树脂基复合材料12.ppt

1、Polymer Matrix Composites (PMC),一般指以有机高分子聚合物（人工合成的高分子）为主体，在一定的温度和压力下可塑制成型的合成材料(时间)。 主要特点为： （1）密度小， （2）强度比较高， （3）具有良好的机械性能、电性能、光性能和化学稳定性。 除了有机高分子的主体外， （1）增加塑性的增塑剂， （2）改变表面性能的润滑剂， （3）防止受光热影响的稳定剂， （4）色料和填料等配合剂。 目前大规模生产的树脂（Resin）品种大致有300多种。,复合材料选用树脂要考虑的因素,产品的性能；强度、耐热、介电、耐腐蚀性等。 对纤维应有良好的浸润性和黏附力； 浸润性纤维增强材料

2、的表面和空隙被树脂胶液填满的能力。 黏度低而且稳定，这是保证纤维浸润性好的必要条件。 对于制作高强度的结构件，几乎都用环氧树脂。这是由于它的黏附力好，特别是剪切强度高，收缩性小。 具有良好的工艺性能； 温度。成型时温度和固化时温度应尽可能低。若高温，不仅选择工装麻烦，而且容易出现大的热应力，会影响产品的质量。 毒性低，刺激性小。 使用寿命。 来源方便，价格低廉。,树脂：是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。,热固性树脂 Thermoset 低初始粘度 性能好 除气 放热 相对脆,热塑性树脂 Thermoplastic 韧性

3、 重复利用 粘结性好 独特的修补能力 高粘度,热固性树脂,在常温下一般是液体或固体。液体状树脂在初受热时，黏度变低。固体状树脂在初受热时，会变软，甚至成为液体。它们可以塑制加工成一定的形状。随着加热的继续或加入固化剂后，会逐步凝胶以至固化成型。再加热也不会软化。即它的变化（相变）是单向的。这类树脂中所包含的高分子聚合物属于体型网状结构。例如：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等。,Thermoset Resins,酚醛树脂（Phenolic resin） 环氧树脂（Epoxy resin） 不饱和聚酯树脂（Polyester resin）,酚醛树脂(Phenolic resin),最早用

4、于复合材料的树脂。用酚类化合物与醛类化合物缩聚而成的树脂统称为酚醛树脂。以苯酚C6H5OH和甲醛HCHO为原料制成的酚醛树脂最为重要，也是最早实现工业化生产的热固性树脂。通过控制原料苯酚和甲醛的摩尔比以及反应体系的pH值，可以合成两种性质不同的酚醛树脂：含有羟甲基结构可以自固化的热固性酚醛树脂和不带羟甲基反应官能团的热塑性酚醛树脂。,特点： A、耐热性好，能耐瞬时超高温。 B、电性能好，耐腐蚀性好。 C、原料来源充足，价格低廉。 D、具有广泛的改性余地。（脆性或物理性能，提高它对纤维的粘结性并改善复合材料的成型工艺条件等。）,缺点：一般必须高温、高压成型，机械强度差。在大型制品上的应用受到限制

5、。,环氧树脂(Epoxy resin),环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。 环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。 环氧树脂是一类品种繁多、不断发展的合成树脂。它的合成起始于上世纪30年代，40年代后期开始工业化生产，60年代、70年代又相继发展了许多新型的环氧树脂品种，近年来做为一种新型的工业材料其品种和产量逐年增长。由于环氧树脂及其固化后的体系具有一系列可贵的性能，它们可用于粘合剂、涂料、铸塑料和纤维增强复合材料、特别是在碳纤

6、维、硼纤维复合材料的基体树脂等。,特点： A、附着力强，制件强度高。 B、电性能好，耐腐蚀性好。 C、无挥发份，收缩率低,缺点：耐温性能差，不如酚醛；有一定脆性。,不饱和聚酯树脂（Polyester resin）,不饱和聚酯树脂：不饱和二元羧酸（或酸酐）或它们与饱和二元羧酸（或酸酐）组成的混合酸与多元醇缩聚而成的；,特点： A、品种多，适应性强。 B、工艺性好，粘度较低。 C、可在室温下固化，固化过程中没有低分子副产物。 D、适用于手糊成型，可制造大型异型制品，广泛用于汽车、造船及航空等工业。,缺点： 力学性能不如环氧树脂，耐热性差，因此很少用于承载构件。,热塑性树脂-Thermoplasti

7、c resins,在常温下是固体。加热到一定温度时，可软化，甚至流动（特别是在加压时易流动），它们可以塑制加工成一定的形状。冷却后变硬。再加热可软化。即它的变化（相变）是双向的。这类树脂中所包含的高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的有：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、氯化聚醚、聚砜、聚酚醚、有机氟树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚丁烯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、丙烯腈-丁烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺等、聚醚醚酮（PEEK）。,Thermoplastic resins,主要种类的基本性能,复合方法,热固性树脂基复合材料成型工艺,手糊

8、成型法 Hand Lay-Up Process 喷射法 Spray-Up Process 模压成型法 Compression Molding 层压成型法 Laminated 纤维缠绕成型法 Filament Winding 拉挤成型 Pultrusion Process 树脂传递模塑法 Resin Transform Molding 脂膜溶渗工艺 Resin film Infusion,Thermoset ResinsHand Lay-Up,低压成型法。一般在35-680KPa范围内。 1、适用于：生产试制品，或机械强度要求不高的大型制品，或小批量、大尺寸、品种变化多的制品生产。一般用来成型船

9、体、小型游泳池、贮罐、大口径管、客车部件、波纹瓦等制品。 2、优点：操作简便，所用工具和工艺设备简单，专用设备少，不受制品尺寸限制，成型费用低。 3、缺点：工艺受作业人员水平、经验和劳动态度的影响，质量不稳定，且劳动条件差，制件强度较低。 4、所用树脂：一般采用室温或中温，不需加高压即能固化的树脂配成胶液，黏度较低，以利于与纤维或织物浸透。 一般适用不饱和聚酯树脂或环氧树脂。 5、所用增强体：纤维、二维纤维布、纤维毡。,Thermoset ResinsHand Lay-Up,（1）首先准备好模具，刷涂一层脱模剂，然后边铺纤维布（玻璃纤维布等）或毡，边涂刷胶液。 （2）每铺涂一层，用刷子揿压或用

10、辊子压滚，使胶液浸透纤维布或毡，并挤出气泡。 （3）如此反复操作，一直铺到所需厚度。 （4）加接触压（低压），在室温下放置，一直到树脂固化。 （5）脱模，再进行后处理。 （6）如需加速固化，成型时可适当加热（一般低于80）,脱膜剂： 保证把已经固化的制品顺利地从模具上取下来。选择与树脂结合力很小的非极性或极性很弱的物质。 薄膜型：聚酯薄膜、聚氯乙烯等； 溶液型：过氯乙烯、硅橡胶等； 油腊型：石蜡、凡士林等。,Thermoset Resins Spray Up,1、工艺：是利用高压空气将树脂系统（包括固化剂和促进剂等）和短纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并沉积在模具面上，用手辊压实浸胶纤维层，然后室

11、温固化成型得到制品。 2、特点：成型速度快，可以成型较为复杂形状的大型的制品，可直接在工地上施工。用喷射工艺能够成型小船、屋顶、强度不高的罐体和管道、管子衬里、净化槽和浴槽等制品。 3、缺点：树脂胶液与纤维等的配比不易正确控制。因操作熟练程度不同而影响制品的质量。劳动条件差，需采取保护措施。施工中材料浪费较大。,一般使用不饱和聚酯树脂,喷射机（喷枪）和喷射成型工艺,Thermoset Resins Spray Up,喷射枪的结构中有三个喷嘴： 中间的一个喷嘴供喷射纤维用。将无捻玻璃纤维粗纱经过切刀切成短纤维后，借压缩空气喷射到模具上。短切纤维的长度为2060mm，可由切刀的片数来调节。 左右两

12、个喷嘴分别加促进剂的树脂液和加固化剂的树脂液，以免堵塞喷嘴。 这三个喷嘴都连通空气压缩机，空气压力为24个大气压。 每喷射一层，用刷子或辊筒将它们压实，排除其中的气泡，使纤维被胶液浸透。反复喷射至所需的厚度，室温固化或加热固化。,模压成型工艺 模压成型工艺是将一定量的预浸料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使其在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔成型固化而获得制品。 模压成型工艺在成型过程中需要加热和加压，使得预浸料塑化产生流动充满模腔，并发生固化反应。在复合材料模塑料流动充满模腔的过程中，不仅树脂流动，增强材料也随之流动，使树脂和纤维同时填满模腔的各个部位。 模压成型工艺所需的成型压

13、力较其他工艺方法高，它属于高压成型（压机）。 制作工艺要求模压成型的模具具有高强度、高精度、耐高温的性能。,Thermoset ResinsCompression Molding,压制法成型： 预成型对模压制 ； 片状模塑料压制； 预混料压制； 冷压制,Thermoset ResinsCompression Molding,模压成型特点： 生产效率高，制品尺寸准确，表面光洁，适于大批量生产。结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品的外观及尺寸重复性好。 模压成型的缺点： 模具设计与制造复杂，初次投资较高，易受设备限制。一般只限于中小型制品的批量生产。 应用：模压制品主要用作

14、结构件，连接件、防护件和电气绝缘件。应用数量日益增大。由于模压制品的质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都获得了应用。,（1）所用的原料 片状模塑料（SMC，Sheet Molding Compound）：片状的纤维和树脂的混合体，两面由聚乙烯薄膜保护。在对模中成型制品的方法称作片状模塑料压制。 块状模塑料（DMC，Dough Molding Compound）和散状模塑料（BMC，Bulk Molding Compound）：绳索状或块状的纤维和树脂的混合体模塑料就是块状模塑料压制。 制品的毛坯：毛坯的生产方法是将经过短切的纤维喷撒在一个带网眼的模型上（称作“筛模”），由于筛模内部抽气的负

15、压吸附，使纤维堆积分布在模型上，用少量乳粘剂使纤维预成型为毛坯形状。,Thermoset ResinsCompression Molding,2. 压制前的准备,（2）模塑料预压成坯料 短纤维模塑料成型前可以预压，即将模塑料在加热条件下压成或挤成一定形状的密实体，预压可以改善模压操作和提高制品质量。对于疏松度很大的短纤维模塑料，一般采取预挤压代替预压。预挤压可以减小物料体积，降低压缩比，并减少料中所裹入的空气，改善了压制时的传热，缩短了固化的周期。预挤压可使树脂与纤维进一步混合，使模塑料性能比较均匀，可以减少或避免制品局部疏松、缺料、起泡、波纹、树脂集中、表面不佳等缺陷。 对酚醛型模塑料预挤压

16、压力为20-100MPa，温度在80-120范围内。 预挤压的缺点是纤维在挤压过程中受损伤而降低了机械强度。,Thermoset ResinsCompression Molding,2. 压制前的准备,（3）模塑料的预热 为了保证制品的质量与改善模压的工艺条件，有时在模压前先对模塑料加热。加热的目的不仅是进一步去除水分及挥发物，更主要的是可以提高模塑料的温度，缩短固化时间，增加料的流动性，并可降低成型压力。用预热过的模塑料压制出的制品其力学、电气、化学性能和尺寸稳定性均有提高。 （4）装料量的计算 模压工艺中大多使用封闭式模具结构，为确保制品尺寸，需要进行准确的装料量计算。实际上要做到这点是相

17、当困难的，一般是先进行粗微略的估算，经过几次试压后找出较准确的装料量。装料量应等于制品的体积乘以密度，再加上（3-5）%的挥发物、飞边、毛刺等损耗。由于制品结构往往相当复杂，制品体积计算既烦琐又不易精确，因此常采用估算法。,Thermoset ResinsCompression Molding,介绍几种简单常用方法以供参考： A、形状、尺寸简化估算法 这种方法是将复杂形状的制品简化成一系列简单的几何形状，同时将尺寸也作相应变更后再进行计算。 B、密度比较法 当具备与制品形状尺寸相同（即体积相同）的金属或其它材料的制品时，可利用两种材料密度和重量对比关系求出该制品的用料量。 C、注型比较法 该法

18、多用于形状复杂的制品。先采用树脂、石蜡等注型材料注成制品形状，再按密度比较法求出该制品的用料量。,Thermoset ResinsCompression Molding,（5）脱模剂的使用 良好的脱模剂能使制品获得平整、细腻、光滑而有光泽的表面。模压中使用的脱模剂大体可分为外脱模剂和内脱模剂两大类型。 内脱模剂 将脱模剂作为模塑料的组分之一与其它组分均匀混合在一起，模压过程中脱模剂在较高温度和压力下从模塑料中浸渗到模具表面，形成一道屏障把模具与制品分隔开，以保证制品不粘附在模具上。SMC和BMC均含有内脱模剂。 外脱模剂 在装料前直接涂刷（或喷涂）在模具的成型面上。直接模压中多将外脱模剂和内脱

19、模剂结合使用。在满足要求的前提下，脱模剂用量应尽可能少且应涂复均匀，以免降低制品表面光洁度或影响脱模效果，并防止多余的脱模剂渗入物料内部造成制品缺陷。,Thermoset ResinsCompression Molding,模压工艺过程详细介绍 （1）装模-合理的装模能补偿模塑料流动性差的不足以提高成品率。 若制品中有金属嵌件则须在装料前正确平稳地安放好嵌件。装模时应使物料的流程最短，对不易充填的狭小流道死角处可以预先铺料，铺料应均匀。加料可以按重量、容积或数量三种方式操作。装模时操作宜快，以免物料流动性降低而过早固化。 片状模塑料压制：具体操作是先将片状材料根据制品尺寸进行剪裁、称重、撕去表

20、面保护薄膜，然后叠放在模具内。,Thermoset ResinsCompression Molding,装模,合模,排气,压制,脱膜,工艺过程,清理模具,（2）合模 装模完毕随即合模。当上模触及物料时应放慢合模速度以免碰坏模具及嵌件并有利于排出空气。 （3）排气 排气是保证制品质量的有效措施。它可以避免制品内部出现气泡、分层等现象。排气的方法是合模后加一定压力随即卸压并开模3-5秒钟再合模加压，以排除模腔和物料中的气体。排气次数按模压料的类型及压制速度而定。 （4）压制 压制是模塑料在一定温度、压力作用下经过一定时间成型固化的过程。它是整个模压工艺中最关键的一个环节。 为了获得合格产品，一方面

21、要制订合理的压制制度（即压力、温度、时间三者之间的关系）。另一方面在操作中应严格按照压制制度执行，控制好温度、压力、时间三个参数。要根据模塑料类型、制品结构、厚度和一系列工艺试验并参考实践经验确定出理想的压制制度。 （5）脱模 固化完毕后从模具中取出制品的工序称为脱模。脱模最好在温度低于60下进行，以减少制品的收缩。但快速模压一般在固化后立即脱模。脱模方式由模具结构而定，可用油压机顶出杆顶出制品，或用压缩空气吹出制品，或用手工辅助装置取出制品。脱模时要细心谨慎，避免因磕碰而损坏制品。 （6）清理模具 脱模后须用软金属（如铜）工具刮去残留在模具内的废边皮，再用压缩空气吹净。未经清理的模具不能继续

22、进行下一个制品的压制。,Thermoset ResinsCompression Molding,冷压成型工艺 以上所述对模成型法都要在加热和高压条件下才能成型，因而能耗大。 如果制品成型依靠树脂系统固化放热提供热量，这种成型方法称作冷压成型法。 它是在玻璃钢或其他强度不高的模具上铺覆增强材料，再倒入常温固化的树脂胶液，加压固化成型即得制品。 冷压成型法的模具和设备费用低廉，生产效率比手糊法要高510倍，制品表面光滑，但生产周期较长。该方法适宜于制品数为5005000个的中等批量生产规模，适于成型容器、罐、汽车部件、机器面罩、冷却塔及包装箱等制品。,Thermoset ResinsCompres

23、sion Molding,层压成型是采用增强材料，如：玻璃纤维布、碳纤维布、玻璃纤维、碳纤维等，经浸胶机浸渍树脂，再烘干制成预浸料（Prepreg）成型材料，然后预浸料经裁减、叠合在一起，在压力机中施加一定的压力、温度（热压）、保持适宜的时间而制成层压制品的成型工艺采用此工艺可生产各种层压板、绝缘板、波形板等。,Thermoset ResinsLaminated,预浸料的制备 （1）原料： 基体：树脂。 增强体：长纤维或二维织物。 辅助材料：固化剂、促进剂、染色剂等。 溶剂：在实际生产中常采用混合溶剂，例如：环氧树脂主要采用丙酮、乙醇和甲苯。 （2）浸胶-制作预浸料的工艺被称为浸胶 即：用黏度

24、被严格控制的树脂浸渍连续纤维或织物，烘干，制成预浸料。以布为增强材料的预浸料也被称为胶布。主要设备是浸胶机。浸胶机分为立式和卧式两种。,Thermoset ResinsLaminated,要注意的问题： 胶液的浓度：直接影响树脂溶液对织物的浸透能力和织物表面黏结的树脂量。 胶液的黏度：直接影响到树脂溶液对织物的浸透能力和胶层的厚度。 浸胶时间：一般为15-30秒。 张力：张力的大小和均匀性会影响预浸料的含胶量和均匀性。 浸渍方法：厚布可采取两次浸渍法，达到上下表面充分浸透。,Thermoset ResinsLaminated,长丝缠绕是用机械控制，将浸透树脂液的连续纤维束或布带，在缠绕机上按预

25、定的纤维排列规律缠绕到一定形状的芯模上，达到设计厚度后，通过室温或加热固化成型，最后脱模得到复合材料制品。它适应于承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体，压力容器和管子，药品贮罐等制品。近年来发展了异型缠绕技术，可以实现复杂断面形状的回转体成型或断面为矩型、方型或不规则形状容器的成型。缠绕制品比强度高、制品质量好。,Thermoset Resins Filament Winding,1. 缠绕成型的种类 根据缠绕时纤维浸渍树脂的先后不同，分湿法缠绕和干法缠绕。 （1）湿法缠绕 是将连续纤维浸渍树脂后直接缠绕到芯模上。 优点：比较经济；工艺相对简单；对原料要求不严；制品气密性较好；纤维排

26、列的平行度较理想。 缺点：树脂浪费较大；操作环境差；每个环节，如浸胶辊、张力控制器、导纱头等经常需要人维护，不易刷洗；浸渍速度和缠绕速度较慢；含胶量不易控制；缠绕张力不易控制。 （2）干法缠绕 是将连续纤维浸渍树脂后，在一定的温度下烘干一定的时间，然后络纱制成纱锭，缠绕时将预浸纱按给定的缠绕规律缠绕到芯模上。 优点：制品质量比较稳定；工艺过程容易控制；设备比较清洁，可以改善劳动卫生条件；缠绕速度可以提高；含胶量容易控制在2%以内。 缺点：设备复杂，投资较大；表面不光滑。,Thermoset Resins Filament Winding,2、缠绕制品的特点 在形成复合材料的同时形成了制品，这就

27、使设计具有很大的自由度。 纤维缠绕的方向性强，可以按照所需受力的情况来设计纤维的排布方向，以充分发挥纤维的增强作用。 一般不受制件尺寸的限制，并可整体缠绕，减少了零部件的拼装和连接，因此减少了泄露点，提高了制件的质量。 比上述的成型法更能发挥纤维的增强作用，和织物相比，减少了纤维的摩擦和织造成本。 3、缠绕制品的局限性 （1）容易形成气泡，造成制件内孔隙过多，降低层间剪切强度、压缩强度和抗失稳能力。 （2）开孔周围应力集中程度高，开孔后会使强度降低。因此，开孔处应补强或嵌入金属预埋件。 （3）缠绕时，纱线的张力不容易控制。 （4）制品的形状有局限性，多为圆柱体、球体以及某些正曲率的回转体。 （

28、5）缠绕机价格比较贵。,Thermoset Resins Filament Winding,4、缠绕工艺和缠绕机 增强材料：主要是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，以及它们的混杂纤维。目前采用最多的玻璃纤维，并以无捻粗纱的E-玻纤、S-玻纤为主。树脂：不饱和聚酯树脂和环氧树脂。常用的环氧树脂有601、618、634、6101、6207等。常用的固化剂有酸酐和胺两类。 缠绕机：大多由芯模机构与导丝头机构两大部分组成。缠绕机按其控制方式分为：机械式、数控式和计算机控制式。,Thermoset Resins Filament Winding,5、缠绕规律 缠绕规律是指确定导丝头与芯模之间的相对运动规律，从

29、而使纤维按一定的路径均匀、稳定、有规律地缠绕在芯模上。确定缠绕规律的意义是： 是产品设计的重要依据之一。 是保证纤维在成型过程中既不重叠又不留缝，均匀、连续地缠满芯模表面的前提。 是设计缠绕设备的依据。 通过对缠绕规律的分析，可以确定具体产品的最佳缠绕工艺制度，即：找出制品的结构尺寸与线型、导丝头与芯模相对运动之间的定量关系。关键是确定缠绕用的线型。,Thermoset Resins Filament Winding,6、缠绕规律分类 环向缠绕：纤维沿容器的圆周方向缠绕，纤维和芯模旋转轴夹角一般在85-90之间。缠绕时芯模绕自己的轴线做匀速转动，导丝头在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动。芯模每转一周，导丝头移动距离为一个纱片宽。如此循环下去，导丝头一个行程就可以将芯模圆筒布满。 特点：与邻近纱线之间相切而不相交。环向缠绕可提供最大的环向强度。 纵向缠绕：又称平面缠绕。纤维和芯模旋转轴夹角一般在0-25之间。 缠绕时导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自己的轴线慢速旋转。导丝头每转一周，芯模转过一个微小的角度。反映到芯模表面上是一个纱片宽度，纤维和芯模旋转轴夹角一般在0-25之间，并与两