纤维增强复合材料及其制备方法

1、纤维增强复合材料及其制备方法闻婷婷 （安庆师范学院 化学化工学院 09级材料化学<一>班 学号：160209050 ）摘要 纤维增强时提高聚合物力学性能的重要手段，纤维增强复合材料分为以热固性树脂和以热塑性树脂为基体两大类。具有强度高，质量轻等优异性能。关键词 复合材料 纤维 增强 热固性 热塑性 基体 引言近几十年来，纤维增强聚合物基复合材料以其特有的强度高、质量轻等优异性能取得了飞速的发展，其品种和数量不断增加。在这些复合材料中，作为增强体的纤维主要是有机合成纤维，如碳纤维、聚酰胺纤维等。纤维增强复合材料已成为先进国防装备，特别是飞行器结构的首先材料，对于减轻结构重量、提高结构

2、效率、改善结构可靠性、延长结构寿命具有其它材料无法比拟的优势，其用量已成为衡量飞行器结构先进性的重要标志。国内纤维增强结构复合材料经过20多年的研究 和积累，基本形成了可在80300温度范围使用的树脂体系和复合材料，建立了复合材料预浸料、蜂窝生产线，形成了以热压灌和缠绕成型技术为主的高性能复合材料构件研发和生产技术。1、 增强纤维的种类和基本特性 用于增强复合材料的纤维品种多，主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，此外还有尼龙、聚酯纤维以及硼纤维、晶须等【1-6】。1、1玻璃纤维 玻璃纤维是一种高强度高模量的无机非金属纤维，其化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼及钠、钾、钙、铝的氧化物。 主要性能有如

3、下： 拉伸强度很高，但模量较低 耐热性非常好 是良好的绝缘材料 具有不燃，化学稳定性好，尺寸稳定，价格便宜等优良性能1、2碳纤维【7】 碳纤维属于聚合的碳。它是有机纤维经固相反应转化为碳纤维，如PAN纤维或沥青纤维在保护气氛下热处理生成含碳量在9099范围的纤维。 主要性能如下： 力学性能密度小，具有较高的比强度和比模量，断裂伸长率低 热性能导热性能好，而且随着温度升高，热导率由高逐渐降低 化学性能有较强的耐腐蚀性，它可以在王水中长期使用而不被腐蚀 电性能沿纤维方向的导电性好，其导电性可以与铜相比1、3芳纶纤维 芳香族聚酰胺由对二甲酰氯缩聚反应制得。 主要性能如下： 力学性能具有无机纤维一样的

4、刚性，强度超过了任何有机纤维，密度小、强度高、弹性模量高、强度分散性大，具有良好的韧性。 热性能耐热性好，可以在-195260的温度范围内使用，热稳定性好，不易燃烧。电性能阻尼性能好，电绝缘性好。1、4石棉纤维 石棉纤维天然矿产，比玻璃纤维便宜，而且强度较高，是一种较好的增强材料。石棉的种类较多，但主要使用的是温石棉和山石棉，闪石棉又分为透闪石和直闪石。大量的研究表明，石棉吸入体内对人体健康有很大的危害作用。1、5晶须晶须是直径小于30um，长度只有几微米的针状单晶体，是强度和弹性模量很高的增强材料。晶须又分为金属晶须和陶瓷晶须。陶瓷晶须的强度极高，接近原子结合力，密度低、弹性模量高、耐热性能

5、好，金属晶须可以在磁场中取向，容易制成定向纤维复合材料。因为晶须复合材料在应用方面具有广泛前景，故晶须的开发十分活跃。除了SiC，氧化铝晶须外，日本从未间断过新型晶须的研究开发。四国化成公司开发的硼酸铝晶须于20世纪90年代进入商品化阶段后，由于生产量大且价廉，倍受零部件厂家青睐【8】。1、6矿物纤维矿物纤维（PFM）是由矿渣棉派生出来的一种短玻璃纤维。PMF呈白色或浅灰色，直径为110um，长度只有4060um，相对密度为2.7,质脆；但不易燃烧，耐热温度为760，熔点为12601315。PFM纤维近年来主要用来增强聚丙烯、聚酯等。加入PFM与加入碎玻璃的效果相同，但使用PFM的成本仅为使用

6、碎玻璃成本的三分之一，所以用来代替碎玻璃作为复合材料的分散质更为有利。1、7金属与陶瓷纤维金属纤维过去只用于导线、电热丝、织金属网等，现在已用它作为增强材料使用。特别是用电较高的钨丝、钼丝等金属纤维和不锈钢纤维更引人注目。另外还有碳化硼、二氧化钴、磁化硅、氧化结等陶瓷纤维，这些纤维作为复合材料的增强剂，提高复合材料的力学性能和耐热性1、8碳化硅纤维 碳化硅纤维是一种连续纤维，而碳化硅纤维重要由日本炭素公司和宇部兴产公司开发生产。最初的Nacalon（Si-C-O）和Tyranno（Si-Ti-C-O）纤维由于表层含氧量较高，纤维易与Al发生界面反应，削弱纤维增强效果。后来开发了电子束照射不熔化

7、处理技术，大大降低了纤维含氧量，且改善了纤维与Al的相容性。宇部兴产公司又开发了一种由聚铝碳硅烷（Polyaluminocarbosilane）经熔融纺丝，烧结成的Si-Al-C-O纤维其热稳定性可达2200，与Al的相容性也可望得到改善【9】。宇部兴产公司又进一步改善SiC纤维，推出Si-M-C-O系列用于金属间化合物基复合材料【10】。日本炭素公司也开发了一种新型的SiC纤维叫Hi-Nicalon，与原有的Nicalon和Hi-Nicalon纤维相比在热稳定性，抗氧化性以及高温蠕变特性上得到了改善【11】。最近，冈本清人概括了日本SiC纤维的两大系列的制作方法、发展、特性等，值得参考【12

8、】。2、纤维增强复合材料的制备方法2、1聚合物基复合材料的工艺特点 聚合物基复合材料在性能方面有许多独到之处，其成型工艺和其他材料加工工艺相比也有其特点。首先，材料的形成和制品的成型是同时完成的，复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。在复合材料制品的成型中，增强材料的形状变化虽然不大，但基体的形状却又较大变化。复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能。如复合材料制备中纤维与基体树脂之间的界面粘结是影响纤维力学性能发挥的重要因素，它除与纤维的表面性质有关外，还与制品中的空隙率有关，他们都直接影响到复合材料的层间剪切强度。又如在各种热固性复合材料的成型方法中都有固化工序，为使固化后的制

9、品具有良好的性能，首先应科学的制定工艺规范，合理确定固化温度、压力、保温时间等工艺参数。成型过程中纤维的预处理、纤维的排序方式、去除气泡的程度、是否挤胶，温度、压力、时间控制精确度等都直接影响制品性能。利用树脂基复合材料形成和制品成型同时完成的特点，可以实现大型制品一次整体成型，从而简化了制品结构，减少了组成零件和连接件的数量，这对减轻制品质量，降低工艺消耗和提高结构使用性能十分有利。 其次，树脂基复合材料的成型比较方便。因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很柔软，依靠模具容易制得要求的形状和尺寸。有的复合材料可以使用廉价简易设备和模具，不用加热和加压，有原材料直接成型出大尺寸的制品。这对制

10、备单件或小批量产品尤为方便，也是金属制品生产工艺无法相比的。一种复合材料可以用多种方法成型，在选择成型方法时应该根据制品结构、用途、生产量、成本以及生产条件综合考虑，选择最简单和最经济的成型工艺。2、2聚合物基复合材料的制备方法 复合材料的制备大致包括如下的过程：预浸料的制备、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等【13】。复合材料制品有几十种成型方法，它们之间既存在着共性又有着不同点，从原材料到形成制品的过程可以用下图表示：成型模具树脂固化剂促进剂填料颜料胶液配制增强材料处理纱布毡模具准备脱模剂原材料准备工序成型作业固化脱模加工及修饰检验成型工序制品成品图1：复合材料制品的生产流程图半成

11、品加工2.2.1预浸料及其制备方法预浸料（Prepreg）是Preimpregnated Materials的缩写，是把强化纤维（Reinforced Fiber）浸渍在基体（Matrix）中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料。预浸料是将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物上，通过一定的处理过程后贮存备用的半成品，预浸料是一个总称。复合材料制品的力学及化学性能在很大程度上取决于预浸料的质量。使用Prepreg生产的复合材料相比于其他材料来说，能改善强度（strength），硬度（stiffness），耐蚀性（corrosion resistance），疲劳寿命（fatigue），耐磨耗性（we

12、ar resistance），耐冲击性（impact resistance），轻量化（weigh treduction）等多种特性。预浸料分为热固性预浸料和热塑性预浸料。 热固性预浸料：热固性预浸料 （ thermosetting prepreg）用热固性树脂基体浸渍的纤维或织物经烘干或预聚的一种中间材料，主要分为单向预浸料和织物预浸料。其制备方法主要有两种：一种是湿法，先将热固性树脂用溶剂配成一定浓度的溶液，将纤维从中浸渍树脂，而后收卷于辊筒；一种是干法，即将树脂制成糊状或薄膜，再与纤维均匀合成一体。热固性树脂预浸料的主要性能指标包括预浸料的树脂含量、树脂流动性、挥发物含

13、量、预浸料凝胶时间和粘性。热固性预浸料通常需放置在-18下贮存。 热塑性预浸料 ：热塑性【14】预浸料（thermoplastic prepreg）用热塑性树脂基体浸渍的纤维或织物经烘干或预聚的一种中间材料，主要分为单向预浸料、织物预浸料及纤维型预浸料。热塑性预浸料虽然也可以采用湿法或干法制备，但工艺要比热固性预浸料复杂。因为热塑性树脂耐溶剂性好，热熔融温度高，所以通常采用热熔法、悬浮法及粉末静电吸附法制备。主要特性技术指标有预浸料树脂含量及分布、挥发物含量及单位面积纤维质量。2.2.2成型工艺 手糊成型（hand laying-up）以手工作业为主成型复合材料构件的方法。此法是在涂好脱模剂的

14、模具上，一边手工铺设增强材料一边涂刷树脂，反复进行，直到所需厚度为止，然后经过固化、脱模制得制品。该方法的特点是工艺简单，操作方便，无需专业设备；但劳动条件差，产品精度低，承载能力不高。一般适于成型尺寸大而使用要求不高的产品如渔船、游艇、汽车壳体等；也可用于热压罐、模压等成型方法的坯件制备。其工艺如图所示：模具涂脱模剂干燥树脂基体配制手糊成型增强材料表面处理裁剪固化脱模修整成品增强反应注射成型（reinforced reaction injection moulding）制造热固性复合材料制件的一种成型方法。工作原理和操作方法与反应注射成型相同，只是在物料中加入纤维增强材料。反应注射成型是以热

15、固性或弹性体的液态树脂为原料，在一定的工艺条件下注入模具内，使其迅速固化，再进行后处理而制得产品的一种成型工艺方法。该方法使聚合反应与成型加工一步化，可直接由液态原料得到固态制品。喷射成型（spray-up moulding）利用喷枪将短切纤维增强材料与树脂体系同时喷射在模具表面，然后压实固化成热固性复合材料制品的一种成型工艺。本法特点是生产效率高，劳动强度低，节省原材料，制件的形状尺寸不受限制，产品整体性好；但是场地污染大，制件承载能力低。适合于制造船体、浴盆、汽车车身及板材等大型部件。纤维缠绕成型（filament winding）【15】连续纤维复合材料旋转体制件的一种成型方法，浸渍树脂

16、的纤维丝束或纤维带以一定方式连续缠绕到芯模上，制成坯件，然后在热压罐、烘箱或专用固化炉内固化。本法特点是纤维能保持连续完整，制件线型可设计，机械化程度高，产品不需机械加工；但是设备复杂，技术难度高，工艺质量不易控制。适合成型大型的旋转体制件，如高压容器、大型管道、锥形雷达罩、火箭壳体等，还可成型异形截面型材和变截面制件如飞机方向舵等。压机模压成型（press moulding）用压机施加压力和温度来实现模具内制件固化成型的方法，将复合材料坯件放入模具内，在压机上闭模后，加温加压进行固化成型。坯件大小、用量需预先计算，并与模腔体积匹配，以保证制件尺寸要求；应严格控制固化温度、压力和时间以保证制品

17、质量。该方法生产效率高，产品外观好、精度高，适合制备大批量的复合材料制件；但是对模具要求高，制件尺寸和形状受到限制。高吨位大台面压机可用于成型大尺寸平板制件和层压板材。拉挤成型（ pultrusion process）一种自动化连续生产纤维复合材料型材的工艺方法。预浸料或连续纤维浸渍树脂后，经牵引通过成型模具，被挤压和加温固化形成型材，然后用切割机将型材按长度要求切割得到制品。增强体可以有多种形式如单向纤维、编织套或整体的三维编织物；模腔的口型可按型材截面形状设计成多种多样，如工字形、槽形、T型或螺旋型；牵引装置可做平动或旋转运动。本法要求树脂粘度低，浸润性好，适用期长，固化快；树脂中可加入外

18、渗型脱模剂，成型时自动转移到制件表面减少牵引阻力。本法生产过程连续，效率高，制件纤维含量高，不需要再加工；适合于批量大的管材、异型材和棒材的连续生产。 搓制成型（rolling process）管状纤维复合材料型材的一种成型方法，通过两个平面的相对运动产生的搓卷作用，使纤维或织物预浸料包缠到芯模上形成管状制件的坯料，然后再固化成型。用电熨斗使剪裁好的预浸料一边与芯模（涂一层脱模剂）粘附，置于卷管机的下平面上，将上平面放在芯模上，施加一定压力，上平面向前移动将预浸料搓卷到芯模上，再经过缠膜、固化、脱模、研磨、切割两端余料制成管件。包缠膜时对制件施加一定压力可以防止制件固化时树脂流动。固化时可以将

19、多个芯模同时吊挂在炉中集中固化。本法可进行流水作业，适合大批量生产；但工艺环节多，产品尺寸受到限制；主要用于成型有轻微锥度的管件，如可伸缩的钓鱼竿等。压力袋成型（pressure bag moulding）是复合材料成型方法之一，通过在柔韧袋中产生均匀真空，以热压罐内充入的气压或压机压力使置于刚硬模具上（或模具内）的材料压实成型。压力袋由弹性好强度高的橡胶制成，使用温度应在固化温度以上；本法特点是工艺简单，不需要复杂和专用设备，常用来制造使用要求不高、外形简单、成型压力不高、可以室温固化的制件，可与手糊成型配合使用。Fiber reinforced composite material and

20、 its preparation methodWen Ting Ting(Institute of Chemistry, Anqing Teachers College 09 Materials Chemistry <A> Class Student ID: 160209050)Abstract ：Fiber reinforced polymer mechanical properties to raise an important means of fiber-reinforced composite materials into the thermoplastic resin

21、and thermosetting resin as the matrix into two categories. High strength, light weight, excellent performance.朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典详细内容1. 名词 1. summary2. abstractKeywords ：Composite materials Fiber Enhanced Thermosetting Thermoplastic Matrix朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典详细内容参考文献1. 许长青.合成树脂及塑料手册【M】.北京：化学工业出版社.19912. 【日】内田盛也.高物性新型复合材料【M】.北京：航空工业出版社，19923.