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1、先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料科学技术研究与发展科学技术研究与发展张东兴张东兴张东兴张东兴2010-05-152010-05-152010-05-152010-05-15先进复合材料科学技术与进展内容内容l0.引言l1.树脂基复合材料的定义和分类l2.增强纤维和基体l3.树脂基复合材料结构设计基本理论l4.树脂基复合材料的疲劳l5.树脂基复合材料的制造工艺和方法l6.树脂基复合材料的无损检测l7.树脂基复合材料的优化设计l8.树脂基复合材料的应用先进复合材料科学技术与进展0.引言引言先进复合材料科学技术与进展0.引言引言大飞机计划与研发目标先进复合材料科学技术与进展1.树脂基复合材料的定
2、义和分类树脂基复合材料的定义和分类l定义n复合材料（composites materials）包含两种或两种以上物理上不同并可能用机械方法分离的材料。一般其中一种为连续相，另一种为功能增强相。n几种材料通过某种方法混合在一起获得复合性能。n复合材料的总体性能优于各单独组分材料，并在某些方面可能具有独特性能。n树脂基复合材料（PMCs: Polymer matrix composites）是一种或多种细小形状（直径为微米级）的材料（分散相或称增强体），分散于树脂基体中组成的。先进复合材料科学技术与进展1.树脂基复合材料的定义和分类树脂基复合材料的定义和分类l分类n按分散相的形状分：u长纤维（连续
3、）增强树脂基复合材料u颗粒增强树脂基复合材料u晶须增强树脂基复合材料u短纤维（不连续）增强树脂基复合材料n按增强体的纤维分：u玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）u碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）u芳纶纤维增强树脂基复合材料（AFRP）u硼纤维增强树脂基复合材料（BFRP）n按基体材料分：u热固性树脂基复合材料（Thermosetting matrix composites）u热塑性树脂基复合材料（Thermoplastic matrix composites）先进复合材料科学技术与进展2.增强纤维和基体增强纤维和基体l2.1先进增强材料l2.2高性能树脂基体先进复合材料科学技术与进展2
4、.1先进增强材料先进增强材料先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维l2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）l2.1.3聚芳酯纤维 l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维n2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维n2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维n2.1.4.4刚性高性能纤维M5l2.1.5超高分子量聚乙烯纤维l2.1.6连续玄武岩纤维先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维l按力学性能分类 :n高强型（HT）n超高强型（UHT）n高模量型（HM）n超高模量型（UHM） l按制造先驱体分类:n聚丙
5、烯腈基（PAN）碳纤维n沥青基碳纤维n粘胶丝基碳纤维（1%） n酚醛基碳纤维、聚乙烯醇基碳纤维、聚酰亚胺基碳纤维（实验室研制）先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维典型碳纤维制造商、牌号及其特性典型碳纤维制造商、牌号及其特性先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维续表续表先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维n2.1.1.1碳纤维表面改性 碳纤维经过高温碳化处理后，表面活性基团很少，使表面呈现出液性，与基体树脂润湿性很差，导致复合材料层间剪切强度低，达不到设计或实用的要求。常见的表面处理方
6、法如下：方法内容说明液相氧化法1硝酸，盐酸，过硫酸钾、硫酸，次氯酸钠，铬酸盐，双氧水间歇操作2阳极氧化；电解质为酸、碱或盐等。氧化缓和及均匀，可控性好广泛用于在线配套气相氧化法3空气氧化：工艺条件苛刻，但设备简单，氧化后碳纤维强度有所下降可在线配套4臭氧氧化：工艺简单，氧化缓和及可控可在线配套5氧等离子：研究开发阶段涂层沉积接枝6涂层PVP，PVA等7沉积：CVD，晶须8接枝：电聚合MMA，SMA等其他9气液双效法：先涂层，后氧化可在线配套10离子注入法：如硼离子研究先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.1碳纤维n2.1.1.2碳纤维发展趋势 不断提高拉伸强度：现已
7、研制碳纤维的拉伸强度仅为理论强度的5%，强度提高潜力大； 研制MJ系列碳纤维：高纯度PAN基原丝，高温技术，高温设备； 制取均质碳纤维：均质PAN原丝，均质预氧丝； 大丝束碳纤维普及：产量扩大，价格日趋下降； 纳米碳纤维：将成为新的成长点。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）n聚芳酰胺纤维是芳香族酰胺纤维的总称 ，是近年来高性能纤维材料中发展最快的纤维 。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）n2.1.2.1芳纶纤维的应用芳纶纤维主要应用在航天、航空、石油、建材、交通、运输和公安部门，
8、特别在固体火箭发动机壳体、防弹衣、轮胎、缆索和石棉代用品等方面。由于芳纶纤维的比强度、比模量明显优于高强S-994玻璃纤维，芳纶发动机壳体比玻璃增强环氧树脂的壳体容器特性系数pV/W（p为容器爆破压力，V为容器容积，W为容器质量）提高30%以上。使固体发动机的关键指标质量比突破0.92，大幅度增加导弹的射程。芳纶/环氧树脂复合材料还大量应用于制造先进的飞机，其应用部位有发动机仓、中央发动机整流罩、机翼与机身整流罩等飞机部件。此外，飞机高压轮油胶管也大量使用芳纶纤维。应用于船舶上制造战舰的防护装甲以及声纳导流罩等,是一种极有前途的重要的航空材料。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进
9、增强材料l2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）n2.1.2.2芳纶纤维的发展趋势 KOREX蜂窝芯：较NOMEX做的纸蜂窝芯的性能有很大的提高； 土木建筑基础补强材料：应用芳纶浸渍环氧树脂(FiBRA)可使构件轻量化、耐久性好； IT用高性能印刷线路板：耐更高的温度，更轻更薄，生产效率更高； 交通运输产业：轮胎，高速车厢内部隔板和天花板，质轻耐高温不燃烧； 取向纤维增强热塑性材料(0-TPC)：力学性能较普通短纤维增强塑料高出许多，强韧，耐冲击性好，操作环境无污染，存放和后加工性比较方便，适应性强先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.3聚芳酯纤维n聚芳酯纤维实际上是芳
10、香族聚酯共聚纤维。因为单纯由对苯二甲酸或其酯类与对苯二酚缩聚得到的芳香族聚酯，成丝性不好，难以纺成高性能增强纤维。共聚组分的选择目的是寻找相对廉价、能保持高强度、高模量、共聚物熔点相对较低、易纺成纤维的最佳组分和配比。目前国际上聚芳酯纤维的商品名主要有维克特兰（Vectron）和爱克诺乐（Ekonol）。 “Ekonol”纤维的化学结构“Vectron”纤维的化学结构先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.3聚芳酯纤维n2.1.3.1聚芳酯纤维的性能聚芳酯纤维最突出的性能是强度和模量与对位芳纶（PPTA）处于同一水平，但在湿态下强度保持率为100%，吸湿性、蠕变及干湿
11、态熟化处理后的收缩率皆为零，在干热和湿热处理后的强度优于PPTA纤维；耐磨性、耐切割性、耐溶剂和耐酸碱性、振动能吸收性和耐冲击周期性也优于PPTA纤维；同时，自燃性、燃烧时不熔滴、耐侯性与PPTA相似。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.3聚芳酯纤维n2.1.3.2聚芳酯纤维的应用 聚芳酯纤维几乎不吸水，尺寸稳定性良好，当用于增强橡胶和聚合物时，其界面粘结性和耐疲劳性稍差。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维聚对亚苯基苯并双噁唑纤维(PBO纤维) 在主链中含有苯环及芳杂环组成的
12、刚性棒状分子结构，以及链在液晶态纺丝形成的高度取向的有序结构，是杂环类耐高温阻燃的高强度、高模量纤维。具有蠕变小、耐磨性极好、高温下不熔融等特性。该纤维手感好，非常纤细，可制备不同的形式如连续纤维、精纺细纱、布、缝合织物、短切纤维、浆粕等。PBO产品有美国和日本东洋纺织公司生产的PBOAS，随后日本东洋纺织公司开发出名为Zylon和PBOHM的高性能PBO纤维，还有荷兰阿克苏的PBOM5，杜邦公司的PBO等九种牌号。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维u2.1.4.1.1PBO纤维的性能先进复合材料科学技术
13、与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维u2.1.4.1.2PBO纤维的改性压缩性能压缩性能 在纤维制备过程中消除温度的剧烈变化和采用共聚的方法改善纤维之间的相互作用。粘接性能粘接性能 主要通过等离子体、溶剂表面微纤（溶胀）化、化学接枝与共混等方法来改善PBO纤维的粘接性能。针对PBO纤维的特性，中国采用反应性单体并利用高能射线辐照技术对PBO纤维表面接枝处理，以改善纤维与环氧树脂基体的界面粘接性能。溶解性溶解性 拜耳公司通过引入烷氧取代基来改善溶解性；道化学公司曾研制一种联苯并双噁唑类的纤维；先进复合材料科学技术与进展2.1先进
14、增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维u2.1.4.1.3PBO纤维的应用高强绳索以及高性能帆布；高强复合材料，PBO纤维已成为高性能的新一代增强纤维，可以同时满足重量轻、高强度、高模量、耐高温性要求，因此在特种压力容器结构材料、高级体育运动竞技用品等方面已显现出巨大的应用潜力；防弹抗冲击材料，PBO纤维复合材料抗冲击性能极为优秀。因此在防弹抗冲击吸能材料领域已经得到应用，如制造飞机机身、防弹衣、头盔等；其他特种防护材料，利用其优越的耐热性、阻燃性、耐剪、耐磨等特性可以制造轻质、柔软的光缆保护外套材料、安全手套、耐热毡、特种传送带、灭火皮带、防
15、火服和鞋类等。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维 在高分子主链中含有苯并噻唑重复单元的耐高温、高模量芳杂环聚合物。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维PBT纤维之所以具有高性能，除了必要的芳杂环化学结构外，还有其分子链在轴向方向的高度取向，这是直棒状高分子在溶致性液晶态下纺丝成形的结果，从而获得迫近理想结构和性能的纤维。PBT纤维可用于石棉替代物和缆绳，是高性能复合材料的新型增强体。织物用于防弹服、航天领域中的火箭发动机壳
16、体、太阳能阵列、压力阀和空间结构架，是未来的宇航材料。中国曾进行合成工艺的基础研究和工艺与性能的研究，由于合成工艺复杂，溶剂成本高，限制了PBT纤维的发展和应用。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维 聚苯并咪唑纤维是一种具有耐高温和阻燃性能的合成纤维品种之一，商品名为PBI和托基纶（Togylon）。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维PBI纤维有复丝和短纤维两种，有较好的耐化学药品性，织物具有穿着舒适性，是很好的消防阻燃服
17、，即使碳化后仍保持柔软绝缘性。有消防服、炼钢服、焊工服、宇宙服、军服、防护手套、围裙、阻燃装饰品、高温滤带和阻燃复合材料增强纤维，高性能缝线材料及石棉代用品和缆绳等。该纤维已用作宇宙飞船重返地球时的膨胀结构件、登月服，此外制成中空纤维具有耐压性、半透性及耐热性，可作为海水淡化的反渗透膜等，是用途广泛的一种纤维。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.4刚性高性能纤维M5 1998 年 Akzo Nobel 公开报道了他们最新开发成功的一种刚性的聚合物纤维，商品名为，缩写为 PIPD。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材
18、料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.4刚性高性能纤维M5u2.1.4.4.1M5的力学性能 与其它 3 种纤维相比，M5 的抗断裂强度稍低于 PBO，远远高于芳纶（PPTA）和碳纤维，其断后延伸率为 1.4%；M5 的模量是最高的，达到了 350 GPa；M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于 PPTA 纤维和 PBO 纤维，这归因于 M5 的二维分子结构。 M5、PBT 和 PBO 纤维的拉伸 S-S 曲线 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.4刚性高性能纤维M5u2.1.4.4.2M5的阻燃性能M5的耐氧化降解与PBO纤维相
19、当，要高于 PPTA 纤维阻燃性能上，M5 要远远好于PPTA 纤维，对 M5 和 PPTA纤维的燃烧实验显示，前者即使在明火中也不能燃烧，而后者能够在同样的条件下连续燃烧。与PBO纤维相比，M5的LOI 值相对较低。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.4有机杂环类纤维n2.1.4.4刚性高性能纤维M5u2.1.4.4.3M5的应用前景作为高性能纤维，M5 可以作为先进复合材料的增强材料在航空航天等领域大有用武之地，它可作为防护材料使用，如防弹材料、军车外壳等。目前 M5 纤维还未真正应用，但由于其优越的性能，可望在原子能工业、空间环境、救险需要、航空航天、国防
20、建设、新型建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产业及防护用具等许多高技术领域得到广泛的应用。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.5超高分子量聚乙烯纤维 20世纪80年代以来，西方国家研制出了UHMWPE纤维，其弹性模量达到120GPa，拉伸强度达到4GPa左右，而且密度却小于1.0g/cm3。由于其原料价廉，对发展轻型高强度、高模量的新型复合材料具有很大优势，国外很快实现了工业化。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.5超高分子量聚乙烯纤维n2 .1.5.1超高分子量聚乙烯纤维的性能 超高分子量聚乙烯纤维具有突出的力学
21、性能，优异的电性能。其介电常数和介电损耗非常小。所以其复合材料对电磁波的透过率大于玻璃纤维复合材料，几乎全透过，是制造雷达天线罩、光纤电缆加强芯最优的新材料。在所有的高性能纤维中，UHMWPE纤维具有最高的冲击强度。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.5超高分子量聚乙烯纤维n2 .1.5.2超高分子量聚乙烯纤维的应用UHMWPE纤维具备耐溶剂性能好，价格低等优点，很有发展潜力。UHMWPE纤维复合材料最大的优点是重量大幅度地减轻，冲击强度提高，消振性明显改善，以该材料制成的防护制品如防护性护板、防弹背心、防护用头盔、飞机结构部件、坦克的防碎片内衬等有较大的实用价
22、值。由于UHMWPE纤维具有良好的化学惰性，可用于医疗器材，如缝线、人造肌肉等。 先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.6连续玄武岩纤维连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre，CBF） 是由前苏联国防部下令开发的。从1960 年代开始，经过近 30 多年的努力，在前苏联解体前终于成功开发了 CBF。并首先被应用于国防军工。1975 年 7 月17 日与苏联“联盟-19”号宇宙飞船第一次完成对接的美国“阿波罗”号宇宙飞船的结构材料上，就应用了前苏联生产的 CBF。CBF 是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在 14501500
23、熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。2003 年美国军方甚至收购了其国内一个创办不久的 CBF 生产工厂，现在这个工厂就设立在美国南部阿拉巴马州的军事基地，产品 100 % 用于国防军工，其 CBF 的具体应用至今对外秘而不宣！显然，这些年来，美国军方在 CBF 的应用研究中又发现了许多新的价值。先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.6连续玄武岩纤维n2.1.6.1连续玄武岩纤维的性能突出的耐温性能突出的抗拉强度与硅酸盐的天然相容性突出的化学稳定性l 美国德州的 CBF 工业联盟指出：“CBF 是碳纤维的低价替代品，具有一系列优异性能，尤为重要的是，由于它取
24、自天然矿石而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。美国作为世界保护环境的倡导者，将全力发展无污染的绿色工业材料，所以CBF 在复合材料的增强材料领域的应用，已引起广泛的重视并将快速发展”。显著的抗热振稳定性良好的介电性能优良的透波性能和一定的吸波性能先进复合材料科学技术与进展2.1先进增强材料先进增强材料l2.1.6连续玄武岩纤维n2.1.6.2连续玄武岩纤维的应用CBF增强树脂基复合材料是制造坦克装甲车辆的车身材料，可减轻其质量；用于制造火炮材料，尤其是用于炮管热护套材料可以大大提高火炮的命中率和射击精度。在枪弹、引信、弹匣、大口径机枪枪架、坦克装甲车辆的
25、薄板装甲、汽车发动机罩、减振装置等方面有大量的应用。CBF 在船舶工业中可大量用于船壳体、机舱绝热隔音和上层建筑。用 CBF 蜂窝板可制成火车车厢板，据悉美国通过福特、通用等汽车制造公司正在着手起草制订采用 CBF 替代碳纤维作增强材料的工业标准。用 CBF 缠绕环氧树脂的管材可用于输送石油、天然气、冷热水、化学腐蚀液体、散料、电缆管道、低压和高压钢瓶等。由于碳纤维的严重短缺，受冲击或者说影响最大的是一大批休闲体育用品的制造商，因此，CBF 在休闲体育用品中的应用也凸现出来了。首先，CBF 天然的金褐色可用于休闲体育用品的表面装饰；其次，它与碳纤维混杂使用可降低其成本，以解碳纤维价格奇高和短缺
26、带来的困惑；再是可利用 CBF 开发休闲体育用品的新产品。 先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂l2.2.2双马来酰亚胺树脂l2.2.3氰酸酯树脂l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体 先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂环氧树脂是指分子中含有二个或二个以上环氧基并在适当化学助剂如固化剂存在下能形成三向交联结构的化合物之总称。它是一种胶接性能好、耐腐蚀，且电绝缘性能和机械强度都很高的热固性树脂。它具有许多优良的性能，对金属和非金属都有很好的胶接效果，所以环氧树脂有“万能胶”之称。分类 缩水甘油醚类缩水甘油酯类缩
27、水甘油胺类脂肪族环氧化合物脂环族环氧化合物混合型环氧树脂先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.1聚苯醚(PPO)/环氧树脂u2.1.1.1.2氰酸酯/环氧树脂u2.1.1.1.3活性聚氨酯单体改性环氧-有机硅树脂u2.1.1.1.4液晶改性环氧树脂PHBHQ/CYD-128/二元胺固化体系液晶双马来酰亚胺增韧液晶环氧树脂侧链液晶环氧树脂及其固化物u2.1.1.1.5耐热性聚合物改性环氧树脂先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1
28、.1.1聚苯醚(PPO)/环氧树脂PPO/环氧树脂共混体系中，当PPO用量较大致使其成为连续相时，体系的韧性有较大幅度的提高，特别是其断裂性能改善非常明显。PPO/环氧树脂共混体系的电性能比环氧树脂有明显的改善，介电常数随着PPO的用量的增加而呈直线下降趋势。PPO/环氧树脂共混体系的耐热性能较环氧树脂有较大幅度的提高。PPO/环氧树脂共混体系改善了PPO作为铜箔基板(CCL)基材时存在的缺陷，有望成为CCL的理想基材。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.2氰酸酯/环氧树脂与环氧树脂共混是氰酸酯树脂最主要
29、的改性方法。大多数商品化的氰酸酯预浸料树脂都是CE/EP树脂的共混物。与EP树脂共混，可提高树脂的性价比，使得CE/EP共混物的某些性能比CE和EP的均聚物都要优异。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.3活性聚氨酯单体改性环氧-有机硅树脂有机硅链段的接枝改善了环氧树脂的疏水性、耐候性及耐高低温性能；但同时降低了环氧树脂与金属基体附着性强的特性，也破坏了其室温可固化性。采用活性聚氨酯单体(TDI)改性环氧-有机硅树脂(ES)则可获得改性后成膜性以及成膜后附着力、耐腐蚀性等性能明显的改善的数值。先进复合材料科
30、学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.4液晶改性环氧树脂PHBHQ/CYD-128/二元胺固化体系 对羟基苯甲酸对羟基苯酯二缩水甘油醚(PHBHQ)是一种典型的主链液晶环氧树脂，用它增韧普通环氧树脂取得了突破性进展。PHBHQ能形成介晶域，增强和诱发银纹和剪切带的形成，使环氧韧性大幅度提高；当PHBHQ的质量分数达50%时，浇铸体的冲击强度提高75%，热变形温度提高近30；随PHBHQ含量的增加凝胶时间逐渐缩短；固化度高，反应较完全；先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2
31、.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.4液晶改性环氧树脂液晶双马来酰亚胺增韧液晶环氧树脂此种共聚物具有较好的热致液晶性，其液晶织态呈向列型织构，亦能保留在交联网络结构中。已合成一种低熔点、含柔性链(C10)的双马来酰亚胺与联苯二酚为原料的液晶环氧树脂制备共聚物，增加双马型聚酰亚胺和环氧树脂的韧性，改善加工性能，制的具有较高的力学性能、耐热性的热固性树脂。液晶双马来酰亚胺与液晶环氧树脂的共聚物具有较低的交联密度和较慢的交联速度，扩展了熔程，降低了加工温度，增加了热固性聚酰亚胺的断裂韧性，并保持了良好的液晶特性。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.
32、2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.4液晶改性环氧树脂侧链液晶环氧树脂及其固化物近年来随着电子工业和信息材料的发展，尤其是非线性光学，出 现了侧链液晶环氧网络材料。制备了具有致介晶特征的二元胺。偏光显微镜观察表明液晶单功能团环氧树脂(MEP)、侧链液晶环氧树脂(SCEP)及其固化物都展示了较好的热致液晶特征，其液晶织态很典型。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.1环氧树脂改性u2.1.1.1.5耐热性聚合物改性环氧树脂有机硅硼改性环氧树脂烯丙基取代的降冰片烯二羰基酰亚胺树脂改性环氧树脂双马来酰亚胺改性环氧树脂酚酞聚醚酮(PEK-C)
33、改性环氧端基酚酞聚芳醚腈(E-PCE)改性环氧树脂新型聚醚酰亚胺(PEI)改性环氧树脂先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.2耐热性环氧树脂提高环氧树脂耐热性的方法：合成具有耐热性骨架或可提高交联密度的多官能环氧树脂；合成具有上述新型环树脂基本结构单元的胺类、酚类、酚醛类、醚胺类或高位阻型固化剂；用具有上述新型环氧树脂基本结构单元的热塑性热固性聚合物共混、链接改性普通环氧树脂。由多种环氧树脂，固化剂，无机微粉，纳米改性剂，硼、硅有机化合物或聚合物配置复合组成物。l含有聚醚砜酮结构的环氧树脂(PPESK-EP)l萘系环氧树脂l含有联苯结构的
34、环氧树脂l脂环族耐温环氧树脂TDE-85l新型双酚S环氧树脂(BPSER)先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.3耐湿性环氧树脂吸湿规律吸湿规律： 交联密度越大，吸水率亦越高； 吸水程度不能简单地仅以极性基团浓度和类型解释，自由体积 因素往往起重要作用。有效改性途径有效改性途径： 高乙烯基(HME)改性环氧 高度氟取代环氧 体系中溴含量超过15%，同时达到阻燃效果； 引入萘环、酰亚胺等结构 混入少量封闭剂，让其与体系中亲水基团反应先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.4低应力环氧树脂
35、日本三菱公司研制的低应力树脂390#很好的解决了热应力问题。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.5高韧性环氧树脂先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.1环氧树脂n2.2.1.6高性能阻燃环氧树脂u三聚磷腈环氧树脂u羟苯基磷酸酯和羟苯基氧磷型环氧树脂u阻燃性固化剂卤系 四氢邻苯二甲酸酐 四溴邻苯二甲酸酐 六氯内次甲基四氢苯二甲酸酐 二氯代顺丁烯二酸酐 卤代芳胺类化合物氮系 氰酸酯树脂 咪唑与铜、钴、镍、铬络合物 含三嗪环的酚醛树脂 2,4,6-三N-(氨杂环庚烷-乙-酮基)-1,3,5三嗪化合物磷系 磷酸酯
36、芳香胺 二(3-胺苯基)-甲基氧磷 三(3-胺苯基)氧磷 双(4-胺基苯基)亚磷酸酯 DCP聚醚二胺、PPDC聚醚二胺 硼酸酯酚醛树脂 硼氮配位结构酚醛树脂先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.1热塑性树脂改性BMI聚苯并咪唑（PBI）PES、PEI和PH聚醚酮（PEK-C）聚砜u2.2.2.1.2环氧改性BMI u2.2.2.1.3氰酸酯改性BMI u2.2.2.1.4与链烯基化合物的共聚改性u2.2.2.1.5二元胺改性BMIu2.2.2.1.6工艺改性n2.2.2.2双马来酰亚胺树脂
37、的应用先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂 双马来酰亚胺（简称BMI或双马）是以马来酰亚胺为活性端基的双官能团化合物。20世纪60年代末期，法国罗纳-普朗克公司首先制出M-33BMI树脂及其复合材料。BMI树脂具有与典型的热固性树脂相似的流动性和可模塑性，可用与环氧树脂类同的工艺方法进行加工成形；同时，BMI树脂具有良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和线胀系数小等优良特性，克服了环氧树脂耐热性相对较低和耐高温聚酰亚胺树脂成形温度高压力大的缺点，因此，近20年来，BMI树脂得到了迅速发展和广泛的应用。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树
38、脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.1热塑性树脂改性BMI聚苯并咪唑（PBI）先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.1热塑性树脂改性BMIPES、PEI和PH先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.1热塑性树脂改性BMI聚醚酮（PEK-C）PEK-C改性BMI树脂性能改性体系的热失重分析(TG) 先进复合材料科学技术与进
39、展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.1热塑性树脂改性BMI聚砜聚砜改性BMI/T300复合材料的性能先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.2环氧改性BMI 环氧主要改性BMI体系的工艺性和增强材料之间的界面粘结，也可改善BMI树脂体系的韧性。环氧树脂本身很难与BMI单体反应，其改善BMI体系韧性和途径主要有：在二元胺（如DDS或DDM等）改性的基础上，添加环氧改性。含环氧基BMI 含环氧基BMI是通过用过量
40、的环氧树脂与BMI及二元胺预聚，得到端基为环氧基团的树脂。合成改性剂 先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.3氰酸酯改性BMI氰酸酯改性BMI可在保持BMI体系具有良好耐热性的基础上，提高复合体系的韧性，同时改善体系介电性能及降低吸水率等。CE改性BMI树脂体系具有较高的韧性、耐热性、介电性能、耐潮性、耐磨性、良好的尺寸稳定性和很好的综合力学性能。但是，由于合成氰酸酯单体时往往需要使用过量的卤化氰，使形成的有毒废液难以处理等，阻碍了氰酸酯树脂在改性BMI树脂体系中的广泛发展和应用。氰酸酯对
41、BMI的改性机理一般认为是BMI和氰酸酯共聚；另一种机理认为BMI与氰酸形成互穿网络达到增韧改性效果。如Mitsubishi的BT树脂被认为是一种互穿网络体系。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.4与链烯基化合物的共聚改性烯丙基双酚A改性BMI烯丙基酚氧(AE)改性BMI丙烯基醚(PPO)与BMI共聚增韧烯丙基双酚S改性BMI烯丙基芳烷基酚改性BMIN-烯丙基芳胺改性BMI先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺
42、树脂的改性u2.2.2.1.5二元胺改性BMI二元胺改性BMI是改善BMI脆性较早使用的一种改性方法。BMI与二元胺首先进行Michael加成线性嵌段聚合物，然后马来酰亚胺环的双键打开进行自由基型固化反应，并形成交联网络，同时Michael加成反应后形成的线性聚合物中的仲胺还可以与链延长聚合物上其余的双键进行进一步的加成反应。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.1双马来酰亚胺树脂的改性u2.2.2.1.6工艺改性降低固化和后处理温度 提高BMI单体反应活性 加入催化剂或促进剂树脂传递模塑用BMI树脂 主要通过在BMI树脂体系中加
43、入烯丙基或乙烯基单体，通过或不通过预聚达到适应RTM的黏度要求，主要树脂有：Shell公司Compimide65FWR，BP公司用于轮毂的RTM-BMI树脂。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.2双马来酰亚胺树脂n2.2.2.2双马来酰亚胺树脂的应用 绝缘材料 主要用作高温预浸漆、层合板、覆铜板及模压塑料等。 航空航天结构材料 主要与碳纤维层合,制备连续纤维增强复合材料, 用作军机或民机或宇航器件的承办构件,如用作机翼蒙皮、尾翼、垂尾、飞机机身和骨架等。 耐磨材料 用作金刚石砂轮、重负荷砂轮、刹车片和耐高温轴承黏合剂等。 功能复合材料 BMI树脂的耐热性优于环
44、氧树脂工艺性与环氧相近,且耐湿热性能优异，因此BMI树脂基复合材料在航空航天领域得到了广泛的应用。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.3氰酸酯树脂氰酸酯树脂通常定义为含有两个或者两个以上氰酸酯官能团的酚衍生物，它在热和催化剂作用下发生三环反应，生成含有三嗪环的高交联密度网络结构的大分子。固化氰酸酯树脂具有低介于电常数(2.83.2)和极小的介电损耗角正切值(0.0020.008)，高玻璃化转变温度(240290)，低收缩率，低吸湿率(1.5%)，优良的力学性能和粘结性能等，而且它具有与环氧树脂相似的加工工艺性，可在177下固化，并在固化过程中发挥发性小分子产生
45、。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.3氰酸酯树脂n2.2.3.1氰酸酯树脂性能固化氰酸酯树脂分子网络结构中同时含有大量的三嗪及芳香环或刚性脂环（如Xu-7187体系），并且三联嗪环与芳香环之间是通过醚键连结起来的,因此固化氰酸酯树脂既有较好的耐热而化学性,又具有较好的抗冲击和介电性。氰酸酯树脂的增韧改性与单官能度氰酸酯共聚，以降低网络的交联密度;与橡胶弹性体共混改性;与热塑性塑料共混共固化形成半互穿网络(SIPN);一种新型橡胶增韧的氰酸酯树脂体系是核-壳橡胶粒子增韧的Xu-71787.02L树脂体系，核-壳橡胶粒子增韧不会影响氰酸酯树脂的耐热性，而且它对树
46、脂体系的流变性能影响也较小。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.3氰酸酯树脂n2.2.3.2氰酸酯树脂应用氰酸酯树脂基复合材料具有优良的性能，广泛应用于高速数字和高频印制电路板、高性能透波材料和航空结构材料。氰酸酯复合材料同时具有良好的电性能和力学性能，它用于高性能飞机雷达天线罩和机敏结构蒙皮。同时，由于其宽频带特征，并具有低而稳定的介电常数和介电损耗角正切，因而也是制造隐身飞行器的材料之一。氰酸酯在现代电子通信领域内也有极广的用途。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.1 PMR聚酰亚胺n
47、2.2.4.2 PMR聚酰亚胺力学性能n2.2.4.3 PMR聚酰亚胺改性 u2.2.4.3.1 PMR聚酰亚胺增韧u2.2.4.3.2 PMR聚酰亚胺工艺改性 n2.2.4.4聚酰亚胺复合材料应用 先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体 热固性聚酰亚胺依据其活性封端基可分为三种主要类型： PMR聚酰亚胺（主要指Nadic酸酐封端的一类聚酰亚胺） 乙炔封端聚酰亚胺 双马来酰亚胺（BMI）。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.1 PMR聚酰亚胺1972年，NASA路易斯
48、研究中心发展了PMR技术（in suit polymerization of monomeric reactants）, 并用于制造热固性耐高温聚酰亚胺复合材料。PMR技术的特点：使用低相对分子质量、低黏度单体； 使用低沸点溶剂； 最后固化阶段没有或很少有挥发分产生。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.2 PMR聚酰亚胺力学性能先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.3 PMR聚酰亚胺改性 u2.2.4.3.1 PMR聚酰亚胺增韧热塑性树脂增韧热固性树脂基
49、体，通常可获得一个非均相体系。细小的热塑性颗粒弥散分布在热固性树脂基体内，当裂纹扩展时，热塑性颗粒“钉锚作用”阻碍裂纹扩展，提高树脂基体的断裂韧性。Nasa Langley研究中心采用热塑性聚酰亚胺粉末Matrimid 5218增韧PMR-15和LaRC-RP-46/5218聚酰亚胺树脂体系。PMR聚酰亚胺可采用改性主链结构来提高韧性。通过在PMR聚酰亚胺主链结构中引入柔性链降低主链的刚性，可有效地提高其韧性。LaRC-RP-46和LP-15聚酰亚胺树分别以3，4-ODA和BAPP替代MDA后，由于在3，4-ODA和BAPP中柔性醚键的存在，和PMR-15相比，LaRC-RP-46和LP-15
50、主链柔性增加，韧性提高。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.3 PMR聚酰亚胺改性 u2.2.4.3.2 PMR聚酰亚胺工艺改性早期的研究工作表明m-氧基苯作封端基，可将PMR聚酰亚胺的固化温度从316降至260。但m-氧基苯封端的聚酰亚胺Tg约为270280，只能在260以下使用。将p氨基苯（p-）和等摩尔比混合后作封端基作用，所获得的聚酰亚胺，也可在260下交联固化。固化后的聚酰亚胺Tg超过，碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在下短期力学性能和15聚酰亚胺复合材料相当。聚酰亚胺的缺点是树脂流动性差，要获得高质量无孔隙的复合材料
51、，所需成形压力是复合材料成形压力的倍以上。先进复合材料科学技术与进展2.2高性能树脂基体高性能树脂基体l2.2.4热固性聚酰亚胺树脂基体n2.2.4.4聚酰亚胺复合材料应用 先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.1复合材料结构设计特性 l3.2单层板力学特性n3.2.1单层板弹性特性n3.2.2单层板的强度及其失效准则l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.1对称层合板u3.3.2.2反对称层合板u3.3.2.3规则非对称正交层合板u3.3.2.4准各向同性层合板先进复合
52、材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.1复合材料结构设计特性复合材料不仅是材料，而且更确切地说是结构，具有材料和结构的双重属性，而且是多层次结构，可分为三个结构层次：一次结构、二次结构、三次结构。 “一次一次结构构”是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能； “二次二次结构构”是指出单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列)； “三次三次结构构”是工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性
53、能和结构几何。 先进复合材料科学技术与进展l3.1复合材料结构设计特性复合材料设计也可分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。材料设计和结构设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中。 单层材料材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能； 结构构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论先进复合材料科学技术与进展先进复
54、合材料科学技术与进展 连续性假设复合材料力学基本假设线弹性假设小变形假设宏观力学复合材料力学研究手段细观力学微观力学3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.2单层板力学特性n3.2.1单层板弹性特性 单层板的宏观力学分析是层合结构分析的基础，单层板是层合结构分析的基本单元。单层板正正轴本构关系本构关系：先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.2单层板力学特性n3.2.1单层板弹性特性 单层板偏偏轴本构关系本构关系：先进复
55、合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.2单层板力学特性n3.2.2单层板的强度及其失效准则单层板强度一般指宏观强度，有5个基本强度，通过单向实验获取。先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设层合板的各单层扳之间粘结牢固，有共同的变形，不产生滑移；各单层板可近似地认为处于平面应力状态；变形前垂直于中面的直线段，变形后仍为垂直于变形后中曲面的直线段，且长度不变（直法线假设）；平行于中面的诸截面上的正应力与其它应力相比很小，可以忽略不计。在上
56、述假定基础上建立的层合板理论称为经典典层合理合理论。先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设 -层合板本构关系先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设 耦合效应从上面的分析可以看出，一般层合板的物理关系很复杂。这种复杂性首先表现在面内要素与弯曲要素发生耦合，他们通过子矩阵B表现出来。显然，当B=0时，这类耦合消失，只要矩阵B中有不为零的元，就存在这类耦合。这种耦合是由于层合板厚度方
57、向的非均质性引起的。面内内力可引起出平面变形，内力矩可引起面内变形，反之亦然。这种效应称为耦合效耦合效应。先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设 交叉效应先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.1经典理论假设 泊松效应还有一类耦合，即轴力Nx可引起线应变，轴力Ny可引起线应变；弯矩可引起曲率，弯矩可引起曲率。这类耦合称为泊泊松效松效应。在面内称为面内泊松效应，在弯曲中称为弯曲泊松效应。这类耦合
58、即使在均质各项同性材料中也是司空见惯的了。先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.1对称层合板先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.1对称层合板因此，对称层合板必有B =0不发生耦合效应。因为面内要素与弯曲要素分离，所以对称层合板有下述内力-应变关系：先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计
59、基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.1对称层合板在计算对称层合板刚度时，应当利用其对称性，以减少计算工作量。对称层合板术语总层数N层合板的中面，所以中心层被参考面分为二等分。若把中心层被参考面非开的两部分视为对称的两层，则总层数称为偶数2n(=N+1)层（如图所示）。计算Aij和Dij时只要计算参考面一侧，然后两倍之即可。于是，若从顶面起计算到中面，有先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.2反对称层合板先进复
60、合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.2反对称层合板-弹性特性先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.2反对称层合板先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.3规则非对称正交层合板先进复合材料科学技术与进展3.
61、树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.3规则非对称正交层合板-耦合效应消除方法先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.4准各向同性层合板先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.4准各向同性层合板先进复合材料科学技术与进展3.树脂基复
62、合材料结构设计基本理论树脂基复合材料结构设计基本理论l3.3层合板弹性特性及其设计理论n3.3.2几种特殊层合板弹性特性u3.3.2.4准各向同性层合板先进复合材料科学技术与进展4.树脂基复合材料的疲劳树脂基复合材料的疲劳l4.1疲劳的机理l4.2疲劳研究方法先进复合材料科学技术与进展4.树脂基复合材料的疲劳树脂基复合材料的疲劳l4.1疲劳的机理（1)基体开裂基体开裂研究表明:裂纹的形成和扩展使得基体开裂。基体是各向同性材料，但被纤维加强后，使其结构上不连续，这样，当基体中裂纹扩展遇到纤维时，因为强度，刚度上的差异，此时裂纹尖端应力集中的程度还不足以使纤维断裂，则裂纹不能进一步扩展。但为消耗外
63、载对FRP所做的功，基体需要不断产生新的裂纹；(2)分分层FRP层合板受疲劳外载时，在应变一致情况下，因不同纤维铺设层的刚度不同，致使各层所受应力不同，从而在不同邻层间产生应力差。层合板层间强度是基体的剪切强度。当层间应力差超过基体剪切强度时，产生分层破坏形式。分层破坏易发生于层合板的自由边缘(包括板内部的孔边)部位，因为此处的应变约束小于其它部位；先进复合材料科学技术与进展4.树脂基复合材料的疲劳树脂基复合材料的疲劳l4.1疲劳的机理(3)界面脱胶界面脱胶研究表明：纤维与加载方向间的夹角越大，裂纹尖端垂直于纤维的应力分量越大，就越容易发生界面脱胶。界面强度取决于制造工艺，它对FRP的强度和韧
64、性起很大影响。界面脱胶进一步加大了FRP疲劳损伤扩展的程度和速度。(4)纤维断裂断裂纤维断裂后裂纹加速扩展，并引起此处应力重新分配，使得新的纤维断裂，进一步加深FRP的损伤程度，降低FRP的剩余强度。当剩余强度小于最大外载荷时，FRP层合板发生断裂失效，即所谓的“突然死亡”。纤维与加载方向夹角越小，越容易断裂。(5)外外载和和环境影响境影响研究表明:加载频率在一定范围内对FRP疲劳行为影响不明显，外加载荷的幅值、应力比是影响FRP疲劳寿命的主要因素。外载幅值越大，应力比越小，FRP的疲劳寿命越短，反之越长。另外环境腐蚀越大，温度越高，FRP的疲劳损伤扩展也越快，但在一般情况下，温度和使用环境都
65、是固定的，所以常暂且不考虑这部分影响因素。先进复合材料科学技术与进展4.树脂基复合材料的疲劳树脂基复合材料的疲劳l4.2疲劳研究方法 S-N曲曲线方法方法 S-N曲线是材料发生疲劳时应力循环次数N同其相应的极限应力S间的实测关系曲线。理论上系的拟合模型;其二是以曲线关系拟合的模型。复合材料的S-N曲线受各种材料和试验参数影响，如纤维类型及体积分数；基体类型；铺层形式；界面性质；载荷形式；平均应力；交变应力频率；环境条件。前四种为材料参数，后四种为试验参数。疲疲劳累累积损伤方法方法 对大多数各向同性的匀质材料，在受交变载荷时往往会出现一个单一的疲劳主裂纹并控制其最终的疲劳破坏。但复合材料在受交变
66、载荷时，往往在试件的高应力区出现大规模的损伤。最近的科研成果表明采用的疲劳累积损伤模型主要有剩余强度模型，剩余刚度模型，耗散能模型，Markov链模型，关键单元模型等等。人工神人工神经网网络方法方法 人工神经网络是一种模拟层压制成和不断变幅载荷测试模式的多向复合材料的疲劳寿命的工具，模拟网络的效率上均令人满意。在拉伸、压缩、甚至拉压张力负荷模式下的准确性得到确认。比S-N曲线的传统方式建立所需的测试便宜、省时且精确。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺n5.1.2RFI成型工艺n5.
67、1.3VARI成型工艺n5.1.4Scrimp成型工艺l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.1自动铺带技术n5.2.2自动铺丝技术n5.2.3低温固化成型技术 n5.2.4电子束固化技术 n5.2.5光固化技术 n5.2.6微波固化技术 l5.3隔膜成型技术l5.4复合材料制件加工 l5.5复合材料装配l5.6CAE虚拟技术n5.6.1复合材料数据的特殊性 n5.6.2复合材料制件设计数据库建设与知识管理系统n5.6.3复合材料工程数据库建设先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺
68、u5.1.1.1 RTM工艺的原理及流程RTM工艺过程的关键环节：RTM专用树脂注入模具以前要进行脱除气泡处理；型腔内的预成型体边缘与模具边缘的间隙要尽量小；模具闭合、检查气密性；严格控制模具的温度及注射时间；选择适当的注射压力。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺u5.1.1.2 RTM 工艺参数注射温度：注射温度： 注射温度是指实施RTM工艺过程中树脂注射的温度。在此温度下，树脂不仅要具有较低的工作粘度，而且要具有足够长的工作时间。注射温度的选择一般应参照欲注射树脂的动态粘度曲
69、线以及等温粘度曲线。通常情况下，树脂的注射温度应选择在树脂的最小粘度温度附近。注射注射压力：力： 注射压力是指实施树脂注射时选用的压力。注射压力的选择一般应考虑树脂的粘度、模具的刚度以及零件的结构形式等因素。对于一般的RTM零件来说，注射压力通常选择0.1-0.3MPa。注射速率注射速率： 树脂的注射速率是指每分钟注入模腔内的树脂量。注射速率一般与预成型体的渗透率、树脂的粘度、模具的刚度、制件的结构尺寸及纤维体积含量等因素有关。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺u5.1.1.3衍生
70、 RTM 技术制造空心结构的RTM技术RTM技术非常适合生产空心结构的复合材料零件，其成型尺寸依赖于所使用的芯模。以下列出了几种实用的芯模。金属合金芯模 优点：尺寸稳定性好，不易变形； 缺点：金属芯材的移出必须在较高的温度下才能实现（依据金属合金的熔点，金属合金芯模材料可重复利用）。 石蜡芯模 优点：它的价格比金属合金芯模便宜得多，且在较低的温度下就可以移出。 缺点：由于石蜡芯模较金属合金芯模刚性小，因此装配过程中要避免芯模损伤（石蜡芯模同样也可回收）。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成
71、型工艺u5.1.1.3衍生 RTM 技术RTM/气囊技术 树脂的注射温度； 模具温度； 主要工艺参数主要工艺参数 注射压力和相对体积流动速度； 注射过程中气囊的内部压力； 注射完毕及固化过程中气囊的压力。 上述工艺参数中，气囊的内部压力是最重要，因为它不仅影响叠层板及其表面质量，而且影响制件的纤维体积含量。通常情况下气囊的内部压力应满足p气囊-p注射0.10.2MPa。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺u5.1.1.3衍生 RTM 技术真空辅助共注射成型先进复合材料科学技术与进展
72、5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.1RTM成型工艺u5.1.1.3衍生 RTM 技术柔性RTM（FRTM）技术 所谓柔性RTM技术就是将预成型体放置在两片橡胶膜片中，然后注入树脂，待树脂与预织体浸渍后，将整个膜及片其包裹物放在模具中固化成型。由于增强材料的铺贴和浸渍都是在平面进行的，这不仅可以节省大量的铺贴时间和人力消耗，而且可以简化进胶口和出胶口的配置，稳定成型工艺。此外制件的表面光洁度取决于橡胶膜片的表面质量，与模具的表面光洁度无关，因而可以大幅度降低模具的成本。由此可以看出柔性RTM技术具有较好的综合效益。但由于该技
73、术是先成型平面，然后再变成其他的型面，这对一些型面复杂的构件（如高径比较大或曲率较大的构件）是较难实现的，因此FRTM技术的应用范围有一定的局限性。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.2RFI成型工艺-工艺原理 其主要原理是通过真空或压力的作用使基体树脂渗透到纤维预成型体里面，并排除基体树脂和模腔中的全部气体和彻底浸润纤维。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.2RFI成型工艺-工艺特点RFI技术不需要加
74、RTM工艺那样的专用注射设备。RFI工艺将预成型体的树脂浸渍、压实和固化在一个步骤中完成，省去了高成本的预浸料坯的制造和一层一层的铺层过程，既降低了成本，节省了人力，又减少了环境污染。用RFI工艺制造的大型复合材料性能优异，纤维含量可提高到近70%，空隙率低于0.1%。具有产品设计到投产时间短，生产效率高，生产过程挥发少等优点。尤其重要的是RFI工艺可以更显著地减少生产成本。用此成型工艺，美国NASA主持制造了一个全尺寸复合材料机翼匣，与原来铝制机翼匣相比可减少25%的重量和20%的成本。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型
75、（LCM）工艺 n5.1.3VARI成型工艺-工艺原理真空辅助树脂注射成型工艺（Vacuum Assisted Resin Infusion， VARI ）是一种新型的低成本的复合材料大型制件的成型技术，它是在真空状态下排除纤维预成型体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对预成型体的浸渍，并在室温下进行固化成型，形成一定树脂/纤维比例的工艺方法。VARI同同RTM工艺相比较工艺相比较 相似：使用干纤维制成预成型体和蜂窝夹芯。 不同：不需要一个闭合的、能承受注射压力的模具，也不需要成型压力。VARI成型工艺和传统的工艺相比成型工艺和传统的工艺相比： 不需要热压罐，仅在真空压力下成型； 无需加热，
76、可在室温下固化，经后处理后可在较高的温度下使用； 比手糊方法制造的制件孔隙率低、性能好、纤维含量高。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.3VARI成型工艺-关键技术具有低粘度、能常温固化、良好力学性能的树脂； 树脂粘度应在0.10.3Pa.s； 2小时高温环境下树脂粘度不得超出0.3Pa.s； 树脂对纤维浸润角8； 足够抽真空力使叠压压实致密； 正反面观察树脂流动前沿，必要时做出调整； 选择合适的渗透层； 良好的封装有利于气泡逸出与压碎； 流道设计至关重要。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合
77、材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.4Scrimp成型工艺Scrimp是一种类似于RFI、RTM的新型复合材料成型方法，它的出现标志着树脂传递技术在特大面积复合材料结构中应用的重大突破。Scrimp结构可以使叠结构，也可以使蜂窝夹层结构，可以再结构内表面镶嵌加强筋、内插件、连接件以及各种阻燃材料和金属/非金属织物，以满足不同用途的需要。在Scrimp成形中，干态纤维织物或纤维预成形体都是适用的，它们应以精确充填模具内腔并达到均匀分布为前提，以使纤维/树脂比例得当。Scrimp零件的内表面以真空袋薄膜作为内膜，因而适用于紫外光或电子束加速固
78、化，模具利用率高并可快速达到预定的固化度。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.1液体成型（LCM）工艺 n5.1.4Scrimp成型工艺-工艺特点模具构型平滑，投资低；只需要一个模具面以保持结构件工作表面外观质量；另一面为软膜，仅采用真空袋，制作方便；由一种特殊的介质为树脂快速流动与浸润提供一个通道；树脂向前移动的同时向厚度方向渗透，二者几乎是同步进行；整体真空渠道牵引树脂对纤维浸渍。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.1自动铺带技术自动
79、铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。多轴龙门式机械臂完成铺带位置自动控制，核心部件铺带头中装有预浸带输送和预浸带切割系统，根据待铺放工件边界轮廓自动完成预浸带特定形状的切割，预浸带加热后在压辊的作用下铺叠到模具表面。按所铺放构件的几何特征，自动铺带机分为平面铺带（FTLM）和曲面铺带（CTLM）两类。FTLM有4个运动轴，采用150mm和300mm宽的预浸带，主要用于平板铺放；CTLM有5个运动轴，主要采用75mm和150mm宽的预浸带，适于小曲率壁板的铺放，如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复
80、合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.1自动铺带技术自动铺带机由美国Vought公司在20世纪60年代开发，用于铺放F-16战斗机的复合材料机翼部件。随着大型运输机、轰炸机和商用飞机复合材料用量的增加，专业设备制造商（如Cincinnati Machine、Ingersoll公司）在国防需求和经济利益的驱动下开始制造自动铺带设备，此后自动铺带技术日趋完善，应用范围越来越广泛。带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机已经成为典型配置，铺带宽度最大可达到300mm，生产效率达到每周1000kg，是手工铺叠的数十倍。经过30多年发展，美国
81、自动铺带机已经发展到第五代，其中一个重要方向是多铺放头和针对特定构件的专用化铺带机（Boeing公司采用）。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.1自动铺带技术欧洲90年代开始研制生产自动铺带机，经过不断创新，重在实现自动铺带机的高效和多功能化，包括双头两步法（Frest-line公司采用）、多带平行铺放和超声切割复合化（M-torres公司采用）等等。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.2自动铺丝技
82、术自动铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺丝头把缠绕技术中不同预浸纱独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带（宽度变化通过程序控制预浸纱根数自动调整）后铺放在芯模表面，加热软化预浸纱并压实定型。典型的自动铺丝机系统包括7个运动轴和1232个丝束（预浸纱或带背衬的切割预浸窄带）输送轴。与自动铺带相比，自动铺丝技术有两个突出的优点： （1）采用多组预浸纱，具有增减纱束根数的功能；根据构件形状自动切纱以适应边界，几乎没有废料，且不需要隔离纸；可以完成局部加厚混杂、加筋、铺层递减和开口铺层补强等来满足多种设计要求。 （2
83、）由于各预浸纱独立输送，不受自动铺带中自然路径（Natural path）轨迹限制，铺放轨迹自由度更大，可以实现连续变角度铺放（Fibersteer技术），适合大曲率复杂构件成型。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.2自动铺丝技术 自动铺丝技术由美国航空制造界在20世纪70年代开发，用于复合材料机身结构制造，主要针对缠绕技术的不足进行创新，其技术核心是铺放头的设计研制和相应材料体系与设计制造工艺开发。 典型的自动丝束铺放机 典型的铺丝头结构 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺
84、和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.2自动铺丝技术-自动铺放设备研究进展Boeing研制出“AVSD铺放头”，解决了预浸纱、切断与重送和集束压实的问题，1985年完成了第一台原理样机；法国宇航公司（Aerospatial）1996年研制出欧洲第一台六轴六丝束自动铺丝机，德国BSD公司2000年研制出七轴三丝束热塑性窄带铺丝试验机。20世纪80年代后期，CincinnatiMachine公司1989年设计出其第一台自动铺丝系统并投入使用，该系统申请注册的专利多达30余项。机型升级到Viper6000，数控系统升级到全数字控制的CM100，开发了专用的C
85、AD/CAM软件ACES系统。Ingersoll公司1995年研制出其第一台自动铺丝机，尤其是该公司最新开发的大型立式龙门铺丝机，效率之高可以与自动铺带机相媲美，适于大面积、大曲率构件成型，为制造飞翼飞机复合材料构件提供了成型手段。美国的其他公司，也不断开发自动铺丝技术，最新进展包括预浸纱气浮轴承传输、多头铺放、可换纱箱与垂直铺放、丝-带混合铺放等等。20世纪90年代由专业软件制造商在高端CAD/CAM环境（CATIA、UG）进一步开发CAD/CAM软件（如美国Vistage的Fibersim），将自动铺放技术与其他复合材料成型技术集成。尤其是Dassault公司开发的自动铺带软件，直接与CA
86、TIA集成，大大提高了效率。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.2自动铺丝技术-自动铺放技术的应用美国生产B1、B2轰炸机的大型复合材料结构，F-22战斗机机翼，波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17运输机的水平安定面蒙皮，全球鹰RQ-4B大展弦比机翼，787机翼等。欧洲生产的复合材料结构件包括A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等等。 在第四代战斗机的典型应用包括S形进气道和中部机身翼身融合体蒙皮。波音直升机公司率先应用自动铺丝技术研制
87、V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。 Raytheon公司率先在商用飞机机身的研制中应用自动铺丝技术，包括Premier I和霍克商务机的机身。 在大型飞机上的应用包括B747及B767客机的发动机进气道整流罩试验件，该整流罩试验件在制造过程中采用自动铺放与固化分立技术。 在A380飞机上的应用以自动铺带为主，用于生产垂尾、平尾和中央翼盒等，并开始在尾段采用自动铺丝技术。 举世瞩目的B787复合材料使用量达到50%，这在很大程度上得益于自动铺放技术：所有翼面蒙皮均采用自动铺带技术制造，全部机身采用自动铺丝技术整体制造，首先分别由不同承包商分段制造，然后在西雅图Boeing工厂组装。 先进复合材料
88、科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.2自动铺丝技术-自动铺放技术的未来现在自动铺带技术已经成为翼面、中央翼盒及壁板类构件制造技术之首选，目前欧洲在研的A400M飞机采用以铺带技术为主的自动铺放技术，Ingersoll公司研制的龙门式垂直自动铺丝机也将用于机翼制造，可望制造更加复杂的翼面结构，如翼身融合构件、飞翼飞机大型复合材料结构件等等。 在机身制造技术方面，Boeing公司全力推进自动铺丝技术并在787飞机上获得巨大成功，开创了整体机身制造的先河；在小型飞机支线客机上开展自动铺丝制造机身研制工作已经多方应用
89、尝试；A350超宽体客机复合材料用量将超过52%，为此欧洲已经启动复合材料机身技术专项研究。自动铺带技术研究应用条件正在逐渐成熟，哈尔滨飞机工业公司已经引进西班牙M-torres自动铺带机，中国一航制造所等单位联合研制的自动铺带机将在近年试制成功。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.3低温固化成型技术 低温固化成型技术关键是开发可以在室温到80之间聚合固化的树脂体系，及其低温固化预浸料。低温固化成型技术的优点在于可采用廉价模具工装和辅助材料，一般在烘箱内加温固化，不需要昂贵的热压罐设备，因此制造
90、成本可以大大降低。所有低温固化预浸料，都要求在烘箱中独立进行固化，即温度从室温直接升到要求温度，对环氧树脂通常为177，并保温，使固化反应完全，提高固化物的玻璃化温度Tg，使其超过后固化温度，同时力学性能也得到提高。低温固化预浸料固有的特性是较高的反应活性，这也是节省成本的关键，高的反应活性随之在室温下有相对较短的工作期，选用这种材料制造大的或复杂构件时，有限的室温储存时间给使用带来困难。因此，新的低温固化用结构预浸料需要提高起始固化温度到80100，而不以60为目标，目的是增加其工作寿命，同时湿态性能得到改善，且具有177固化预浸料的整体性能，特别是韧性和Tg。 先进复合材料科学技术与进展5
91、.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.4电子束固化技术 电子束固化成型是指利用高能电子束引发预浸料中的树脂基体发生交联反应，制造高交联密度的热固性树脂基复合材料的方法。电子束固化是辐射固化的一种，辐射固化还包括利用光、射线等粒子的能量引发反应，使树脂单体聚合、交联，达到固化的工艺过程。其中光固化研究已有50年的历史，而电子束固化则要短得多。电子束固化优点： 电子束固化可以在室温或低温下固化； 固化剂和有机溶剂的用量大大减少； 可以只对需要固化的区域进行辐射，实现局部固化； 可以与缠绕、自动铺放、树脂转移模塑等工艺相结合，实现连
92、续生产； 电子束固化树脂体系的储存稳定性优良。电子束固化也有其不利的方面，如电子束及其产生的X射线需要防护设施加以隔离，以免对人造成伤害；固化过程中加压困难。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.5光固化技术光固化是指由液态的单体或预聚物受紫外或可见光的照射经聚合反应转化为固化聚合物的过程。光聚合反应是指化合物吸收光而引起分子质量增加的化学过程。光聚合反应除光缩合聚合（也称局部化学聚合）外，多数是链反应机理，因此光聚合在链引发阶段需要吸收光能。光聚合的特点是聚合反应所需的活化能低，因此它可以在很大的
93、温度范围内发生，特别是易于进行低温聚合。另外，由于光聚合链反应是吸收一个光子导致大量单体分子聚合为大分子的过程，从这个意义上讲光聚合是一种量子效率非常高的光反应，具有很大的实用价值。光聚合反应的发生，首先要求聚合体系中的一个别组分必须能吸收某一波长范围的光能，其次要求吸收光能的分子能进一步分解或与其他分子相互作用而生成初级活性种。同时还要求在整个聚合过种中所生成的大分子的化学键应是能经受光辐射的。因此，选择适当能量的光辐射使之能产生引发聚合的活性种是十分重要的。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2
94、.5光固化技术-应用领域先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.2自动化与新兴低成本成形工艺n5.2.6微波固化技术微波固化的原理 对于微波固化反应的机理,有“致热效应”和“非致热效应”两种解释。目前,传统观点认为微波固化加速反应主要是由于微波的“致热效应”,其固化机理是极性物质在外加电磁场的作用下,内部介质极化产生的极化强度矢量落后于电场一个角度,导致与电场相同的电流产生,构成物质内部功率耗散,从而将微波能转化为热能,致使固化体系快速均匀升温而加速反应。微波固化行为的研究 微波固化E玻纤/环氧复合材料时,由于E玻璃不能吸收微波能,主要是
95、环氧基体吸收微波加热,然后通过界面传给E玻纤,热梯度是沿界面从环氧到纤维方向递减。微波固化时工件内部温度先升高,从而改善了界面粘接,使复合材料强度和刚度提高。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.3隔膜成型技术隔膜成型具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适用于加工大型飞机机翼前梁的C 形截面。在近年推出的A400M 等大型飞机前梁C 形截面中，已广泛采用了这种工艺方法。为成型出C 形截面，预形件从铺带机上卸下送到由英国Aeroform公司提供的热包膜成型机设备上成型。为便于抽真空，预形件应夹在两个由俄亥俄州的杜邦电子
96、技术公司提供的Kapton 聚酰亚胺薄膜之间。薄膜之间抽真空，然后从零件上面进行红外加热，直到1h 内将温度升到60。这样可以保证即使在梁根部的最厚截面中心，也可均匀加热到同一温度。然后缓缓对两薄膜间层合板加压，而在轻质模具上形成梁的内表面。这个C 形截面可在30min 内缓慢成型之后，去掉Kapton 薄膜。在欧洲推出的ALCAS 计划中，这种成型方法已成为加工飞机前梁的一种典型工艺方法。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.4复合材料制件加工复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足
97、复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。大型机翼蒙皮层合板一般采用大型高压水切割机进行净形切割，世界上最大切割机的床身为36m6.5m，由Flow International公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm 厚的层合板可以0.67m / m i n 速度切割，对6mm 薄的层合板，切割速度可以高达3m /m i n，厚的蒙皮可以0.39m / m i n 速度切割。 超声切割设备将超声振动能量加载在切割刀具上，可有效地分离纤维材料的边界，从而有效解决上述传统切割方法带来的问题。超声切割技术的切割质量优良，具有无毛刺、无刀具磨损、无
98、碳化材料、切割力小、不易造成分层，切割速度快、精度高等特点。已经在国外航空企业内得到广泛的应用。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.5复合材料装配先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术 国际先进复合材料技术目前的发展更倾向于利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境，将真实的设计、制造、材料、验证、应用乃至维修和全寿命管理等诸多环节统一起来，从而最大限度地缩短新品研制周期，降低研制成本，提高产品的市场竞争力，在这个过程中，C A E 技术已成为国防工业创新设计以及数字
99、化设计、制造技术的核心之一。复合材料制件的工程化应用是一个庞大而复杂的系统工程，迫切需要综合应用现代计算机技术的C A D、C A E、C A M、C A P P 和数字化的数据库技术等进行统筹管理。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术 要想应用C A E 技术提升我国先进复合材料技术的发展，基础条件和重要前提是研究、发展和建立与此相适应的复合材料数据技术和数据体系。先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术n5.6.1复合材料数据的特殊性 根据美
100、国军用复合材料手册（M I L - H D B K -17F），先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括：复合材料包括基体和增强材料，性能表征必须从组分开始。金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料；同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求，特别是湿热和抗冲击性能。复合材料是可设计材料,其基本结构元素层压板的性能表征非常复杂。复合材料的结构与材料同步形成，材料和工艺的变异性对材料（同时也是结构）性能具有重要影响。 国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验，试验种类和数量远超过金属。 复合材料性能数据，除单独性能表征的标准化外，针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等分别给
101、出试验矩阵。 M I L - H D B K -17F 还规范了不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系试验结果的数据可追踪性，不同厚度数据的归一化处理，异常数据的剔除原则，数据统计处理的方法等原则和操作步骤。 先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术n5.6.2复合材料制件设计数据库建设与知识管理系统先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术n5.6.3复合材料工程数据库建设先进复合材料科学技术与进展5.树脂基复合材料的制造工艺和方法树脂基复合
102、材料的制造工艺和方法l5.6CAE虚拟技术n5.6.3复合材料工程数据库建设先进复合材料科学技术与进展6.树脂基复合材料的无损检测树脂基复合材料的无损检测复合材料中常见的缺陷复合材料构件的常见破坏形式先进复合材料科学技术与进展复合材料的无损检测技术6.树脂基复合材料的无损检测树脂基复合材料的无损检测先进复合材料科学技术与进展先进的无损检测技术先进的无损检测技术l材料性能的三维测试l气孔测量l纤维体积比l铺层顺序l同异平面内的纤维扭曲l先进低频振动技术l微波响应l激光错位散斑先进复合材料科学技术与进展l加拿大全国科学研究委员会的让皮埃尔蒙沙兰与其同事正在为一种依靠激光发现复合材料内部隐蔽损伤的技
103、术申请专利。他们的设备利用激光脉冲来加热复合材料表面的某个部位。热膨胀使整个复合材料内部出现振动，而如果内部有任何断裂或剥离现象的话，振动频率就会改变。例如：两层材料彼此玻璃的程度越大，频率就会变得越慢。利用干涉仪和另一台激光设备可以发现频率的任何改变。蒙沙兰把这种技术称作“激光轻敲检查”，并以证明它能发现表面看不到的复合材料损伤。先进的无损检测技术先进的无损检测技术先进复合材料科学技术与进展7.树脂基复合材料的优化设计树脂基复合材料的优化设计先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用l8.2先进复合材料的研发热点l8.3先进树脂基复合材料
104、的发展方向先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用n先进复合材料在飞机中的应用先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用n先进复合材料在飞机中的应用-A380先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用n先进复合材料在飞机中的应用-B787先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.1先进复合材料的应用n先进
105、复合材料在飞机中的应用-A350先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.2先进复合材料的研发热点 原材料技术是先进复合材料研发的原材料技术是先进复合材料研发的基础与前提基础与前提 低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段手段与途径与途径 新型复合材料是先进复合材料可持续发展的新型复合材料是先进复合材料可持续发展的趋势趋势与动力与动力 设计设计/ / 评价一体化技术是先进复合材料应用的重评价一体化技术是先进复合材料应用的重要要支撑与保障支撑与保障先进复合材料科学技术与进展8.树脂基复合材料的应用树脂基复合材料的应用l8.3先进树脂基复合材料的发展方向向向高性能化、轻量化高性能化、轻量化方向发展。方向发展。重视重视制造技术研究、生产条件改造和综合配套技制造技术研究、生产条件改造和综合配套技术协调发展术协调发展。重点开发重点开发低成本制造技术低成本制造技术。发展先进复合材料发展先进复合材料结构功能一体化结构功能一体化的综合技术。的综合技术。先进复合材料科学技术与进展先进复合材料科学技术与进展
