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1、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性， 自二次大占以来发展很快。 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）。复合材料主要由增强材料与
2、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。 y ，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。本文讨论环氧树 脂基复合材料。 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 固化收缩率代低，仅1%-3% ，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8% ； 粘结力强；有 B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低； 固化后力学性能、 耐化
3、学性佳， 电绝缘性能良好。 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权势脂为佳，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 玻璃含量 GF/EPR （玻纤含量 80wt%) AISI1008 冷轧钢 相对密度 2.08 7.86 V 拉伸强度 551.6Mpa 331.0MPa 拉伸模量 27.58GPa 206.7GPa 伸长率 1.6% 37.0% 弯曲强度 689.5MPa 弯曲模量 34.48GPa 压缩强度 310
4、.3MPa 331.0MPa 悬臂冲击强度 2385J/m 燃烧性（ UL-94） V-O 比热容 535J/kg?k 233J/kg?k 膨胀系数 4.0 10-6k-1 6.710-6k-1 热变形温度 204oC(1.82MPa) 热导率 1.85W/m?k 33.7W/m?k 介电强度 11.8 106V/m 吸水率 0.5%(24h) 表 2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量材料名称密度 g/cm3 拉伸强度 104MPa 弹性模量 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.
5、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 1049 23.54 芳纶纤维 / 环氧树脂 1.4 13.73 7.85 硼纤维 / 环氧树脂 2.1 13.53 20.59 硼纤维 / 铝 2.65 9.81 19.61 0.75 c2 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) （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
6、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。树脂因聚 合反应，常温固化。可加热加速固化。 （2）原材料 F gb NG 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）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
7、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、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。 2、树脂传递成型（ RTM ） （1）概要 RTM 是一种闭模低压成型的方法。 将纤维
8、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 （VARI-vacuum saaistedrsin injection)。 注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要
9、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
10、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 ） （1）概要 通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排
11、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）因为纤维迳直以合理的线形铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可
12、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）、固体 火箭发动机壳体。
13、 4、RIM(Reaction Injection Molding一反应注射成型） （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 Injection Mol
14、ding- 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
15、强有连续原丝毡、织物等， 它们补充横向增强， 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。
16、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、环氧、双 马来酰亚胺树脂。 （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
