第一篇：樹脂基復合材料成型工藝

樹脂基復合材料成型工藝

復合材料成型工藝是復合材料工業的發展基礎和條件。隨著復合材料應用領域的拓寬，復合材料工業得到迅速發鎮，其老的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現，目前聚合物基符合材料的成型方法已有20多種，并成功地用于工業生產，如：（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；（2）噴射成型工藝；

（3）樹脂傳遞模塑成型技術（RTM技術）；（4）袋壓法（壓力袋法）成型；（5）真空袋壓成型；（6）熱壓罐成型技術；（7）液壓釜法成型技術；（8）熱膨脹模塑法成型技術；（9）夾層結構成型技術；（10）模壓料生產工藝；（11）ZMC模壓料注射技術；（12）模壓成型工藝；（13）層合板生產技術；（14）卷制管成型技術；（15）纖維纏繞制品成型技術；（16）連續制板生產工藝；（17）澆鑄成型技術；（18）拉擠成型工藝；（19）連續纏繞制管工藝；（20）編織復合材料制造技術；

（21）熱塑性片狀模塑料制造技術及冷模沖壓成型工藝；（22）注射成型工藝；（23）擠出成型工藝；（24）離心澆鑄制管成型工藝；（25）其它成型技術。視所選用的樹脂基體材料的不同，上述方法分別適用于熱固性和熱塑性復合材料的生產，有些工藝兩者都適用。

復合材料制品成型工藝特點：與其它材料加工工藝相比，復合材料成型工藝具有如下特點：

（1）材料制造與制品成型同時完成 一般情況下，復合材料的生產過程，也就是制品的成型過程。材料的性能必須根據制品的使用要求進行設計，因此在造反材料、設計配比、確定纖維鋪層和成型方法時，都必須滿足制品的物化性能、結構形狀和外觀質量要求等。

（2）制品成型比較簡便 一般熱固性復合材料的樹脂基體，成型前是流動液體，增強材料是柔軟纖維或織物，因此，用這些材料生產復合材料制品，所需工序及設備要比其它 材料簡單的多，對于某些制品僅需一套模具便能生產。◇ 成型工藝

層壓及卷管成型工藝

1、層壓成型工藝

層壓成型是將預浸膠布按照產品形狀和尺寸進行剪裁、疊加后，放入兩個拋光的金屬模具之間，加溫加壓成型復合材料制品的生產工藝。它是復合材料成型工藝中發展較早、也較成熟的一種成型方法。該工藝主要用于生產電絕緣板和印刷電路板材。現在，印刷電路板材已廣泛應用于各類收音機、電視機、電話機和移動電話機、電腦產品、各類控制電路等所有需要平面集成電路的產品中。

層壓工藝主要用于生產各種規格的復合材料板材，具有機械化、自動化程度高、產品質量穩定等特點，但一次性投資較大，適用于批量生產，并且只能生產板材，且規格受到設備的限制。

層壓工藝過程大致包括：預浸膠布制備、膠布裁剪疊合、熱壓、冷卻、脫模、加工、后處理等工序

2、卷管成型工藝

卷管成型工是用預浸膠布在卷管機上熱卷成型的一種復合材料制品成型方法，其原理是借助卷管機上的熱輥，將膠布軟化，使膠布上的樹脂熔融。在一定的張力作用下，輥筒在運轉過程中，借助輥筒與芯模之間的摩擦力，將膠布連續卷到芯管上，直到要求的厚度，然后經冷輥冷卻定型，從卷管機上取下，送入固化爐中固化。管材固化后，脫去芯模，即得復合材料卷管。

卷管成型按其上布方法的不同而可分為手工上布法和連續機械法兩種。其基本過程是：首先清理各輥筒，然后將熱輥加熱到設定溫度，調整好膠布張力。在壓輥不施加壓力的情況下，將引頭布先在涂有脫模劑的管芯模上纏上約1圈，然后放下壓輥，將引頭布貼在熱輥上，同時將膠布拉上，蓋貼在引頭布的加熱部分，與引頭布相搭接。引頭布的長度約為800～1200mm，視管徑而定，引頭布與膠布的搭接長度，一般為150～250mm。在卷制厚壁管材時，可在卷制正常運行后，將芯模的旋轉速度適當加快，在接近設計壁厚時再減慢轉速，至達到設計厚度時，切斷膠布。然后在保持壓輥壓力的情況下，繼續使芯模旋轉1～2圈。最后提升壓輥，測量管坯外徑，合格后，從卷管機上取出，送入固化爐中固化成型。

3、預浸膠布制備工藝

預浸膠布是生產復合材料層壓板材、卷管和布帶纏繞制品的半成品。

（1）原材料 預浸膠布生產所需的主要原材料有增強材料（如玻璃布、石棉布、合成纖維布、玻璃纖維氈、石棉氈、碳纖維、芳綸纖維、石棉紙、牛皮等）和合成樹脂（如酚醛樹脂、氨基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅樹脂等）。

（2）預浸膠布的制備工藝 預浸膠布的制備是使用經熱處理或化學處理的玻璃布，經浸膠槽浸漬樹脂膠液，通過刮膠裝置和牽引裝置控制膠布的樹脂含量，在一定的溫度下，經過一定時間的洪烤，使樹脂由A階轉至B階，從而得到所需的預浸膠布。通常將此過程稱之為玻璃的浸膠。樹脂傳遞模塑成型 樹脂傳遞模塑成型簡稱RTM（Resin Transfer Molding）。RTM起始于50年代，是手糊成型工藝改進的一種閉模成型技術，可以生產出兩面光的制品。在國外屬于這一工藝范疇的還有樹脂注射工藝（Resin Injection）和壓力注射工藝(Pressure Infection)。RTM的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內，用壓力將樹脂膠液注入模腔，浸透玻纖增強材料，然后固化，脫模成型制品。

從上前的研究水平來看，RTM技術的研究發展方向將包括微機控制注射機組，增強材料預成型技術，低成本模具，快速樹脂固化體系，工藝穩定性和適應性等。

RTM成型技術的特點：①可以制造兩面光的制品；②成型效率高，適合于中等規模的玻璃鋼產品生產（20000件/年以內）；③RTM為閉模操作，不污染環境，不損害工人健康；④增強材料可以任意方向鋪放，容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建廠投資少，上馬快。

RTM技術適用范圍很廣，目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛生、航空航天等工業領域。已開發的產品有：汽車殼體及部件、娛樂車構件、螺旋漿、8.5m長的風力發電機葉片、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等。

（1）RTM工藝及設備 成型工藝 RTM全部生產過程分11道工序，各工序的操作人員及工具、設備位置固定，模具由小車運送，依次經過每一道工序，實現流水作業。模具在流水線上的循環時間，基本上反映了制品的生產周期，小型制品一般只需十幾分鐘，大型制品的生產周期可以控制在1h以內完成。

成型設備 RTM成型設備主要是樹脂壓注機和模具。①樹脂村注機 樹脂壓注機由樹脂泵、注射槍組成。樹脂泵是一組活塞式往復泵，最上端是一個空氣動力泵。當壓縮空氣驅動空氣泵活塞上下運動時，樹脂泵將桶中樹脂經過流量控制器、過濾器定量地抽入樹脂貯存器，側向杠桿使催化劑泵運動，將催化劑定量地抽至貯存器。壓縮空氣充入兩個貯存器，產生與泵壓力相反的緩沖力，保證樹脂和催化劑能穩定的流向注射槍頭。注射槍口后有一個靜態紊流混合器，可使樹脂和催化劑在無氣狀態下混合均勻，然后經槍口注入模具，混合器后面設計有清洗劑入口，它與一個有0.28MPa壓力的溶劑罐相聯，當機器使用完后，打開開關，溶劑自動噴出，將注射槍清洗干凈。②模具 RTM模具分玻璃鋼模、玻璃鋼表面鍍金屬模和金屬模3種。玻璃鋼模具容易制造，價格較低，聚酯玻璃鋼模具可使用2000次，環氧玻璃鋼模具可使用4000次。表面鍍金屬的玻璃鋼模具可使用10000次以上。金屬模具在RTM工藝中很少使用，一般來講，RTM的模具費僅為SMC的2%～16%。

（2）RTM原材料 RTM用的原材料有樹脂體系、增強材料和填料。

樹脂體系 RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂。

增強材料 一般RTM的增強材料主要是玻璃纖維，其含量為25%～45%（重量比）；常用的增強材料有玻璃纖維連續氈、復合氈及方格布。

填料 填料對RTM工藝很重要，它不僅能降低成本，改善性能，而且能在樹脂固化放熱階段吸收熱量。常用的填料有氫氧化鋁、玻璃微珠、碳酸鈣、云母等。其用量為20%～40%。◇ 成型工藝

袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法成型

袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法統稱為低壓成型工藝。其成型過程是用手工鋪疊方式，將增強材料和樹脂（含預浸材料）按設計方向和順序逐層鋪放到模具上，達到規定厚度后，經加壓、加熱、固化、脫模、修整而獲得制品。四種方法與手糊成型工藝的區別僅在于加壓固化這道工序。因此，它們只是手糊成型工藝的改進，是為了提高制品的密實度和層間粘接強度。

以高強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維和環氧樹脂為原材料，用低壓成型方法制造的高性能復合材料制品，已廣泛用于飛機、導彈、衛星和航天飛機。如飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼、隔板、壁板及隱形飛機等。（1）袋壓法

袋壓成型是將手糊成型的未固化制品，通過橡膠袋或其它彈性材料向其施加氣體或液體壓力，使制品在壓力下密實，固化。

袋壓成型法的優點是：①產品兩面光滑；②能適應聚酯、環氧和酚醛樹脂；③產品重量比手糊高。

袋壓成型分壓力袋法和真空袋法2種：①壓力袋法 壓力袋法是將手糊成型未固化的制品放入一橡膠袋，固定好蓋板，然后通入壓縮空氣或蒸汽（0.25～0.5MPa），使制品在熱壓條件下固化。②真空袋法 此法是將手糊成型未固化的制品，加蓋一層橡膠膜，制品處于橡膠膜和模具之間，密封周邊，抽真空（0.05～0.07MPa），使制品中的氣泡和揮發物排除。真空袋成型法由于真空壓力較小，故此法僅用于聚酯和環氧復合材料制品的濕法成型。（2）熱壓釜和液壓釜法

熱壓釜和液壓釜法都是在金屬容器內，通過壓縮氣體或液體對未固化的手糊制品加熱、加壓，使其固化成型的一種工藝。

熱壓釜法 熱壓釜是一個臥式金屬壓力容器，未固化的手糊制品，加上密封膠袋，抽真空，然后連同模具用小車推進熱壓釜內，通入蒸汽（壓力為1.5～2.5MPa），并抽真空，對制品加壓、加熱，排出氣泡，使其在熱壓條件下固化。它綜合了壓力袋法和真空袋法的優點，生產周期短，產品質量高。熱壓釜法能夠生產尺寸較大、形狀復雜的高質量、高性能復合材料制品。產品尺寸受熱壓釜限制，目前國內最大的熱壓釜直徑為2.5m，長18m，已開發應用的產品有機翼、尾翼、衛星天線反射器，導彈再入體、機載夾層結構雷達罩等。此法的最大缺點是設備投資大，重量大，結構復雜，費用高等。

液壓釜法 液壓釜是一個密閉的壓力容器，體積比熱壓釜小，直立放置，生產時通入壓力熱水，對未固化的手糊制品加熱、加壓，使其固化。液壓釜的壓力可達到2MPa或更高，溫度為80～100℃。用油載體、熱度可達200℃。此法生產的產品密實，周期短，液壓釜法的缺點是設備投資較大。

（3）熱膨脹模塑法

熱膨脹模塑法是用于生產空腹、薄壁高性能復合材料制品的一種工藝。其工作原理是采用不同膨脹系數的模具材料，利用其受熱體積膨脹不同產生的擠壓力，對制品施工壓力。熱膨脹模塑法的陽模是膨脹系數大的硅橡膠，陰模是膨脹系數小的金屬材料，手糊未固化的制品放在陽模和陰模之間。加熱時由于陽、陰模的膨脹系數不同，產生巨大的變形差異，使制品在熱壓下固化。◇ 成型工藝

噴射成型技術

噴射成型技術是手糊成型的改進，半機械化程度。噴射成型技術在復合材料成型工藝中所占比例較大，如美國占9.1%，西歐占11.3%，日本占21%。目前國內用的噴射成型機主要是從美國進口。

(1)噴射成型工藝原理及優缺點

噴射成型工藝是將混有引發劑和促進劑的兩種聚酯分別從噴槍兩側噴出，同時將切斷的玻纖粗紗，由噴槍中心噴出，使其與樹脂均勻混合，沉積到模具上，當沉積到一定厚度時，用輥輪壓實，使纖維浸透樹脂，排除氣泡，固化后成制品。

噴射成型的優點：①用玻纖粗紗代替織物，可降低材料成本；②生產效率比手糊的高2～4倍；③產品整體性好，無接縫，層間剪切強度高，樹脂含量高，抗腐蝕、耐滲漏性好；④可減少飛邊，裁布屑及剩余膠液的消耗；⑤產品尺寸、形狀不受限制。其缺點為：①樹脂含量高，制品強度低；②產品只能做到單面光滑；③污染環境，有害工人健康。

噴射成型效率達15kg/min，故適合于大型船體制造。已廣泛用于加工浴盆、機器外罩、整體衛生間，汽車車身構件及大型浮雕制品等。

（2）生產準備

場地 噴射成型場地除滿足手糊工藝要求外，要特別注意環境排風。根據產品尺寸大小，操作間可建成密閉式，以節省能源。材料準備 原材料主要是樹脂（主要用不飽和聚酯樹脂）和無捻玻纖粗紗。

模具準備 準備工作包括清理、組裝及涂脫模劑等。

噴射成型設備 噴射成型機分壓力罐式和泵供式兩種：①泵式供膠噴射成型機，是將樹脂引發劑和促進劑分別由泵輸送到靜態混合器中，充分混合后再由噴槍噴出，稱為槍內混合型。其組成部分為氣動控制系統、樹脂泵、助劑泵、混合器、噴槍、纖維切割噴射器等。樹脂泵和助劑泵由搖臂剛性連接，調節助劑泵在搖臂上的位置，可保證配料比例。在空壓機作用下，樹脂和助劑在混合器內均勻混合，經噴槍形成霧滴，與切斷的纖維連續地噴射到模具表面。這種噴射機只有一個膠液噴槍，結構簡單，重量輕，引發劑浪費少，但因系內混合，使完后要立即清洗，以防止噴射堵塞。②壓力罐式供膠噴射機是將樹脂膠液分別裝在壓力罐中，靠進入罐中的氣體壓力，使膠液進入噴槍連續噴出。安是由兩個樹脂罐、管道、閥門、噴槍、纖維切割噴射器、小車及支架組成。工作時，接通壓縮空氣氣源，使壓縮空氣經過氣水分離器進入樹脂罐、玻纖切割器和噴槍，使樹脂和玻璃纖維連續不斷的由噴槍噴出，樹脂霧化，玻纖分散，混合均勻后沉落到模具上。這種噴射機是樹脂在噴槍外混合，故不易堵塞噴槍嘴。（3）噴射成型工藝控制

噴射工藝參數選擇：①樹脂含量 噴射成型的制品中，樹脂含量控制在60%左右。②噴霧壓力 當樹脂粘度為0.2Pa2s，樹脂罐壓力為0.05～0.15MPa時，霧化壓力為0.3～0.55MPa，方能保證組分混合均勻。③噴槍夾角 不同夾角噴出來的樹脂混合交距不同，一般選用20°夾角，噴槍與模具的距離為350～400mm。改變距離，要高速噴槍夾角，保證各組分在靠近模具表面處交集混合，防止膠液飛失。

噴射成型應注意事項：①環境溫度應控制在（25±5）℃，過高，易引起噴槍堵塞；過低，混合不均勻，固化慢；②噴射機系統內不允許有水分存在，否則會影響產品質量；③成型前，模具上先噴一層樹脂，然后再噴樹脂纖維混合層；④噴射成型前，先調整氣壓，控制樹脂和玻纖含量；⑤噴槍要均勻移動，防止漏噴，不能走弧線，兩行之間的重疊富庶小于1/3，要保證覆蓋均勻和厚度均勻；⑥噴完一層后，立即用輥輪壓實，要注意棱角和凹凸表面，保證每層壓平，排出氣泡，防止帶起纖維造成毛刺；⑦每層噴完后，要進行檢查，合格后再噴下一層；⑧最后一層要噴薄些，使表面光滑；⑨噴射機用完后要立即清洗，防止樹脂固化，損壞設備。◇ 成型工藝

泡沫塑料夾層結構制造技術

（1）原材料 泡沫塑料夾層結構用的原材料分為面板（蒙皮）材料、夾芯材料和粘接劑。①面板材料 主要是用玻璃布和樹脂制成的薄板，與蜂窩夾層結構面板用的材料相同。②粘接劑 面板和夾芯材料的粘接劑，主要取決于泡沫塑料種類，如聚苯乙烯泡沫塑料，不能用不飽和聚酯樹脂粘接。③泡沫夾芯材料 泡沫塑料的種類很多，其分類方法有兩種：一種是按樹脂基體分，可分為：聚氯乙烯泡沫塑料，聚苯乙烯泡沫塑料，聚乙烯泡沫塑料，聚氨酯泡沫塑料，酚醛，環氧及不飽和聚酯等熱固性泡沫塑料等。另一種是近硬度分，可分為硬質、半硬質和軟質三種。用泡沫塑料芯材生產夾層結構的最大優點是防寒、絕熱，隔音性能好，質量輕，與蒙面粘接面大，能均勻傳遞荷載，抗沖擊性能好等。

（2）泡沫塑料制造技術 生產泡沫塑料的發泡方法較多，有機械發泡法、惰性氣體混溶減壓發泡法、低沸點液體蒸發發泡法、發泡劑分解放氣發泡法和原料組分相互反應放氣發泡法等。①機械發泡法 利用強烈機械攪拌，將氣體混入到聚合物溶液、乳液或懸浮液中，形成泡沫體，然后經固化而獲得泡沫塑料。②惰性氣體混溶減壓發泡法 利用惰性氣體（如氮氣、二氧化碳等）無色、無臭、難與其它化學元素化合的原理，在高壓下壓入聚合物中，經升溫、減壓、使氣體膨脹發泡。③低沸點液體蒸發發泡法 將低沸點液體壓入聚合物中，然后加熱聚合物，當聚合物軟化、液體達到沸點時，借助液體氣化產生的蒸氣壓力，使聚合物發泡成泡沫體。④化學發泡劑發泡法 借助發泡劑在熱作用下分解產生的氣體，使聚合物體積膨脹，形成泡沫塑料。⑤原料化學反應發泡法 此法是利用能發泡的原料組分，相互反應放出二氧化碳或氮氣等使聚合物膨脹發泡成泡沫體。

（3）泡沫塑料夾層結構制造 泡沫塑料夾層結構的制造方法有：預制粘接法、現場澆注成型法和連續機械成型法三種。①預制粘接法 將蒙皮和泡沫塑料芯材分別制造，然后再將它們粘接成整體。預制成型法的優點是能適用各種泡沫塑料，工藝簡單，不需要復雜機械設備等。其缺點是生產效率低，質量不易保證。②整體澆注成型法 先預制好夾層結構的外殼，然后將混合均勻的泡沫料漿澆入殼體內，經過發泡成型和固化處理，使泡沫漲滿腔體，并和殼體粘接成一個整體結構。③連續成型法 適用于生產泡沫塑料夾層結構板材。其它成型工藝

聚合物基復合材料的其它成型工藝，主要指離心成型工藝、澆鑄成型工藝、彈性體貯存樹脂成型工藝（ERM）、增強反應注射成型工藝（RRIM）等。

1、離心成型工藝

離心成型工藝在復合材料制品生產中，主要是用于制造管材（地埋管），它是將樹脂、玻璃纖維和填料按一定比例和方法加入到旋轉的模腔內，依靠高速旋轉產生的離心力，使物料擠壓密實，固化成型。

離心玻璃鋼管分為壓力管非壓力管兩類，其使用壓力為0～18MPa。這種管的管徑一般為φ400～φ2500mm，最大管徑或達5m，以φ1200mm以上管徑經濟效果最佳，離心管的長度2～12m，一般為6 m。

離心玻璃鋼管的優點很多，與普通玻璃鋼管和混凝土管相比，它強度高、重量輕，防腐、耐磨（是石棉水泥管的5～10倍）、節能、耐久（50年以上）及綜合工程造價低，特別是大口徑管等；與纏繞加砂玻璃鋼管相比，其最大特點是剛度大，成本低，管壁可以按其功能設計成多層結構。離心法制管質量穩定，原材料損耗少，其綜合成本低于鋼管。離心玻璃鋼管可埋深15m，能隨真空及外壓。其缺點是內表面不夠光滑，水力學特性比較差。

離心玻璃鋼管的應用前景十分廣闊，其主要應用范圍包括：給水及排水工程干管，油田注水管、污水管、化工防腐管等。

（1）原材料

生產離心管的原材料有樹脂、玻璃纖維及填料（粉狀和粒狀填料）等。

樹脂 應用最廣的是不飽和聚酯樹脂，可根據使用條件和工藝要求選擇樹脂牌號和固化劑。

增強材料 主工是玻璃纖維及其制品。玻纖制品有連續纖維氈、網格布及單向布等，制造異形斷面制品時，可先將玻纖制成預制品，然后放入模內。

填料 填料的作是用增加制品的剛度、厚度、降低成本，填料的種類要根據使用要求選擇，一般為石英砂、石英粉、輝綠巖粉等。（2）工藝流程

離心制管的加料方法與纏繞成型工藝不同，加料系統是把樹脂、纖維和填料的供料裝置，統一安裝在可往復運動的小車上。

（3）模具 離心法生產玻璃鋼管的模具，主要是鋼模，模具分整體式和拼裝式兩種：小于φ800mm管的模具，用整體式，大于φ800mm管的模具，可以用拼裝式。

模具設計要保證有足夠的強度和剛度，防止旋轉、震動過程中變形。模具由管身、封頭、托輪箍組成。管身由鋼板卷焊而成，小直徑管身可用無縫鋼管。封頭的作用是增加管模端頭的強度和防止物料外流。托輪箍的作用是支撐模具，傳遞旋轉力，使模具在離心機上高速度旋轉，模具的管身內表面必須平整，光滑，一般都要精加工和拋光，保證順利脫模。

2、澆注成型工藝

澆注成型主要用于生產無纖維增強的復合材料制品，如人造大理石，鈕扣、包埋動、植物標本、工藝品、錨桿固定劑、裝飾板等。

澆注成型比較簡單，但要生產出優質產品，則需要熟練的操作技術。

（1）鈕扣生產工藝

用聚酯樹脂澆注的鈕扣，具有硬度高，光澤好，耐磨、耐燙、耐干洗、花色品種多及價格低等優點，目前在國內外已基本取代了有機玻璃鈕扣，占鈕扣市場80%以上。生產鈕扣的原料主要是不飽和聚酯樹脂、固化劑（引發劑采用過氧化甲乙酮）和輔助材料（包括色漿、珠光粉、觸變劑等）。

聚酯鈕扣采用離心澆注式棒材澆注法生產，先制成板材或棒材，然后經切板、切棒制成鈕扣，再經熱處理、刮面、刮底、銑槽、打眼、拋光等工序制成鈕扣。

（2）人造石材生產工藝

人造石材是用不飽和聚酯樹脂和填料制成的。由于所選用的填料不同，制成的人造石材分為人造大理石、人造瑪瑙、人造花崗石和聚酯混凝土等。

生產人造石材的原材料是不飽和聚酯樹脂，填料和顏料：①樹脂 生產人造石材的樹脂分面層和結構層兩各，表面裝飾層樹脂要求收縮性小，有韌性、硬度好，耐熱、耐磨、耐水等，同時要求易調色。辛戌二醇鄰苯型樹脂用于人造石材，辛戌二醇間苯型樹脂用于生產衛生潔具。固化體系，常用過氧化甲乙酮、萘酸鈷溶液。②填料 生產人造石材的填料有很多，生產人造大理石的填料是大理石粉，石英粉、白云石粉、碳酸鈣粉等，生產人造花崗石的填料是用粒料級配，不同品種花崗石用不同色彩的粒料，生產人瑪瑙的填料要有一定透明性，一般選用氫氧化鋁或三氧化二鋁等。③顏料 生產人造石材需要各色顏料，如制人造大理石或人造瑪瑙浴盆，應選擇耐熱、耐水的色漿，制造裝飾板及工藝品時，要選用耐光、耐水及耐久的顏料。生產人造大理石、花崗石板材用的模具材料有玻璃鋼、不銹鋼、塑料、玻璃等。生產人造石板材的模板，要求表面平整，光澤、有足夠的強度和剛度，能經受生產過程中的熱應力、搬運荷載及碰撞等。

3、彈性體貯樹脂模塑成型技術

彈性體貯樹脂模塑成型（Elastic Reservir Molding, ERM）是80年代在歐美出現的新工藝，它是用柔性材料（開孔聚氨酯泡沫塑料）作為芯材并滲入樹脂糊。這種滲有樹脂糊的泡沫體留在成型好的ERM材料中間，泡沫體使ERM制成的產品密度降低，沖擊強度和剛度提高，故可稱為壓制成型的夾層結構制品。

ERM與SMC一樣，同屬于模壓成型的片狀模塑料，只是由于ERM具有夾層結構的構造，給它帶來優于SMC的特點：（1）重量輕：ERM比用氈和SMC制成的制品輕30%以上；（2）ERM制品的比剛度優于SMC、鋁和鋼制成的制品；（3）搞沖擊強度高：在增強材料含量相同的條件下，ERM比SMC的抗沖擊強度高很多；（4）物理力學性能高：在增強材料含量相同的條件下，ERM制品的物理力學性能優于SMC制品；（5）投資費用低：ERM成型機組比SMC機組簡單，ERM制品成型壓力比SMC制品低10倍左右，故生產ERM制品時可以采用低噸位壓機和低強度材料模具，從而減少建投資。

ERM制品生產工藝分為ERM制造和ERM制品成型兩個過程：（1）ERM生產工藝 ERM生產原材料為開孔聚氨酯泡沫塑料，各種纖維制品（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維制成的短切氈、連續纖維氈、針織氈等）和各種熱固性樹脂。其生產過程如下：先在ERM機組上將調好的樹脂糊浸漬開孔聚氨酯泡沫塑料，通過涂刮器將樹脂糊涂到泡沫上，用壓輥將樹脂糊壓擠到泡沫體的孔內，然后將兩層泡沫復合到一起，最后在上下兩個面鋪放玻纖維氈或其它纖維制品，制成ERM夾層材料，切割成適宜的尺寸，用于壓制成型或貯存。

（2）ERM制品生產工藝 ERM制品生產過程與其它熱固性模壓料（玻纖布或氈預浸料、SMC等）相比，需要在熱壓條件下固化成型，但成型壓力比SMC小很多，大約是SMC成型壓力的1/10，為0.5～0.7MPa。

ERM技術目前主要用于汽車工業材料和輕質建筑復合材料工業。由于ERM具有夾層結構材料的特點，是適用于生產大型結構的組合部件，各種輕質板材，活動房屋、雷達罩，房門等。在汽車工業中的制品有行李車拖斗、蓋板、儀表盤、保險杠、車門、底板等。

4、增強反應注射模塑技術

增強反應注射模塑工藝（Reinforced Reaction Injection Molding, RRIM）是利用高壓沖擊來混合兩種單體物料及短纖維增強材料，并將其注射到模腔內，經快速固化反應形成制品的一種成型方法。如果不用增強材料，則稱為反應注射模塑（Reaction Injection Moling, RIM）。采用連續纖維增強時，稱為結構反應注射模塑（Structure Reaction Injection Molding, SRIM）。RRIM的原材料分樹脂體系和增強材料兩類

（1）樹脂體系 生產RRIM的樹脂應滯如下要求：①必須由兩種以上的單體組成；②單體在室溫條件下能保持穩定；③粘度適當，容易用泵輸送；④單體混合后，能快速固化；⑤固化反應不產生副產物。應用最多的是聚氨酯樹脂、不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂。

（2）增強材料 常用的增強材料有玻璃纖維粉、玻璃纖維和玻璃微珠。為了增加增強材料與樹脂的粘接強度，上述增強材料都采用增強偶聯劑進行表面處理。

RRIM的工藝特點：①產品設計自由度大，可以生產大尺寸部件；②成型壓力低（0.35～0.7MPa），反應成型時，無模壓應力，產品在模內發熱量小；③制品收縮率低，尺寸穩定性好，因加有大量填料和增強材料，減少了樹脂固化收縮；④制品鑲嵌件工藝簡便；⑤制品表面質量好，玻璃粉和玻璃微珠能提高制品耐磨性和耐熱性；⑥生產設備簡單，模具費用低，成型周期短，制品生產成本低。

RRIM制品的最大用戶是汽車工為，可做汽車保險杠、儀表盤，高強度RRIM制品可以做汽車的結構材料、承載材料。由于其成型周期短，性能可設計，在電絕緣工程、防腐工程、機械儀表工業中代替工程塑料及高分子合金應用。

第二篇：樹脂基復合材料成型工藝發展進程研究

樹脂基復合材料成型工藝發展進程研究

摘要：本文介紹了樹脂基復合材料成型工藝的發展進程及目前樹脂基復合材料主要使用的成型工藝方法：手糊成型工藝、噴射成型工藝、模壓成型工藝、RTM成型工藝、注射成型工藝、纖維纏繞成型工藝、拉擠成型工藝進行了介紹，并對主要的成型工藝方法進行了比較；對樹脂基復合材料成型工藝的發展情況及趨勢進行了敘述。

關鍵詞：樹脂基復合材料；成型工藝；發展進程背景介紹

樹脂基復合材料于1932年在美國誕生，至今已有80多年的發展歷史。二戰期間，美國首次以玻璃纖維增強聚酯樹脂，以手糊成型工藝制造軍用雷達罩和遠航飛機油箱，為樹脂基復合材料在工業中的應用開辟了道路。

1950年，真空袋和壓力袋壓成型工藝研制成功，并試制成功直升飛機的螺旋槳；1949年，研制成果玻璃纖維預混料，利用傳統的對模法壓制成表面光潔的玻璃鋼零件；60年代美國用纖維纏繞工藝研制成功“北斗星A”導彈發動機殼體，此后高壓容器和壓力管道相繼問世。為了提高手糊成型的生產率，在此期間，玻璃纖維聚酯樹脂噴射成型工藝得到了發展和應用，使生產率提高了2～4倍。1961年德國研制成功片狀模塑料（SMC），使模壓成型工藝達到了新水平；1963年，玻璃鋼板材開始工業化生產；1965年，美國和日本用SMC壓制汽車部件、浴盆、船上構件等。拉擠成型工藝始于50年代，60年代中期實現連續化生產；70年代，樹脂反應注射成型（RIM）和增強樹脂反應注射成型（RRIM）研究成功，產品倆面光，廣泛用于衛生潔具和汽車零件的生產。60年代，熱塑性復合材料得到發展，其成型工藝主要是注射成型和擠出成型，并只用于生產短纖維增強塑料。樹脂基復合材料成型工藝發展現狀

目前，世界各國已經形成了從原材料、成型工藝、機械設備、產品種類及性能檢驗等較完整的工業體系，與其他工業相比，發展速度很快。樹脂基復合材料的成型工藝也從最初的手工操作工藝逐步向技術密集，高度自動化、高生產率、高穩定性的成型方法上發展，并隨著應用領域的廣泛開拓，出現了多種成型工藝并存，并不斷衍生出新生工藝的發展態勢。目前各種主要成型工藝所占比例如圖1所示。

圖1 主要成型工藝占比

2.1 手糊成型工藝

手糊成型工藝又稱低壓接觸成型工藝，是樹脂基復合材料工業中使用最早的一種工藝方法，操作方法簡單，幾乎可適用于所有的復合材料制品的生產，且投入小，但對操作人員技術熟練程度的依賴性較大，生產出的制品單面光潔，產品質量不夠穩定。隨著各種新工藝方法的不斷涌現，手糊成型工藝所占比例逐漸降低，但手糊工藝所具有的獨特的其他工藝不可替代的特點，尤其是在生產大型制品方面，故目前該工藝方法仍占有重要的地位。

主要應用領域：建筑雕塑領域如采光頂、活動房屋等；交通設施領域如游艇、汽車殼體、發動機罩等；環境與能源領域如風力發電機用機艙罩、葉片、沼氣池等；體育游樂設備領域如游樂車、水滑梯等。手糊成型工藝如圖2所示。

圖2 手糊成型工藝

2.2 噴射成型工藝

噴射成型工藝是利用噴射設備將樹脂霧化，并與即時切斷的纖維在空間混合后落在模具上面，然后壓實排出氣泡固化，是在手糊工藝基礎上發展而來的，是將手糊操作中的纖維鋪覆和浸膠工作由設備來完成，是一種相對效率較高的工藝，其生產效率是手糊工藝的2～4倍。噴射工藝同樣對操作人員的技術水平依賴大，且由于增強纖維以斷切的形式存在，樹脂含量高，制品的強度較低，同時由于噴射設備的原因，其采用陽模成型方便，而采用陰模成型困難較大，且大型制品比小型制品更適合于噴射成型工藝。

主要應用領域：噴射成型工藝主要應用于大型產品的制作及建筑物補強等，代表性的產品有玻璃鋼浴缸、整體衛生間、卡車導流罩、凈化槽、船身等。噴射成型工藝如圖3所示。

圖3 噴射成型工藝

2.3 模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定的模壓料（粉狀、粒狀或纖維狀）放入金屬對模中，在一定的溫度、壓力作用下固化成型的一種方法。模壓成型過程需要加熱加壓，使模塑料塑化（或熔化）、流動充滿模腔，并使樹脂發生固化反應。模壓成型屬于高壓成型，及需要壓力控制的壓力機，又需要高強度、高精度、耐高溫的金屬模具。

模壓成型生產效率高，產品穩定重現性好，兩面光潔，尺寸精度高，但模壓成型的模具制造復雜，需要進行模壓料的制備，設備投資大，并受壓機限制，最適合于大批量生產中小型復合材料制品。

主要應用領域：汽車領域如后尾門、側門、車頂板、擋泥板、保險杠、天窗框架等；鐵路車輛領域如車輛窗框、衛生間組間、座椅、車廂壁板與頂板等；電氣領域如電氣罩殼、絕緣子、電機風罩、電機換向器、電話機外殼等；建筑領域如浴缸、淋浴間、防水盤、坐便器、組合式水箱等。模壓成型工藝如圖4所示。

圖4 模壓成型工藝

2.4 樹脂傳遞（RTM）成型工藝

RTM成型工藝是在模腔內預先鋪放增強材料預成型體，然后在壓力或真空作用下將樹脂注入閉合模腔，浸潤纖維，固化后脫模的成型工藝，是從濕法鋪層和注塑工藝演變而來的一種成型工藝。

RTM成型工藝成型壓力低，模具選材制作靈活，可以為鋼模也可以為玻璃鋼等成本較低的模具；設備成本投入適中，其投入高于手糊成型和噴射成型，但要低于模壓成型；樹脂注入選擇性大，可以為注射機注射，也可以采用真空輔助注入；纖維預成型可以為手工鋪放、手工鋪放加模具熱壓預成型，機械噴射短纖維模具熱壓預成型、三維立體編織等多種形式。

RTM成型工藝為閉模成型制品具有良好的表面質量，可制作高尺寸精度、結構復雜的部件；生產效率高，制品產量在1000～2000件每年。

隨著應用領域的不斷擴大，在傳統的RTM成型工藝上發展出一系列的衍生工藝，主要包括Light-RTM、VARIM、RFI等工藝。

Light-RTM工藝通常稱為輕質RTM工藝，是在真空輔助RTM工藝的基礎上發展而來的，適于制造大面積的薄壁產品。其下模為剛性的模具，上模采用輕質、半剛性的模具。工藝采用雙層密封結構，外圈采用真空來鎖緊模具，內圈采用真空導入樹脂。注射口通常為帶有流道的線形注射方式，有利于快速充模。由于上模采用半剛性的模具，模具成本大大降低，而制品仍然可以保證有良好的表面性能和尺寸精度。

真空輔助樹脂擴散（VARIM）成型工藝是在RTM成型工藝基礎上發展起來的一種高性能第成本的復合材料成型工藝。該工藝需要一半模具，另一半模具為與剛性模具密封處理的彈性真空袋，在真空狀態下排除增強纖維中的氣體，同時在真空下通過樹脂的流動實現樹脂的浸漬。與傳統的RTM工藝相比，其模具成本低，對制品的尺寸結構限制較少，非常適用于大厚度大尺寸結構制件的成型。

RFI工藝也是采用單模和真空袋來成型制品，不同的是模具上鋪放預制好的樹脂模，再鋪放纖維預成型體，真空袋封閉模具后將模具置于烘箱或熱壓下加熱并抽真空，樹脂模熔融后對纖維預成型體浸漬，繼續升溫加熱使樹脂固化。

總體來說，RTM工藝屬于閉模成型，環境清潔，能夠得到內外表面質量好的制品，同時模具制作、材料使用靈活，設備投入少，其優勢越來越多的得到認可。但是，RTM工藝是在樹脂與纖維浸漬階段實現賦形，樹脂的流動、纖維的浸漬及樹脂的固化過程的不可控性增大，增加了工藝的復雜性。尤其是采用上下模都為剛性或半剛性的模具時，樹脂的流動性、樹脂對纖維的浸漬性及注射口的布置、流道的布置是非常重要的。

主要應用領域：航空航天和軍事領域如雷達罩、螺旋槳、隔艙門、機翼、船舶結構件等；汽車領域如儀表盤、車身覆蓋件和零部件；建筑領域如門、框架、腳手架、電話亭、標志牌等；體育運動器材如自行車架、高沃爾夫球車、高爾夫球桿、雪橇板等。RTM成型工藝如圖

5、圖

6、圖7所示。

圖5 傳統RTM成型工藝

圖6 輕質RTM成型工藝

圖7 真空灌注成型工藝

2.5 注射成型工藝

注射成型工藝是將粉末狀或粒狀的纖維與樹脂的混合物送入注射機內，經加熱熔化后由螺桿或柱塞加壓通過噴嘴注入導閉合的模具中，冷卻定型后脫出模具。

注射成型工藝生產效率高，成型周期短，能夠很好的保證制品精度，這些都優于模壓成型，但注射成型工藝不適用于長纖維增強的產品，優于注射機的限制，較適合大量生產中小型的制品。注射成型工藝在熱塑性和熱固性復合材料中都有應用，但目前主要廣泛應用與熱塑性的復合材料。

主要應用領域：注射成型工藝在復合材料制品生產中，主要是代替模壓成型工藝，生產各種電器材料、絕緣開關、汽車和火車零配件、紡織機零件、建筑配件、衛生及照明器材、家電殼體、食品周轉箱、安全帽、空調機葉片等。注射成型工藝如圖8所示。

圖8 注射成型工藝

2.6 纖維纏繞成型工藝

是在纏繞機控制張力和預定線型的條件下，將連續的纖維粗紗或布帶浸漬樹脂，連續纏繞在相應的制品芯模上，然后在室溫或加熱條件下固化成型。

纏繞成型由于能夠充分發揮纖維的強度，因此比強度和比剛度較高；易于實現產品的等強度設計，適于耐腐管道、儲罐和高壓管道及容器的制造。但是纏繞工藝具有局限性，由于纏繞過程中易于形成氣泡，制品孔隙過多，從而降低層間剪切強度、壓縮強度和抗失穩能力。同時，纏繞工藝對制品的形狀有局限性，不適于制造帶凹曲線表面的制品，且目前只能制造回轉體制品。

主要應用領域：管道領域如煉油廠管道、石油化工防腐管道、輸水管道、天然氣管道、固體顆粒輸送管道等；儲罐如石油儲罐、化工腐蝕液體儲罐等；壓力制品如火箭發動機殼體、深水外壓殼體、高壓氣體壓力容器等。纖維纏繞成型工藝如圖9所示。

圖9 纖維纏繞成型工藝

2.7拉擠成型工藝

是一種生產線型型材的成型方法，是在牽引裝置帶動下將無捻玻璃纖維粗紗和其他連續增強材料進行膠液浸漬、預成型，然后通過加熱的成型模具固化成型，實現制品的連續生產。

主要應用領域：電子電氣領域如電線桿、絕緣板、熔絲管、匯流線管、電纜橋架等；石油化工領域如管網支撐結構、格柵地板、抽油桿、樓梯、海上平臺等；建筑機械制造領域如結構型材、行李架、頂梁、支柱、框架等；軍用品領域如坦克、裝甲車上的復合裝甲、導彈火箭彈外殼等。拉擠成型工藝如圖10所示。

圖10 拉擠成型工藝

總體來說不同的成型工藝適應不同的制品性能和生產規模。盡管機械化、自動化日益發展，手糊與噴射成型仍將作為基本的成型工藝而占有相當的比例。樹脂基復合材料成型工藝發展趨勢

從復合材料成型工藝的發展趨勢來看，是朝著科技含量高、逐步實現工業自動化、環境污染小、勞動強度低的方向發展。重所周知，成型工藝的優劣直接影響到制品的質量、成本和銷路。成型工藝的選擇標準主要有：符合市場要求，確保制品質量；操作簡便、安全高效；產品性價比高；環境污染小，勞動強度低。

根據上述標準對現有的成型工藝進行衡量，手糊和噴射成型工藝為開模成型，對環境和操作人員污染傷害嚴重，并且所生產的制品質量不夠穩定，難以控制；模壓成型工藝設備昂貴、投資較大，生產周期長，適合于大批量的穩定生產；拉擠和纏繞成型工藝僅適合于較為特定的產品。從而，RTM及其衍生工藝則顯現出它的優勢：RTM成型工藝幾乎可以適用于所有的制品的生產，并且生產效率較高，可以滿足大多數生產的需求；與模壓工藝相比，產品質量相當，但RTM的成本投入遠小于模壓工藝；與手糊工藝相比，RTM工藝產品質量好，生產效率高，而成本投入并不比手糊工藝高出很多。

因此，RTM成型工藝及其衍生的成型工藝將是樹脂基復合材料成型工藝發展的主要趨勢，但還要具體問題具體分析，其他的一些成型工藝也存在有不可替代的優點，也會隨著樹脂基復合材料的廣泛應用而繼續發展。

4、結論

樹脂基復合材料的成型工藝發展至今，涌現出了諸多的工藝形式，并在不斷的衍生發展，發展的總體趨勢是朝向環保、高效、自動化、低成本的方向發展。綜合上述工藝方法，RTM及其衍生的成型工藝具有非常不錯的發展潛力和優勢。

參考文獻

【1】 黃家康主編 復合材料成型技術及應用 北京：化學工業出版社，2010.【2】 董永祺 我國樹脂基復合材料成型工藝的發展方向 纖維復合材料，2003，（2）：32-34.劉雄亞 謝懷勤主編 復合材料工藝及設備 武漢，武漢工業大學出版社，1997.

第三篇：樹脂基碳纖維復合材料成型工藝現狀及發展方向

樹脂基碳纖維復合材料成型工藝現狀及發展方向

與金屬材料相比，高性能纖維復合材料成本高，所以必須在纖維復合材料結構件制造過程中廣泛實現自動化和數字化相結合的現代復合材料制造技術，以達到降低飛機全壽命周期內成本的目的。

國外飛機碳纖維復合材料制造技術現狀 復合材料用量大幅提高

目前，國外新一代軍機和民用運輸機已普遍采用高性能樹脂基碳纖維復合材料，第四代戰機復合材料用量占飛機結構重量的20％～50％，干線客機約為10%～50％。

以波音777為例，在其機體結構中，鋁合金占70%、鋼11%、鈦7%，復合材料僅占到11%，而且復合材料主要用于飛機輔件。但到波音787時，復合材料的使用出現了質的飛躍，其用量已占到結構重量的50%，不僅數量激增，而且已用于飛機的主承力構件。構件集成化、整體化、大型化

復合材料是大型整體化結構的理想材料，與常規材料相比可使飛機減重15%～30%，結構設計成本降低15％～30％，制造成本大幅降低。復合材料還克服了金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點，增加了飛機的耐用性，改善了飛機的維修性，同時也帶來了飛機客艙的舒適性。

美國CAI計劃將復合材料結構整體成型技術列為其最主要的關鍵技術之一，并于2001年開始用于F-35(JSF)的驗證上。

在波音787之前，飛機的機身段由約2500個配件、3萬個螺釘組裝起來，現在通過采用集成化的整體機身結構，使生產方式更簡單、更可靠，且顯著減少了零件數目，減重約達20%。制造設備大型化

在復合材料制造設備上，國外民機廣泛采用了高效的雙頭鋪帶機、自動鋪放設備、大型熱壓罐及超聲檢測設備等，為高速生產機體結構提供了保障。

ASC工藝系統公司已制造出用于波音787復合材料機身段固化的、世界上最大的熱壓罐。該熱壓罐最大壓力1.02MPa，最高溫度232℃，作業區面積9m×23m，容積2214m3,重量500t以上。

Flow International公司制造了超大型噴水切割機，用于長達30m的波音787全復合材料結構機翼蒙皮層合板的切割，床身為36m×6.5m。該磨粒噴水切割機可快速、高效切割厚的層合扳，且不產生過熱問題。復合材料下料、鋪放、切割實現自動化和數字化

由Dassault Aviation公司同BAE體系公司聯合設計的商用噴氣式飛機機身采用浸漬樹脂的碳纖維窄帶和蜂窩芯材制造。該機身每節段尺寸為4.5m×2m，機身全部采用圓桶式復合材料（FUBACOMP）方案。

B787飛機加工中生產出的第一個全尺寸復合材料整體結構機身段的尺寸為7m×6m。這一包括桁條在內的整體結構是在一副用殷伐鋼制成的大型芯軸中制作的，芯軸上安裝有加強筋的W形模腔，加強筋在纖維鋪放前被安放在模腔中，應用計算機控制的復合材料鋪帶機完成纖維鋪放。模具被安裝在一個旋轉機構上，隨著鋪帶過程的進行，該機構帶動筒型件旋轉，然后該構件被包裹并放入熱壓罐中進行共固化，形成帶加強筋的殼體結構。低成本制造技術廣泛應用

由于復合材料的成本較高，特別是制造成本，這是制約它進一步擴大應用的主要障礙之一。以美國為首的西方發達國家紛紛制訂低成本復合材料發展研究計劃，不斷完善復合材料層壓板真空袋-熱壓罐制造工藝，開發高性能、低成本的復合材料制造技術，并已取得較大進展。如自動化的鋪帶機（ATL）、纖維鋪放機、樹脂轉移模塑成型（RTM）、真空輔助模塑成型（VARTM）、樹脂膜熔滲（RFI）、電子束固化及膜片成型等先進技術。

RTM技術不使用預浸料和熱壓罐，可以有效地降低成本，配套使用三維編織機和三維縫紉機，可以制造較為復雜的零件。RTM技術在美國的F-22和F-35上得到了廣泛應用。波音787機身的大部分地板采用RFI制造。波音787機翼后緣由德哈維蘭公司采用VARTM工藝制造，與傳統的熱壓罐技術相比，結構更堅固，易于修理，不易損傷。

國內飛機碳纖維復合材料制造技術現狀

我國復合材料制造技術經過30多年的研究和發展，已形成了一定的規模，達到了一定的水平。各主機生產廠均已建設了生產手段，完成了相應的設備改造和技術改造。各研究院所及重點高校培養了大量人才。國內從設計、材料到工藝有了一支配套的研發隊伍。但與國外相比，還存在應用規模和水平、材料基礎、制造工藝、設計方法與手段嚴重落后等問題，且差距有進一步拉開的趨勢。

復合材料用量不高

當波音、空客等新機型大規模采用復合材料后，我國目前僅掌握金屬飛機的研制能力，復合材料只能少量地用在飛機輔件上，在主結構上的應用還需進一步研究。

國內1985年制成的殲

8、強5機垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用過樹脂基碳纖維復合材料。國產客機、運輸機主、次承力構件沒有使用復合材料的相關報道。國內直升機領域復合材料使用比例較大，直九復合材料使用率達到了23%左右。國內無人機因尺寸較小，復合材料用量較大，一般在50%～80%之間，如愛生系列無人機。

碳纖維依賴進口，國產化程度低

我國自20世紀60年代開始碳纖維研究開發，至今已有近40年的歷史，但進展緩慢，無論軍用、民用碳纖維均不能自給，同時由于發達國家對我國幾十年的技術封鎖，至今沒能實現大規模工業化生產，僅有的生產廠家還面臨國際的競爭和擠壓，舉步維艱。尤其是像T800這樣被廣泛應用于飛機制造的復合材料，我國還不能生產。國產化的T300復合材料還在研制之中。工業及民用領域的需求長期依賴進口，嚴重影響了我國高端技術的發展，尤其制約了航空航天及國防軍工事業的發展，與我國的經濟社會發展進程極不相稱。

制造設備尺寸小且多數依賴進口

國內用于復合材料生產的主要關鍵設備與我國要開展的大飛機結構尺寸相比，設備尺寸小，且大多數依賴進口。

如西飛用于飛機復合材料制造的主要設備熱壓罐是從德國Scotch公司引進的φ3.5m×10m熱壓罐，有效長度為10m，直徑為3.5m，與歐美等國家相比，差距仍然較大。

哈飛用于先進復合材料生產的主要設備，如固化爐、大型熱壓罐、復合材料數控下料銑、激光鋪層定位系統、自動鋪帶機、RTM成型設備、縫合設備以及先進的無損檢測設備等基本上是從國外進口的。

工藝落后，自動化和數字化水平低

以樹脂基碳纖維復合材料飛機結構件為例。傳統的生產工藝采用預浸料鋪層干法成型工藝，在熱壓罐或烘箱中加熱、加壓固化成型機體復合材料構件。固化、脫模、修整后的構件經無損檢測驗證合格后進入下道裝配工序。

傳統復合材料成型工藝的缺點是手工下料、手工鋪放，能耗高，生產成本高，質量不易控制，不環保。在整個工藝過程中產生的廢料包括：預浸料、膠膜、蜂窩下料過程中形成的邊角料；固化過程產生的廢氣；復合材料零件修整過程中打磨和切割裁邊時產生的固體粉塵，固體邊角料；膠接過程產生的廢氣等，這些因素都增加了產品的制造成本，并對環境造成了破壞。

自動鋪帶機、自動絲束鋪放機、柔性數控氣動卡具的出現部分解決了手工鋪放質量不易控制的缺點。不過，到目前為止，仍不能完全采用自動化設備來替代手工鋪放。同時，熱壓罐法成型生產周期長，設備費用高，能源消耗大，成本高，由于復合材料零件的整體尺寸越來越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，成本問題也隨之突出。

綜上所述，我國樹脂基碳纖維復合材料制造存在著原材料和制品的成本昂貴、制品成型工藝陳舊、復合材料回收再利用困難等問題亟待研究解決。

結論與建議

建立適合國情的復合材料研發模式

與歐美國家相比，我國復合材料制造技術各方面都存在較大差距，主要原因是我國科技轉化為生產力的水平較低。與歐美航空工業相比，我國航空企業還沒有成為真正的科技轉化生產力的主體，科技轉化為生產力體制、機制的最佳模式還沒有形成。為此，需建立復合材料發展戰略，有組織、有規劃地進行研究和創新，同時應加大對相關企業的投入，完善科研機制，實行設計制造一體化，提高飛機研制的頻度，建立科技轉化生產力體制、機制的航空工業最佳模式。

實現高性能、高質量碳纖維國產化

隨著我國經濟的快速發展，碳纖維的需求與日俱增，雖然國際上一些公司的T300級原絲和碳纖維產品開始對我國解凍，但碳纖維及其復合材料的生產是關系到國防建設的高科技，必須立足國內。所以，需要加大國家投入和攻關，或通過技術引進，盡快掌握核心技術，降低生產成本，研制生產高性能、高質量的碳纖維，以滿足軍工和民用產品的需求，扭轉大量進口的局面，這是我國碳纖維工業發展亟待解決的問題。

大力發展低成本制造技術

低成本復合材料制造技術是當今世界上復合材料技術領域的核心問題之一，包括低成本的材料技術、低成本的設計技術和低成本的制造技術，如大型整體成型結構、共固化/共膠接結構、設計制造一體化技術等，其中，重點應是以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術。我們應當向國際上倡導的的“無緊固件”技術靠攏，減少后加工量和裝配工作量。

國內亟需在這幾方面制訂好規劃,有組織地統一制訂相應規范，使試驗和分析更好地結合起來，形成設計和鑒定的統一指南，編制全行業的技術標準，改進最終產品的一致性，降低成本，減小風險，以滿足飛機研制的需要。

發展研究創新的制造工藝技術

國外復合材料在飛機上的廣泛應用得益于制造設備和工藝技術的發展和成熟。因此，國內要注意規劃發展機械化、自動化制造技術（如自動鋪帶技術、自動纖維鋪放技術等），并提高生產設備的柔性，以提高復合材料構件的生產率。注意借鑒其他領域的經驗，在飛機零件制造中適當采用纏繞、拉擠等低成本的自動化制造技術，填補這一空白。

采用高效、環保的切割、成型技術

由于復合材料的大規模應用，提高其切割和成型技術就顯得越來越迫切。用傳統工藝方法切割復合材料時粉塵大、污染高，而且易燒傷端面，成型的余量需要重新去除，因此，應推廣采用自動數控高壓水切割技術，切割、成型一次完成，生產效率和質量顯著提高。

開展無損檢測技術的研究與應用

為保證產品的安全性、可靠性及交付后的可維修性，需使用無損檢測技術（超聲、射線、激光超聲等技術）對構件進行檢測，以發現復合材料結構中的分層、脫粘、氣孔、裂縫、沖擊損傷等缺陷，并給出缺陷的定性、定量判定，為工藝分析提供依據。

因此，對制造過程及維修中使用的各種無損檢測技術及設備的使用提出了更高要求，國外在這方面進行了大量研究，并開發了相關的產品，國內亦應在這方面加大研究力度。

第四篇：樹脂基復合材料

樹脂基復合材料的研究進展

摘要：

樹脂基復合材料具有良好的成型工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導率等特點，廣泛應用于各種武器裝備，在軍事工業中，對促進武器裝備的輕量化、小型化和高性能化起到了至關重要的作用。由于與許多材料相比具有獨特的性能，樹脂基復合材料在航空航天、汽車、電子、電器、醫藥、建材等行業得到廣泛的應用。目前，隨著復合材料工業的迅速發展，樹脂基復合材料正憑借它本身固有的輕質高強、成型方便、不易腐蝕、質感美觀等優點，越來越受到人們的青睞。關鍵字：樹脂基復合材料，材料性能，應用領域

一、前言

復合材料在國民經濟發展中占有極其重要的地位，以至于人們把一個國家和地區的復合材料工業水平看成衡量其科技與經濟實力的標志之一[1]。樹脂基復合材料是以纖維為增強劑、以樹脂為基體的復合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等有機材料。其中熱固性樹脂是以不飽和聚脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等為主；熱塑性樹脂是指具有線型或分枝型結構的有機高分子化合物。

樹脂基復合材料的特點：各向異性（短切纖維復合材料等顯各向同性）；不均質或結構組織質地的不連續性；呈粘彈性；纖維體積含量不同，材料的物理性能差異；影響質量因素多，材料性能多呈分散性。樹脂基復合材料的優點如下：(1)密度小，約為鋼的1／5，鋁合金的1／2，且比強度和比模量高。這類材料既可制作結構件，又可用于功能件及結構功能件。(2)抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強度的20～50％，CF增強樹脂基復合材料的疲勞極限是其拉伸強度的70～80％；（3）減震性好；(4）過載安全性好；（5）具有多種功能，如：耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優良的耐腐蝕性能、有特殊的光學、電學、磁學性能等；（6）成型工藝簡單；（7）材料結構、性能具有可設計性。

以樹脂基復合材料為代表的現代復合材料隨著國民經濟的發展，已廣泛應用于各個領域。眾所周知，樹脂基復合材料首先應用于航空航天等國防工業領域[2-3]，而后向民用飛機發展。隨著社會的發展，樹脂基復合材料在人類物質生活中的需求量越來越大，并逐漸成為主要應用領域，且研究投入越來越大。樹脂基復合材料除在航空航天、國防科技領域應用外，其他行業領域的應用也十分廣泛。

二、綜述樹脂基復合材料的應用

目前常用的樹脂基復合材料有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型，在加工過程中發生固化，形成不熔和不溶解的網狀交聯型高分子化合物，因此不能再生。隨著復合材料工業的迅速發展，樹脂基復合材料以其優越的性能和特點將應用于各個領域。以下將簡介樹脂基復合材料的應用。

2.1熱固性樹脂基復合材料的應用

復合材料的樹脂基體，目前以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰斗機、轟炸機上就開始采用玻璃纖維增強塑料作雷達罩。60年代美國在F-

4、F-11等軍用飛機上采用了硼纖維增強環氧樹脂作方向舵、水平安定面、機翼后緣、舵門等。在導彈制造方面，50年代后期美國中程潛地導彈“北極星A-2”第二級固體火箭發動機殼體上就采用了玻璃纖維增強環氧樹脂的纏繞制件，較鋼質殼體輕27％；后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A-3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50％，從而使“北極星A-3”導彈的射程由2700千米

增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強環氧樹脂，強度又大幅度提高，而重量減輕[4-6]。碳纖維增強環氧樹脂復合材料在飛機、導彈、衛星等結構上得到越來越廣泛的應用。

例如樹脂基復合材料在彈體上的應用[7]。彈體是用于構成導彈外形 連接和安裝彈上各部分系統且能承受各種載荷的整體結構。采用樹脂基復合材料做彈體的主要目的是為了最大限度的減輕導彈的結構質量、簡化生產工藝、降低成本。進一步提高導彈戰術性能更重要的是，采用樹脂基復合材料技術有利于整體成形有復雜形狀、光滑表面和氣動外形流暢的彈體，可以形成金屬殼體難飛航導彈，以達到的隱身性能。目前，國外巡航導彈在設計研制時，都特別重視大量采用樹脂基復合材料結構。

2.2熱塑性樹脂基復合材料的應用

近年來，由于熱塑性樹脂基復合材料具有韌性好，疲勞強度高，耐濕熱性好，預浸料可以長期存放，可以重復成形，環境污染少等優點，使其在航空航天、汽車、電器、電子、建材、醫藥等行業得到廣泛的應用。隨著PPO、PEEK、PPS、PSF等高性能熱塑性樹脂的開發得到快速發展，使得熱塑性復合材料的應用更加廣泛，其中在汽車行業中的應用最為突出[8]。當前，世界汽車材料技術發展的主要方向是輕量化和環保化。減輕汽車自重是降低汽車排放，提高燃燒效率的最有效措施之一，汽車的自重每減少10%，燃油消耗可降低6%~8%。為此，增加熱塑性復合材料在汽車中的使用量，便成為降低整車成本及其自重，增加汽車有效載荷的關鍵。

由于熱塑性樹脂基復合材料具有比強度和比剛度高，斷裂韌性、疲勞強度、耐熱、耐腐蝕等性能好，以及可重復成型等優點，在飛機上也得到一定應用[9-10]。在航空工業中，樹脂基復合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發動機外涵道；在航天領域，樹脂基復合材料不僅是方向舵、雷達、進氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復合材料具有耐濕性強、微波介電性能佳、尺寸穩定性好等優點，廣泛用于制作宇航結構件、飛機的主次承力結構件和雷達天線罩。美國F-22飛機熱塑性復合材料使用量大于1%，其它民用飛機上熱塑性復合材料的使用量則更多。

由于熱塑性復合材料具有獨特的優點，使其在軍事領域中也得到廣泛應用。主要有槍用材料、彈用材料、以及地面車輛、火炮、艦船等部分零部件用材料。另外，熱塑性復合材料在其它領域的應用也十分廣泛。在建筑行業，產品有管件閥門、管道、百葉窗等部件；在機械工業方面，產品有水泵葉輪、軸承、滾輪、電機風扇、發動機冷卻風扇空氣濾清器、音響零件等；在油田領域，近年來，熱塑性復合材料在油田中應用也越來越廣泛，其中用于扶正器的玻纖增強PA材料年消耗量近萬噸[11-13]。另外，樹脂基復合材料在電子、能源、生物醫學、體育運動器材、船舶制造等領域也有廣泛的應用。

三、展望

樹脂基復合材料良好的發展和應用前景決定了人們將繼續重視發展樹脂基復合材料的研究與開發。樹脂基體的發展趨勢是繼續提高耐熱和耐濕熱性，以滿足戰機導彈超聲速巡航及未來用材需求，目標是在可成型大型復雜構件的前提下，基體的濕態耐熱進一步提高。在開發高性能增強纖維，如納米材料的同時，主要通過基體增韌，繼續提高復合材料的抗沖擊韌性。

樹脂基復合材料的應用向著高性能化方向發展，旨在追求高的減重效率。重視制造技術研究、生產改造和綜合配套。開發材料設計及制備過程的計算機模擬軟件，對產品設計和成型工藝進行優化，提高產品的先進性、可靠性，并最大限度的降低成本[14]。制約復合材料擴大應用，特別是在民用領域應用的主要障礙仍是成本太高，因此降低成本是當務之急。復合材料的發展應以市場為導向，加大創新力度，加強基礎性研究和應用性研究，努力降低

原材料成本，開拓新的應用領域；要通過產學研結合，立足自主開發，同時積極引進技術和資金，在科技攻關、項目建設、裝置規模上要力求與國際接軌，以推動我國復合材料工業全面、快速、健康地發展。

隨著飛行器向高空高速無人化智能化低成本化方向發展樹脂基復合材料的地位會越來越重要。國外預計在下一代飛機上復合材料將扮演主角[15]。樹脂基復合材料對于導彈、戰機屏蔽或衰減雷達波或紅外特征，提高自身生存和空防能力，具有至關重要的作用;在實現戰機、導彈輕量化、快速反應能力、精確打擊等方面起著巨大作用，其用量已成為戰機 導彈先進性的一個重要標志。樹脂基復合材料技術不斷發展更新其應用領域不斷擴展并在能源電子汽車建筑橋梁環境和船舶等領域扮演著越發重要的角色。高性能樹脂基體及其改性是我門樹脂行業的責任和義務，應該努力做好這方面的研發和產業化。

隨著樹脂基復合材料的性能進一步提高，使用經驗進一步積累,低成本技術的發展，高效新結構的發展以及應用效能的提高，未來樹脂基復合材料的應用領域將變得更加廣泛。

四、參考文獻

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第五篇：樹脂基復合材料有關

高性能復合材料的樹脂基體的研究進展

班級：材碩114 學號：030110604 姓名：周堅

摘要：本文簡要回顧了高性能復合材料的發展歷史。其中簡要的介紹了復合材料的一個發展的歷史，從古代開始一直介紹到近代。隨后重點介紹了聚合物基復合材料。重點是對高性能樹脂基的復合材料的基體進行了介紹，主要是環氧樹脂基體、聚酰亞胺基體和雙馬來酰胺基體的復合材料進行了介紹。

關鍵詞:高性能復合材料、環氧樹脂基體、聚酰亞胺基體、雙馬來酰胺基體

1、前言

材料、能源、信息是現代科學技術的三大支柱。隨著材料科學的發展，各種性能優良的新材料不斷地的出現，并廣泛的應用到各個領域。然而，科學急速的進步是對材料的性能也提出了更高的要求，如減輕重量、提高強度、降低成本等。這些都是需要在原有傳統材料上進行改進。復合材料是現代科學技術發展涌現出的具有極大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質不用的材料組合而成，通過各種工藝手段組合而成。復合材料的各個組成材料在性能上期協同作用，得到單一材料所沒有的優越的綜合性能，它已成當代一種新型的工程材料[1]。

復合材料并不是人類發明的一種新材料，在自然界中，有許多天然復合材料，如竹、木、椰殼、甲殼、皮膚等。以竹為例，它是具有許多直徑不同的管狀纖維分散于基體中多形成的材料，纖維的直徑與排列密度由表皮到內層是不同的，表皮纖維的直徑小而排列緊密，以利于增加它的彎能力，但內層的纖維粗而排列疏可以改善它的韌性，所以這種復合結構很合理，打掃最優的強韌組合。

人類在6000萬年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復

合材料，這種泥土混麥秸、稻草制土坯砌墻蓋房子的方法目前在有些貧窮的農村仍然沿用著，但這種復合材料畢竟是最原始的和古老的，是傳統的復合材料。現在建筑行業已發展到用鋼絲或鋼筋強化混凝土復合材料蓋高樓大廈，用玻璃纖維增強水泥制造外墻體。新開發的聚合物混凝土材料克服了水泥混凝土所存在的脆性大、易開裂及耐腐蝕性差的缺點。5000年前，中東地區出現過用蘆葦增強瀝青造船。1942年玻璃纖維增強樹脂基復合材料的出現，使造船業前進了一大步，現在造船業采用玻璃鋼制造船體，尤其賽艇等變速艇等，不僅減輕了船艇的質量，而且可防止微生物的吸附。越王勾踐是古老金屬基復合材料的代表，它是金屬包層復合材料制品，不僅光亮鋒利，且韌性和耐腐蝕性優異。埋藏在潮濕環境中幾千年，出土時依然寒光奪目、鋒利無比。

隨著新型增強體的不斷出現和技術的不斷進步，出現了新進復合材料，先

進復合材料是比原有通用復合材料具有更高性能的復合材料，包括各種高性能增

強劑和耐高溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構成的高性能復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料。先進復合材料的比強度高、比模量大、熱膨脹系數小,而且它還有耐化學腐蝕、耐熱沖擊和耐燒蝕等特點,用它作為結構材料可以提高宇宙飛船、人造衛星和導彈等的有效載荷、增加航程或射程乃至改善這些裝備本身的固有技術性能。21世紀我們面臨的是復合材料迅猛發展和更廣泛應用的時代。

2、聚合物基復合材料的發展歷史

聚合物基復合材料是目前結構復合材料中發展最早、研究最多、應用最廣、規模最大的一類。現代復合材料以1942年玻璃鋼的出現為標志[2]，1946年出現玻璃纖維增強尼龍，以后相繼出現其他的玻璃鋼品種。然而，玻璃纖維的模量低，無法滿足航空、宇航等領域對材料的要求，因而，人們掙努力尋找新的模量纖維。1964年，硼纖維研制成功，其模量達400GPa，強度達3.45GPa。硼纖維增強塑料（BFRP）立即被用于軍用飛機的次承力構件，如F-14的水平穩定舵。垂尾等。但由于硼纖維價格價格昂貴、工藝性差，其應用規模受到限制，隨著碳纖維的出現和發展，硼纖維的成產和使用逐漸減少，1965年，碳纖維在美國一誕生，就顯示出強大的生命力。1966年，碳纖維的拉伸強度和模量還分別只有1100MPa和140GPa,其比強度和比模量還不如硼纖維和鈹纖維。而到1970年，碳纖維的拉伸強度和模量就分別達到2.76GPa和345GPa。從而碳纖維增強纖維得到迅速發展和廣泛的應用。碳纖維及其復合材料性能不斷提高。

1972年，美國杜邦公司又研制了高強、高模的有機纖維-聚芳酰胺纖維 [3]（Kevlar），其強度和模量分別達到3.4GPa和130GPa,使PMC的發展和應用更為迅速。美國空軍材料研究室（AFML）和國家航空航天局(NASA)的定義，以碳纖維、硼纖維、Kevlar纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等增強的聚合物復合材料為先進復合材料，比模量大于40GPa/(g/cm3),因而，從60年代中期到80年代初，是先進復合材料的日益成熟和發展階段。作為結構材料，ACM在許多領域或得應用。同時，金屬基復合材料也在這一時期發展起來，如硼纖維、碳化硅纖維增強的鋁基、鎂基復合材料。80年代后，聚合物基復合材料的工藝、理論逐漸完善。ACM在航空航天、船舶、汽車、建筑、文體用品等各個領域都得到全面應用。同時，先進熱塑性復合材料（ACTP）以1982年英國ICI公司推出的APC-2為標志 [4]，向傳統的熱固性樹脂基復合材料提出強烈的挑戰。同時，金屬基、陶瓷基復 合材料的研究和應用也有較大發展。

3、高性能復合材料用的樹脂基體

基體樹脂的主要功能是傳遞增強材料所承受的負荷，使之分布均勻并保護增強材料免受損傷和環境中濕氣、氧氣和化學物質的侵蝕。而復合材的耐熱性、剪切和壓縮強度、橫向拉伸強度、蠕變性和流動性等也取決于基體樹脂。因此，通常希望選用耐溫性、強度和模量高、韌性和耐濕性好、與增強材料有良好的粘附性或浸潤性而又易于加工的樹脂。由于熱固性樹脂的交聯網狀結構，使它具有優異的耐溫性和機械強度，而且當它作復合材料基體時，開始時以未交聯固化的低分子量和低粘度的狀態出現，便于成型加工，因此多年來用它做高性能復合材料的基體樹脂一直占絕對優勢，代表的品種有耐熱的環氧樹脂，聚酰亞胺及雙馬來酰亞胺樹脂。3.1環氧樹脂基高性能復合材料

3.1.1、環氧樹脂的性能和基體樹脂的作用

作為高性能復合材料基體樹脂可以是熱固性的，也可以是熱塑性的，迄今為止，用量最多，應用面最廣的要算是環氧樹脂，這是因為它具備以下幾個特點：(1)在化學結構方面，除有活性環氧外，還有羥基和醚基，致使粘結力強。(2)在固化方面面，其固化收縮率小（<2%）,無揮發物逸放，孔隙率低；固化后生成三維網絡結構，不溶不熔，化學穩定性高，耐蝕性強

(3)在力學性能方面，環氧樹脂有較高的強度和模量，并有較長的伸長。這些優異性能是制取高性能復合材料的前提之一。

(4)在物性方面，它那熱耐冷，可用在-50—180℃之間；熱膨脹率系數在Tg以下是為39×10-6/℃，以上時為100×10-6/℃；熱導率約為500×10-6Kal/cm·s·℃；在室溫下的防潮防滲性好，絕緣性高。

(5)工藝性好，適應性強。環氧樹脂不僅本身品種多，可以按比例相互摻混以調節其粘度和性能，而且可以在數十種固化劑中選擇組合，以滿足不同操作工序和不同用途的要求。同時，還可以選配稀釋劑、改性劑和增韌劑等。此外，其貯存時間長，穩定性高，適應性強。

基體樹脂的作用：

（1）賦予高性能復合材料的成型性和整體性

（2）提供連續的基體相，以使增強纖維均勻分布期中。換言之，基體必須把增

強纖維均勻地分開成為分散相，以使其在受到反抗性或彎曲等外來作用是，不會失去增強作用。

（3）當復合材料承受抗拉負荷時，基體能使其均勻地分布，并通過界面剪切有 效地載荷傳遞給增強纖維，充分發揮高強度和高模量的特性。3.1.2、環氧樹脂的種類

（1）標準環氧樹脂 雙酚A型環氧樹脂亦稱標準環氧樹脂，屬于DGEBA，它

是通用的樹脂[5]。國外的牌號很多。其特點是分子量低，粘度低。主要缺點是耐性差。（2）環氧酚醛樹脂 其特點是活性環氧基在兩個以上，交聯密度大，耐熱性比

較高，例如Dow公司的DEN-438，汽巴的EPN1138和ECN1299；國內主要有F-46。后者是目前用于FRP的主要基體樹脂，主要缺點是由一定的脆性。

（3）酯環環氧樹脂 美國UCC公司開發了多種牌號的這類樹脂，它具有很好的 綜合和平衡的力學性能，并且有優良的加工型、耐候性。

（4）多官能度環氧樹脂 這種類型樹脂的環氧基在3個以上，環氧當量高，交 聯密度大，耐熱性得到顯著提高，主要缺點是具有一定的脆性，仍需要改性研究。3.1.3、高性能復合材料用環氧樹脂基體的發展。

FRP的成型方法很多，主要有疊層加壓、拉擠和纏繞等。為適應各種成型方 法工藝條件的要求，相應地開發各種專用型環氧樹脂，有使用價值

（1）拉擠成型法 用于拉擠成型的基體樹脂不僅要求粘度低，而且希望固

化快。一般環氧樹脂，需膠化、玻璃化和最后固化為三維網絡結構。因此，需發展快速固化環氧樹脂。殼牌公司發展了兩種適用于拉擠成型的環氧樹脂體系，Epon9102/Epon固化劑CA9150和9302/CA9350。9102和9302都屬于雙酚A/環氧氯丙烷系環氧樹脂，而固化劑CA9350為液態雜環胺。這兩種新型環氧環氧樹脂體系既保留了環氧樹脂的耐熱性和化學性，又具有類似聚酯的快速膠化速，滿足課拉擠工藝條件的要求。（2）纏繞成型 纏繞成型對所用樹脂體系有三點要求：①粘度低；②成型

時固化溫度低；③貯存時間長，特別是對纏繞大型構件。一般環氧樹脂的粘度較高，需加入反應性的稀釋劑來調節，固化劑也需加入低粘度的酸酐，但是，加入稀釋劑會導致耐熱性下降，加入酸酐又會增加吸濕性，致使性能下降。

（3）無維布 無維布市重要的中間產品，各大碳纖維生產廠都有產品銷售。為了制取高性能無維布，各公司發展了許多專用環氧樹脂。由于商業保密，詳情較少透露只有商品牌號和零散資料報道。

3.2、聚酰亞胺基高性能復合材料 3.2.1、聚酰亞胺的發展歷史 六十年代以來,杜邦公司在開發PI方面對了大量工作[6]。1962年開發了成型材料Vespel；1965年有耐熱薄膜Kapton；1968年湯普森拉英伍爾德里奇公司采用加成法制成聚酰亞胺P13N；1972年開發了NB-150；1973年法國的

Rhone-Ponlene公司開發了雙馬來酐亞胺系的PI；1975年第二代NB-150B2問世，迄今為止，Kapton薄膜在耐熱薄膜方面仍多占鰲頭，而NB-150和NB-150B2則是高性能復合材料的基體材料。對于聚酰亞胺，在開發的過程中主要圍繞其成型上做了大量工作。影響成型主要的三個因素：①極為有害的縮合水；②使用高沸點溶劑；③預聚物的熔點高。加成固化A型的開發，克服了確定①；現場聚合型PMR的研制成功，克服了缺點②；熱熔型LARC-160的問世，克服了缺點③。這就是使PI出具實用化的條件。3.2.2、用作高性能復合材料基體的聚酰亞胺

1976年，在NASA制定的“高性能空間運輸系統復合材料”的研究大綱里，要開發耐熱316℃的高性能復合材料。經過蘭利和合同單位的共同努力，從14種PI中評選出4中作為高性能復合材料的基體，即NB-150B2、PMR-

15、LARC-160和Thermid6000；從5中PI粘結劑中篩選出3種，即FM-

34、LARC-

13、和RTV560-SQX；從5中碳纖維中篩選出2種，即Celion和AS4(HTS)[7]。（1）NB-150B2 NB-150B2杜邦生產的熱塑性PI。NB-150B2用的是苯胺混合

物，其剛性比NB-150A2所有的二胺基二苯醚強，因此NB-150B2的Tg(350-371℃)比NB-150A2（280-300℃）高。如果采用其他胺類，Tg可調節在229-365℃之間。因為苯環之間引入—O—、—S—、—CH2—等，使主鏈的柔性增加，剛性下降，致使Tg降低。換言之，在PI的主鏈中，六元苯環和五元亞胺雜環都是熱穩定性高的剛性環，Tg主要受芳族二胺結構的影響。這是分子設計的依據。

（2）PMR-15 劉易斯研究中心研制出得PMR-15都屬于現場聚合的A型PI。

所謂現場聚合成型是指三元體系的脂肪醇溶液，在室溫下不反應，在加熱條件下才形成低聚物，最后在高溫高壓條件下加成固化為交聯結構。

（3）LARC-160 LARC-160是蘭利研究中心開發的熱熔型PI。它是PMR-15 的改進型，主要區別采用了多價液狀胺的低聚物。其特點是在室溫下為單體溶液，浸漬性好，成型性能得到顯著改善。它的強度為10Kg/mm2,模量為3.5×102Kg/mm2,比重約為1.40g/cm2。

（4）Thermid6000 Thermid6000的端基是具有三鍵的乙炔基，在加成固化中

進行三聚環化，形成環狀結構，使其具有優異的耐熱性。它的分子量小于2000。當加熱到220℃時，因固化而放熱，最終熱處理溫度是371℃，使用溫度為350℃。在固化成型過程中沒有揮發物釋放，制品空隙率低，質量高。主要缺點是成型性欠佳和價高。3.2.3、聚酰亞胺及其復合材料的應用 各種航天航空飛行器和導彈武器，由于飛行條件的不同。飛行時間有很大的差異。GrF/PI準備用于軌道飛行器的垂直尾翼，升降副翼和后機身襟翼等。這主要時利用它的耐熱性和減重效果。例如，大型試驗件后機身襟翼的尺寸為6.4×2.1cm，其總重量比鋁合金件輕160Kg，減重27%[8]。此外，它還用于：

①高性能軍用飛機YF-12，飛行速度在3馬赫以上。NASA的蘭利研究中心用HTSI/ PMR-15制成了該飛機的翼板，比鈦合金件減重51%。凱芙拉纖維增強聚酰亞胺復合材料的耐高溫性能也比較好，可用來制造DC-9型運輸機的整流罩，可降低機身阻力和節省燃油。

②航空導彈的彈頭也采用了GrF/PI復合材料。

③GrF/PI可用來制造衛星的結構件，減重17-30%。如制造耐激光和耐高溫的結構件。3.3雙馬來酰亞胺基復合材料 3.3.1雙馬來酰胺基復合材料的發展

高性能復合材料廣泛的使用環氧樹脂作為基體，主要是因為其成型工藝好。環氧樹脂存在的主要缺點是耐濕熱性差，如廣泛使用的5208環氧體系在干態下可耐到177℃。而濕態只能耐到121℃；其次是用作主受力結構件還略顯脆性，5208環氧基體的斷裂延伸率為1.7%，但目前一出現斷裂延伸率大于2%的碳纖維，人們對于雙馬來酰胺的興趣在于[9]，經過改性的雙馬來酰胺基體的耐濕熱性與韌性均優于5208體系，同時具有類似環氧樹脂的良好加工性能，能滿足熱壓罐成型。

馬來均聚物本身脆性大，用來制備復合材料的工藝性差。需使用高沸點的極性溶劑，制備的預浸料僵硬，無結性，鋪覆性不好，成型溫度高。因此，今年來圍繞著提高韌性以及工藝性能對雙馬樹脂進行改性研究。

人們早就在40年代就合成出雙馬樹脂基體，到了70年代，為了解決環氧樹脂的耐濕熱性差的問題，才開始將雙馬樹脂用作高性能復合材料基體，目前已商品化的雙馬樹脂預浸料牌號有10余鐘，作為高性能復合材料的基體，國內一些單位也有研究，為了進一步推動雙馬樹脂的發展與應用，特別對高性能復合材料用雙馬基體進行總結[10]。3.3.2雙馬來酰胺樹脂的改性 內擴鏈法增韌

雙馬來酰胺樹脂未改性的BMI因2端的馬來酰亞胺(MI)間鏈節短,導致分子鏈剛性大,固化物交聯密度高。為使固化物具有柔韌性,人們設法將MI間的2R2鏈延長,并增大鏈的自旋性和柔韌性, 減少單位體積中反應基團的數目,降低交聯密度, 從而達到改性目的。朱玉瓏等研究發現,醚鍵的引入有望改善下一步所制備耐高溫絕緣材料的沖擊韌性。Jiang Bi biao等[11]研制了較普通BMI固化溫度低的含氨酯基團的新型雙馬來酰亞胺低聚體,用其增韌后的BMI樹脂溶解性和貯存穩定性良好, 玻璃布復合材料具有良好的力學性能和耐腐蝕性能。Haoyu Tang[12]等制備了含1,3,42氧二氮唑的耐高溫BMI, 樹脂的玻璃化溫度高(Tg>350e),熱穩定性良好, 在空氣中初始分解溫度大于460e,其玻璃布復合材料在高溫(400e)下仍具有較高的彎曲模量(>1.6GPa)。橡膠共混增韌改性

在BMI樹脂中添加少量帶活性端基的橡膠有利于大大提高體系的抗沖擊性能。目前普遍接受的增韌機理是銀紋剪切帶理論。即橡膠顆粒充作應力集中中心從而誘發了大量的銀紋和剪切帶,這一過程要消耗大量能量,因而能顯著提高材料的沖擊強度,達到增韌目的。用液體橡膠增韌BMI樹脂可以使BMI韌性大幅度提高,目前應用較多的是端羧基丁腈橡膠。此方法同時也會降低耐熱性,因此這類橡膠增韌的BMI樹脂多用作韌性塑料和膠粘劑基體,用作先進復合材料基體的則很少, 且其價格較貴, 應盡可能地降低成本以利推廣。胺類擴鏈增韌改性

BMI分子結構的C=C雙鍵由于受到2個鄰位羰基的吸電子作用而成為貧電子鍵,即一個親電子的共軛體系,易與氨基等親核基團發生Michael加成反應,芳香族二胺改性的BMI體系具有良好的耐熱性和力學性能,但仍然存在工藝性欠佳、韌性不足、粘接性差等問題。為此在體系中引入環氧樹脂,使其與芳香族二胺改性的BMI體系反應,形成交聯網絡結構,環氧樹脂還能克服由仲胺基(-NH-)引起的熱穩定性降低的缺點。王洪波等[13]通過BMI與二元胺、環氧樹脂反應制備了改性BMI。研究表明,二元胺增韌后的BMI和環氧樹脂能交聯固化, 并且固化溫度越高, 固化程度越完全,交聯密度越大；改性BMI的熱分解溫度降低,柔韌性增加,有利于BMI在電器絕緣材料和膠粘劑等領域的應用。高性能熱塑性樹脂增韌改性

利用某些高性能熱塑性樹脂耐熱性較好的特點, 可在一定程度上克服用橡膠增韌BMI后耐熱性降低較多的缺點,因此通過與熱塑性樹脂共混增韌BMI的研究受到了重視。其改性途徑主要有兩種形式。

一種是熱塑性樹脂作為第二相增韌。該樹脂的剛性與基體樹脂接近,有較強的韌性和較高的斷裂伸長率,當第二相的體積分數適當,就可以發生裂紋釘錨增韌作用,即在材料受力的情況下,第二相可誘發基體樹脂產生銀紋,同時由于本身的熱塑性形變能有效地抑制裂紋擴展, 吸收較多能量, 起到增韌作用。另一種是用熱塑性樹脂連續貫穿于BMI樹脂網絡,形成半互穿網絡聚合物(S-IPN),進行增韌改性。體系中的熱塑性樹脂與BMI相互貫穿,兩相之間分散性良好,相界面大,能夠很好地發揮協同效應。因此樹脂兼備BMI的工藝性和熱塑性樹脂的韌性 3.3.3雙馬來酰胺基體的發展趨勢 BMI增韌改性朝著保持熱性能不變而使韌性提高的方向發展，這些增韌改性方法并非孤立，在實際應用中應根據目的和用途同時應用幾種方法增韌改性。我國在這方面的研究與國外相比差距還是比較大。應進一步加強基礎理論研究，開拓新的改性方法[14]。今后我國對BMI的開發，應從一下幾個方面進行：①采用先進的增韌技術，對BMI進行改性，如原位增韌技術，通過化學反應過程控制分子交聯狀態下的不均勻性，以形成有利于塑性變形的非均勻性，從而得到增韌BMI；②加強新型增韌劑研究，尤其是開發耐熱強韌型熱塑性樹脂；③進一步深入研究BMI的改性化學，改善其工藝性。開發適用于RTM的粘度低、固化時間短的BMI極其無溶劑熱熔型BMI，以實現復合材料制品的工業化生產；④加強實用性BMI單體研究，有選擇地合成和生產多種BMI。保持較大規模的高新技術用新材料產業。

4、結語

先進復合材料由于具有一系列優異的性能特點,已成為當今高性能結構材料的一個重要發展趨勢,隨著高技術的進步，先進復合材料正發揮著日益重要的作用。其中由環氧樹脂為基體的高性能復合材料由于其成型性好，所以應用的很廣泛，但是由于其的耐濕熱性上面的缺陷，所以受到一定的限制，同時聚亞酰胺為基體的復合材料具有非常優異的耐高溫性，從而在航空航天領域具有及其廣泛的應用。雙馬來酰胺由于其的脆性，可以通過改性來改善這一問題。21世紀是復合材料的世紀，在不久的將來，復合材料肯定會應用到我們生活的各個方面。同時，在我們生活中發揮出來的的作用也會越來越大。