聚合物基复合材料.ppt

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1、12 聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料聚合物基复合材料是复合材料中研究最早、发展最快的一聚合物基复合材料是复合材料中研究最早、发展最快的一类复合材料。在现代复合材料领域中占有重要的地位，在国民类复合材料。在现代复合材料领域中占有重要的地位，在国民经济建设中发挥了越来越重要的作用。经济建设中发挥了越来越重要的作用。分类分类复复合合材材料料增强纤维种类增强纤维种类玻璃纤维增强型玻璃纤维增强型碳纤维增强型碳纤维增强型芳纶纤维增强型芳纶纤维增强型基体材料性能基体材料性能通用型通用型耐化学介质腐蚀型耐化学介质腐蚀型耐高温

2、型耐高温型复合材料成型复合材料成型固化方式固化方式常温常压固化成型常温常压固化成型高温加压固化成型高温加压固化成型阻燃型阻燃型聚合物基体的聚合物基体的结构形式结构形式热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料12.1 12.1 聚合物复合材料的分类与结构形式聚合物复合材料的分类与结构形式聚合物复合材料的分类与结构形式聚合物复合材料的分类与结构形式12.1.1 12.1.1 热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料1.1.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键不饱和聚酯

3、：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。不饱和聚酯树脂：分子中的双键在引发剂作用下与可聚合的不饱和聚酯树脂：分子中的双键在引发剂作用下与可聚合的不饱和聚酯树脂：分子中的双键在引发剂作用下与可聚合的不饱和聚酯树脂：分子中的双键在引发剂作用下与可聚合的乙烯类单体乙烯类单体乙烯类单体乙烯类单体(交联剂交联剂交联剂交联剂)进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子进行游离基共聚反应，使线型的聚

4、酯分子进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子交联成具有三向网络结构的体型大分子。交联成具有三向网络结构的体型大分子。交联成具有三向网络结构的体型大分子。交联成具有三向网络结构的体型大分子。2.2.环氧树脂环氧树脂环氧树脂环氧树脂环氧树脂：环氧树脂：环氧树脂：环氧树脂：分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。高分子化合物，除个别外，它们的

5、相对分子质量都不高。高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。活性环氧基团可与多种类型的固化剂发生交联反应而形活性环氧基团可与多种类型的固化剂发生交联反应而形活性环氧基团可与多种类型的固化剂发生交联反应而形活性环氧基团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。成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。(1)(1)缩水甘油醚类缩水甘油醚类缩水甘油醚类缩水甘油醚类(2)(2)缩水甘油酯类缩水甘油酯类缩水甘油酯类缩水甘油酯类根据分子结构分类：根据分子结构分类：根据分子结构分类：根据

6、分子结构分类：(3)(3)缩水甘油胺类缩水甘油胺类缩水甘油胺类缩水甘油胺类(4)(4)线型脂肪族类线型脂肪族类线型脂肪族类线型脂肪族类(5)(5)脂环族类脂环族类脂环族类脂环族类3.3.酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂由酚与醛按一定的比例在酸性或碱性催化剂下由酚与醛按一定的比例在酸性或碱性催化剂下由酚与醛按一定的比例在酸性或碱性催化剂下由酚与醛按一定的比例在酸性或碱性催化剂下相互缩合而制成的。这种树脂在加热条件下，可转变成不溶相互缩合而制成的。这种树脂在加热条件下，可转变成不溶相互缩合而制成的。这种树脂在加热条件下，可转变成不溶相互缩合而制成的。这种树脂在加热条

7、件下，可转变成不溶不熔的三向网状结构。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而不熔的三向网状结构。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而不熔的三向网状结构。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而不熔的三向网状结构。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。得的合成树脂。得的合成树脂。得的合成树脂。苯酚苯酚 甲醛甲醛12.1.2 12.1.2 热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料聚乙烯聚乙烯聚乙烯聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚丙烯聚丙烯聚丙烯聚丙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂具有线型或支链型结构的一类有机高分子化具

8、有线型或支链型结构的一类有机高分子化具有线型或支链型结构的一类有机高分子化具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物，受热软化合物，受热软化合物，受热软化合物，受热软化(或熔化或熔化或熔化或熔化)，冷却变硬，这个过程可反复进行。，冷却变硬，这个过程可反复进行。，冷却变硬，这个过程可反复进行。，冷却变硬，这个过程可反复进行。聚碳酸酯聚碳酸酯聚碳酸酯聚碳酸酯聚甲醛聚甲醛聚甲醛聚甲醛聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯12.2 12.2 聚合物基复合材料的制造技术聚合物基复合材料的制造技术聚合物基复合材料的制造技术聚合物基复合材料的制造技术聚合物基复合材料

9、的制造把复合材料的制造和产品的制聚合物基复合材料的制造把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。造融合为一体。根据增强体和基体材料种类的不同，需要应用不同的制根据增强体和基体材料种类的不同，需要应用不同的制造工艺和方法。造工艺和方法。根据基体材料的不同分类：根据基体材料的不同分类：热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷涂成热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷涂成型法、压缩成型法、注射成型法、型法、压缩成型法、注射成型法、SMC压缩成型法、压缩成型法、RTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等。等。热塑性复合材料的制造方法：压缩成型法、注射成型法、热塑性复合材料的制造方法：压缩成型

10、法、注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、连续缠绕成型法等。成型法、真空热压成型法、连续缠绕成型法等。具有线型或支链型结构的具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物。一类有机高分子化合物。受热软化受热软化(或熔化或熔化)，冷却，冷却变硬，可重复进行变硬，可重复进行1.1.手糊成型法和喷涂成型法手糊成型法和喷涂成型法手糊成型法和喷涂成型法手糊成型法和喷涂成型法(1)手糊成型法手糊成型法 聚合物基复合材料制造的最基本的方法。多用于玻璃纤维聚合物基复合材料制造的最基本的方法。多用于玻璃纤维/聚酯树脂复合材料的产品制造。如浴缸、船艇、房屋设备等。聚酯树脂复合材料的产品制造。如浴缸、船艇、房屋设备

11、等。在根据产品的形状制造的底模上，先涂一层不粘胶或铺一层在根据产品的形状制造的底模上，先涂一层不粘胶或铺一层不粘布或不粘薄膜等，然后铺一层玻璃纤维布，再用刷子或滚不粘布或不粘薄膜等，然后铺一层玻璃纤维布，再用刷子或滚轮等工具将树脂涂抹在玻璃纤维布上，使树脂均匀地渗透在玻轮等工具将树脂涂抹在玻璃纤维布上，使树脂均匀地渗透在玻璃纤维布里。重复此过程直到达到产品要求的厚度。然后将铺璃纤维布里。重复此过程直到达到产品要求的厚度。然后将铺层完成后的制品送进固化炉实现固化。层完成后的制品送进固化炉实现固化。不粘处理不粘处理手工铺层、涂抹手工铺层、涂抹固化固化脱模脱模底模的制作底模的制作基本制造工艺：基本制

12、造工艺：手工成型法的特点：所用工具和工艺设备简单，成本手工成型法的特点：所用工具和工艺设备简单，成本低，能用长纤维布或短纤维布，能适应各种形状产品的成型。低，能用长纤维布或短纤维布，能适应各种形状产品的成型。由于以人工为主，生产效率低，不易实行大量生产，仅适于由于以人工为主，生产效率低，不易实行大量生产，仅适于小数量产品的制造。小数量产品的制造。(2)喷涂成型法喷涂成型法 利用高压空气将树脂系统和短切纤维从喷枪上不同喷利用高压空气将树脂系统和短切纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并沉积在模具面上，室温固化成型得到制品。嘴同时喷出并沉积在模具面上，室温固化成型得到制品。使用的主要工具是一杆能自动切断纤

13、维并喷出切断的短纤使用的主要工具是一杆能自动切断纤维并喷出切断的短纤维和树脂的自动化喷枪。维和树脂的自动化喷枪。底模的制作底模的制作不粘处理不粘处理喷涂积层喷涂积层固化固化脱模脱模基本制造工艺：基本制造工艺：喷涂成型法省略了人工铺层涂抹的过程，易于实现自动喷涂成型法省略了人工铺层涂抹的过程，易于实现自动控制生产，可成型较为复杂形状的制品，但仅适用于制造短控制生产，可成型较为复杂形状的制品，但仅适用于制造短纤维增强复合材料制品，且需要专门的喷射机，施工中材料纤维增强复合材料制品，且需要专门的喷射机，施工中材料浪费较大。浪费较大。2.2.压缩成型法压缩成型法压缩成型法压缩成型法 压缩成型法是将增强

14、材料纤维和树脂等一起先放入底模，然压缩成型法是将增强材料纤维和树脂等一起先放入底模，然压缩成型法是将增强材料纤维和树脂等一起先放入底模，然压缩成型法是将增强材料纤维和树脂等一起先放入底模，然后加压、加热使之成型、固化的一种复合材料制造方法。后加压、加热使之成型、固化的一种复合材料制造方法。后加压、加热使之成型、固化的一种复合材料制造方法。后加压、加热使之成型、固化的一种复合材料制造方法。压缩成型法的基本概念压缩成型法的基本概念(a)将纤维和树脂等放入底模将纤维和树脂等放入底模(b)加热、加压后成型加热、加压后成型根据基体材料的不同，需采用不同的加压、加热过程；将根据基体材料的不同，需采用不同的

15、加压、加热过程；将纤维和树脂等放入底模时，需要预成型纤维和树脂等放入底模时，需要预成型(预成型机预成型机)需要的设备：压力机需要的设备：压力机(油压机或水压机等油压机或水压机等)、预成型、预成型机、固化炉等机、固化炉等特点：可制造大型产品，含纤维量高的产品、高强特点：可制造大型产品，含纤维量高的产品、高强度产品，短纤维增强复合材料用得较多。度产品，短纤维增强复合材料用得较多。底模的制作底模的制作不粘处理不粘处理放入纤维和树脂放入纤维和树脂固化固化脱模脱模热压热压基本制造工艺：基本制造工艺：3.3.注射成型法注射成型法注射成型法注射成型法 注射成型是先将底模固定、预热、然后利用注射机械在注射成型

16、是先将底模固定、预热、然后利用注射机械在一定的压力条件下，通过一注入口将纤维和树脂等一起挤压一定的压力条件下，通过一注入口将纤维和树脂等一起挤压入模型内使之成型。入模型内使之成型。注射成型法的基本概念注射成型法的基本概念基本制造工艺：基本制造工艺：底模的制作底模的制作不粘处理不粘处理底模的紧固底模的紧固固化固化脱模脱模注入纤维和树脂注入纤维和树脂注射成型法的特点：易于实现自动化，易于实现大批生产。注射成型法的特点：易于实现自动化，易于实现大批生产。注射成型法制造的产品的纤维含有量不高，一般注射成型法制造的产品的纤维含有量不高，一般(体积分数体积分数)为为20%50%，多数在，多数在20%40%

17、之内。由于纤维和树脂的混合之内。由于纤维和树脂的混合物在模型内的流动引起纤维的排列，产品的强度分布不均匀。物在模型内的流动引起纤维的排列，产品的强度分布不均匀。注射机的注射口由于和纤维的摩擦易于磨损。注射机的注射口由于和纤维的摩擦易于磨损。4.SMC4.SMC压缩成型法压缩成型法压缩成型法压缩成型法 SMCSMC是是是是Sheet Molding CompoundSheet Molding Compound的缩写，是指经过热固的缩写，是指经过热固的缩写，是指经过热固的缩写，是指经过热固性树脂浸渍后的、未固化的玻璃纤维性树脂浸渍后的、未固化的玻璃纤维性树脂浸渍后的、未固化的玻璃纤维性树脂浸渍后的

18、、未固化的玻璃纤维/树脂预制片。一般有三树脂预制片。一般有三树脂预制片。一般有三树脂预制片。一般有三种预制片：短纤维随机分布的预制片，短纤维单方向分布的种预制片：短纤维随机分布的预制片，短纤维单方向分布的种预制片：短纤维随机分布的预制片，短纤维单方向分布的种预制片：短纤维随机分布的预制片，短纤维单方向分布的预制片，长纤维单方向分布的预制片。纤维含量预制片，长纤维单方向分布的预制片。纤维含量预制片，长纤维单方向分布的预制片。纤维含量预制片，长纤维单方向分布的预制片。纤维含量(体积分数体积分数体积分数体积分数)30%70%30%70%，预制片的厚度一般在，预制片的厚度一般在，预制片的厚度一般在，预

19、制片的厚度一般在5 10 5 10 mmmm之间。之间。之间。之间。SMCSMC压缩成型法使用的原材料是压缩成型法使用的原材料是压缩成型法使用的原材料是压缩成型法使用的原材料是SMCSMC未固化的玻璃纤维未固化的玻璃纤维未固化的玻璃纤维未固化的玻璃纤维/树脂预制片。树脂预制片。树脂预制片。树脂预制片。SMCSMC压缩成型法分两步实现：第一步是未固化的玻璃纤压缩成型法分两步实现：第一步是未固化的玻璃纤压缩成型法分两步实现：第一步是未固化的玻璃纤压缩成型法分两步实现：第一步是未固化的玻璃纤维维维维/树脂预制片的制作；第二步是树脂预制片的制作；第二步是树脂预制片的制作；第二步是树脂预制片的制作；第二

20、步是SMCSMC压缩成型。压缩成型。压缩成型。压缩成型。SMC压缩成型法的特点：以未固化的玻璃纤维压缩成型法的特点：以未固化的玻璃纤维/树脂树脂预制片为原材料，生产工序大为减少，易于实现自动化，预制片为原材料，生产工序大为减少，易于实现自动化，易于大批量生产。易于大批量生产。基本设备：压力机基本设备：压力机(液压机液压机)和片材裁剪机。和片材裁剪机。成型过程：先将裁剪、计量好的成型过程：先将裁剪、计量好的SMC片材置放入预热片材置放入预热好的模型中，然后逐步加热、加压使预制片流动，直至充满好的模型中，然后逐步加热、加压使预制片流动，直至充满模型内部各处后，再加热、加压固化。模型内部各处后，再加

21、热、加压固化。SMC压缩成型法的基本概念压缩成型法的基本概念(a)将将SMC片材放入模型片材放入模型(b)加压，加热后加压，加热后底模的制作底模的制作不粘处理不粘处理热压成型热压成型SMC的制作的制作固化固化脱模脱模计量、放入计量、放入SMC片材片材裁剪裁剪SMC片材片材基本成型工艺：基本成型工艺：SMC压缩成型法生产的产品尺寸精度高、表面光滑、压缩成型法生产的产品尺寸精度高、表面光滑、强度较高。但其初期设备投资较大，适用于大批量生产。强度较高。但其初期设备投资较大，适用于大批量生产。电器产品，汽车的复合材料产品多用这一成型法制造。电器产品，汽车的复合材料产品多用这一成型法制造。5.RTM(R

22、esin Transfer Molding)成型法成型法 RTM成型法是一种树脂注入成型法。成型法是一种树脂注入成型法。制造工艺主要分五步：制造工艺主要分五步：(1)增强纤维的预成形片材的制作；增强纤维的预成形片材的制作；(2)将纤维的预成形片材铺设在模型中；将纤维的预成形片材铺设在模型中；(3)给模型加压，使给模型加压，使铺设的纤维的预成形片材在模型内按产品形状预成形；铺设的纤维的预成形片材在模型内按产品形状预成形；(4)利利用低压用低压(约约0.45 MPa)，将树脂注入模型，使树脂均匀地渗透到将树脂注入模型，使树脂均匀地渗透到纤维的预成形片材中；纤维的预成形片材中；(5)在模型内加热固化

23、。在模型内加热固化。RTM成型法的基本概念示意图成型法的基本概念示意图(a)纤维的预成形片材的制作纤维的预成形片材的制作 (b)纤维的预成形片材的铺设纤维的预成形片材的铺设(c)预压成形预压成形 (d)注入树脂注入树脂RTM成型法与注射成型法相比特点：成型法与注射成型法相比特点：注射成型法：将纤维和树脂的混合物一起注入空的模型注射成型法：将纤维和树脂的混合物一起注入空的模型中，仅适用于短纤维复合材料制品。中，仅适用于短纤维复合材料制品。RTM成型法：先将纤维的预成形片材在模型中预成形后，成型法：先将纤维的预成形片材在模型中预成形后，注入树脂使之一体化，多用于长纤维复合材料制品。注入树脂使之一体

24、化，多用于长纤维复合材料制品。RTM成形法优点：成本低，产品尺寸形状稳定，质量高，成形法优点：成本低，产品尺寸形状稳定，质量高，可适应多种热固化树脂和热塑性树脂，可适应两种以上的不可适应多种热固化树脂和热塑性树脂，可适应两种以上的不同增强纤维的组合复合材料的型，也可适应多种二维编织和同增强纤维的组合复合材料的型，也可适应多种二维编织和三维编织的复合材料制品的型。三维编织的复合材料制品的型。6.真空热压成型法真空热压成型法(Autoclaved Molding,Hot Press Molding)是一种用于先进长纤维复合材料的成型法。是一种用于先进长纤维复合材料的成型法。使用未固化的碳纤维使用未

25、固化的碳纤维/树脂等预制片作为原材料，树脂等预制片作为原材料，然后经过铺层、真空包袋、抽真空、加热加压等过程使然后经过铺层、真空包袋、抽真空、加热加压等过程使产品固化成型。产品固化成型。与以上的成型法不同，真空热压成型法是一种将纤与以上的成型法不同，真空热压成型法是一种将纤维的树脂浸渍过程和复合材料的成形完全分开的一种成维的树脂浸渍过程和复合材料的成形完全分开的一种成型法。型法。真空热压成型法的加热、加压的设备：加热、加压釜；真空热压成型法的加热、加压的设备：加热、加压釜；热压机。热压机。特点：生产成本较高，产品的质量高，孔隙率低。宇特点：生产成本较高，产品的质量高，孔隙率低。宇宙航空工业的产

26、品多采用此成型法制造。宙航空工业的产品多采用此成型法制造。预制片的制作预制片的制作底模的制作底模的制作(平板以外的产品平板以外的产品)不粘处理不粘处理真空包袋真空包袋热压成型固化热压成型固化脱模脱模铺层铺层基本成型工艺流程：基本成型工艺流程：7.缠绕成形法缠绕成形法一种制造筒状复合材料制品的特殊方法。一种制造筒状复合材料制品的特殊方法。将连续纤维或布带浸渍树脂后，再缠绕到一定形状的芯模将连续纤维或布带浸渍树脂后，再缠绕到一定形状的芯模上，达到一定厚度后，通过固化脱模得到制品。上，达到一定厚度后，通过固化脱模得到制品。需要的设备是缠绕机。需要的设备是缠绕机。按树脂浸渍纤维的方式和特点，复合材料成型方法按树脂浸渍纤维的方式和特点，复合材料成型方法可分为两大类：树脂在纤维层间渗透可分为两大类：树脂在纤维层间渗透(渗透浸渍成型法渗透浸渍成型法)、树脂和纤维一起流动树脂和纤维一起流动(流动浸渍成型法流动浸渍成型法)