5.1 聚合物基复合材料

第五章聚合物基复合材料 1 概述 聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体 连续纤维为增强材料组合而成的 2 概述 纤维的高强度 高模量的特性使它成为理想的承载体 基体材料由于其粘接性能好 把纤维牢固地粘接起来 基体能使载荷均匀分布 并传递到纤维上去 并允许纤维承受压缩和剪切载荷 3 概述 纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点 并能实现最佳结构设计 具有许多优良特性 4 PMC的组成 1 基体热固性基体 thermosettingmatrix i 熔体或溶液粘度低 易于浸渍与浸润 成型工艺性好ii 交联固化成网状结构 尺寸稳定性 耐热性好 但性脆iii 制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体 thermoplasticmatrix i 溶体或溶液粘度大 浸渍与浸润困难 需较高温度和压力下成型 工艺性差ii 线性分子结构 抗蠕变和尺寸稳定性差 但韧性好iii 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向 结晶等物理现象 2 增强体主要有碳纤 玻纤维 芳纶纤维 硼纤维等树脂基体与增强体相容性 浸润性较差 多经过表面处理与表面改性 浸润剂 偶联剂 涂复层的使用 使其组成复杂化 5 5 1聚合物复合材料的分类 6 7 5 2聚合物基复合材料的性能 一般性能特点 a 比强度 比模量大b 耐疲劳性好c 减震性能好d 具有多种功能性e 安全性能好f 可设计性强 成型工艺简单 8 5 2聚合物基复合材料的性能 高比强 高比模量 表5 1聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较材料GFRPCFRPKPRPBFRP钢铝钛密度2 01 61 42 17 82 84 5拉伸强度1 21 81 51 61 40 481 0比强度60011201150750180170210拉伸模量421308022021077110比模量218157104272725热膨胀系80 21 84 012239 0数 9 5 2聚合物基复合材料的性能 2 抗疲劳性能好疲劳破坏是指材料在交变负荷作用下 逐渐形成裂缝 并不断扩大而引起的低应力破坏 金属材料的疲劳破坏是由里往外突然发展的 无预兆 聚合物基复合材料由于疲劳而产生裂缝时 因纤维与基体的界面能阻止裂缝的扩展 提高材料的抗疲劳性 有预兆 10 5 2聚合物基复合材料的性能 3 减震性能好较高的自振频率会避免工作状态下引起的早期破坏 而结构的自振频率除了与结构本身形状有关而外 还与材料的比模量的平方根成正比 在复合材料中纤维与基体界面具吸振的能力其振动阻尼很高 减震效果很好 11 4 具有多种功能性 如耐烧蚀 摩擦性能 耐腐蚀 光学 电学性能等 聚合物基复合材料的耐热性是相当好的 所以适宜作烧蚀材料 所谓材料的烧蚀是指材料在高温时 表面发生分解 引起气化 与此同时吸收热量 达到冷却的目的 随着材料的逐渐消耗 表面出现很高的吸热率 12 5 2聚合物基复合材料的性能 5 安全性能好聚合物基复合材料中有大量的独立纤维 少量纤维断裂 载荷会重新分配 13 6 设计性强 成型工艺简单通过改变纤维 基体的种类及相对含量 纤维集合形式及排列方式 铺层结构等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求 又其制品的制造多为整体成型 一般不需要焊 铆 切割等第二次加工 工艺过程比较简单 由于一次成型 不仅减少了加工时间而且零部件 紧固件和接头的数目也随之减少 使结构更加轻量化 14 5 3聚合物复合材料的制备工艺 预浸料 预混料制备手糊成型接触成型喷射成型真空袋成型袋压成型压力袋成型热压罐成型压力成型模压成型层压成型 玻璃钢手糊成型品 15 缠绕成型夹层结构成型树脂传递成型注射成型拉挤成型热塑性片状模塑料热冲击压成型 16 1 手糊工艺HandLay up 手糊工艺是玻璃钢成形中最基本的成形方法 同时也是认识玻璃钢最好的途径 是我国现在广泛应用的方法 17 手糊工艺HandLay up 用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中 通过浇 刷或喷的方法加上树脂 纱或毡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 18 1 1原材料 1 基体 胶液准备不饱和聚酯树脂 80 环氧树脂高性能树脂 聚酰亚胺 双马树脂 19 1 1原材料 2 增强材料玻璃纤维及其织物碳纤维芳纶纤维其它增强材料 20 1 1原材料 3 模具模具类别单模 阴模 阳模对模模具材料玻璃钢 木材 石膏 石蜡 金属等 21 2手糊工艺 22 2 喷射成型工艺spyay up 把手糊成形法中的原料供给系统机械化 连续化 就形成了喷射成形法 23 2 喷射成型工艺spyay up 喷射成型原理图 喷射成型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喷出或混合后喷出 24 主要用于制造玻璃钢船体 卫生洁具 储罐 管道 汽车部件 冷却塔等制品 25 3 模压成型工艺compressionmolding 将定量的模塑料放入敞开的金属对模中 闭模后加热使其熔化 再经加热固化或冷却硬化 脱模后得到复合材料 26 模压料 模压料 片状模塑料 SMC 块状模塑料 BMC 团状模塑料 DMC 27 片状模塑料SMCSheetmoldingcompound 在二十世纪六十年代初首先出现在欧洲 在1965年左右 美 日相继发展了这种工艺 我国于80年代末 引进了国外先进的SMC生产线和生产工艺 28 片状模塑料SMCSheetmoldingcompound 片状模塑料 SMC 是由不饱和聚酯树脂 低收缩添加剂 填料 固化剂 脱模剂及着色剂等组成的树脂糊浸渍短切玻璃纤维所制成的一种片状模压成型材料 材料的两面用聚乙烯薄膜被覆 使用时只需揭去薄膜 按产品的尺寸和重量剪裁叠层 放入模具中加热 加压 制成产品 29 片状模塑料SMCSheetmoldingcompound 主要原料由SMC专用纱 不饱和树脂 低收缩添加剂 填料及各种助剂组成 30 水箱SMC 31 水箱SMC SMC组合式水箱是目前国际上普遍采用的新型水箱 具有水质好 无渗漏 重量轻 外型美观 使用寿命长和安装方便等优点 该水箱已列入国家重点推广的新产品项目和小康住宅推荐产品 32 大型SMC平板 大型SMC平板 其厚度可由2mm到40mm任意选择 切成各种规格及制做成各种颜色 具有轻质 高强 绝缘性好 色泽均匀 平整度好 尺寸稳定性好 可设计性强等特点 目前 已广泛的应用在电器 运输 建筑等行业 33 团状模塑料DMCDoughmoldingcompound 34 团状模塑料 目前 国外轿车车灯反光罩已有70 采用IBMC料 实现轿车反光罩材料的国产化 IBMC被列为国家 九五 攻关项目 于96年底研制出IBMC料 生产出合格的夏利轿车车灯反光罩 并于1997年实现了规模生产 获得国家专利 35 SMC座椅 SMC座椅由内着色SMC模压而成 具有可设计性好 强度高 防水 耐腐蚀 不易污染等特点 座椅表面光洁 色泽艳丽 质感好 使用舒适 并具有良好的耐久性 36 模压成型工艺compressionmolding 一次压模成型的各类手提笔记本 37 4 树脂传递模塑resintransfermolding 先将纤维增强材料铺好 然后合模 最后将催化剂和促进剂等混合后同树脂一起注入模具 使之固化 整个成形过程就结束了 38 最大特点是污染小 为闭模操作系统 另外在制品可设计性 可方向性增强 制品综合性能方面优于SMC BMC 不饱和聚酯传递模塑树脂 39 5 缠绕成形法filamentwinding 缠绕成型是一种将浸渍了树脂的连续纤维或布带 按一定规律缠绕到芯模上 然后固化脱模的工艺 湿法缠绕是最普通的缠绕方法 其工艺原理如图 湿法缠绕的工艺原理图 40 缠绕成形法filamentwinding 绕制的形式主要有 螺旋绕制 环向绕制和纵向绕制三种 最常用的是螺旋绕制 其次是环向绕制 41 缠绕成型具有纤维铺放的高度准确性和重复性 能制造小到几十毫米 大到几十米的回转体 纤维含量高 一般70 75 原材料消耗小 无废料 缠绕线成型图 42 大口径 HDPE或FR PP 埋地缠绕管生产线 43 模具 44 6 拉挤成型 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 连续纤维浸渍树脂后 通过具有一定截面形状的模具成型并固化 拉挤成型工艺原理 45 7 挤出成型 挤出成型是热塑性塑料主要加工方法之一 干燥的热塑性塑料 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 挤出成型工艺示意图 46 7 挤出成型 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作用通过机头和口模 获得与口模形状相似的连续体 47 挤出成型工艺 加料 塑化 成型 定型 48 单螺杆挤出机 49 SJ系列高速单螺杆排气式挤出机 50 挤出连续体由牵引机带出 通过冷却定型装置失去塑性而变成固体 制得一定断面形状和尺寸的连续挤出制品 再锯切成长度的挤出成型制品 51 9 注射成型注射成型是热塑性塑料制品的常用成型法 多用于短纤维增强塑料制品生产 52 9 注射成型 53 注射成型的主要控制参数是料筒温度 塑化时间 注射压力 模具温度 锁模力和保压冷却时间 料筒温度由树脂种类定 纤维增强级比纯树脂稍高 注射压力一般在80 200MPa HTL68注塑成型机 54 5 4聚合物基复合材料的应用 石油化工 冷却塔 55 聚合物基复合材料的应用 石油化工 风机 56 聚合物基复合材料的应用 57 聚合物基复合材料的应用 浮球 58 聚合物基复合材料的应用 玻璃钢管道 59 聚合物基复合材料的应用 玻璃钢储槽 60 聚合物基复合材料的应用 玻璃钢水箱 61 聚合物基复合材料的应用 建筑业 透明瓦 62 聚合物基复合材料的应用 建筑业 报刊亭 63 聚合物基复合材料的应用 建筑业 花盆 64 聚合物基复合材料的应用 建筑业 装饰 65 聚合物基复合材料的应用 建筑业 装饰 66 聚合物基复合材料的应用 建筑业 装饰 67 聚合物基复合材料的应用 建筑业 装饰 68 聚合物基复合材料的应用 建筑业