復(fù)合材料-第五篇

1第五篇聚合物材料和高性能聚合物基復(fù)合材料25.1.1概述非晶態(tài)聚合物晶態(tài)聚合物5.1聚合物基體3聚合物的熔體流動(dòng)

當(dāng)溫度高于非晶態(tài)聚合物的Tf、晶態(tài)聚合物的Tm時(shí)，聚合物變?yōu)榭闪鲃?dòng)的粘流態(tài)或稱熔融態(tài)。熱塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔體的流動(dòng)性能。聚合物熔體的流動(dòng)性可用多種指標(biāo)來表征，其中最常用的是熔融指數(shù)：指在一定的溫度下和規(guī)定負(fù)荷下，10min內(nèi)從規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管內(nèi)流出的聚合物的熔體的質(zhì)量，用MI表示，單位為g/10min。對(duì)于同種聚合物而言，熔融指數(shù)越大，聚合物熔體的流動(dòng)性越好。但由于不同聚合物的測(cè)定時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)條件不同，因此不具可比性。5.1聚合物基體4I.聚合物熔體流動(dòng)特點(diǎn)（1）粘度大，流動(dòng)性差：這是因?yàn)楦叻肿渔湹牧鲃?dòng)是通過鏈段的位移來實(shí)現(xiàn)的，它不是分子鏈的整體遷移，而是通過鏈段的相繼遷移來實(shí)現(xiàn)的，類似蚯蚓的蠕動(dòng)。（2）不符合牛頓流動(dòng)規(guī)律：在流動(dòng)過程中粘度隨切變速率的增加而下降。（3）熔體流動(dòng)時(shí)伴隨高彈形變：因?yàn)樵谕饬ψ饔孟?，高分子鏈沿外力方向發(fā)生伸展，當(dāng)外力消失后，分子鏈又由伸展變?yōu)榫砬剐巫儾糠只謴?fù)，表現(xiàn)出彈性行為。5II.聚合物Tf的影響因素Tf是高彈態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，是加工成型的下限溫度。受多種因素的影響：（1）分子鏈結(jié)構(gòu)：凡是能提高高分子鏈柔順性的結(jié)構(gòu)因素均可使Tf下降；（2）分子量的影響：Tf是整個(gè)分子鏈開始運(yùn)動(dòng)的溫度，M越大，內(nèi)摩擦力越大，整個(gè)分子鏈向某一方向運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，Tf越高。（3）外力大小及其作用時(shí)間：外力↗，Tf↘；外力作用時(shí)間↗，有利粘性流動(dòng)，相當(dāng)于Tf下降。（4）加入增塑劑可降低聚合物的Tf。65.1.2

聚合物基體的分類熱固性基體

包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、熱固性酚醛樹脂等熱塑性基體

聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、熱塑性酚醛樹脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等75.1.3

環(huán)氧樹脂定義：分類：縮水甘油醚類縮水甘油酯類縮水甘油胺類線形脂肪族類脂環(huán)族類EP，EpoxideResin85.1.3.1

環(huán)氧樹脂的合成原料：環(huán)氧氯丙烷和雙酚A(以縮水甘油醚類為例)合成反應(yīng)

95.1.3.2

環(huán)氧樹脂的指標(biāo)環(huán)氧值每100g樹脂中所含環(huán)氧基的物質(zhì)的量環(huán)氧當(dāng)量含有1g當(dāng)量的環(huán)氧基的環(huán)氧樹脂的質(zhì)量例如相對(duì)分子量為340，每個(gè)分子含兩個(gè)環(huán)氧基的EP，它的環(huán)氧值為：

100*2/340=0.59

環(huán)氧當(dāng)量為：100/0.59＝340/2=170根據(jù)EP的環(huán)氧值，可以大致上估計(jì)樹脂的平均相對(duì)分子量，也可計(jì)算固化劑的用量。105.1.3.3

環(huán)氧樹脂的固化固化：液體樹脂體系發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變成為不溶、不熔的具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化物的全過程稱為樹脂的固化樹脂的固化過程伴隨著物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄓ捕鹊墓虘B(tài)，因此此過程叫硬化固化過程中物理狀態(tài)的變化是由化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化引起的是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)的變化過程固化劑可分為反應(yīng)型和催化型兩種反應(yīng)性固化劑：可與環(huán)氧樹脂分子進(jìn)行加成，通過逐步聚合反應(yīng)的歷程使EP交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，一般含有活潑的氧原子，如多元伯胺，多元羧酸酐，多元酚等。11環(huán)氧樹脂加入脂肪族多元伯胺的固化反應(yīng)伯胺與環(huán)氧基反應(yīng)生成仲胺仲胺再與另一個(gè)環(huán)氧基反應(yīng)生成叔胺通過這樣的逐步聚合反應(yīng)歷程交聯(lián)成復(fù)雜的體型高聚物12催化性的固化劑可以引發(fā)樹脂分子中的環(huán)氧基按陽(yáng)離子或陰離子聚合的歷程進(jìn)行固化反應(yīng)，形成環(huán)氧基團(tuán)之間的直接鍵合。例如叔胺和三氟化硼絡(luò)合物等。13叔胺的固化機(jī)制叔胺首先引發(fā)環(huán)氧基開環(huán)，形成醇鹽離子醇鹽離子與另一個(gè)樹脂分子中的環(huán)氧基反應(yīng)，使分子鏈增長(zhǎng)反應(yīng)不斷進(jìn)行，交聯(lián)形成體型聚合物145.1.3.4

環(huán)氧樹脂的性能性能：適應(yīng)性強(qiáng)（可選擇的固化劑、改性劑等種類很多）工藝性好粘接力大成型收縮低，耐化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱性好（120-180℃）主要用于承力結(jié)構(gòu)或耐腐蝕性制品155.1.4酚醛樹脂

由苯酚和甲醛經(jīng)縮聚反應(yīng)而得到的酚醛樹脂是最早被合成的熱固性樹脂，一般說來，酚和醛的縮聚產(chǎn)物通稱為酚醛樹脂。19世紀(jì)后期就已成功地合成了一系列的酚醛樹脂。 酚醛樹脂的合成和固化過程遵循體型縮聚反應(yīng)的規(guī)律，控制不同的合成條件，可以得到兩種不同的酚醛樹脂PhPhenolicResin16酚醛樹脂的合成

熱固性酚醛樹脂羥甲基酚進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)17熱塑性酚醛樹脂強(qiáng)酸條件下，得到一種線形熱塑性樹脂體系中不含有羥甲基活性基團(tuán)，必須加入固化劑六次甲基四胺18特點(diǎn)：合成方便，價(jià)格低廉，且具有阻燃性、耐燒蝕性、低發(fā)煙性，耐熱性（180℃），常用于燒蝕材料，飛機(jī)內(nèi)部裝飾、電工材料。缺點(diǎn)：收縮率大，成型壓力高，制品空隙含量高195.1.5不飽和聚酯樹脂UP-UnsaturatedPolyesterResin

不飽和聚酯樹脂是由不飽和二元酸或酸酐、飽和二元酸或酸酐與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)而成的低聚物，分子鏈一般為線形結(jié)構(gòu)，可溶，分子量較低，而主鏈上同時(shí)具有重復(fù)酯鍵和不飽和雙鍵205.1.5.1不飽和聚酯樹脂的合成2）生成的羥基酸進(jìn)一步進(jìn)行縮聚反應(yīng)，如羥基酸分子間縮聚或羥基酸與二元醇進(jìn)行縮聚反應(yīng)二元酸酐二元醇羥基酸1）21

順丁烯二酸酐型不飽和聚酯樹脂是UP中最重要的一類順式與反式順式反式225.1.5.2不飽和聚酯樹脂的固化UP可通過引發(fā)劑、光、高能輻射等引發(fā)分子鏈中的雙鍵與可聚合的乙烯類單體（固化劑）進(jìn)行游離基型共聚反應(yīng)，使先型的聚酯分子鏈交聯(lián)成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分子一般成型過程與固化過程同步進(jìn)行235.1.5.3不飽和聚酯樹脂的性能UP是目前復(fù)合材料領(lǐng)域用量最大的一類樹脂基體，主要用于GF復(fù)合材料主要優(yōu)點(diǎn)：1.工藝性能良好，室溫下粘度低，可以在室溫下固化、常壓下成型，顏色淺，可以制作彩色制品，有多種措施來調(diào)節(jié)其工藝性能等2.固化后樹脂的綜合性能良好3.價(jià)格低廉，遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂，略高于酚醛樹脂主要缺點(diǎn)：固化時(shí)體積收縮率大，成型時(shí)氣味和毒性較大，耐熱性較差（80℃）245.1.6熱塑性基體1)聚烯烴樹脂2)聚酰胺樹脂3)聚甲醛樹脂4)聚醚醚酮樹脂5)聚醚酮酮樹脂6)聚苯硫醚樹脂255.2

聚合物基復(fù)合材料265.2.1聚合物基復(fù)合材料的制造技術(shù)聚合物基復(fù)合材料的制造大體包括如下的過程：預(yù)浸料的制造，制件的鋪層，固化及制件的后處理與機(jī)械加工等。聚合物基復(fù)合材料的常用制造工藝包括：手糊工藝、纖維纏繞、拉擠、熔融流動(dòng)等27

手糊成型（HandLay-up）是用于制造熱固性樹脂復(fù)合材料的一種最原始、最簡(jiǎn)單的成型工藝。其工藝過程是先在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物、反復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度為止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型），或者利用樹脂體系固化時(shí)放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。5.2.1.1手糊成型28樹脂膠液配制增強(qiáng)材料準(zhǔn)備手糊成型固化脫模修整檢驗(yàn)?zāi)＞邷?zhǔn)備成品29手糊工藝中的模具模具：手糊成型工藝所使用的模具分為單模和對(duì)模兩類。單模又分為陰模和陽(yáng)模兩種。不論單?；?qū)δ６伎梢愿鶕?jù)工藝要求設(shè)計(jì)成整體式或拼裝式。幾種常用的模具結(jié)構(gòu)形式如下：

陰模示意圖陽(yáng)模示意圖對(duì)模示意圖30手糊工藝中的脫模劑脫模劑：為使已經(jīng)固化成型的復(fù)合材料制品容易地從模具上取下，必須在模具的工作面上涂以脫模劑，以制得表面平整光潔的制品，并保證模具完好無損，可重復(fù)使用。常用的脫模劑有薄膜型、溶液型和油蠟型三類31手糊工藝中的膠衣層膠衣層：為了改善玻璃鋼制品的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，在制品表面往往做一層樹脂含量較高、性能較好的面層，它可以是純樹脂層，也可用表面氈增強(qiáng)，通常稱為膠衣層。32糊制：待膠衣層凝膠后（發(fā)軟而不黏手）即可糊制。先在模具上刷一層樹脂，然后鋪一層玻璃布，如此重復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。33固化：手糊成型一般采用常溫固化。糊制工段的室溫應(yīng)保持在15℃以上，濕度不高于80％。制品在凝膠后需要固化到一定程度才可脫模，脫模后繼續(xù)在大于15℃的室溫條件下固化或加熱處理。判斷玻璃鋼的固化程度，除強(qiáng)度外，常用的方法是測(cè)定其巴柯爾硬度值。34脫模、修整與裝配：當(dāng)制品固化到脫模強(qiáng)度時(shí)，便可進(jìn)行脫模。脫模后的制品要進(jìn)行機(jī)械加工，除去毛邊、飛刺，修補(bǔ)表面和內(nèi)部缺陷。裝配主要是對(duì)大型制品而言的。35手糊工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

手糊成型工藝是復(fù)合材料最早的一種成型方法，屬勞動(dòng)密集型工藝，通常用于性能和質(zhì)量要求一般的玻璃鋼制品。雖然它在各國(guó)復(fù)合材料成型工藝中所占比重呈下降趨勢(shì)，但仍不失為主要成型工藝。這是由于手糊成型具有下列優(yōu)點(diǎn)所決定的：(1)

手糊成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)。(2)設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低。(3)工藝簡(jiǎn)便。36(4)

易于滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料，可設(shè)計(jì)性好。(5)制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。手糊成型的缺點(diǎn)為：(1)生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)衛(wèi)生條件差。(2)產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。(3)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品性能較低。37噴射成型（Spray-up）是為提高手糊成型效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度而在60年代發(fā)展起來的一種半機(jī)械化成型工藝。它是將混有引發(fā)劑的樹脂和混有促進(jìn)劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè)噴出或混合后噴出，同時(shí)將纖維粗紗用切斷器切斷并從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具上，待材料在模具上沉積一定厚度后。用手輥壓實(shí)、除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化脫模成制品。5.2.1.2噴射成型工藝38噴射成型工藝示意圖（兩罐系統(tǒng)）39場(chǎng)地噴射成型場(chǎng)地除滿足手糊工藝要求外，要特別注意環(huán)境排風(fēng)。根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小，操作間可建成密閉式，以節(jié)省能源。噴射成型的生產(chǎn)準(zhǔn)備40噴射成型的材料準(zhǔn)備原材料主要是樹脂(主要UP)和無捻玻纖粗紗。模具準(zhǔn)備準(zhǔn)備工作包括清理、組裝及涂脫模劑等。噴射成型設(shè)備

噴射成型機(jī)分壓力罐式和泵供式兩種：41泵式供膠噴射成型機(jī)泵式供膠噴射成型機(jī)，是將樹脂引發(fā)劑和促進(jìn)劑分別由泵輸送到靜態(tài)混合器中，充分混合后再由噴槍噴出，稱為槍內(nèi)混合型。樹脂泵和助劑泵由搖臂剛性連接，調(diào)節(jié)助劑泵在搖臂上的位置，可保證配料比例。在空壓機(jī)作用下，樹脂和助劑在混合器內(nèi)均勻混合，經(jīng)噴槍形成霧滴，與切斷的纖維連續(xù)地噴射到模具表面。這種噴射機(jī)只有一個(gè)膠液噴槍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，引發(fā)劑浪費(fèi)少，但因系內(nèi)混合，使完后要立即清洗，以防止噴射堵塞。42壓力罐式供膠噴射機(jī)壓力罐式供膠噴射機(jī)是將樹脂膠液分別裝在壓力罐中，靠進(jìn)入罐中的氣體壓力，使膠液進(jìn)入噴槍連續(xù)噴出。工作時(shí)，接通壓縮空氣氣源，使壓縮空氣經(jīng)過氣水分離器進(jìn)入樹脂罐、玻纖切割器和噴槍，使樹脂和玻璃纖維連續(xù)不斷的由噴槍噴出，樹脂霧化，玻纖分散，混合均勻后沉落到模具上。這種噴射機(jī)是樹脂在噴槍外混合，故不易堵塞噴槍嘴。43噴射成型的優(yōu)缺點(diǎn)

噴射成型也稱半機(jī)械化手糊法。在國(guó)外，噴射成型的發(fā)展方向是代替手糊。噴射成型的優(yōu)點(diǎn)是：1.利用粗紗代替玻璃布，可降低材料費(fèi)用。2.半機(jī)械操作，生產(chǎn)效率比手糊法高2~4倍，尤其對(duì)大型制品，這種優(yōu)點(diǎn)更為突出。3.噴射成型無接縫，制品整體性好。4.減少飛邊、裁屑和剩余膠液的損耗。噴射成型的缺點(diǎn)：

樹脂含量高，制品強(qiáng)度低，產(chǎn)品只能單面光滑，現(xiàn)場(chǎng)粉塵大，工作環(huán)境差。44噴射成型的應(yīng)用

噴射成型的效率達(dá)15kg/min，適合于大型制件的制造利用噴射法可以制作汽車車身、船體、廣告模型、整體衛(wèi)生間、建筑構(gòu)件、機(jī)器外罩、容器、大型浮雕等。45樹脂傳遞模塑成型

(ResinTransferMolding，RTM)，也稱為壓注成型，是先將增強(qiáng)劑置于模具中形成一定的形狀，再將樹脂注射進(jìn)入模具、浸漬纖維并固化的一種復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，是纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的主要成型工藝之一。5.2.1.3樹脂傳遞模塑成型

46

RTM成型工藝原理示意圖1—壓縮空氣；2—樹脂罐；3—制品；4—模具；5—樹脂接受器47

RTM成型工藝流程圖48RTM成型工藝中的模具制備和噴涂膠衣工序與手糊成型工藝相同，如果制備無膠衣制品，則膠衣噴涂工序可省略。49RTM成型工藝的特點(diǎn)是：1.閉模操作，不污染環(huán)境，有機(jī)物的揮發(fā)量大大低于手糊成型。2.成型效率高，可以制造兩面光的制品。3.增強(qiáng)材料可以按設(shè)計(jì)進(jìn)行鋪放。4.原材料及能源消耗少，投資少。5.RTM技術(shù)適用范圍廣，目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。缺點(diǎn)：模具設(shè)計(jì)和加工比較復(fù)雜50纏繞成型（FilamentWinding）是一種將浸漬了樹脂的紗或絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模（Mandrel）上、常壓下在室溫或較高溫度下固化成型的一種復(fù)合材料制造工藝,是一種生產(chǎn)各種尺寸（直徑6mm-6m）回轉(zhuǎn)體的簡(jiǎn)單有效的方法。根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。5.2.1.4纏繞成型

5152其中，濕法纏繞是最普通的纏繞方法。從紗架上引出的紗線經(jīng)集束后進(jìn)入膠槽浸漬樹脂后，經(jīng)刮膠器擠出多余的樹脂，再由小車上的繞絲頭鋪放在旋轉(zhuǎn)的芯模上。在纏繞成型過程中，紗線必須遵循一定的路徑、滿足一定的纏繞線型。

53芯模（Mandrels）結(jié)構(gòu)既有簡(jiǎn)單的也有復(fù)雜的，其所用材料的種類繁多。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內(nèi)脫出。采用何種材料及結(jié)構(gòu)，取決于制品的形狀、體積、重量、內(nèi)腔表面光潔度、固化規(guī)范及生產(chǎn)制品數(shù)量。常見種類有隔離板式、分片組合式、管式等。內(nèi)襯是在纏繞前加在芯模外部，纏繞固化后粘附于制品內(nèi)表面的一層材料。其主要作用是防止高壓氣體逸漏（如高壓氣瓶）、滿足制品的高、低溫性能要求（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）、滿足制品的防腐性能要求（如化工儲(chǔ)罐）。內(nèi)襯材料一般為鋁、橡膠或塑料等。54芯模設(shè)計(jì)的基本要求①要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應(yīng)力，二次加工時(shí)的切削力等；②能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；③保證產(chǎn)品固化后，能順利從制品中脫出；④制造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，取材方便。5556575859纏繞成型的優(yōu)缺點(diǎn)與其他成型工藝相比，纖維纏繞成型工藝生產(chǎn)復(fù)合材料制品具有如下特點(diǎn)：比強(qiáng)度高，可超過鈦合金。制品質(zhì)量高而穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)。成本較低，通常采用無捻粗紗作原料，生產(chǎn)效率高。制品呈各向異性，強(qiáng)度的方向性比較明顯；層間剪切強(qiáng)度低。制品的幾何形狀有局限性，僅適用于制造圓柱體、球體及某些正曲率回轉(zhuǎn)體制品，對(duì)負(fù)曲率回轉(zhuǎn)體制品難以纏繞；設(shè)備及輔助設(shè)備較多，投資較大。60

纏繞成型應(yīng)用很廣，在宇航及軍事領(lǐng)域用干制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，火箭發(fā)射管、雷達(dá)罩、各種兵器（如小型導(dǎo)彈、魚雷、水雷等）、直升機(jī)部件（如螺旋槳、起落架、尾部構(gòu)件、穩(wěn)定器）。商業(yè)領(lǐng)域用于各種儲(chǔ)罐（如石油或天然氣儲(chǔ)罐）、防腐管道、壓力容器、煙囪管或襯里、車載升降臺(tái)懸臂、避雷針、化學(xué)儲(chǔ)存或加工容器、汽車板簧及驅(qū)動(dòng)袖、氣輪機(jī)葉片等。纏繞成型的應(yīng)用61拉擠成型（Pultrusion）是高效率生產(chǎn)連續(xù)、恒定截面復(fù)合型材的一種自動(dòng)化工藝技術(shù)。將浸漬了樹脂膠液的連續(xù)纖維，通過成型模具，在模腔內(nèi)加熱固化成型，在牽引機(jī)拉力作用下，連續(xù)拉拔出型材制品。該工藝適用于制造各種不同截面形狀的管、棒、角形、工字形、槽型、板材等型材。5.2.1.5拉擠成型

62

拉擠成型工藝原理如下圖所示，主要工藝步驟包括纖維輸送、纖維浸漬、成型與固化、夾持與拉拔、切割。1—纖維；2—分紗板；3—樹脂槽；4—纖維分配器；5—預(yù)成型模；6—成型模具；7—牽引器；8—切割器63各種拉擠型材64拉擠成型工藝的特點(diǎn)是：1.設(shè)備造價(jià)低、生產(chǎn)效率高、可連續(xù)生產(chǎn)任意長(zhǎng)的各種異型制品、原材料的有效利用率高，基本上無邊角廢料。2.它只能加工不含有凹凸結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)條狀制品和板狀制品。3.制品性能的方向性強(qiáng)，剪切強(qiáng)度較低，必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。

拉擠成型制品包括各種桿棒、平板、空心管或型材，廣泛應(yīng)用于絕緣梯子架、電絕緣桿等電器材料，欄桿、管道等耐腐蝕結(jié)構(gòu)，釣魚桿、撐桿跳桿、高爾夫球拍桿、滑雪板等運(yùn)動(dòng)器材中。65

模壓成型（Molding）工藝是指將模壓料置于金屬對(duì)模中，在一定的溫度和壓力下，壓制成型為復(fù)合材料制品的一種成型工藝5.2.1.6模壓成型

模壓示意圖66

將經(jīng)過預(yù)混或預(yù)浸后的短纖維狀物料在模具中成型為復(fù)合材料制品，主要用于制備高強(qiáng)度異型復(fù)合材料制品或具有耐腐蝕、耐熱等特殊性能的制品，樹脂基體一般采用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等，玻璃纖維長(zhǎng)度為30-50mm，纖維含量為50％-60％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。短纖維料模壓法

67

短纖維模壓料中玻璃纖維含量較大，要使玻璃纖維與樹脂一起流動(dòng)是相當(dāng)困難的，只有在樹脂粘度足夠大粘性很強(qiáng)，與纖維緊密地動(dòng)結(jié)在一起的條件下，才能使樹脂與纖維同時(shí)流動(dòng)，這一特點(diǎn)決定了高強(qiáng)度短纖維模壓成型工藝所用的成型壓力比其他工藝方法要高。模壓成型工藝分為壓制前的準(zhǔn)備和壓制兩個(gè)階段，其工藝流程如下：

68模具預(yù)熱脫模劑涂刷料的稱量料預(yù)熱或預(yù)成型裝模壓制脫模打底及輔助加工檢查成品后處理壓制前準(zhǔn)備壓制69

用不飽和聚酯樹脂作為粘結(jié)劑充分浸漬短切纖維或氈片、經(jīng)增稠而得。片狀模塑料的特點(diǎn)是較低的模壓溫度和壓力，尤其適合大面積制品的成型。缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)高，設(shè)備操作及過程控制較復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求較高。成型工藝比較簡(jiǎn)單，模壓時(shí)所需的溫度及壓力較低，成型速率快。模壓時(shí)將片狀模塑料剪裁成所需的形狀，揭去兩面薄膜，按所需的加料層數(shù)疊合后放在模具上即可按規(guī)定的工藝參數(shù)壓制成型。

片狀模塑料（SMC）模壓法

70壓制前的準(zhǔn)備加料成型脫模修整成品校正71氈料模壓法：將浸氈機(jī)組制備的連續(xù)玻璃纖維預(yù)浸氈剪裁成所需形狀，在金屬對(duì)模中壓制成制品。碎布料模壓法：將浸漬過樹脂的玻璃布或其他織物的下腳料剪成碎塊，在模具中壓制成型，該法適用于形狀簡(jiǎn)單、性能要求一般的復(fù)合材料制品。層壓模壓法：該法是介于層壓與模壓之間的一種工藝，是將預(yù)浸漬的玻璃布或其他織物裁剪成所需形狀，在金屬對(duì)模中層疊鋪設(shè)壓制成異型制品，它適用于大型薄壁制品或形狀簡(jiǎn)單而有特殊要求的制品。72纏繞模壓法：該法是結(jié)合纏繞成型與模壓成型的一種工藝，是將預(yù)浸漬的玻璃纖維或布帶纏繞在一定的模型上，再在金屬對(duì)模中加熱加壓成型制品，它適用于有特殊要求的管材或回轉(zhuǎn)體截面制品。織物模壓法：該法是將預(yù)先織成所需形狀的二維或三維織物浸漬樹脂后，在金屬對(duì)模中壓制成型。它與一般模壓制品相比，有更好的重復(fù)性和可靠性，是發(fā)展具有特殊件能要求模壓制品的一種有效途徑。73定向鋪設(shè)模壓法：該法是按制品的受力狀態(tài)進(jìn)行定向鋪設(shè)，然后將定向鋪設(shè)的坯料放在金屬對(duì)模內(nèi)成型，這種方法適用于單向、雙向大應(yīng)力制品的制造。預(yù)成型坯模壓法：先將玻璃纖維用吸附法制成與制品形狀相似的預(yù)成型坯，再把它放入金屬模具內(nèi)、預(yù)成型坯上倒入配制好的樹脂，在一定的溫度壓力下壓制成型。這種方法適用于形狀復(fù)雜制品的制造，具有材料成本低、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。74

袋壓成型工藝是在手糊成型的未固化制品上，通過橡膠袋或聚乙烯、聚丙烯醇袋向其施加氣體或液體壓力使制品在壓力下密實(shí)、固化成型的工藝方法。袋壓成型工藝可分為兩種：加壓袋法和真空袋法袋壓成型

75

加壓袋法：是在經(jīng)手糊或噴射成型后未固化的玻璃鋼表面放上一個(gè)橡膠袋，固定好上蓋板，然后通入壓縮空氣或蒸汽，使玻璃鋼表面承受一定壓力，同時(shí)受熱固化而得制品。加壓袋法76

真空袋法：是將經(jīng)手糊或噴射成型后未固化的玻璃鋼，連同模具，用一個(gè)大的橡膠袋或聚乙烯醇薄膜包上，抽真空，使玻璃鋼表面受大氣壓力，固化后即得制品。真空袋法77注射成型（InjectionMolding）是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的一種重要成型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用最廣。增強(qiáng)纖維主要為短切玻璃纖維、其次為短切碳纖維（幾毫米長(zhǎng)）。注射成型工藝所得制品的精度高、生產(chǎn)周期短、效率較高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，除氟樹脂外，幾乎所有的熱塑性樹脂都可以采用這種方法成型。注射成型工藝

78該方法是將顆粒狀樹脂、短切纖維送人注射腔內(nèi)加熱熔化和混合均勻，并以一定的擠出壓力注射到溫度較低的密閉模具中、經(jīng)過冷卻定型后，開模便得到復(fù)合材料制品。整個(gè)過程包括加料、熔化、混合、注射、冷卻硬化和脫模等步驟。注射成型工藝要求樹脂與短切纖維的混合均勻，混合體系有良好的流動(dòng)性，而纖維含量不宜過高，一般在30％~40％左右。79

離心成型工藝在復(fù)合材料制品生產(chǎn)中，主要是用于制造管材（地埋管），它是將樹脂、玻璃纖維和填料按一定比例和方法加入到旋轉(zhuǎn)的模腔內(nèi)，依靠高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使物料擠壓密實(shí)，固化成型。離心成型工藝

80與纏繞加紗玻璃鋼管相比，其最大特點(diǎn)是剛度大，成本低，管壁可以按其功能設(shè)計(jì)成多層結(jié)構(gòu)。離心法制管質(zhì)量穩(wěn)定，原材料損耗少，其綜合成本低于鋼管。離心玻璃鋼管的應(yīng)用前景十分廣闊，可廣泛應(yīng)用于給水及排水工程干管，油田注水管、污水管、化工防腐管等領(lǐng)域。815.2.1.7夾層結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

夾層結(jié)構(gòu)一般是由三層材料制成的復(fù)合材料。夾層復(fù)合材料的上下面層是高強(qiáng)度、高模量材料，中間層是較厚的輕質(zhì)材料，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)實(shí)際上是復(fù)合材料與其它輕質(zhì)材料的再?gòu)?fù)合。采用夾層結(jié)構(gòu)方式是為了提高材料的有效利用率和減輕結(jié)構(gòu)重量。

82

我國(guó)設(shè)計(jì)制造的玻璃鋼過街人行橋、公路橋、汽車和火車保溫泠藏車等，均采用了玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)，滿足了重量輕、強(qiáng)度高、剛度大、隔熱、保溫等多性能要求。在要求透微波的雷達(dá)罩中，玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)已成為其它材料不能與之相比的專用材料。83蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是采用玻璃鋼薄板作蒙皮，蜂窩材料（玻璃布蜂窩、紙蜂窩或其它棉布及鋁蜂窩等）做夾芯層。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的重量輕，強(qiáng)度高，剛度大，多用作結(jié)構(gòu)尺寸大、強(qiáng)度要求高的結(jié)構(gòu)件，如玻璃鋼橋的承重板、球形屋頂結(jié)構(gòu)、雷達(dá)罩、反射面、冷藏車地板及箱體結(jié)構(gòu)等。84玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的種類與特點(diǎn)

泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)是采用玻璃鋼薄板作蒙皮（面板），泡沫塑料做夾芯層，泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是蒙皮和泡沫塑料夾芯層粘接牢固、受力不大和保溫隔熱性能要求高的部件，如飛機(jī)尾翼、保溫通風(fēng)管道及樣板等。85

梯形和矩形帶頭作用層結(jié)構(gòu)

這種帶頭作用層結(jié)構(gòu)的面板（蒙皮）為玻璃鋼薄板，夾芯層是玻璃鋼梯形板或矩形板。這種夾層結(jié)構(gòu)方向性強(qiáng)，僅適用于做高強(qiáng)平板，不宜用于彎曲形狀的制品。86

圓環(huán)形夾層結(jié)構(gòu)是用玻璃鋼薄板作蒙皮，用玻璃鋼圓環(huán)做夾芯層。這種夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是芯材耗量少，強(qiáng)度比較高，平板受力無方向性，最適宜做采光用的透明玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)板材，具有遮擋少、透光率高的特點(diǎn)。87產(chǎn)品外形構(gòu)造及尺寸大小材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求產(chǎn)品生產(chǎn)批量大小和供貨時(shí)間設(shè)備條件、技術(shù)水平等5.2.2聚合物基復(fù)合材料成型工藝選擇885.3聚合物基復(fù)合材料的基本性能聚合物基復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度及比模量高

比強(qiáng)度、比模量高89材料密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(GPa)彈性模量(×102GPa)比強(qiáng)度(×105cm)比模量(×105cm)鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃纖維復(fù)合材料2.01.060.40.530.20碳纖維Ⅱ/環(huán)氧復(fù)合材料1.451.51.41.030.97碳纖維Ⅰ/環(huán)氧復(fù)合材料1.61.072.40.671.5有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料1.41.40.81.00.57硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料2.11.382.10.661.0各種材料的力學(xué)性能90纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度等方面具有明顯的各向異性。通過鋪層設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，可能出現(xiàn)各種形式和不同程度的各向異性。各向異性這一特性使復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為復(fù)雜化，但也可作為一種優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)加以利用。如采用合理的鋪層可在不同的方向分別滿足設(shè)計(jì)要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更為合理，能明顯地減輕重量和更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的效能。各向異性

91金屬材料的疲勞破壞常常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而聚合物基復(fù)合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴(kuò)展。因此，其疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，破壞前有明顯的預(yù)兆。大多數(shù)金屬材料的疲勞極限是其抗拉強(qiáng)度的40％~50%，而碳纖維/聚酯復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限可為其拉伸強(qiáng)度的70％~80％。耐疲勞性能好

92受力構(gòu)件的自振頻率除了與其本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與材料比模量的平方根成正比。復(fù)合材料的比模量大，因而它的自振頻率很高，在通常加載速率下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象。同時(shí)復(fù)合材料中存在大量纖維與基體的界面，由于界面對(duì)振動(dòng)有反射和吸收作用，使材料的振動(dòng)阻尼很高。

減震性好

93聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)、理化性能除了由纖維、樹脂的種類及體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層次序和層數(shù)密切相關(guān)。因此，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同，可以通過改變纖維、基體的種類及相對(duì)含量，纖維集合形式及排布方式等滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的設(shè)計(jì)要求?？稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)94在制造聚合物基復(fù)合材料的同時(shí)，也就獲得了制件?？梢淮纬尚?，即使結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的大型制件也可能一次成型。這對(duì)于一般工程塑料是難以實(shí)現(xiàn)的。聚合物基復(fù)合材料的這一特性是部件中的零件數(shù)目明顯減少，避免了接頭過多，顯著降低了應(yīng)力集中。同時(shí)，相應(yīng)的減輕了部件質(zhì)量，減少了制造工序和加工量，大量節(jié)省原材料，縮短了加工周期，降低了成本。材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性95

與金屬材料相比，熱膨脹系數(shù)低