玻璃纤维复合材料

1、n一、玻璃纤维复合材料简介n二、玻璃纤维复合材料特点n三、玻璃纤维复合材料制备与成型工艺n四、玻璃纤维复合材料基本构造形式n五、我国玻璃钢发展历程与应用现状n六、玻璃纤维复合材料加工存在的问题 n七、玻璃纤维复合材料加工工艺研究现状 n八、玻璃纤维增强复合材料的发展趋势与面临的问题n玻璃纤维增强材料简称（GFRP）俗名玻璃钢。它是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。 复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只

2、能承受拉力不能承受弯曲、剪切和压应力 ，还不做成固定的几何形状是松软体。如果用合成树脂把它们粘合在一起，就可以做成各种具有固定形状的坚硬制品既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力 这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。根据合成树脂的不同玻璃钢主要有环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、聚酯玻璃钢。玻璃纤维短切丝玻璃纤维丝玻璃钢二、玻璃纤维增强材料特点二、玻璃纤维增强材料特点n(1)轻质高强玻璃纤维增强复合材料密度小 (1.5一2.0g/cm，)，大约只有普通钢的1/4，比铝合金还轻1/3，但若按比强度计算(强度与密度的比值)，玻璃纤维增强复合材料强度超过普通钢，甚至超过个别特殊合金钢。优异的比强度、

3、比模量(弹性模量与密度的比值)，满足了特种车辆轻量化的要求。n(2)各向异性，层间强度低(一般不到其拉伸强度的10%)、性能分散性大，材料的剪切强度低于拉伸强度。n(3)电绝缘和导热性能：玻璃纤维增强复合材料是一种优秀的电绝缘材料，不受电磁作用，不反射无线电波。导热性差，线膨胀系数低，只有金属材料的1/1000一1/100，是优良的防护和耐烧蚀材料。n(4)耐热性能：玻璃纤维增强复合材料耐热性能优异，可以耐瞬时一高温，如玻璃纤维酚醛基复合材料能耐3800高温，但其长期耐高温性能较差，一般不超过100。n(5)耐腐蚀性能：采用热固性树脂的玻璃纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能，但对于硝酸、浓硫酸等

4、这类含有氧化性介质的溶剂，复合材料基体树脂极易氧化，而且温度升高会加速腐蚀。n(6)抗疲劳性能：金属材料的疲劳破坏是由里向外没有征兆突然发生的，而玻璃纤维增强复合材料中纤维和基体形成的界面可以有效阻止裂纹的扩展，破坏过程是渐进，往往发生在界面的薄弱处。n玻璃纤维一般由玻璃原料如纯碱、芒硝、石灰石等矿物原料进行生产, 通过坩埚拉丝或池窖拉丝等生产工艺， 制成玻璃纤维原丝后, 再加工成玻璃纱、玻璃纤维、 玻璃纤维毡等产品，然后再用合成树脂把它们粘合在一起，就制成了玻璃钢。玻璃钢是目前世界上产量最大、用途最广的复合材料。随着玻璃钢的不断应用和品种的不断增多，各种成型加工技术也得到了相应的发展。目前的

5、玻璃钢成型技术有几十种，按工艺原理分主要有:手糊成型、喷射成型、缠绕成型、模压成型、反应注塑成型、连续拉挤成型。我国1958年开始生产玻璃纤维增强复合材料，到目前为止仍以手糊成型为主，大约占整个玻璃纤维增强复合材料产业的70%。但最近几年通过引进国外先进技术和装备，如大型自动控制缠绕机、拉挤成型机组等设备，我国玻璃纤维增强复合材料的生产制造水平得到了很大的提高，与国外的差距也越来越小。 (l)手糊成型工艺是复合材料最早采用的，也是最简单的成型工艺方法。它先在模具上涂上一层脱脂剂，然后将含有固化剂的树脂混合物涂刷在模具上，再在其上铺上裁剪好的玻璃纤维编织物，通过增压使其充分浸润并排除气泡后，再涂

6、刷树脂混合物，铺上第二层玻璃纤维编织物，重复上述过程直至达到设计要求为止，最后通过固化、脱模成型生产出复合材料制品。(2)缠绕成型工艺是将浸渍树脂的连续纤维或布带缠绕到芯模上，固化脱模后得到复合材料的一种成型工艺。按树脂浸渍状态主要分为湿法缠绕和干法缠绕两种。(3)模压成型工艺是将树脂和短纤维的混合物放入到金属模具，闭模后加热、加压使其充满模腔，固化脱模后得到复合材料制品。模压成型是可兼适用于热固性树脂和热塑性树脂的成型方法。(4)拉挤成型工艺是将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或编织物，通过一定的工艺，在牵引装置的作用下连续定型固化，制成长度不限的复合材料成型方法。一般可分为以下三种构造形式:单层

7、复合材料，叠层复合材料，短纤维复合材料。(1)单层复合材料 单层复合材料，或称单层板，结构如图2.1所示，单层复合材料中纤维按一个方向整齐排列或由正交双向编织排列，其中纤维方向称之为纵向，用“1”表示，垂直于纤维方向称之为横向，用“2”表示，沿复合材料层厚度方向用“3”表示，1，2，3轴称为复合材料的主轴47。在单层复合材料中纤维和基体可能是各向同性材料，但由于纤维排列具有方向性，在各个方向上纤维含量并不相同，因此单层复合材料是各向异性、不均匀的材料。（3）短纤维复合材料短纤维复合材料增强相为短切纤维，不同于上面两种采用连续纤维构造形式的复合材料。短纤维复合材料一般分为两种，如图2.3所示，一

8、种是短纤维随机取向复合材料，一般通过将短纤维与基体搅拌均匀模压而成;另一种是单向短纤维复合材料，短切纤维呈单向整齐排列。（2）加工质量差。刀具的几何参数、刀具材料、切削工艺参数、操作方式、冷却方式等都会影响纤维增强复合材料的加工精度。除孔尺寸误差、圆度误差、位置误差等几何缺陷外，孔壁周围经常出现材料抽丝、毛边、分层、撕裂、裂纹等加工缺陷，如图1.3，尤其是在孔的进口和出口处，由于没有外层材料的约束，纤维增强复合材料的最外侧(顶面层和底面层)材料刚度弱，抵抗变形能力差，在切削力和切削热的共同作用下，很容易发生由于变形和退让形成的孔口撕裂及分层现象;孔径收缩也很严重，甚至会卡住、咬死钻头，使得刀具

9、无法退出己加工孔，破坏了孔的加工表面，深孔钻削时尤为严重:这些特有缺陷是GFRI钻孔技术研究的重点。 (3)粉尘污染严重，玻璃纤维增强复合材料切削形成的粉尘是以一种不均匀、无规则运动状态而存在的，具有一定的附着能力，无论是在机床上、工件表面上、操作者身上，还是除尘装置中，都可以看见一层附着物，对皮肤有一定的刺激性，有刺痒的感觉，如图1.4所示。吸入大量粉尘还对呼吸系统造成损害，严重时可能会得矽肺，让人丧失劳动能力。因此，在复合材料进行加工过程中一定要采取有效的除尘防护措施，避免粉尘污染环境和操作间的空气。 (1)目前GFRP的切削加工大多仍沿用金属切削加工工艺和设备，如车削、铣削、磨削、钻削等

10、，传统的机械加工方法具有方法简单、工艺成熟、设备投入少、人员配置低等优点，但也存在加工效率低、加工精度难以保证、加工缺陷难以克服等缺点。目前实际加工中，仍以传统的机械加工方法为主。国内外从事纤维增强复合材料加工技术研究的院校和研究机构有很多，国外主要有美国的陆军材料与力学研究中心、空军材料研究所、华盛顿大学等，日本的大阪大学、横滨国立大学等，俄罗斯、德国、英国、法国、瑞典等国家的一些研究机构，其中美国的华盛顿大学、日本的横滨大学主要从事纤维增强复合材料的二元切削及切削机理方面的研究工作。世界上排名靠前的几家飞机制造公司，如美国的波音公司、欧洲的空中客车公司也在进行纤维增强复合材料加工技术方面的

11、研究。国内从事这方面研究工作的单位不是很多，主要有北京航空航天大学、大连理工大学、南京理工大学、郑州大学，还有一些研究所等单位。(2)郑州大学张秀丽等对高硅氧玻璃纤维复合材料进行了铣削加工试验，考察了铣削参数和加工表面分层破坏之间的关系。大连理工的杨东军等采用多种刀具对高硅氧玻璃纤维复合材料进行了车削加工试验，认为立方氮化硼是最佳的刀具材料。聂晓庆比较了高速钢钻头、硬质合金钻头、涂层钻头和PCD钻头钻削GFRP后的加工质量认为，PCD是加工GFRP的最适合刀具材料。南京理工大学宋中权等利用TIN涂层的S刃麻花钻对GFRP进行了孔加工试验，表明与普通麻花钻相比，S刃钻尖可有效减小钻削轴向力和孔分

12、层缺陷，并且对分层机理进行了理论研究，介绍了分层检测的方法和评价指标，提出了分层等缺陷的抑制方法。南京理工大学程寓等通过施加预应力F来改善其切割加工性。上海航天精密研究所得吴志娟利用具有合理刀具几何参数的聚晶金刚石刀具，采用以磨代钻、以磨代铣等工艺对GFRP壳体进行了加工，解决了玻璃纤维的分层和撕裂问题。多刃尖麻花钻n(1)横刃对轴向力的贡献占整个轴向力的一半以上，因此减小横刃大小，可以有效减小轴向力和分层，提高钻孔质量。n(2)涂层工艺可以有效减小轴向力，并且进给速度较大时，涂层的优势越明显。n(3)普通钻尖麻花钻钻削轴向力有以下规律:进给速度越大，轴向力越大，而主轴转速对其影响不显著;进给量增大，轴向力增大;钻头直径越大，轴向力越大。n(4)多刃尖麻花钻钻削轴向力有以下规