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1、第四章第四章 复合材料制备工艺复合材料制备工艺站长素材 SC.CHINAZ.COM 站长素材 SC.CHINAZ.COM第一节第一节 聚合物基复合材料聚合物基复合材料21.1 1.1 聚合物复合材料的分类聚合物复合材料的分类1.1.1 1.1.1 纤维增强纤维增强FRCFRC 1 1按纤维形态：按纤维形态：连续纤维和非连续纤维；连续纤维和非连续纤维；2 2按铺层方式：单向；织物；三维；按铺层方式：单向；织物；三维；3 3按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶芳纶KevlarKevlar纤维；混杂纤维；纤维；混杂纤维；1.1.2 1.1.2 晶须增强晶须增强WRCWRC
2、 1.1.3 1.1.3 粒子增强粒子增强PRCPRC 31.2 1.2 聚合物复合材料的性能聚合物复合材料的性能1 1高比强、高比模量。高比强、高比模量。2 2设计性强、成型工艺简单。设计性强、成型工艺简单。3 3热膨胀系数低，尺寸稳定。热膨胀系数低，尺寸稳定。4 4耐腐蚀、抗疲劳性能好。耐腐蚀、抗疲劳性能好。5 5减震性能好。减震性能好。6 6高温性能好，耐烧蚀性好。高温性能好，耐烧蚀性好。7 7平安性能好。平安性能好。4聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较材材 料料GFRPGFRP玻璃纤维增强玻璃纤维增强热固热固性塑料（性塑料（玻璃钢）玻璃钢）CFRP 碳纤维增强热碳纤维增强热固性
3、塑料固性塑料 钢钢铝铝钛钛密度密度,g/cm32.01.6 7.82.8 4.5拉伸强度拉伸强度,GPa1.21.81.4 0.48 1.0比强度比强度600 1120 180 170210拉伸模量拉伸模量,GPa 42130 210 77110比模量比模量21 81272725热膨胀系数热膨胀系数(10-6/K)8 0.2 12 23 9.05聚合物基复合材料的工艺特点材料的形成与制品的成型是同时完成的材料的形成与制品的成型是同时完成的树脂基复合材料的成型比较方便树脂基复合材料的成型比较方便树脂的流动性树脂的流动性1.3 聚合物复合材料的制备工艺聚合物复合材料的制备工艺6聚合物基复台材料的制
4、造技术预浸料的制造预浸料的制造制件的铺层制件的铺层固化固化制件的后处理与机械加工制件的后处理与机械加工781.3.1 预浸料预浸料/预混料制备预混料制备 预浸料是指定向排列的连续纤维单向、织物预浸料是指定向排列的连续纤维单向、织物 浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后 所形成的较厚的片所形成的较厚的片SMC、GMT团状团状BMC或粒状或粒状 半成品以及注射模塑料半成品以及注射模塑料IMC。SMC片状模塑料；片状模塑料；GMT玻璃毡增强热塑性塑料；玻璃毡增强热塑性塑
5、料；BMC团状模塑料；团状模塑料；IMC颗粒状注射模塑料；颗粒状注射模塑料；91预浸料制备：预浸料制备：a热固性预浸料制备浸料的制备分轮鼓缠绕法和列陈排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。b热塑性预浸料制造 预浸渍技术：溶液预浸和熔融预浸两种，其特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维。后浸渍技术：膜层叠、粉末浸叠、纤维混杂，纤维混编等，其特点是预浸料中树脂以粉末、纤维成包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。1011膜层叠膜层叠是将增强剂与树脂薄膜交替铺层，在高温高压下使树脂熔融并浸渍纤维，制成平板或其它一些形状简单的制品。增强剂一般采用织物，使之在高温、
6、高压浸渍过程中不易变形。具有适用性强、工艺及设备简单等优点。粉末浸渍粉末浸渍是将热塑性树脂制成粒度与纤维直径相当的微细粉末，通过流态化技术使树脂粉末直接分散到纤维束中，经热压熔融即可制成充分浸渍的预浸料。粉末浸渍的预浸料有一定柔软性，铺层工艺性好，比膜层叠技术浸渍质量高，成型工艺性好，被广泛采用122 2预混料制造预混料制造 a.SMC(a.SMC(片状模塑料片状模塑料)和和BMC(BMC(团状模塑料团状模塑料)制造：制造：可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、枯燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。枯燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。组成组成:包括短
7、切玻璃纤维、树脂、引发剂、包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。固化剂或催化剂、填料等。SMC SMC一般用专用一般用专用SMCSMC机组制造；机组制造；BMC BMC用捏合法制造。用捏合法制造。13片状模塑工艺14b.GMT(b.GMT(玻璃毡增强热塑性塑料玻璃毡增强热塑性塑料)制造：制造：GMTGMT是一种类似于热固性是一种类似于热固性SMCSMC的复合材料半的复合材料半成品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或成品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或连续纤维。连续纤维。c.IMC(c.IMC(颗粒状注射模塑料颗粒状注射模塑料)制造：制造：IMCIMC一般使用双螺杆挤出机制
8、造，由切割机一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为切断，长度一般为36mm36mm。151.3.2 成型工艺成型工艺1手糊成型手糊成型 用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单最简单的成型工艺。的成型工艺。a.用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，b.通过浇、刷或喷的方法加上树脂；通过浇、刷或喷的方法加上树脂；纱或毡纱或毡也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。法赶出其中的空气。c.如此反复，直到所需厚度。如此反复，直到所需厚度。固化通常
9、在常温、常压下进行，也可适当加热，固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时参加催化剂或促进剂以加快固化。或常温时参加催化剂或促进剂以加快固化。1617（2）压力成型：）压力成型：a.袋压成型：袋压成型：真空袋成型；真空袋成型；压力袋成型压力袋成型；袋压成型是最早最广泛用于袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型预浸料成型的工艺之一。将铺的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在在热压下固化热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件结构形状的构件。
10、18b.热压罐成型热压罐成型工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力。固化压力通常在通常在0.35-0.7MPa0.35-0.7MPa。1-橡皮囊；橡皮囊；2-成型套；成型套；3-模具；模具；4-毛坯；毛坯；5-弓形夹；弓形夹；6-热压罐；热压罐；7-底板；底板；193 缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较
11、高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。化成型的一种复合材料制造工艺。204拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。215 5模压成型：对模模压成型是最普通的模压成型技术。模压成型：对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。模压。22 6 6挤出成型挤出成型 是热塑性塑料
12、主要加工方法之一。枯燥的是热塑性塑料主要加工方法之一。枯燥的热塑性塑料粉料或粒料从料斗进入挤出机热塑性塑料粉料或粒料从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。的连续体。23 挤出成型工艺示意图挤出成型工艺示意图 24 7 7注射成型注射成型 注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法，注射成型是
13、热塑性塑料制品的常用成型方法，多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要 为短切纤维，纤维含量通常有为短切纤维，纤维含量通常有2020 、30%30%两种。两种。258 8喷射成型喷射成型 这是一种半机械化成型技术。它是将混有引这是一种半机械化成型技术。它是将混有引发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊
14、压上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制品。品。26 喷射成型原理图喷射成型原理图 279 9树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成 一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化 的一种复合材料生产工艺，是的一种复合材料生产工艺，是FRPFRP纤维增强塑纤维增强塑 料的主要成型工艺之一。料的主要成型工艺之一。特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品 可设计性、可方向性增强、制品综合性能方
15、面优可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优 于于SMCSMC、BMCBMC。28树脂传递成型示意图树脂传递成型示意图 293031树脂基复合材料的性能特点树脂基复合材料的性能特点树脂基复合材料作为一种复合材料，树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独立物理相，包含是由两个或两个以上的独立物理相，包含基体材料树脂和增强材料所组成的一基体材料树脂和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：特点：1各向异性短切纤维复合材料各向异性短切纤维复合材料等显各向同性；等显各向同性；2不均质或结构组织质地的不不均质或结构组织质地的不连续性
16、；连续性；3呈粘弹性行为；呈粘弹性行为；4纤维或树脂体积含量不同，纤维或树脂体积含量不同，材料的物理性能差异；材料的物理性能差异；5影响质量因素多，材料性能多影响质量因素多，材料性能多呈分散性。呈分散性。表征其复合后材料的性能。表征其复合后材料的性能。321.3.3 PMC1.3.3 PMC的界面的界面 (1)PMC (1)PMC的界面特点：的界面特点：A A大多数界面为物理粘结，结合强度较低，大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶竭力、氢键等物理结合力主要来自如色散力、偶竭力、氢键等物理 粘结力。偶联剂与纤维的结合化学反响或氢键粘结力。偶联剂与纤维的结合化学反响或氢键 也不稳定，可能被环境水、化学介质等破坏。也不稳定，可能被环境水、化学介质等破坏。B BPMCPMC的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。C CPMCPMC中增强剂本身一般不与基体材料反响。中增强剂本身一般不与基体材料反响。33(2)PMC(2)PMC界面设计界面设计 根本原那么：改善浸润性、提高界面结合强度。根本原那么：改善浸润性、提
