所以樹脂傳遞模塑（RTM）工藝正好符合這一趨勢(shì)的發(fā)展這一工藝靈活，適應(yīng)性較高，在與其他工藝結(jié)合性好，所以

16、其得到了大規(guī)模的應(yīng)用。閉模模塑工藝使用的模具是上下的對(duì)稱模具，下模具一般是厚實(shí)、剛硬的，而上模具則是分為兩種，一種是與下模具一樣厚實(shí)、剛硬的；另一種則是比較薄、比較軟的或者真空膜T*witoriEirrTff&nmp4T*witoriEirrTff&nmp4VantuniIwie-tfineImHrlrABChim/HtasldIJftviidikijfit4Hthwiar|*liliclIrriLIJ滬圖6RTM成型工藝這種制備工藝具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究，例如:可選用的樹脂和增強(qiáng)體材料比較多；制備出的產(chǎn)品孔隙率低,機(jī)械性能高，尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高；設(shè)備和制備的

17、產(chǎn)品成本較低等等優(yōu)異的性能。纏繞成型工藝：纏繞成型工藝的原理是要把浸膠以后的連續(xù)纖維等增強(qiáng)體材料，按照規(guī)定的纏繞方法纏繞到芯模上，最后再固化成型。這種成型工藝采用的增強(qiáng)體材料多數(shù)為纖維或者布帶。在使用這種成型工藝條件時(shí)不僅對(duì)其增強(qiáng)體的種類有所要求外，對(duì)于樹脂基體也有明確要求，對(duì)于采用的樹脂基體應(yīng)該具有對(duì)纖維良好的潤(rùn)濕性和粘附能力；固化之后應(yīng)該具有局域較高的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率；在開始時(shí)樹脂基體應(yīng)該有較低的粘度；毒性要盡量的低，不能對(duì)人體產(chǎn)生毒性。利用纏繞成型工藝制備的復(fù)合材料擁有纖維方向整齊、準(zhǔn)確率高、比強(qiáng)度和比剛性都要較強(qiáng)等優(yōu)異性能。拉擠成型工藝：這種制備工藝的原理則是把己經(jīng)濕潤(rùn)的樹脂膠液的連續(xù)的纖

18、維在牽引結(jié)構(gòu)的拉力作用下再通過模具成型，最后在模具中固化，連續(xù)生長(zhǎng)出長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料。在這種工藝條件下則要求樹脂基體粘度較低，而纖維則要求與樹脂基體相匹配的。圖7拉擠成型工藝示意圖拉擠成型工藝其生產(chǎn)效率較高，制備出的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較高。但是這一工藝使制品的橫向強(qiáng)度很差，制備所用的設(shè)備繁瑣，在生產(chǎn)過程中帶來很多的不便。2）手糊成型工藝:手糊成型工藝另一個(gè)名稱叫接觸成型工藝，在人工操作下將玻璃纖維織物和樹脂基體進(jìn)行交替性的鋪附在模具中，兩者進(jìn)行粘附后再進(jìn)行固化，進(jìn)而成型。這種工藝其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備的簡(jiǎn)單,人工很容易掌握。但是制備出的產(chǎn)品達(dá)不到所要求的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品性能差，穩(wěn)定性得不到提升，力學(xué)性能較

19、低，對(duì)于環(huán)境的污染嚴(yán)重，氣味較大，對(duì)于身體的傷害嚴(yán)重，粉塵較多，容易造成危險(xiǎn)等因素。所以近些年來，研究人員對(duì)這種成型工藝進(jìn)行了大量的研究，改善了其產(chǎn)生的產(chǎn)品不足等缺點(diǎn)。3）模壓成型工藝:這種成型工藝是把一定量的將要混合的材料或者預(yù)料加入到金屬對(duì)模的內(nèi)部，然后再進(jìn)行加熱，加壓的處理，在進(jìn)行加熱，加壓處理過程中進(jìn)行固化的一種工藝方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是制備過程中生產(chǎn)的效率較高，可以降低制備的成本問題，盡可能的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，專業(yè)的生產(chǎn)流程，制備出的產(chǎn)品尺寸精度高，重復(fù)性好，可以一次制備出成型比較復(fù)雜的制品。但是在這些優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上還是會(huì)產(chǎn)生一些缺點(diǎn)，例如模具的制備過程比較復(fù)雜無形中增加了生產(chǎn)的成本等一系列不足之處。在近些年來，模壓成型工藝主要在長(zhǎng)短纖維增強(qiáng)材料，熱塑性樹脂，熱固性樹脂基體的復(fù)合材料中得到大力發(fā)展和應(yīng)用。在航空航天通訊電子設(shè)備上貢獻(xiàn)了很大的作用。4）鋪放成型工藝:其是自動(dòng)鋪絲束成型技術(shù)與自動(dòng)窄帶鋪放成型技術(shù)的統(tǒng)一名稱