第一篇：淺談車用樹脂基復合材料結構件的研究

淺談車用樹脂基復合材料結構件的研究

隨著汽車工業的迅速發展,汽車復合材料用量逐年增加,尤其是制造大型結構件的復合材料用量增長迅速。歐美等國汽車工業已成為復合材料最大用戶。我國的復合材料發展還很落后,汽車工業將面臨新的挑戰和發展機遇,從國外的應用發展歷程來看,樹脂基復合材料結構件必將在我國車用領域得到前所未有的發展,對樹脂基復合材料的工業化制造技術需求極為迫切,因此牡丹江雙興化工有限公司承擔了國家863計劃“車用樹脂基復合材料異型結構件”的研發和制造技術。

一、車用復合材料的優點

復合材料汽車部件,與金屬材料和其他無機材料相比,具有許多得天獨厚的優勢,如重量輕、強度高、耐腐蝕、耐瞬間高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透光電磁波等;同時,復合材料還具有可設計性、一次性整體成型等工藝特點。復合材料是一種在中低溫、低壓條件下采用對模制造車用樹脂基復合材料大型結構件的低成本先進制造技術。

在國家863計劃資助下,針對車用復合材料的市場需求,雙興公司以復合材料構件低成本制造技術為研究對象,進行了“車用樹脂基復合材料結構件制造關鍵技術”的研究。攻克了復合材料液體模塑成型工藝的共性關鍵技術,搭建了高性能低成本復合材料集成制造系統的技術平臺;解決了車用復合材料構件的設計、工藝與工業化生產的相關基礎技術,并形成了具有自主知識產權的成套技術。

二、車用復合材料研究內容

解決重型卡車、列車、大型客車、轎車用異型結構件規模制造技術,實現復合材料在車用領域的產業化應用,符合汽車行業輕便、高速、安全節能、舒適、降低環境污染以及多功能低成本的發展方向,符合國家產業政策。

1.研究目標。主要是攻克復合材料液體模塑成型工藝的共性關鍵技術,搭建高性能低成本復合材料集成制造系統的技術平臺;解決車用復合材料構件的設計、工藝與工業化生產的相關基礎技術,形成具有自主知識產權的成套技術。其應用目標是開發重型卡車、電動汽車、高速列車、轎車用樹脂基復合材料結構構件領域并實現產業化。

2.技術特點。是一種在中低溫、低壓條件下采用對模制造車用樹脂基復合材料結構件的低成本先進制造技術。其基本工藝原理是:反應性的熱固性液態樹脂在較低壓力下注入含有干纖維預成型體的模腔中,樹脂將模腔中的空氣排出,同時浸潤纖維。模腔充滿后,注射過程結束,樹脂開始固化,樹脂固化達到一定強度后開模,取出制品。

3.其技術創新點:

(1)工藝類型和設備變化靈活,總體投資較低,制品產量在1 000~20 000件時,即可獲得可觀的經濟效益。

(2)可設計性強,能實現局部增強、夾芯結構,設計增強材料的類型、鋪層結構;可實現多種零部件一體化,降低制造成本,縮短新產品開發周期。

(3)制造具有良好表面質量、高尺寸精度的復雜構件,在大型構件的制造方面優勢更為明顯。

(4)模操作工藝,工作環境清潔,成型過程苯乙烯排放量小,有利于環保。

(5)壓模注射,可采用復合材料模具(包括環氧模具、復合材料表面鑄鎳模具等),鋁模具等,模具設計自由度高,模具成本較低。

4.工藝流程

生產工藝流程如下圖所示:

5.主要技術指標。產品技術指標符合重汽汽車零件檢測標準QZZ11154-1996要求,典型構件技術指標如下:

三、主要原材料

樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體,以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。環氧樹脂的特點是具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度,廣泛應用于化工、機械、汽車、電子、水利、交通、家電和宇航等各個領域。

四、應用和推廣

雙興公司在主要原材料國產化、制造工藝技術等共性和關鍵技術研究方面取得了突破性進展,還進行了制品表面涂裝技術等相關技術的研究探素,實現了部件的批量化生產,在車用樹脂基復合材料工藝研究方面積累了豐富的經驗。解決車用大型復合材料構件的設計、工藝與工業化生產的相關基礎技術,形成具有自主知識產權的成套技術,其應用目標是開發重型卡車、大型客車、高速列車用樹脂基復合材料大型構件。

采用樹脂基多合材料大型結構件制造技術成果的應用和推廣,提升了企業在低溫低壓,對模具制造工藝技術的研究層次,拓寬了企業在樹脂基多合材料技術應用的視野,結合水轉印披覆膜產品技術,日前采用樹脂基復合材料技術已成功應用于哈飛賽豹、一汽解放、奇瑞旗云、山東重汽的部分構件上,公司已在中小型汽車件(如儀表盤、裝飾件、方向盤等)和其他領域逐步推廣應用。

(編輯/劉佳)

第二篇：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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第三篇：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。

第四篇：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.

第五篇：碳纖維增強樹脂基復合材料性能的研究

碳纖維增強樹脂基復合材料性能的研究

摘 要：碳纖維增強樹脂基復合材料以其優異的綜合性能成為當今世界材料學科研究的 重點。本文介紹了的碳纖維增強復合材料的性能，簡述了增強機理、成型工藝及其應用領 域和發展趨勢。

新材料的研究、發展與應用一直是當代高新技術 的重要內容之一。其中復合材料，特別是先進復合材料 在新材料技術領域占有重要的地位，對促進世界各國 軍用和民用領域的高科技現代化，起到了至關重要的 作用，因此近年來倍受重視。

復合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。【1】

碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前最先進的復合 材料之一。它以輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能 優良等特點廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料，而這些優 異的性能可使碳纖維成為一種十分良好的增強材 料。目前，碳纖維大部分應用于碳纖維增強樹脂基 復 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，簡稱CFRP）。是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。因為環氧樹脂的熱機械 性能、抗蠕變性能、粘接性能優異而且吸濕性好； 固化收縮率和線膨脹系數小；固化溫度較低；較高 溫度下穩定性好；尺寸穩定性、綜合性能好[2]；而 且又與有機材料的浸潤性能好等優點，所以近年來 應用最多的就是碳纖維增強環氧樹脂復合材料。目 前為止，CFRP 可以應用于航空、航天，體育用品，交通工具，建筑材料等多個領域。無論是軍用還 是民用，隨著研究的不斷深入和工廠的大規模生產，其應用領域更為廣闊。

碳纖維增強樹脂基復合材料的性能【10】

碳纖維增強樹脂基復合材料具有一系列的優異性能, 主要表現在以下幾個方面。

（1）具有高的比強度和比模量。CFRP的密度僅為 鋼材的 1/5，鈦合金的 1/3，比鋁合金和玻璃鋼（GFRP）還輕，使其比強度（強度 / 密度）是高強度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它們的3倍以上。CFRP輕而剛、剛而強的特性 是其廣泛用于宇航結構材料最基本的性能。

（2）耐疲勞。在靜態下，CFRP 循環 105 次、承受 90%的極限強度應力時才被破壞，而鋼材只能承受極 限強度的 50%左右。對于碳纖維增強樹脂基復合材 料，在應力作用下呈現粘彈性材料的疲勞特性，顯示出 耐疲勞特性。CFRP呈現出良好的抗蠕變性能，這可能 與碳纖維的剛性有關。

（3）熱膨脹系數小。碳纖維的熱膨脹系數α具有 顯著的各向異性，使其復合材料的α也具有各向異 性。

（4）耐磨擦，抗磨損。CFRP 有優良的耐疲勞特 性、熱膨脹系數小和熱導率高的特性，具耐磨擦、抗磨 損的基本性能。再加之碳纖維具有亂層石墨結構，自 潤滑性好，適用于摩擦磨損材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLa

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 為比磨耗量； K為比例常數； S為循環作 用的應力； So 為材料的拉伸強度； N為斷裂時的循環次 數。CFRP具有高的拉伸強度，是優良的摩擦材料。

（5）耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優異，在酸、堿、鹽和溶劑中長期浸泡不會溶脹變質。CFRP 的耐蝕性 主要取決于基體樹脂。長期在酸、堿、鹽和有機溶劑環 境中，刻蝕、溶脹等使其變性、腐蝕，導致復合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纖維復合材料的耐水性好，可長 期在潮濕環境和水中使用。一般沿纖維方向(0°)的強度 保持率較高，垂直于纖維方向(90o)的保持率較低。這可 能與基體樹脂的吸濕、溶脹有關。

（7）導電性好。碳纖維具有導電性能。對于 CFRP 導電性能來自碳纖維，基體樹脂是絕緣體。因此，CFRP 的導電性能也具有各向異性。

（8）射線透過性。CFRP對 X射線透過率大，吸收 率小，可在醫療器材（如 X光機）方面應用。增強機理 碳纖維增強樹脂基復合材料是以聚合物為基體(連續相)，纖維為增強材料(分散相)組成的復合材料。纖維材料的強度和模量一般比基體材料高得多，使它 成為主要的承載體。但是必須有一種粘接性能好的基 體材料把纖維牢固地粘接起來。同時，基體材料又能起到使外加載荷均勻分布，并傳遞給纖維的作用【11】。

這種復合材料的特點是，在應力作用下，使纖維的 應變與基體樹脂的應變歸于相等，但由于基體樹脂的 彈性模量比纖維小得多，且易塑性屈服，因而當纖維和 基體處在相同應變時，纖維中的應力要比基體中的應 力大得多，致使一些有裂口的纖維先斷頭，然而由于斷 頭部分受到粘著它的基體的塑性流動的阻礙，斷纖維 在稍離斷頭的未斷部分仍然與其周圍未斷纖維一樣承 擔相同的負荷。復合增強的另一原因是基體抑制裂紋 的效應，柔軟基體依靠切變作用使裂紋不沿垂直方向 發展而發生偏斜，導致斷裂能有很大一部分用于抵抗 基體對纖維的粘著力，從而使銀紋在 CFRP 整個體積 內得到一致，而使抵抗裂紋產生、生長、斷裂以及裂紋 傳播的能力都大為提高。因此，CFRP的力學性能得到 很大的改善和提高【12】。實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維（12K/T-300）：臺灣臺塑廠；環氧樹脂 E51：星辰化工無錫樹脂廠；固化劑：二乙烯三胺（DETA）分析純，國藥集團化學試劑有限公司；活 性稀釋劑：市售。

1.2 實驗儀器及設備 電子天平：H10KS，上海儀器總廠；電熱恒溫 鼓風干燥箱：DHG-9030 型，上海精密實驗設備有 限公司；攪拌器：DF-1 型，榮華儀器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 復合材料的制備

（1）將碳纖維干燥，條件為：150 ℃/2 h；（2）按規定配比配制樹脂膠液；

（3）采用手糊成型工藝制作層合板，并固化，固化條件為 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用萬能制樣機切割標準樣條；

其中制作的層合板長寬為 200 mm×200 mm，厚度為 5 mm 的方形板材，基體樹脂每層用量為 20 g，碳纖維每層平鋪，一共為 8 層，層與層之間的碳 纖維絲束成十字交叉排列。

試驗結果與討論

2.1 碳纖維含量對硬度的影響 顯微硬度試驗結果示于圖 1。可以看出, 隨著 碳纖維含量的增加, 試樣的硬度呈現 S 形增加趨 勢, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纖維是脆性 材料, 具有高的強度和比模量, 所以加入碳纖維能提 高試樣的硬度[ 5]。基體是樹脂材料, 其硬度較低, 當 碳纖維含量較低時, 由于在基體中較分散, 所以對顯 微硬度的貢獻較小;當碳纖維含量> 10%, 碳纖維的 作用變的非常明顯, 所以硬度有較大幅度的增加;但 是, 當碳纖維含量> 25% , 碳纖維的增強作用逐漸達 到飽和, 硬度的增加速度開始下降。總之, 碳纖維的 加入對硬度的提高非常明顯。

圖y為不同碳纖維含量樣品的電導率。從中可 以看出, 當碳纖維含量< 10%時, 電阻隨纖維含量的 增加急劇下降;當碳纖維含量> 10%時, 體積電阻的 變化趨于平緩, 電阻值的下降與碳纖維含量的增加 并不成正比, 有一個滲濾閥值, 這個滲濾閥值約為 15%。這表明, 碳纖維/ 酚醛樹脂復合體系在碳纖維 含量為 15%以上, 試樣具有一定的導電性能[ 6]。

上述結果可用以下理論解釋, 當復合體系中導 電填料的含量在達到一個臨界值前, 其電阻率急劇 下降, 在電阻率導電填料含量曲線上出現一個狹窄 的突變區域。在此區域內, 導電填料含量的任何細 微變化均會導致電阻率的顯著改變, 這種現象通常 稱為滲濾現象, 導電填料的臨界含量稱為滲濾閥值。在突變區域之后, 即使導電填料含量繼續提高, 復合 材料的電阻率變化甚小, 這反映在突變點附近導電 填料的分布開始形成導電通路網絡。導電高分子材 料的導電現象是由導電填料的直接接觸和填料間隙 之間的隧道效應的綜合作用產生的;或者說是由導 電通道、隧道效應和場致發射三種導電機理競相作 用的結果。在低導電填料含量及低外加電壓下, 導 電粒子間距較大, 形成鏈狀導電通道的幾率極小, 這 時隧道效應起主要作用;在低導電填料含量和高外 加電壓時, 場致發射理論變得顯著;在高導電填料含 量下, 導電粒子的間距小, 形成鏈狀導電通道幾率較 大, 這時導電通道機理的作用明顯增大[ 7]。

碳纖維含量對耐磨性的影響

試樣磨損完畢后, 每個試樣磨損前、后的質量磨 損量與碳纖維含量的關系如圖 3 所示。從圖 3 可以 看出, 隨著碳纖維含量的增加, 復合材料的磨損率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小, 最后趨于不變。

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復合材料品種結構 變化繁多，加工成型技術不斷更新，基礎理論研究方興 未艾，應用領域相當廣泛，這些事實充分證明了這一材料在工程塑料中的領先地位。隨著基礎研究和應用研 究的不斷深入，該材料在取代金屬、節約能源、特殊專 用等方面將發揮獨特的作用，其巨大的潛力必將得到 進一步挖掘。

總結碳纖維復合材料的現實應用有以下幾個方面: 4.1 航空航天領域的應用[13] 碳纖維復合材料與鋼材相比其質量減輕 75%，而 強度卻提高 4 倍，其最早最成熟的應用當屬在航空航 天領域，如軍用飛機、無人戰斗機及導彈、火箭、人造衛 星等。早在 1970 年代初期，美國軍用 F-14 戰斗機就部 分采用碳纖維復合材料作為主承力結構。在民用航空 領域，如波音 767 和空中客車 A310 中，碳纖維復合材 料也占到了結構質量的 3%和 5%左右。近幾年隨著碳 纖維工業技術和航空航天事業的不斷發展，碳纖維在 這一領域的應用更加廣泛，如用于制造人造衛星支架、衛星天線、航天飛機的機翼、火箭的噴焰口、戰略導彈 的末級助推器、機器人的外殼等。

4.2 體育休閑領域的應用 體育休閑用品是碳纖維復合材料應用的另一個重 要領域，如高爾夫球桿、滑雪板、滑雪車、網球拍、釣魚 竿等。用碳纖維復合材料制成的球拍與傳統的鋁合金 球拍相比，其質量更輕、手感和硬度更好、對震蕩和振 動的吸收也更好，且使用壽命大大延長。同時由于復合 材料本身的可設計性，使得制造商在球拍的硬度、彈 性、球感、擊球性能的設計上，有了更大的想象空間。而 碳纖維釣魚竿由于其良好的韌性與耐用性，更是被廣 泛青睞。近年來，碳纖維復合材料在運動及休閑型自行 車零組件方面的應用也非常廣泛。

4.3 交通運輸領域 碳纖維增強復合材料在交通運輸方面主要是汽車 骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船 舶的增強材料等，尤其在汽車方面的應用更是潛力巨 大。早在 1979 年，福特汽車公司就在實驗車上作了試 驗，將其車身、框架等 160 個部件用碳纖維復合材料制 造，結果整車減重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 時大大降低了振動和噪音。

4.5 其他工業領域 防彈產品方面，包括防彈頭盔、防彈服、防彈運鈔 車和防彈汽車等；電子工業方面，包括各種反射面天 線、印刷電路板、殼架等；生物工程和人體醫學方面，包括人造關節、骨骼、CT掃瞄床板等；地鐵車輛、發熱 材料和電熱用品以及機械制造工業等復合材料產品 多種多樣，層出不窮，充分體現了其應用多元化的趨 勢和特點。

【1】360百科

［2］ 張金祥．新型 BMI/環氧樹脂共固化體系的研究[D].大連：大連理 工大學，2011．

10張曉虎,孟宇,張煒.碳纖維增強復合材料技術發展現狀及趨 勢.纖維復合材料,2004,30(1):50～58.王汝敏,鄭水蓉,鄭亞萍.聚合物基復合材料及工藝.北京:科學 出版社,2004.12彭樹文.碳纖維增強尼龍66的研究.工程塑料應用 13 蘇小萍.碳纖維增強復合材料的應用現狀.高科技纖維與應 用, 2004,29(5):34～36.