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1、纤维增强环氧树脂复合材料（玻璃钢）成型工艺及应用一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大战以来发展很快。尽管产量小（据法国 Vetrotex 公司统计，2003 年全球复合材料达 700万吨） ，但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的 33%与 32%，以中国（含台湾省） 、日本为主的亚洲占 30%。中国大陆 2003 年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢” ）逾 90 万吨，已居世界第二位（美国 2003 年为 169 万吨，日本不足 70 万吨） 。 复合材料
2、主要由增强材料与基体材料两大部分组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。按基体材料不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 环氧树脂基复合材料的优点： 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 1）固化收缩率代低，仅 1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达 7%-8%； 2）粘结力强； 3）有 B 阶段，有利于生产工艺； 4）可低压固化，挥发份甚低； 5
3、）固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。 6）值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯树脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能（按 ASTM） 以 FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。 表 1 GF/EPR 与钢的性能比较 (准确性值得商榷，请参看相关资料) 项 目玻璃含量 GF/EPR（玻纤含量 80wt%）AISI1008冷轧钢项 目玻璃含量 GF/EPR（玻纤含量 80wt%）AISI1008冷轧钢相对密度/V 2.08 7.86 燃烧性（UL-94）V-O /拉伸强度 551.6MPa 331.0M
4、Pa 比热容 535J/kgk 233J/kgk拉伸模量 27.58GPa 206.7GPa 膨胀系数 4.010-6k-1 6.710-6k-1伸长率 1.6% 37.0% 热变形温度 204C (1.82MPa)/弯曲强度 699.5MPa / 热导率 1.85W/mk 33.7W/mk弯曲模量 34.48GPa / 介电强度 11.8106V/m /压缩强度 310.3MPa 331.0MPa 吸水率 0.5%(24h) /悬臂梁冲击强度2385J/m / 表 2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量(准确性值得商榷，请参看相关资料) 材料名称密度g/cm3拉伸强度104MPa弹性模量
5、106MPa比强度106cm比模量109cm钢 7.8 10.10 20.59 0.13 0.27铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21碳纤维/环氧树脂 1.45 14.71 13.73 / /碳纤维/环氧树脂 1.6 10.49 23.54 / /芳纶纤维/环氧树脂 1.4 13.73 7.85 / /硼纤维/环氧2.1 13.53 20.59 / / 图 1 复合材料的比强度与比刚性二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介1、手糊成型(hand lay up) 图 2 手
6、糊成型示意图(1)概要依次在模具表面上施加 脱模剂 胶衣一层粘度为 0.3-0.4PaS 的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)一层纤维增强材料(玻纤、芳纶、碳纤维.)，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。树脂硼纤维/铝 2.65 9.81 19.61 0.75 0.2树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。(2)原材料树脂 不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。纤维 玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透，亦可用。芯材 任意。(3)优点1)
7、适合少量生产；2)可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；3)可制造大型制品和型状复杂产品；4)树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计；5)可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；6)可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面(如开模成型则一面不平滑)；7)玻纤含量较喷射成型高。无捻粗纱布 50%左右织物 35%-45%短切原丝毡 30%-40% (4)缺点1)属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；2)玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限制；3)手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。(5)典型产品舰艇、风力发电机叶片
8、、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。2、树脂传递成型(RTM) 图 3 树脂传递成型示意图(1)概要RTM 是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。RTM 是一低压系统，树脂注射压力范围 0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量(体积比超过 50%)的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达 0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状(带粘结剂)，再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助注射
9、(VARI-vacuum saaistedrsin injection)。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料 制作。若采用加热工艺。宜用钢模。(2)原材料树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。法国 Vetrotex 公司开发了热塑性树脂 RTM。纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料(其纤维间的缝隙得于树脂传递)、无捻粗纱布；玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材(法国 Vetrotex 商品名 TWINTEX)。芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压力
10、会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC 等。(3)优点 1)制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；2)闭模成型，生产环境好；3)劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；4)制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高；5)成型周期较短；6)产品可大型化；7)强度可按设计要求具有方向性；8)可与芯村、嵌件一体成型；9)相对注射设备与模具成本较低。(4)缺点1)不易制作较小产品；2)因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些；3)能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。(5)典型产品小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳3、纤维缠绕(FW)
11、 图 4 纤维缠绕示意图(1)概要通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴(模)上。纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计，并由芯轴(模)转速与小车往复速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。(2)原材料树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。纤维：任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时，常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体，一般不用。(3)优点1)因为纤维迳直以合
12、理的线形铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可非常高；2)由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品；3)可制造两端封闭的制品；4)铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低；5)可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，控制树脂含量；6)可大理生产和自动化；7)机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。(4)缺点1)制品形状限于圆柱形或其它回转体；2)纤维不易沿制品长度方向精确排列；3)对于大型制品，芯模成本高；4)成品外表不是“模制”的，不尽人意；5)对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或无内衬，就易发生渗漏。(5)典型产品管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)、
13、固体火箭发动机壳体。4、RIM(Reaction Injection Molding-反应注射成型) 图 5RIM 示意图(1)概要将两种或两种以上的组分在混合区低压(0.5MPa)混合后，即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反应成型，此即为工艺过程。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚氨酯 。为增加强度，可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料。弈可采用长纤维(如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等)增强，在注射前，将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。这种工艺称为 SRIM(Structural Reaction Injectio
14、n Molding-结构反应注射成型)。(2)原材料树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系；亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本；纤维：常用长 0.2-0.4mm 的磨碎玻璃纤维；芯材：不用。(3)优点1)制造成本比热塑性塑料注射工艺低；2)可制造大尺寸、开头复杂的产品；3)固化快，适于快速生产。(4)缺点采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高，荐用矿物复合材料取代之。(5)主要产品汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。5、拉挤成型 (Pultrusion)(1)概要主要采用玻璃纤维无捻粗纱(使用前预先放置在纱架上)，它提供纵向(沿生产线方向)增强。其它类型的增强有连续原丝毡、织物等，它们补
15、充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料，改进型材料性能(如阻燃)，并降低成本。拉挤成型的程序是1)使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；2)玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍(挤胶)、基本树脂固化、复合材料定型；3)将型材按要求长度切断。现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：胶槽浸渍法：通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业性好，适于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。注入浸渍法(图 6)：玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、
16、环氧、双马来酰亚胺树脂。 图 6 注入浸渍法(2)原材料树脂：常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂；纤维：拉挤用玻璃纤维无捻粗纱、连续毡、缝编毡、缝编复合毡、织物、玻纤表面毡、聚酯纤维表面毡等；芯材：一般不用，现有以 PU 发泡材料为芯材，外为连续拉挤框型型材，作为保温墙板的。(3)优点1)典型拉挤速度 0.5-2m/min，效率较高，适于大批量生产，制造长尺寸制品；2)树脂含量可精确控制；3)由于纤维呈纵向，且体种比可较高(40%-80%)，因而型材轴向结构特性可非常好；4)主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品力学性能；5)制品质量稳定，外观平滑。(4)缺点1)模具费用较高；2)一般限于生产恒定横截面的制品。(5)典型产品建筑屋顶横梁、椽子、门窗框架型材、墙板、石油开采抽油杆、帐篷竿、梯子、桥梁、工具把、手机微波站罩壳、汽车板簧、传动轴、电缆管、光纤光缆芯、钓鱼竿、隔栅、汽车空调器罩、
