复合材料工艺与设备 绪论

1、复合材料工艺及设备复合材料工艺及设备主讲：主讲： 岳建岭岳建岭主要参考教材主要参考教材l 主要教材：主要教材：复合材料工艺与设备复合材料工艺与设备，刘雄，刘雄亚，谢怀勤（主编）；武汉理工大学出版社；亚，谢怀勤（主编）；武汉理工大学出版社；l 其它参考教材：其它参考教材：1） 复合材料成型技术复合材料成型技术，黄家康主编，化学，黄家康主编，化学工业出版社；工业出版社；2） 先进复合材料先进复合材料，鲁云、朱世杰主编，机，鲁云、朱世杰主编，机械工业出版社；械工业出版社；3）复合材料聚合物基体复合材料聚合物基体，赵玉庭主编，赵玉庭主编本课程的任务本课程的任务本课程是复合材料专业的一门主要专业课，本课

2、程是复合材料专业的一门主要专业课，其任务是使同学们学习和掌握各种复合材料的其任务是使同学们学习和掌握各种复合材料的成型方法、工艺原理、生产设备等方面的系统成型方法、工艺原理、生产设备等方面的系统知识。通过课堂学习和实践，掌握各种复合材知识。通过课堂学习和实践，掌握各种复合材料工艺及设备的原理及技术关键，要求能合理料工艺及设备的原理及技术关键，要求能合理地选择成型工艺和设备，并能组织生产。地选择成型工艺和设备，并能组织生产。复合材料工艺与设备复合材料工艺与设备授课课时分配表授课课时分配表章节章节讲课讲课实验实验合计合计第一章第一章 绪论绪论22第二章第二章 手糊成型工艺与设备手糊成型工艺与设备（

3、原材料选择、手糊工艺过程、喷射成型、热压釜、（原材料选择、手糊工艺过程、喷射成型、热压釜、RTM和和VARI等）等）8412第三章第三章 夹层成型工艺与设备夹层成型工艺与设备22第四章第四章 模压成型工艺与设备模压成型工艺与设备22第六章第六章 缠绕成型工艺与设备缠绕成型工艺与设备426第七章第七章 其它成形工艺设备其它成形工艺设备（注射成型工艺、热塑性复合材料成型等）（注射成型工艺、热塑性复合材料成型等）44第八章第八章 金属基和无机非金属基复合材料工艺及设备金属基和无机非金属基复合材料工艺及设备22第九章第九章 复合材料二次加工及复习复合材料二次加工及复习22 第一章第一章 绪论绪论1.1

4、 复合材料发展的概况复合材料发展的概况1.2 CM的基本性能的基本性能1.3 CM的成型工艺的成型工艺1.4 成型工艺的选择原则成型工艺的选择原则1.5 聚合物及聚合物基复合材料发展概述聚合物及聚合物基复合材料发展概述 第一章第一章 绪论绪论1.11.1 复合材料发展的概况复合材料发展的概况 复合材料复合材料以下简称以下简称CM1.1.1 CM的定义的定义（各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一（各教科书说法不同，意见基本一致，没有完全统一的说法）的说法）广义的定义：广义的定义： CM是指由是指由两种或两种两种或两种以上的不同材料，通过一定的以上的不同材料，通过一定的工艺工艺复合而成的，

5、性能复合而成的，性能优于优于原原单一材料的单一材料的多相固体材多相固体材料料。注意：注意：所研究的所研究的CM与化合材料、混合材料的区别。与化合材料、混合材料的区别。主要体现在：主要体现在：多相体系多相体系和和复合效果复合效果是复合材料区别于传统的是复合材料区别于传统的“混合材料混合材料”和和“化合材料化合材料”的两大特征。的两大特征。举例：举例：砂子与石子混合砂子与石子混合，合金或高分子聚合物合金或高分子聚合物狭义定义：狭义定义：（通常研究的内容：通常研究的内容：）用纤维增强树脂、金属、无机非金属）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。材料所得的多相固体材料。由此可以得出：

6、由此可以得出：CM = CM = 增强材料增强材料 基体材料基体材料 由于增强材料和基体材料的不同，因此决定了复合材料由于增强材料和基体材料的不同，因此决定了复合材料的品种和性能的千变万化。的品种和性能的千变万化。复合材料的分类：复合材料的分类： 按基体材料不同可分为：按基体材料不同可分为： 理论上形成比较完整体系的是树脂基复合材料理论上形成比较完整体系的是树脂基复合材料无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料在学习本课程之前，先了解一下本课程中常用的一些代号。在学习本课程之前，先了解一下本课程中常用的一些代号。CM 复合材料复合材料FR

7、P 纤维增强塑料纤维增强塑料FRTP 纤维增强热塑性塑料纤维增强热塑性塑料RTM 树脂传递模塑树脂传递模塑RIM 反应注射模塑反应注射模塑RRIM 增强反应注射模塑增强反应注射模塑SMC 片状模塑料片状模塑料DMC 团状模塑料团状模塑料BMC 块状模塑料块状模塑料AS AS树脂，丙烯腈树脂，丙烯腈苯乙烯共聚物苯乙烯共聚物1.1.2 CM的发展历程的发展历程概况概况1 1） 国外复合材料的发展国外复合材料的发展二十世纪二十世纪40年代，在美国首先出现了手糊工艺（雷达罩、年代，在美国首先出现了手糊工艺（雷达罩、飞机油箱、汽车外壳、飞机机身、机翼）飞机油箱、汽车外壳、飞机机身、机翼）60年代，缠绕工

8、艺、喷射成型、年代，缠绕工艺、喷射成型、SMC、拉挤成型工艺、拉挤成型工艺、透明玻璃钢。透明玻璃钢。70年代，年代，RTM及及RIM，热塑性片状模塑料，热塑性片状模塑料80年代，离心浇铸工艺年代，离心浇铸工艺 复合材料在国民经济建设和国防建设的各个领域中发挥的复合材料在国民经济建设和国防建设的各个领域中发挥的重要作用。例如重要作用。例如P3，19 复合材料在汽车、建筑、造船工业中玻璃钢用量情况见复合材料在汽车、建筑、造船工业中玻璃钢用量情况见P4，表表1-4。2）我国复合材料发展概况）我国复合材料发展概况 1958年年 手糊手糊 1962年年 喷射成型及蜂窝成型喷射成型及蜂窝成型 1972年年

9、 武工大、华东化工、哈建工成立专业武工大、华东化工、哈建工成立专业 1975年年 玻璃钢学会玻璃钢学会 玻璃钢玻璃钢/复合材料复合材料 1980年年 复合材料学会复合材料学会 复合材料学报（北航）复合材料学报（北航）71年以前主要是军工产品，以后开始转向民用品。主要年以前主要是军工产品，以后开始转向民用品。主要用于建筑、化工、轻工、交通、造船等工业。用于建筑、化工、轻工、交通、造船等工业。无机非金属复合材料的发展状况见无机非金属复合材料的发展状况见P5另外，植物纤维增强的复合材料，近些年来有了较快的另外，植物纤维增强的复合材料，近些年来有了较快的发展：如纸面石膏板，植纤石膏板，水泥板等。发展：

10、如纸面石膏板，植纤石膏板，水泥板等。作业：作业： 1、复合材料广义的定义是什么？、复合材料广义的定义是什么？ 2、按照基体不同复合材料怎么分类？、按照基体不同复合材料怎么分类？1.2 CM的基本性能的基本性能1.2.1 CM的基本性能主要取决于的基本性能主要取决于3个方面：个方面：1 1 、增强材的性能、含量及分布情况、增强材的性能、含量及分布情况2 2 、基体材料的性能及含量、基体材料的性能及含量3 3 、界面的结合情况、界面的结合情况燃烧性能主要取决于燃烧性能主要取决于2、3力学性能主要取决于力学性能主要取决于1、2、3导热、电、耐腐蚀等性能主要取决于导热、电、耐腐蚀等性能主要取决于2、3

11、 1.2.2 CM的主要性能特点：的主要性能特点：1) 轻质高强轻质高强是是CM最突出、重要的特点，也是研究最多的特点。可最突出、重要的特点，也是研究最多的特点。可以用比强度，比弹性模量来定量描述。以用比强度，比弹性模量来定量描述。材料名称材料名称比强度比强度比模量比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻纤玻纤/聚酯聚酯CM0.530.21碳纤碳纤/环氧环氧CM1.030.212)2)可设计性好可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一。复合材料区别于传统材料的根本特点之一。可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及其它性可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要

12、求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在以下两个方面：现在以下两个方面：力学设计力学设计给制品一定的强度和刚度给制品一定的强度和刚度功能设计功能设计给制品除力学性能外的其他性能给制品除力学性能外的其他性能正是由于复合材料的可设计性，我们可以根据制品的需要正是由于复合材料的可设计性，我们可以根据制品的需要重点设计某一种或几种物理性能，一些不需要的性能可以不重点设计某一种或几种物理性能，一些不需要的性能可以不去考虑，从而降低总成本。去考虑，从而降低总成本。 3) 3)工艺性能好工艺性能好 复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，

13、复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活。成型条件机动灵活。u 以上三点是复合材料通有的特性。具体到玻璃纤维增强以上三点是复合材料通有的特性。具体到玻璃纤维增强树脂基复合材料，还具有以下特性：树脂基复合材料，还具有以下特性：4 4、热性能好、热性能好 导热系数小，是金属材料导热系数小，是金属材料1/1001/1001/10001/1000；特殊类型的；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。玻璃钢可耐瞬时高温。5 5、耐腐蚀性能好、耐腐蚀性能好 可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。制作化工管道

14、、储罐、船舶等。6 6、电性能好、电性能好 a a、电绝缘性能好，不受电磁作用；、电绝缘性能好，不受电磁作用； b b、微波穿透性好；、微波穿透性好； c c、可制作成不带静电的制品。、可制作成不带静电的制品。7 7、其它特点：耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，、其它特点：耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。透光性等。作业：作业：1 1、复合材料性能的主要决定因素有哪些？、复合材料性能的主要决定因素有哪些？ 2 2、复合材料的主要性能特点有哪些？、复合材料的主要性能特点有哪些？ 与传统材料相比，复合材料既是一种材料，也是与传统材料相比，复合材料既是一种材料，也是一种结构，而且材

15、料、结构、功能具有一致性。这种一种结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，材料和结构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，因此无论是从事复合材料理论研究，还是工程技术研因此无论是从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研制出更能发挥材料特性与效率的制品究的目标都是研制出更能发挥材料特性与效率的制品及制备方法。及制备方法。 材材 料料结结 构构工工 艺艺测测 试试制品制品复合材料制品与各要素关系图复合材料制品与各要素关系图1.2.3 树脂基树脂基CM的缺点：的缺点： 一般情况下一般情况下1 1）弹性模量低）弹性模量低 比钢材小比钢材小10

16、10倍倍2 2）长期耐热性差）长期耐热性差3 3）易老化）易老化4 4）表面硬度低、耐磨性差）表面硬度低、耐磨性差 也有特殊情况，例如聚氨脂弹性体复合材料耐磨性能好。也有特殊情况，例如聚氨脂弹性体复合材料耐磨性能好。 复合材料的成本情况：水泥、石膏基复合材料的成本情况：水泥、石膏基CM树脂基树脂基CM金金属基属基CM陶瓷基陶瓷基CM1.3 1.3 CM的成型工艺（树脂的成型工艺（树脂基）基）目前在生产上经常采用的成型方法有目前在生产上经常采用的成型方法有16 16种：种：1 1、手糊成型、手糊成型湿法铺层成型湿法铺层成型2 2、夹层结构成型（手糊法、机械法）、夹层结构成型（手糊法、机械法）3

17、3、模压成型、模压成型4 4、层压成型、层压成型5 5、缠绕成型、缠绕成型6 6、拉挤成型、拉挤成型7 7、注射成型、注射成型8 8、喷射成型、喷射成型9 9、真空袋压力成型、真空袋压力成型1010、压力袋成型、压力袋成型1111、树脂注射和树脂传递模塑成型、树脂注射和树脂传递模塑成型1212、卷制成型、卷制成型1313、真空辅助注射成型、真空辅助注射成型1414、离心浇铸成型、离心浇铸成型1515、片状（团状）模塑成型、片状（团状）模塑成型1616、连续板材成型、连续板材成型 目前我国还是以手糊成型为主，在树脂基复合材料中约目前我国还是以手糊成型为主，在树脂基复合材料中约占占80%80%。

18、1.4 成型工艺的选择原则成型工艺的选择原则 P7P7如何选择成型方法，是组织生产时的首要问题。生产复合材如何选择成型方法，是组织生产时的首要问题。生产复合材料制品的特点是材料生产和产品成型同时完成。因此，在选择料制品的特点是材料生产和产品成型同时完成。因此，在选择成型方法时，必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等成型方法时，必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等多种因素的基本要求，具体应考虑：多种因素的基本要求，具体应考虑：1）产品的外形构造和尺寸大小；）产品的外形构造和尺寸大小；2）材料性能和产品质量要求；）材料性能和产品质量要求；3）生产批量大小及供应时间要求；）生产批量大小及供

19、应时间要求；4）企业可能提供的设备条件及资金；）企业可能提供的设备条件及资金；5）综合经济效益，保证企业盈利。）综合经济效益，保证企业盈利。1.5 聚合物及聚合物基复合材料发展概述聚合物及聚合物基复合材料发展概述19071907年酚醛树脂成为第一种合成树脂年酚醛树脂成为第一种合成树脂19271927年聚氯乙烯（年聚氯乙烯（PVCPVC）19311931年聚甲基丙烯酸甲酯（年聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）19381938年尼龙年尼龙6666纤维纤维19391939年三聚氰胺年三聚氰胺- -甲醛树脂甲醛树脂19411941年不饱和聚酯树脂年不饱和聚酯树脂19421942年环氧树脂年环氧树脂1

20、） 聚合物发展概述聚合物发展概述2） 聚合物基复合材料的进展聚合物基复合材料的进展l 神舟飞船主承力结构、低密度模塑料等神舟飞船主承力结构、低密度模塑料等FRPFRP件荣获国件荣获国家科技进步二等奖，标志着我国复合材料科学技术已达到家科技进步二等奖，标志着我国复合材料科学技术已达到世界先进水平；世界先进水平；l 历经历经2020年，我国玻璃钢年，我国玻璃钢/ /复合材料年产量已超过日本、复合材料年产量已超过日本、欧洲，跃居世界第二大国，显示了当今我国欧洲，跃居世界第二大国，显示了当今我国FRPFRP行业的活力。行业的活力。l 1986-20061986-2006，我国玻璃钢（热固性）增长，我国玻璃钢（热固性）增长5151倍。总量倍。总量在上世纪在上世纪9090年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固性玻璃钢已超过欧洲总和。我国玻璃钢的总产