紡織復(fù)合材料資料全

1、第一章介紹第一節(jié) 復(fù)合材料的定義和分類【教學(xué)目的】：掌握復(fù)合材料的定義和各種分類方法?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：復(fù)合材料的定義?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】：復(fù)合材料的定義?！窘虒W(xué)方法與手段】：課堂講授【課外作業(yè)】：本章相關(guān)的習(xí)題【課時(shí)分配】：2 +2【教學(xué)內(nèi)容】：人類開展史與物質(zhì)開展史密切相關(guān)。研究人類歷史可以清楚 地看到，人類歷史各方面的進(jìn)步都離不開新材料的創(chuàng)造、出現(xiàn)和 應(yīng)用。材料一般可分為四大類：無(wú)機(jī)材料（包括水泥、磚塊、瓷器、玻 璃等）、金屬材料、高分子材料（包括塑料、橡膠、纖維等）和 復(fù)合材料。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的范圍非常廣泛，其開展和應(yīng)用可以追溯到 人們使用秸稈粘土和紙?jiān)鰪?qiáng)石灰材料的時(shí)代。竹、木、草、骨頭、

2、牙齒、肌肉、毛皮和貝殼等生物材料都是天然復(fù)合材料，它們都 具有非常復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的所有特性。許多深刻的啟 示有助于對(duì)具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料的理解和開展。由于單一材 相對(duì)廉價(jià)，一些性能（如比剛度）差，工程用量大。，稱為工 程復(fù)合材料。在復(fù)合材料中，僅使用一種纖維和基體材料，稱為單一復(fù)合 材料；如果使用兩種或兩種以上的纖維材料，那么稱為混合纖維復(fù) 合材料。對(duì)于層壓復(fù)合材料的纖維混煉方式，可分為逐層混煉和 逐層混煉兩種。在逐層雜化復(fù)合材料中，每一層僅使用一種纖維 和基體，但不同的層可以使用不同的纖維和基材，或金屬薄片； 在逐層雜化復(fù)合材料中，任何一層都含有兩種或兩種以上的各種 纖維。具有兩

3、種混合形式的超混合復(fù)合材料也可用于增加設(shè)計(jì)自 由度?；祀s的復(fù)合材料會(huì)表現(xiàn)出混雜效應(yīng)或所謂的混合效應(yīng)。如果 存在單一復(fù)合材料所不具備的優(yōu)良特性，這種效應(yīng)稱為正混雜效 應(yīng)；如果存在單一復(fù)合材料所沒(méi)有的明顯缺點(diǎn)，這種效應(yīng)稱為負(fù) 混雜效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō),雖然混合復(fù)合材料在主要方面獲得了積極 的混雜效應(yīng)，但在次要方面可能存在一些負(fù)面的混雜效應(yīng)。第二節(jié)復(fù)合材料的基本性能特點(diǎn)【教學(xué)目的】：掌握復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料的性能特點(diǎn)。與界面的結(jié)合強(qiáng)度大于基體的強(qiáng)度，當(dāng)基體完全填充時(shí)，軸向最 大承載力可以到達(dá)最大承載值。此外，當(dāng)X軸受力時(shí)，纖維基體之間沒(méi)有受力，只有氣相轉(zhuǎn)

4、變， 其強(qiáng)度受夾持方式的影響。如果夾緊松動(dòng)，只能是基體變形造成 的，其中纖維因基體變形而不能傳輸，不起作用；如果夾持過(guò)緊, 纖維與基體之間會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械摩擦，基體會(huì)發(fā)生變形。轉(zhuǎn)移 到纖維上，纖維也開始承受力，導(dǎo)致Z軸強(qiáng)度的增加和模量的 變化。實(shí)際上，夾持作用就像增加了纖維和基體之間的相互結(jié)合。 當(dāng)粘合效果到達(dá)或超過(guò)增強(qiáng)纖維的破壞強(qiáng)度時(shí)，纖維復(fù)合材料的 強(qiáng)度和模量將到達(dá)最高值。.顯然，要獲得理想的復(fù)合材料并滿 足實(shí)際要求，最關(guān)鍵的是解決兩種物質(zhì)之間或兩相物質(zhì)之間的界 面和形成。界面通常被認(rèn)為是纖維復(fù)合材料三要素（纖維、基體 樹脂和界面）中最重要的局部。纖維或基體的作用力將通過(guò)它們 之間的界面相

5、互傳遞，形成整體的宏觀力學(xué)行為。纖維和基體對(duì) 物理化學(xué)環(huán)境的特殊性能，也對(duì)復(fù)合材料本身起到保護(hù)或特殊作 用，使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料適應(yīng)不同的場(chǎng)合。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般由高強(qiáng)高模增強(qiáng)纖維與低強(qiáng)低?；?體樹脂組成，形成既有纖維又有基體的多相結(jié)構(gòu)材料，以及新的 復(fù)合界面。增強(qiáng)纖維可以是碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、 陶瓷纖維和金屬纖維。纖維可以定向或隨機(jī)分布在基體中；它們 可以是連續(xù)長(zhǎng)絲或短纖維；纖維直接與基體復(fù)合，可制成紗線、 織物，甚至多維織物進(jìn)行復(fù)合加工。基體多為高分子樹脂，如熱 固性樹脂、熱塑性樹脂、共混聚合物和耐高溫聚合物樹脂等。還 有陶瓷和金屬物質(zhì)作為基體材料。組成纖維復(fù)合材料的纖維和基

6、體不同，復(fù)合材料的加工方法 也不同。這將導(dǎo)致纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和性能上的多樣性和復(fù)雜 性。但最終的纖維復(fù)合材料是有機(jī)復(fù)合材料，而不是簡(jiǎn)單的積木。 可以組合的是它們的界面。雖然界面極薄，在整個(gè)復(fù)合體中的體 積占有率幾乎為零，但它確實(shí)存在，并且具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和 作用機(jī)制。可以是基體與粘結(jié)劑、粘結(jié)劑與纖維之間的多相多層 界面結(jié)構(gòu)，也可以是基體與纖維之間膨脹滲透的過(guò)渡邊界層；界 面可以是物理糾纏或靜電吸引，也可以是化學(xué)鍵合或交聯(lián)結(jié)構(gòu)； 界面層可以是無(wú)序結(jié)構(gòu)區(qū)，也可以是規(guī)那么有序的結(jié)晶區(qū)。界面的 復(fù)雜性還表達(dá)在人們對(duì)世界本身的形狀和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解上。 界面是具有一定厚度或等效厚度的層狀區(qū)域，還是幾

7、何上厚度為 零的理想界面，界面對(duì)應(yīng)的傳遞特性是柔性界面還是剛性界面 等，都是界面的理論研究，復(fù)合材料的加工。，開發(fā)和應(yīng)用提 出了許多理論和實(shí)踐問(wèn)題。1.2界面和鍵合理論的基本概念界面是復(fù)合材料的要素之一。它的存在和作用對(duì)復(fù)合材料的 性能極為重要。特別是對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，沒(méi)有有機(jī)結(jié)合界 面，纖維增強(qiáng)和基體應(yīng)力傳遞過(guò)程無(wú)法討論。但是接口結(jié)構(gòu)和屬 性的復(fù)雜性和接口本身表征的難度，有必要對(duì)接口的基本概念和 接口的作用做一些概述。接口說(shuō)明界面的描述比擬復(fù)雜，特別是對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于 纖維外表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和基體浸潤(rùn)固化形式的變化，界面的表征 很困難。一般認(rèn)為界面不是單一的鍵合面，而是具有一定厚

8、度和不同 有源區(qū)的界面層。多項(xiàng)研究說(shuō)明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的邊界為界 面層，由纖維表層、纖維與基體結(jié)合組成；作用和穿透局部，以 及由外表層組成的多層過(guò)渡層。這些在微觀上與它們的邊界無(wú)法區(qū)分。即使在某一層，結(jié)構(gòu)也不 是均質(zhì)的，存在不均質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微區(qū)。由于纖維復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用機(jī)理多樣，成型加工方 法不同，纖維與基體的本體和外表性質(zhì)差異很大，界面層占的比 例很小。整體材質(zhì)，所以在描述上有很多問(wèn)題，實(shí)測(cè)和量化描述 就更難了。1.2. 2界面相互作用和鍵合理論1.2. 2,1界面交互復(fù)合界面的簡(jiǎn)單定義是物質(zhì)之間或兩相之間的共同外表。它們之 間的相互作用大致可以分為以下幾類，如圖4. 2-2

9、所示。(1)擴(kuò)散糾纏纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多是聚合物之間的復(fù)合鍵。兩種聚合物外表的 大分子頭端或支鏈延伸端會(huì)在它們之間的相互作用面上引起相 互擴(kuò)散和纏結(jié)，形成分子網(wǎng)絡(luò)，如圖4. 2-2 (a)所示。這種相互擴(kuò) 散纏結(jié)的程度主要取決于聚合物(即纖維和基體)外表的分子結(jié) 構(gòu)、組分和分子鏈段移動(dòng)的自由能以及外表處理劑的引入，如溶 劑和增塑劑它將使界面層中外表分子的散射運(yùn)動(dòng)和糾纏更容易 發(fā)生。界面的鍵合強(qiáng)度明顯與突出分子末端的數(shù)量、分子的極性和相互 作用力的大小有關(guān)，與實(shí)際糾纏的分子數(shù)有關(guān)。對(duì)于低分子物質(zhì)， 分子或原子在界面處的位移或轉(zhuǎn)位會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)相互移動(dòng)和穿透。 這也產(chǎn)生了擴(kuò)散過(guò)渡層，在兩種物質(zhì)之間形成鍵

10、，其強(qiáng)度取決于 分子間力?；瘜W(xué)鍵的作用化學(xué)鍵的作用形式如圖4. 2-2(b)所示。當(dāng)具有A基團(tuán)的物質(zhì)和具 有B基團(tuán)的物質(zhì)相互接觸時(shí)，由于A基團(tuán)和B基團(tuán)的化學(xué)反響，形 成了這兩種物質(zhì)。它們以化學(xué)鍵的形式結(jié)合在一起形成界面。這 種界面的程度直接取決于化學(xué)鍵的數(shù)量和類型。由于化學(xué)鍵的結(jié) 合能高，這種界面相對(duì)穩(wěn)定，不易被破壞。靜電引力靜電吸引力是由于各自電荷的極性不同而彼此靠近的兩個(gè)表 面之間的相互吸引力。從廣義上講，這種效應(yīng)既可以是永久的靜 態(tài)效應(yīng)，也可以是瞬時(shí)的變化效應(yīng)。花梨的角色。當(dāng)然，許多聚合物外表或改性外表或具有涂層劑的外表將具 有許多游離或突出的官能團(tuán)。這些官能團(tuán)的正負(fù)極末端會(huì)吸附在 相應(yīng)

11、的陰離子或陽(yáng)離子外表，形成相互作用區(qū)，如圖4. 2-2(d) 所示。靜電引力比前述化學(xué)鍵弱得多，有時(shí)甚至對(duì)復(fù)合材料的界面 結(jié)合強(qiáng)度沒(méi)有影響。但在接觸良好的極性外表之間，或者可以形成更多的二級(jí)價(jià) 鍵時(shí)，界面強(qiáng)度的提高是一種不可忽視的作用形式。(4)機(jī)械鎖機(jī)械鎖固是指基體滲入填充體，并根據(jù)填充體的外表形狀進(jìn) 行固化定型的一種作用形式。參見教材中的圖4. 2-2 (e) o如果 只考慮兩相界面的力學(xué)和物理效應(yīng)，界面的強(qiáng)度主要取決于外表 鎖定節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，即材料的外表粗糙度和剪切屈服強(qiáng)度。如教科 書圖4. 2-2(e)所示，當(dāng)兩種物質(zhì)切向運(yùn)動(dòng)時(shí)，或它們之間有剪切 作用時(shí)，界面的剪切結(jié)合強(qiáng)度較高；而當(dāng)兩種

12、物質(zhì)相互遠(yuǎn)離時(shí)， 即界面被拉開時(shí)，其結(jié)合強(qiáng)度低，除非纖維外表有很多凹孔，且 基體的流動(dòng)潤(rùn)濕性好。事實(shí)上，機(jī)械聯(lián)鎖是一種宏觀現(xiàn)象。在微 觀接觸面上，必然存在以上三種相互作用形式。因此，大多數(shù)聚 合物之間的界面相互作用形式是這里描述的幾種形式的復(fù)合。在 實(shí)際分析或應(yīng)用中哪個(gè)作用更明顯或更占優(yōu)勢(shì)。1.2. 2.2變形層理論和抑制層理論變形層理論和抑制層理論都是基于界面形成后的界面變形和 力傳遞，以討論界面失效。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多由高強(qiáng)度低拉伸纖維和低強(qiáng)度高拉伸基 體組成，因此纖維和基體的熱膨脹差異很大。導(dǎo)致復(fù)合材料性能 下降。此外，在外力作用下，復(fù)合后界面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致 界面缺陷和微裂紋的開展

13、，復(fù)合材料的性能會(huì)迅速衰減。根據(jù)變 形層理論，如果對(duì)纖維外表進(jìn)行處理，可以在纖維外表包覆一層 塑料層，在基體復(fù)合成型后，塑料層會(huì)松弛收縮應(yīng)力，減少應(yīng)力 集中在纖維外表。界面。變形層理論更適合解釋碳纖維或石墨纖 維復(fù)合材料的界面。抑制層理論認(rèn)為外表處理劑是界面的一局部。其力學(xué)性能， 特別是模量，應(yīng)介于纖維與基體之間，才能均勻地傳遞應(yīng)力，減 少界面處的應(yīng)力集中。此外，該理論認(rèn)為，這種界面過(guò)渡層的密 度應(yīng)隨著纖維外表到基材外表的距離而逐漸變化，以起到均勻和 緩沖的作用。事實(shí)上，雖然在界面變形過(guò)程中物理化學(xué)鍵會(huì)受到局部破壞, 但在微觀層面上，纖維基體之間的相對(duì)滑移會(huì)在新的繁忙狀態(tài) 下，或在外部力量。消

14、失后又回到原來(lái)的位置，形成再鍵合過(guò)程, 從而緩和緩和界面的應(yīng)力松弛。雖然變形層理論和抑制層理論可以解釋界面處的一些損傷和 疲勞現(xiàn)象，并引入界面多相層的概念和各層結(jié)構(gòu)不均勻的說(shuō)法， 但不能清楚地解釋變形層和抑制層。過(guò)程，結(jié)和特征。1.2. 2.3擴(kuò)散層理論擴(kuò)散層理論認(rèn)為，鍵合是通過(guò)化學(xué)鍵和分子擴(kuò)散的共同作用， 穿插在一定厚度的界面層中的網(wǎng)絡(luò)連接?；瘜W(xué)鍵理論最初是基于 雙功能偶聯(lián)劑與纖維和聚合物基體之間的化學(xué)相互作用。它發(fā)生 在純聚合物材料之間，但不能解釋基體聚合物對(duì)纖維外表的擴(kuò)散 過(guò)程和作用。不少學(xué)者認(rèn)為，大分子也可以像低分子物質(zhì)一樣， 在相互接觸的兩種物質(zhì)之間穿透、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，但大分子的擴(kuò)散

15、往往更像是錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.2. 3界面效果界面效應(yīng)是指復(fù)合材料在受到物理和化學(xué)作用時(shí)的反響和特 性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成分不同（如采用不同的增強(qiáng)纖維和基 體），成型方法不同（如采用不同的復(fù)合方法和工藝），從而因使 用狀態(tài)不同（如如靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)力和變形）復(fù)合材料的界面產(chǎn)生 各種影響。其本質(zhì)應(yīng)該說(shuō)是由界面層的結(jié)構(gòu)引起的，而這些影響 是復(fù)合材料區(qū)別于其他物質(zhì)或單組分材料的最重要特征。分割效果。分割效應(yīng)是指一種看似連續(xù)體的復(fù)合材料被界面分 割成許多區(qū)域，而邊界本身并不是幾何外表，而是末端的一個(gè)區(qū) 域，一個(gè)很薄的區(qū)域。這些區(qū)域的分布、大小和別離程度都會(huì)影 響整體性能。不連續(xù)效應(yīng)。從廣義上講，不連

16、續(xù)特征一般存在于纖維復(fù)合材 料的三個(gè)基本組成元素：纖維增強(qiáng)體、樹脂體和界面中。纖維可 以是分散的短纖維或纖維本身的縱向不連續(xù)或缺陷。某些區(qū)域基 體的獨(dú)立性和界面區(qū)域的不連續(xù)性都是纖維復(fù)合材料的不連續(xù) 性表現(xiàn)。尤其是界面的不連續(xù)性，包括缺陷、不同于自身不連續(xù) 性的結(jié)構(gòu)相等；這種結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性必然會(huì)導(dǎo)致材料性能的不 連續(xù)性，如熱性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能、電磁性能等。具有不 連續(xù)的特征，例如形態(tài)尺寸穩(wěn)定性。能量吸收和散射效應(yīng)。由于復(fù)合材料最典型的區(qū)域是界面區(qū)， 界面區(qū)具有不同的結(jié)構(gòu)特征、形狀和排列方式，其對(duì)光波、聲波、 機(jī)械沖擊波和熱彈性恢復(fù)能量的界面的影響會(huì)不同于那些纖維 或纖維?；w本身的吸收

17、和散射，這種獨(dú)特的能量損失方式和能 量損失是界面特性的反映，如透光率、抗沖擊性、隔熱性、抗疲 勞性、介電損耗等都會(huì)有所不同。誘導(dǎo)作用。是指復(fù)合材料在力作用下，如應(yīng)力、應(yīng)變或應(yīng)力應(yīng) 變變化過(guò)程中對(duì)界面的感應(yīng)效應(yīng)。如強(qiáng)彈性、弱熱膨脹、抗沖擊 性變化、耐熱性變化、折射率和介電損耗變化等。這些感應(yīng)是應(yīng) 力條件下界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和應(yīng)力集中的響應(yīng)結(jié)果，非常有趣界面研 究中的現(xiàn)象。界面效應(yīng)是由纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能引起的，包括界面 的微觀結(jié)構(gòu)和密度、界面區(qū)域的大小和排列方式、界面層的化學(xué) 成分和作用形式等。,界面兩側(cè)材料的潤(rùn)濕性、相容性、擴(kuò)散 性、外表結(jié)構(gòu)等也會(huì)影響界面效果。1.4纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面分析方

18、法復(fù)合材料的界面對(duì)材料的性能影響很大，加工方法圍繞如何提高界面性能不斷改進(jìn)和開展。形成的復(fù)合材料的界面特性是什么？ 該工藝對(duì)提高界面粘合效果是否有效？導(dǎo)致不同界面特性的潛 在機(jī)制是什么？界面損傷是如何發(fā)生和開展的？這些都是非常 有意義的實(shí)際問(wèn)題和理論問(wèn)題。要了解并最終解決這些問(wèn)題，必 須依靠有效的界面測(cè)量和分析方法。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用和各種新型復(fù)合材料和加工方法的出現(xiàn)，對(duì)復(fù)合材料最基本的問(wèn)題界面結(jié)構(gòu)和性能的研究日益深 入和多元化。采用各種外表分析方法、力學(xué)測(cè)試方法、形態(tài)觀察 方法和潤(rùn)濕特性分析等方法，幫助人們了解復(fù)合材料復(fù)雜而有趣 的結(jié)構(gòu)相界面。本節(jié)只介紹一些常用的方法。顯微鏡觀察接口極薄

19、極細(xì)，接口結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。了解界面結(jié)構(gòu)最直觀的方法 是借助顯微鏡觀察它。目前主要采用掃描電子顯微鏡（SEM）和 透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察和分析。這包括 界面形狀特征、結(jié)構(gòu)層次、晶區(qū)形式等。例如，通過(guò)對(duì)動(dòng)力過(guò)程 的觀察，可以分析界面失效的機(jī)理。借助分析電鏡等探針技術(shù)， 可以對(duì)界面的元素組成、分子結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)行局部微觀分析， 獲得定性甚至定量的測(cè)量結(jié)果。.掃描電子顯微鏡（SEM）觀察方法最典型的應(yīng)用是觀察纖維復(fù)合 材料的界面及其失效情況，并確定粘結(jié)失效或多晶失效。所謂多 聚失效是指界面附近的纖維體（或基體）的失效或纖維體（或基 體）本身的失效，如纖維斷裂、纖維外表撕裂、與界面附

20、近的矩 陣。鍵合失效，在通常意義上，是指界面鍵合區(qū)的失效。它包括 兩層含義：一是指真正的界面結(jié)合失效，此時(shí)的界面被認(rèn)為是一 個(gè)幾何層次，沒(méi)有厚度的概念，失效就發(fā)生在這個(gè)層次上，如圖 4.4-2所示教科書；另一種較厚涂層形成的“界面層”的內(nèi)聚破 壞被認(rèn)為是界面的內(nèi)聚破壞。幸運(yùn)的是，這對(duì)宏觀機(jī)械失效行為【教學(xué)難點(diǎn)】：復(fù)合材料的性能特點(diǎn)。【教學(xué)方法與手段】：課堂講授【課外作業(yè)】：本章相關(guān)的習(xí)題課時(shí)分配:2【教學(xué)內(nèi)容】：1.2復(fù)合材料的特性和性能復(fù)合材料可以由單一的增強(qiáng)材料和基體材料組成，也可以由 多種增強(qiáng)材料和基體材料組成。它是由多種組成材料和復(fù)合材料 組成的具有多種材料綜合性能的新型材料。它的性能

21、一般由增強(qiáng) 材料和基體材料的性能以及它們之間的界面決定。工藝和結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)。因此，復(fù)合材料具有以下共同特點(diǎn)。復(fù)合材料特性可以充分發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性 質(zhì)和天然材料所不具備的特性。例如,玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧基復(fù) 合材料具有與鋼相似的強(qiáng)度以及塑料的介電性能和耐腐蝕性。材料可根據(jù)性能需要設(shè)計(jì)制造，復(fù)合材料是一種結(jié)構(gòu)。(3)可以制作任意形狀的產(chǎn)品，防止多道加工工序。例如,可以 防止金屬產(chǎn)品的成型、切割和拋光等工藝。復(fù)合材料的性能單位質(zhì)量的強(qiáng)度和模量，稱為比強(qiáng)度和比 影響不大，因此也被接受和混淆。其實(shí)這個(gè)“界面層”應(yīng)該是由 三相物質(zhì)組成，即纖維、基體和粘合劑涂層(見圖4. 27 (b

22、), 并且包括兩個(gè)真正的界面，即纖維-粘結(jié)劑界面和粘結(jié)劑-矩陣接 口。如果兩個(gè)界面之間發(fā)生界面層的失效，提高界面粘合力的不 是上述界面(圖4.4-2 (b),而是粘合劑本身的力學(xué)性能。由于 粘合劑涂層非常薄，這種非常微觀的結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象很難或難以觀 察或分析，并且經(jīng)常被忽略。而是采用SEM和TEM顯微觀察分析技 術(shù)和薄膜撕裂法。至少通過(guò)觀察損傷外表是否有非粘性物質(zhì)的粘 附，并確定是多破壞還是內(nèi)聚破壞，可以獲得理想的結(jié)果。界面破壞的觀察和分析可以為改進(jìn)粘結(jié)劑或改善復(fù)合材料 本身或外表的性能提供依據(jù)。除了聚合和內(nèi)聚的失敗，接口的失 敗往往更多的是混合失敗。骨料失效反映了復(fù)合材料本身的不良 性能；內(nèi)聚

23、破壞反映了界面的不良性能；混合失效說(shuō)明纖維、基 體和界面的力學(xué)性能相似，是理想的結(jié)果。但也應(yīng)注意，混合破 壞常發(fā)生在由纖維表層、界面層和基體表層組成的區(qū)域。這些區(qū) 域特性不同于整體特性，尤其是外表處理后外表特性的損壞和退 化。除了 SEM和TEM方法外，還有偏光顯微鏡或干涉顯微鏡，結(jié)合力測(cè)試，觀察纖維復(fù)合材料在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力下界面性能的變 化和失效的行為，以提供更多信息。實(shí)用而深入的信息。1.4. 2機(jī)械測(cè)量增強(qiáng)復(fù)合材料界面力學(xué)性能的測(cè)量主要基于界面結(jié)合強(qiáng)度 的測(cè)量。測(cè)量方法很多，大致可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)纱箢悺?1.4. 2.1直接測(cè)量法通常直接測(cè)量單纖維的粘合性能。最常用的方法是光纖拉力

24、 測(cè)試、臨界光纖長(zhǎng)度測(cè)量和壓力界面剝離測(cè)試。1.4. 2.2間接測(cè)量法1.4. 3滲透測(cè)量潤(rùn)濕性的測(cè)量主要反映了基體為液態(tài)時(shí)纖維增強(qiáng)材料的浸 潤(rùn)和浸潤(rùn)的結(jié)合?；w為液態(tài)時(shí)，能很好地流動(dòng)并鋪展在纖維表 面，可在纖維外表產(chǎn)生良好的物理化學(xué)吸附，固化后最終形成牢 固的纖維-基體界面。另外，即使纖維和基體都是非極性材料， 如果纖維外表粗糙，這種浸潤(rùn)擴(kuò)散作用會(huì)在纖維外表形成良好的 機(jī)械鎖定作用，使纖維和基體樹脂牢固地結(jié)合在一起。因此，測(cè)量液態(tài)基體樹脂對(duì)纖維外表的潤(rùn)濕性，不僅可以預(yù) 測(cè)纖維與基體之間的結(jié)合作用（粘附功），還可以通過(guò)測(cè)量潤(rùn)濕 角、外表力和臨界外表來(lái)解決。力給予纖維外表性能評(píng)價(jià)。潤(rùn)濕性通常可以

25、用液體對(duì)被潤(rùn)濕的固體的接觸角和鋪展系數(shù)、固體的外表力或臨界外表力、纖維與基體的粘附功以及纖維 聚集體的潤(rùn)濕速率等來(lái)表征。液體。二、成型工藝概述自1932年樹脂基復(fù)合材料在美國(guó)誕生以來(lái)，至今已有60多年 的開展歷史。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的早期加工方法使用手 糊技術(shù)。盡管手糊是一種可靠的工藝，但它速度慢且勞動(dòng)強(qiáng)度大。 近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工方法研究主要集中在大批量生 產(chǎn)技術(shù)上，三種具有代表性的加工方法分別是模壓、拉擠和纏繞。 隨著加工自動(dòng)化和高性能樹脂及增強(qiáng)纖維種類的開展，以及纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的制 造技術(shù)開展迅速。三、熱固性復(fù)合材料的成型工藝1

26、、長(zhǎng)絲纏繞工藝在長(zhǎng)絲纏繞過(guò)程中，將浸漬樹脂的連續(xù)纖維粗紗或布帶定期 纏繞在芯模周圍，到達(dá)固化所需的厚度，形成產(chǎn)品。纖維纏繞產(chǎn) 品可用于汽車傳動(dòng)軸、直升機(jī)葉片、氧氣罐、管道、球形壓力容 器、錐形火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼和地下儲(chǔ)油罐。教材中的圖5. 2-1是纖維纏繞加工的基本結(jié)構(gòu)示意圖。將粗 紗筒子架上未加捻的粗紗通過(guò)導(dǎo)紗板或不銹鋼梳子浸入裝有樹 脂、促進(jìn)劑和顏料、吸收劑等其他成分的液態(tài)樹脂槽中，將粗紗 浸入絲帶中，通過(guò)纖維固定在粗紗架和樹脂槽之間。導(dǎo)紗器控制 纖維力。在樹脂槽的另一端，浸漬的粗紗通過(guò)擦拭裝置以去除多 余的樹脂并控制每根粗紗上的樹脂涂層厚度。最常見的擦拭裝置 是一組擠壓輻，通過(guò)調(diào)節(jié)上擠壓輻的

27、位置來(lái)控制樹脂含量和纖維 力。另一種擦拭技術(shù)是將每根粗紗單獨(dú)拖過(guò)孔。后一種方法可以 更好地控制樹脂含量，但是，如果纖維在加工過(guò)程中斷裂，再穿 孔可能非常困難。繞線工藝可分為濕法和干法。濕法是將纖維浸漬樹脂后直接纏繞 在芯軸上。由于紗線在浸漬后立即卷繞，紗線質(zhì)量不易控制和檢 查。同時(shí)，浸漬液中含有大量溶劑，固化時(shí)易產(chǎn)生氣泡，纏繞力 不易控制。干法是將浸漬有樹脂的纖維加熱，使樹脂預(yù)固化到一 定階段，然后在纏繞時(shí)加熱。干法可以嚴(yán)格控制膠帶的含膠量和 大小，所以纏繞產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，纏繞速度可以提高。濕法的本錢 約為干法的60%。干法生產(chǎn)效率高，膠量可精確控制。干法用于 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和重量要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)合

28、。長(zhǎng)絲纏繞過(guò)程中的重要加工參數(shù)是纖維強(qiáng)度、纖維浸漬和樹脂含 量。需要適當(dāng)?shù)睦w維力來(lái)保持芯軸上均勻的纖維排列并控制纏繞 局部的樹脂含量。如果纖維強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)造成外層樹脂含量的差 異。在纖維纏結(jié)的部件中，纖維必須充分潤(rùn)濕以減少空隙。影響纖維浸漬的參數(shù)：在樹脂槽中，樹脂膏的粘度取決于其凝膠時(shí)間；粗紗股數(shù)；纖維強(qiáng)度；收卷速度和樹脂槽長(zhǎng)度。用于纖維纏繞的樹脂有兩個(gè)基本要求：在樹脂槽中，浸漬纖維束的混合樹脂體系的粘度應(yīng)足夠低。 樹脂必須有足夠長(zhǎng)的使用時(shí)間，以使大型結(jié)構(gòu)部件在纖維纏 繞過(guò)程中不會(huì)過(guò)早凝膠化。纏繞法的特點(diǎn)：（a）可根據(jù)產(chǎn)品在受力作用下的特性設(shè)計(jì)纖維 的纏繞規(guī)律，使纖維的抗拉強(qiáng)度得到充分利用；（

29、b）比強(qiáng)度高； （C）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；（d）同一產(chǎn)品 中可使用多種增強(qiáng)纖維和樹脂基體，使其有機(jī)復(fù)合，以到達(dá)最正確 的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。2、壓袋工藝袋壓成型是將其他密閉材料制成的橡膠袋或軟袋通過(guò)手糊的方 式套在未固化的產(chǎn)品上，對(duì)未固化的復(fù)合材料外表施加氣體壓力 進(jìn)行固化的工藝。從加壓形式來(lái)看，袋壓成型分為加壓袋法、真 空袋法和高壓釜法。壓袋法是將手糊后的未固化產(chǎn)品外表套上膠袋，固定上蓋或密繩 網(wǎng)，防止膠帶無(wú)限膨脹（如圖5. 2-2所示）教科書），然后通過(guò)壓 縮空氣或蒸汽，對(duì)材料外表施加一定的壓力，加熱固化得到產(chǎn)品。 真空袋法是將在模具上成型的未固化產(chǎn)品放入真空成型裝置中, 抽真

30、空，在大氣壓下固化（如圖5 2-3所示）。高壓釜法與真空袋法類似，不同之處在于采用了特殊的高壓 釜，里面充滿了高壓彈性介質(zhì)，同時(shí)加熱固化產(chǎn)品。袋壓法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品兩面都比擬光滑，可以適應(yīng)聚酯、環(huán)氧 樹脂和酚醛樹脂，產(chǎn)品質(zhì)量高，成型周期短。適合壓袋的產(chǎn)品包括：各種組件；產(chǎn)量少的產(chǎn)品；不能通過(guò) 成型生產(chǎn)的復(fù)雜產(chǎn)品；需要光滑側(cè)面的中小型產(chǎn)品。3、拉擠工藝?yán)瓟D成型是指在外力的牽引下，通過(guò)浸漬、擠壓成型、加熱 固化、定長(zhǎng)切割等連續(xù)生產(chǎn)玻璃纖維粗紗或其織物的方法。它將 浸漬后的連續(xù)纖維通過(guò)具有一定截面形狀的成型模具，在型腔內(nèi) 固化成型或在型腔內(nèi)凝膠化，脫模時(shí)加熱固化。拉擠工藝流程：玻璃纖維粗紗排列-浸漬-預(yù)

31、成型-擠出成型和固化-拉拔-切 割-產(chǎn)品。拉擠工藝按所用設(shè)備的排列方式可分為臥式和立式。大多數(shù)制造 商使用水平拉擠成型。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可分為間歇式拉擠 和連續(xù)式拉擠。間歇拉擠在此成型過(guò)程中，牽引機(jī)構(gòu)間歇工作，浸漬的纖維在熱模具中固 化成型，然后從模具中拉出。其主要特點(diǎn)是：成型在模具內(nèi)加熱固化，固化時(shí)間不受限制，生 產(chǎn)效率低，制品外表易出現(xiàn)斷續(xù)邊界。連續(xù)拉擠所謂連續(xù)式是指牽引機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品的拉擠過(guò)程中連續(xù)工作。其主要 特點(diǎn)：牽引和成型過(guò)程連續(xù)，生產(chǎn)效率高。這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品 不需要二次加工，具有良好的外表性能，可以生產(chǎn)大型部件。拉擠工藝的特點(diǎn)是設(shè)備本錢低，生產(chǎn)效率高，易于形成自動(dòng) 化生產(chǎn)線；可

32、連續(xù)生產(chǎn)各種任意長(zhǎng)度的異形制品，截面尺寸穩(wěn)定, 應(yīng)用范圍廣；原材料的有效利用率高。角落廢料。該工藝適用于成型不同截面形狀的管、棒、棒、角、工字、 槽、板等型材。近年來(lái)，已開發(fā)出拉擠成型工藝來(lái)生產(chǎn)具有可變 截面和曲率的零件。拉擠產(chǎn)品的主要成分是縱向定向的連續(xù)粗紗。在外外表或外 外表附近添加幾層毛氈或粗紗織物以增加其橫向強(qiáng)度。拉擠部件 中的總纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7()%。但由于氈的存在，其縱向強(qiáng)度和 模量低于單向纖維粗紗。連續(xù)粗紗與毛氈的含量比決定了其機(jī)械 性能。4、成型工藝成型工藝是指在一定溫度和壓力的作用下，將成型材料在金屬上制成模具的工藝。短纖維成型材料成型工藝短纖維成型材料成型工藝是制造具有一

33、定強(qiáng)度、耐熱性、耐 惰性腐蝕等特殊性能產(chǎn)品的主要方法。成型工藝流程見教材圖5. 2-5。壓前準(zhǔn)備。為保證制品質(zhì)量，改善成型工藝條件，有時(shí)在 成型前對(duì)物料進(jìn)行加熱處理，這樣不僅可以進(jìn)一步去除水分和揮 發(fā)物，還可以提高物料的溫度，增加物料的流動(dòng)性。預(yù)成型一般 適用于生產(chǎn)大型異形制品。首先，將成型材料預(yù)成型為與產(chǎn)品形 狀和尺寸相似的成分。這樣可以大大縮短成型周期，提高生產(chǎn)率, 提高產(chǎn)品性能。新聞和產(chǎn)品。片狀模塑料(SMC)模壓成型該成型工藝比其他成型工藝具有更高的生產(chǎn)率，適合大批量 生產(chǎn)。產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確，外表光滑，可有兩個(gè)精加工面，價(jià)格低廉, 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品都可以一次成

34、型。該工藝的主要缺點(diǎn)是模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，初期投資高，產(chǎn)品 尺寸受設(shè)備限制。5、其他加工方法：包括結(jié)構(gòu)反響注塑成型(SRIM)和樹脂傳遞 成型(RTM)；彈性體儲(chǔ)存成型等方法。4、熱塑性復(fù)合成型工藝樹脂（樹脂型）熱塑性塑料_熱固性（熱固性）成型成型成型時(shí)間短，溫度適成型時(shí)間長(zhǎng)，溫度低,機(jī)械性能機(jī)械性能高，難塑形良好的抗沖擊性和易于塑造斷裂韌性差，靜態(tài)性能好抗疲勞性再生性能 可回收回收困難與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有無(wú)限保質(zhì)期的優(yōu) 勢(shì)。廢品少（可回收），韌性好，加工周期短（見表5-2）。熱塑 性塑料的線性鏈結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了高韌性，高結(jié)晶度增加了對(duì)化學(xué)和環(huán) 境腐蝕的抵抗力。此外，由于在加工過(guò)程

35、中不會(huì)發(fā)生化學(xué)反響， 可以進(jìn)行快速加工，降低加工本錢。由于熔化/成型過(guò)程可以重 復(fù)，工藝路線由幾個(gè)單獨(dú)的操作和組裝（焊接）組成。熱塑性復(fù) 合材料的一個(gè)重要性能是可回收性,廢料在成型時(shí)可以作為短纖 維增強(qiáng)熱塑性塑料加工；另一方面，由于其分子鏈長(zhǎng)，熱塑性復(fù) 合材料具有較高的熔融溫度和熔融粘度，從而存在增強(qiáng)纖維的潤(rùn) 濕和浸漬、相鄰層的粘合、層壓過(guò)程中的空隙去除以及成型過(guò)程 中的樹脂流動(dòng)等問(wèn)題。.熱塑性和熱固性復(fù)合材料的比擬見表5-2 （第 124 頁(yè)）。 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的成型方法有很多種。按纖維增強(qiáng)材料 的長(zhǎng)度分為兩大類：短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合成型法；連續(xù)纖維增 強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型方法。1短

36、纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型方法(1)擠壓成型擠出成型工藝是生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料制品的主要方法之一。其工 藝流程是先將樹脂和增強(qiáng)纖維制成粒料，然后將粒料加入擠出 機(jī)，然后塑化、擠出、冷卻、定型制成產(chǎn)品。增強(qiáng)顆粒分為長(zhǎng)纖維和短纖維。長(zhǎng)纖維粒料的纖維長(zhǎng)度與粒料的 長(zhǎng)度相等，一般為3 13 mm,纖維與粒料的長(zhǎng)度平行排列；短纖 維顆粒的長(zhǎng)度一般為0. 25 0.5 mm,纖維和樹脂隨機(jī)混合。長(zhǎng)纖 維顆粒生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更高的機(jī)械性能，而短纖維顆粒用于生產(chǎn) 形狀復(fù)雜的薄壁產(chǎn)品。擠出成型需要在壓力的作用下完成顆粒輸送、塑化、熔融物料通 過(guò)模具的過(guò)程，以獲得所需截面形狀的產(chǎn)品。擠出機(jī)的示意圖如 圖5.3 - I

37、 (第125頁(yè))所示。顆粒從顆粒料斗3進(jìn)入擠出機(jī)機(jī) 筒7,在熱壓作用下發(fā)生物理變化，向前推進(jìn)。由于濾板8、機(jī)頭 9和筒體7的阻力，顆粒被壓實(shí)并排出。同時(shí)，外部熱源與物料之 間的摩擦熱使顆粒受熱塑化成熔融粘稠流動(dòng)狀態(tài)，借助螺桿推力 定量推出機(jī)頭。模量，是衡量材料在質(zhì)量相等的前提下的承載能力和剛度特性的 指標(biāo)。(2)成型工藝性能好。這里是指聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有 良好的成型工藝性能。(3)可以設(shè)計(jì)材料特性。復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是它們的可 設(shè)計(jì)性。(4)良好的抗疲勞性。疲勞失效是材料在交變載荷下由于裂紋的 形成和擴(kuò)展而導(dǎo)致的低應(yīng)力失效。疲勞損傷是飛機(jī)墜毀的主要原 因之一。復(fù)合材料在纖維方向

38、受拉時(shí)的疲勞性能遠(yuǎn)大于金屬。金 屬材料的疲勞破壞是由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)大，然后突然擴(kuò)大。在漸進(jìn) 階段，疲勞裂紋和損傷較少，尺寸較小，難以檢測(cè)。一旦裂縫達(dá) 到臨界尺寸，它就會(huì)突然破裂。因此，在疲勞失效發(fā)生之前往往 沒(méi)有明顯的預(yù)警。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體是一種具有較大斷裂 應(yīng)變的韌性材料。在基體和界面上，固化后常存在缺陷和裂紋， 纖維與基體的界面往往能阻止裂紋的擴(kuò)展或改變裂紋擴(kuò)展的方 向。因此，它的疲勞破壞總是從纖維或基體的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐 漸擴(kuò)大到結(jié)合面，破壞較多，尺寸較大。(5)良好的破損平安性能。單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由基體將數(shù) 千根纖維沿同一方向粘合而成。纖維中不可防止地存在缺陷。如 果沒(méi)有基體

39、傳遞剪切應(yīng)力，一些纖維在拉伸過(guò)程中因應(yīng)力過(guò)大或 擠出成型工藝廣泛用于生產(chǎn)各種增強(qiáng)塑料管材、棒材、異型截面 型材等，其優(yōu)點(diǎn)是可以加工大局部熱塑性復(fù)合材料和局部熱固性 復(fù)合材料，生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)，程度高。自動(dòng)化程度高，工藝容易掌 握，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)是只能生產(chǎn)線性產(chǎn)品。(2)注塑成型注塑成型是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中一種重要的成型方法。適用于 熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用廣泛。注塑是將粒狀或粉狀的纖維-樹脂混合物從注塑機(jī)的料斗送入料 筒，加熱熔融，由柱塞或螺桿加壓，通過(guò)噴嘴注入溫度較低的封 閉模具中。脫模產(chǎn)品。注塑成型是一個(gè)批處理過(guò)程。完整的注塑成型過(guò)程包括按順序進(jìn)行的成型前準(zhǔn)備、注塑和

40、零件 后處理。成型前準(zhǔn)備包括原料檢測(cè)、原料預(yù)熱和干燥等。注塑一 般包括加料、塑化、注塑、冷卻和脫模5個(gè)步驟；零件的后處理 是注塑產(chǎn)品脫模后，需要經(jīng)過(guò)去毛刺、澆注等處理，此外，有些 零件還需要適當(dāng)?shù)臏囟忍幚?，以消除?yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性。對(duì) 于尼龍，還需要進(jìn)行調(diào)濕處理，以提高沖擊韌性和拉伸性能。注塑成型的特點(diǎn)是：成型周期短，熱耗低，閉模成型，可一次性 成型復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，生產(chǎn)效率高，本錢低。但不適用于長(zhǎng)纖維 增強(qiáng)制品，對(duì)模具質(zhì)量要求較高。在復(fù)合制品生產(chǎn)中，注塑工藝主要代替成型工藝生產(chǎn)各種電工材 料、絕緣開關(guān)、汽車配件、紡織配件、家電外殼、平安帽、食品 周轉(zhuǎn)箱、空調(diào)葉片等。2連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材

41、料成型長(zhǎng)期以來(lái)，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的研究和應(yīng)用一直占據(jù) 主導(dǎo)地位。1980年代，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究成 為世界熱點(diǎn)。根據(jù)Brandt的研究，僅模具本錢就占先進(jìn)熱塑性 復(fù)合材料零件總本錢的72%o提高連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 應(yīng)用的關(guān)鍵是開發(fā)最合適的成型技術(shù)。（1）預(yù)浸料加工方法溶液浸漬法。熱塑性聚合物溶解在溶劑中，然后用低粘度溶液 浸漬增強(qiáng)纖維集合體（纖維束或織物），如圖5.3-2（第126頁(yè)） 所示。為防止復(fù)合固化過(guò)程中預(yù)浸料中出現(xiàn)空隙，必須完全去除 溶劑。亞組氯化物和N-甲基毗咯烷廣泛用作溶劑。然而，從預(yù) 浸料中去除溶劑通常是一個(gè)困難的過(guò)程。在最終成型時(shí)，殘留的 溶劑

42、會(huì)造成氣泡、外表缺陷和空洞，排出的溶劑會(huì)造成環(huán)境污染。 此外，許多重要的熱塑性聚合物在室溫下不能溶解在普通溶劑 中。當(dāng)使用高分子量聚合物時(shí)，溶液中聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò) 15%o由于較高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致較高的溶液粘度，因此達(dá)不到 使用溶劑的目的。浸漬纖維集料的柔軟性和懸垂性較差，不利于 某些部位的成型加工。熔體浸漬。在這種方法中（如第126頁(yè)的圖5. 3-3所示）， 已通過(guò)兩種方式生產(chǎn)熔融聚合物浸漬纖維粗紗：（a）十字頭拉 擠機(jī)將熔融聚合物通過(guò)（b）纖維粗紗通過(guò)通過(guò)裝有浸漬棒的熔 融基質(zhì)罐以增加纖維束的滲透性。在每種方法中，作用在纖維束 上的力都非常高，可能導(dǎo)致纖維損壞，并且由于熱塑性基體的高

43、 粘度，纖維粗紗沒(méi)有充分預(yù)浸漬。同時(shí)在基體熔煉過(guò)程中，通常 需要高溫高壓才能提供足夠低的熔體粘度，造成大量的能源消 耗，浸漬后的粗紗往往缺乏柔軟性和懸垂性。覆膜。熱塑性樹脂的固有特性使它們能夠以一種形式成型，然 后通過(guò)加熱和成型形成另一種形式。因此，如果將熱塑性樹脂制 成薄膜，可以將兩層或多層薄膜與纖維單向帶或機(jī)織織物相互重 疊，然后加熱加壓成型。雙帶機(jī)就是這種方法的成型設(shè)備。在這 個(gè)過(guò)程中，增強(qiáng)材料被夾在兩個(gè)聚合物薄膜之間，通過(guò)加熱區(qū)被 離型膜夾帶，加熱和加壓使增強(qiáng)材料浸漬熔融聚合物，然后在冷 卻區(qū)硬化成型。由于熔融熱塑性樹脂的粘度相對(duì)較高，這種方法 需要高壓。加工在片材尺寸方面也受到限制。

44、纖維混合。熱塑性聚合物被紡成多根長(zhǎng)絲纖維，從而可以開發(fā) 增強(qiáng)纖維和熱塑性聚合物長(zhǎng)絲的混合物以形成獨(dú)特的預(yù)浸料。根 據(jù)纖維混紡方式的不同，這種方法可分為混紡纖維和共織布。 混紡纖維是連續(xù)增強(qiáng)纖維和熱塑性聚合物纖維（長(zhǎng)絲或短纖維） 通過(guò)獨(dú)特的紡絲技術(shù)形成連續(xù)增強(qiáng)纖維/熱塑性聚合物纖維混合 紗線（參見第126頁(yè)的圖5. 3-4）o混合紗線可以機(jī)織、針織和 編織形成機(jī)織、針織和編織預(yù)浸料，并且可以單向纏繞以加工單 向復(fù)合板?；旌霞喌幕旌铣潭仍胶?，成型過(guò)程中熔融基體的浸漬 就越好。理想的混紡紗線是每根增強(qiáng)纖維與熱塑性聚合物纖維相 鄰，但由于兩種纖維在直徑、剛度等方面的差異，在實(shí)踐中不可 能實(shí)現(xiàn)這種理想的

45、紗線狀態(tài)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是解決了高分子量聚合物的浸漬困難，兩種纖 維的含量比例可以精確控制，增強(qiáng)纖維與基體的比例易于調(diào)整； 具有良好的柔韌性，易于適應(yīng)復(fù)雜的形狀；混合紗可以織成復(fù)雜 的形狀。混合纖維的方法包括纏繞、纏繞和噴氣混合。纏繞法是將熱塑性 基體長(zhǎng)絲通過(guò)特定的紡絲技術(shù)均勺、螺旋狀地纏繞在增強(qiáng)纖維 上；纏繞法是利用摩擦紡絲技術(shù)將熱塑性短纖維纏繞在增強(qiáng)纖維 的外層；空氣噴射法是利用氣流實(shí)現(xiàn)連續(xù)增強(qiáng)纖維與熱塑性基體 纖維長(zhǎng)絲束的混合。前兩種方法形成的紗線為皮芯結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)纖 維層層排列，增強(qiáng)纖維直且平行，兩相纖維的混合度較差。共織織物由增強(qiáng)纖維和熱塑性基體纖維的經(jīng)緯紗交替編織而成 （參見第127頁(yè)

46、的圖5. 3-5）。共織加工預(yù)浸料的加工本錢低于 混紗加工織物預(yù)浸料。然而，混合紗織物的懸垂性優(yōu)于共織織物, 并且由于混合紗改善了聚合物和纖維的潤(rùn)濕性，從而產(chǎn)生了更好 的材料性能。一般來(lái)說(shuō)，共織加工更適合低分子量的聚合物，而 高分子量的聚合物那么應(yīng)與混紡紗一起加工。粉末浸漬。用聚合物粉末對(duì)纖維束進(jìn)行預(yù)浸漬時(shí)，要求纖維束 蓬松，以使粉末均勻地滲透纖維。同時(shí)，粉末顆粒必須牢固地粘 附在纖維上，以防止粉末在后續(xù)加工過(guò)程中從纖維束上脫落。研 究開發(fā)了濕法和干粉法兩種浸漬方法。濕法加工需要在懸浮液中浸漬蓬松的纖維束。懸浮液是含有少量 施膠劑和乳化劑的樹脂粉末的水性懸浮液。纖維束通過(guò)一個(gè)密封 的孔口離開懸

47、浮罐，以控制樹脂和水的含量。將含有濕粉末的纖 維束通過(guò)烘箱以去除水分并將粉末熔合到纖維上。早期的處理包 括將絲束通過(guò)甲醇水溶液和潤(rùn)濕劑，然后將濕絲束通過(guò)粉末的氮 氣流化床，然后進(jìn)入烘箱以去除揮發(fā)物并將粉末熔合到纖維上。 干粉添加是將壓縮空氣擴(kuò)散的纖維束通過(guò)粉末熏蒸床，然后通過(guò) 干燥室將粉末熔合在纖維上（如第127頁(yè)圖5. 3-6所示）。由于德 瓦爾斯力和靜電引力，小顆粒附著在纖維上，大顆粒沉積在纖維 之間。不同的處理方法可用于沉積粉末并由纖維束保持。一種處 理方法是使用空氣噴射器將粉末撞擊到纖維網(wǎng)上，同時(shí)靜電處理 使硫化物氣體帶電，硫化物氣體又使顆粒帶電以增加粉末顆粒落 在纖維上的速度。另一種

48、方法不使用烘箱來(lái)熔化粉末，而是用聚 合物薄膜覆蓋含有粉末的纖維束，將纖維束包裹在聚合物皮中。 粉末浸漬技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是必須在加工階段進(jìn)行浸漬，對(duì)粉末的 粒度有嚴(yán)格的要求。與濕法加工相比，干粉加工的優(yōu)點(diǎn)是不需要 干燥，不需要使用潤(rùn)濕劑和乳化劑。成型工藝目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件的成型方法有滾壓成 型、長(zhǎng)絲纏繞、拉擠成型和熱成型。滾壓成型。滾壓成型過(guò)程的示意圖如圖5.3-7 （第127頁(yè)） 所示。該工藝包括一個(gè)紅外預(yù)熱室，將預(yù)制板加熱到成型溫度， 以及一系列形成和固化零件的輻。第一輻必須加熱，至少最后一 個(gè)輻必須足夠冷以硬化復(fù)合部件。輻傳動(dòng)、對(duì)齊和支撐以允許與 層壓板厚度相適應(yīng)的輻間隙是

49、輻壓成型中必須控制的關(guān)鍵參數(shù)。 纖維纏繞。雖然長(zhǎng)絲纏繞是目前熱塑性復(fù)合材料成型中最重要 的工藝之一，但這種方法已經(jīng)在一些工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中用于加 工熱塑性復(fù)合材料。熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)絲纏繞的主要目的是減少 熱固性復(fù)合材料成型所需的長(zhǎng)纏繞固化周期，在此期間纏繞結(jié)構(gòu) 被原位固化。128頁(yè)圖5. 3-8顯示了熱塑性復(fù)合纖維纏繞的工作 原理。關(guān)鍵工藝是纖維束預(yù)熱、纖維束引導(dǎo)、接觸點(diǎn)加熱、芯棒 加熱和后固化。理想情況下不使用后固化，但在某些情況下，有 必要到達(dá)所需的零件質(zhì)量。原位固化得到的零件空隙率為2. 5 %, 如果采用后固化工藝，空隙率可降至1%。用于熱固性復(fù)合材料系 統(tǒng)的相同基本纏繞設(shè)備也可用于熱

50、塑性復(fù)合材料系統(tǒng)，但修改需 要添加熱源以將預(yù)浸料絲束加熱到其熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)。加熱技術(shù)如 超聲波、激光、聚焦紅外線、傳導(dǎo)和對(duì)流加熱。拉擠加工。雖然拉擠成型主要用于熱固性聚合物復(fù)合材料，但 它正在研究和改進(jìn)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的成型。熱 塑性拉擠成型要求模具溫度遠(yuǎn)高于熱固性拉擠成型，并且為了防 止產(chǎn)品變形，熱塑性拉擠成型構(gòu)件必須通過(guò)冷卻模具。為了便于 固化，從模具入口到出口的橫截面不同，而用于熱固的模具具有 恒定的橫截面。此外，在熱固性擠出過(guò)程中使用過(guò)多的樹脂進(jìn)入 模具。由于樹脂的粘度低，在模具入口處擠出的樹脂過(guò)多。由于 熱塑性樹脂的粘度較高，進(jìn)入模具時(shí)必須控制材料中的樹脂含 量。熱塑性拉

51、擠不依賴于模具中的化學(xué)反響，熱塑性拉擠比熱固 性拉擠快。熱成型工藝（a）層壓成型。在此過(guò)程中，將預(yù)浸料層放置在熱模具中或已在 熱模具中的另一個(gè)預(yù)浸料層上，然后壓力輻將預(yù)浸料層粘合在一 起（第128頁(yè)上的圖5. 3-9）0 ）。由于熱塑性塑料的導(dǎo)熱性差， 預(yù)浸料不會(huì)粘在外表，如果使用冷軋輻，那么不需要使用脫模劑， 因?yàn)槊撃?huì)影響預(yù)浸料層的粘附性。使用的熱源包括激光、紅 外線和熱氣。這個(gè)過(guò)程也可以自動(dòng)化。為了全面提高材料質(zhì)量， 零件可以通過(guò)真空或高壓釜進(jìn)行后固化。(b)壓縮成型。通過(guò)使用熱量和壓力，所有預(yù)浸料都可以通過(guò)壓 縮成型轉(zhuǎn)化為平面層壓板(第128頁(yè)的圖5. 3-10(a),也可以 加工成

52、特定的配置(第128頁(yè)的圖5.3-10) . (b)o工藝步 驟為：將預(yù)浸料層加熱至熱塑性基體的熔點(diǎn)，然后施加壓力，在 壓力作用下冷卻層板。冷卻可以直接在模壓機(jī)上進(jìn)行，也可以快 速轉(zhuǎn)移到冷壓機(jī)上重新壓制。前一中冷卻方式，加熱、冷卻和凝 固都是在一個(gè)單一的加工過(guò)程中進(jìn)行的，所以這種方法的加工速 度較慢；后一種方法可以有效縮短加工周期。(c)隔膜成型。隔膜加工是在真空隔膜中成型熱塑性塑料并允許 成型和固化同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程。成型過(guò)程可以在高壓釜中進(jìn)行(第 129頁(yè)的圖5.3-11)或使用液壓機(jī)。未固化的預(yù)浸料被放置在 兩個(gè)密封的、可塑性變形的鋁片或upi lex隔膜(315至450C 250至300%

53、伸長(zhǎng)率)之間，它們被夾在真空環(huán)上。在預(yù)浸料層 中抽真空后，將其加熱到高于聚合物熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)的溫度，然后 施加壓力以形成所需的形狀。在加工過(guò)程中，由于增強(qiáng)連續(xù)纖維 的約束，預(yù)浸料層沒(méi)有明顯拉伸，隔板受到拉伸，拉伸后的隔板 保存了穿過(guò)零件的力。在高壓釜中形成隔膜的周期為4060min。雖然這種方法既耗時(shí)又昂貴，但它提供了 一種從單向預(yù)浸料加工 復(fù)雜零件的方法。還研究了一種基于隔膜成型的新成型技術(shù)。與高壓釜中的隔膜成 型不同，加熱和成型操作分為兩個(gè)獨(dú)立的步驟，整個(gè)加工周期減 少到2分鐘。加工利用塑料工業(yè)中已開發(fā)的真空/壓力成型技術(shù)， 基本原理是在兩個(gè)由硅橡膠（厚度為約0.8 1.0 mm）,可在29

54、0 下方長(zhǎng)期使用。隔膜固定在兩個(gè)獨(dú)立的框架上?？蚣荜P(guān)閉后，抽 真空，通過(guò)接觸加熱或?qū)α鲗⒄麄€(gè)系統(tǒng)加熱到熱塑性塑料的熔點(diǎn) /軟化點(diǎn)以上的溫度，然后將整個(gè)系統(tǒng)快速移動(dòng)到成型壓力機(jī)和 模具已擰緊。鎖。之后，將壓縮空氣施加到隔膜上，以形成靠在 陰模上的層壓板。這種處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：防止了纖維屈曲，因 為層壓板被限制在兩個(gè)相對(duì)較硬的硅膜之間，以將壓力均勻地分 布在整個(gè)膜外表上；此外，加熱的層壓板由熱膜絕緣，減少了熱 損失。該技術(shù)最關(guān)鍵的問(wèn)題是選擇在熱塑性基質(zhì)的熔點(diǎn)溫度下具 有高伸長(zhǎng)率和穩(wěn)定性的超彈性隔膜。由于隔膜的限制，該技術(shù)目 前用于復(fù)合材料的成型，如PP和一些基體熔點(diǎn)溫度較低的PA。 （d）液壓成形

55、。液壓成型是一種廣泛使用的扁平金屬成型技術(shù)， 現(xiàn)在適用于成型熱塑性復(fù)合材料零件。液壓成形類似于使用流體 介質(zhì)的隔膜成形，通常使用柔性隔膜后面的液壓流體使靠近陽(yáng)模 或陰模的熱復(fù)合層壓板變形（第130頁(yè)上的圖5. 3-13）o柔性 膜是成型系統(tǒng)的永久局部，并且通常在尺寸上大于要成型的層壓 板。在成型過(guò)程中，將熱層壓板放在模具上，然后壓合并加壓， 使柔性膜壓在層壓板上。由于成型壓力是由液壓油產(chǎn)生的，因此 復(fù)合材料上的壓力分布更加均勻O（e）沖壓。沖壓是壓縮成型的一種變體，類似于鍍金沖壓。熱塑 性復(fù)合材料沖壓分為非等溫沖壓和等溫沖壓兩種方式（見130頁(yè) 圖5. 3-14）0非等溫沖壓是通過(guò)外部加熱器將

56、平面層壓板加熱到熱塑性基 體的熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)以上，然后將熱層壓板快速轉(zhuǎn)移到冷模具進(jìn)行 沖壓。為了防止熱損失，轉(zhuǎn)移時(shí)間要短，層壓板與冷模的接觸時(shí) 間要短，即需要快速成型。典型的加載周期（包括預(yù)固化板的預(yù) 熱）為2到3分鐘。在這種成型中，可以使用機(jī)械和液壓機(jī)。 但要注意機(jī)械壓力機(jī)的慣性效應(yīng)。金屬對(duì)模具的使用確保了熱塑 性復(fù)合材料零件兩個(gè)外表的高零件尺寸要求和外表質(zhì)量。但在金 屬成型中，模具的剛度是造成層壓板壓實(shí)不均勻的主要原因，這 會(huì)導(dǎo)致制品的力學(xué)性能不均勻，并會(huì)改變制品中纖維的體積分 數(shù)。該技術(shù)的最新成果是使用了針床成型模具（參見第130頁(yè) 的圖5. 3-15）o模具的兩半由金屬框架中的許多小圓金

57、屬棒組 成，金屬框架的框架可以調(diào)節(jié)，小圓金屬棒通過(guò)彈簧元件與上下 模板連接。為防止在沖壓過(guò)程中桿在復(fù)合零件外表產(chǎn)生壓痕，桿 缺陷較大，必須先斷裂，不再參與承重。結(jié)果，每根纖維的應(yīng)力 狀態(tài)發(fā)生變化，局部應(yīng)力過(guò)大或缺陷較大的纖維再次斷裂，斷裂 過(guò)程加快，直至全部纖維斷裂。每根纖維的應(yīng)力和應(yīng)變差異很大 且不均勻，而所有纖維的平均應(yīng)力和應(yīng)變非常低。纖維束對(duì)壓縮 和彎曲的抵抗力很小，因此纖維束不能單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料。在纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料中，由于基體的作用，沿纖維方向拉伸時(shí)，各纖 維的應(yīng)變基本相同。由于基體傳遞的應(yīng)力，斷裂的纖維在斷裂處 和斷裂附近的一小局部不起作用，但其他大局部纖維仍然起作 用。斷裂纖維周

58、圍的相鄰纖維在宏觀上受到幾乎相同的應(yīng)力，只 是由于斷裂纖維通過(guò)基體傳遞的局部應(yīng)力略微增加了應(yīng)力。纖維 間應(yīng)力的不均勻程度大大降低，平均應(yīng)力將遠(yuǎn)高于無(wú)基體的纖維 束，從而增加平均應(yīng)變。這樣，單根纖維的斷裂不會(huì)引起連鎖反 應(yīng)和災(zāi)難性的快速損傷，因此損傷平安性能非常好。(6)減振性能好。以聚合物為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,基體具 有粘彈性。在基體和界面處存在微裂紋和脫粘的地方也存在摩 擦。在振動(dòng)過(guò)程中，粘彈性和摩擦將局部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。因此, 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼比鋼和鋁合金大，采取措施可以提高阻 尼。這就是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的減振性能的原因。(7)良好的熱穩(wěn)定性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件(

59、和產(chǎn)品)在溫度變化較大的環(huán)境中具有非常小的熱變形。石墨纖維和凱夫 的末端覆蓋有一層薄薄的硅橡膠。這種模具在醫(yī)療器械加工中具 有很大的應(yīng)用潛力。等溫沖壓是一種加熱模具的方法，必須使用金屬模具。這種成型 可以在高壓釜或加熱容器中進(jìn)行。成型過(guò)程可以得到更好的控 制，最終零件的質(zhì)量更好。由于在成型過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行加熱和冷 卻，因此等溫沖壓非常耗時(shí)。（f）橡膠成型。最初，研究橡膠成型技術(shù)是為了克服金屬對(duì)模具 成型方法的一些主要問(wèn)題，但它已成為一種獨(dú)特的熱成型技術(shù)。 在這種技術(shù)中，剛性金屬模具的一半被柔性橡膠模具代替（第1 31頁(yè)的圖5. 3-16）0在成型過(guò)程中，金屬模具的另一半決定了 熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品

60、的最終形狀，并在產(chǎn)品的最大接觸邊緣上創(chuàng) 造了良好的外表質(zhì)量。橡膠成型的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠在復(fù)合材料中 產(chǎn)生均勻的壓力分布。由于橡膠具有良好的絕緣性能，成型前橡 膠模具與熱層壓板的接觸不會(huì)造成過(guò)多的熱損失。硅橡膠已被用 作橡膠模具材料，它允許相當(dāng)高的加工溫度（320）o這種加 工技術(shù)，稱為橡膠成型，區(qū)別于由剛性模具和扁平橡膠底座形成 的橡膠沖壓。3不同成型方式的比擬對(duì)于復(fù)合材料，一般要求歸結(jié)為：價(jià)格、承重（靜態(tài)、疲勞、熱）、 環(huán)境影響（溫度、濕度、腐蝕、光收縮、電磁干擾）、使用壽命、 可靠性、可修復(fù)性/維護(hù)性；其中最重要的是價(jià)格。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì) 材料本錢的簡(jiǎn)