复合材料绪论

复合材料（玻璃钢）成型工艺绪论一、复合材料（玻璃钢）概述：玻璃钢其实是一种复合材料，在咱国内俗称为“玻璃钢”实际称为玻璃纤维增强塑料：它是一种由两种或两种以上的材料（树脂为基体，以玻纤为增强材料）经一定成型工艺复合成的一种复合材料。

复合材料也可以这么讲：用两种或两种上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特性，又通过复合效应而获得原组分所不具备的特性。

可以通过设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料简单混合不可相比的。

复合材料的组成分两大部分：基体与增强材料。

复合材料中的树脂就是基体，玻璃纤维是增强材料。

玻璃钢：英文名称FRP F 纤维Class Fibre R增强Reinforced P塑料Plastic 玻璃钢三大因素及作用：三大因素合成树脂、增强材料、界面a、合成树脂作用：把松散的增强材料粘接成整体，起传递功的作用，对玻璃钢起防腐性能、耐老化性等都有直接或间接影响。

b、增强材料作用：玻纤制品承受力的作用，不仅能够提高其制品强度和弹性模量，而且还能够减少收缩变形，提高其热变性温度。

C、界面作用：两者之间的分界面。

玻璃钢性能不仅与增强材料和基体树脂有关，而且与两者之间界面处粘接的好坏及耐久性有很大的关系。

复合材料中的基体与增强材料之间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而表现出来的。

基体与增强材料之间的结合可分为以下几种：1、机械结合基体与增强材料之间没有发生化学反应，纯粹是机械连接，这种复合是靠粗糙的纤维表面与基体产生磨擦力而实现的，只能在平行纤维方向上承受载荷。

2、润湿与扩散复合过程中液态的基体在增强材料的表面铺展、润湿，然后发生相互原子或分子的扩散、渗透从而形成界面。

3、反应结合基体与增强材料间发生化学反应，在界面形成新的化合物。

4、混合结合是总合上述几种组合的结合，是一种最普遍的结合方式。

基体与增强材料的相互作用与界面的性质和完善程度对复合材料的力学性能和其它性能有着重要的影响。

总希望界面粘接牢固、完善，从而复合材料的刚度和强度是有利的。

可明显提高横向和层间的拉伸强度和剪切强度、也可使弹性模量和剪切模量提高。

二、复合材料分三大复合材料：a 聚合物基复合材料：英文名称PMC，采用聚合物为基体（聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等），玻璃纤维、碳纤维、芳纶等增强材料的复合材料。

b 金属基复合材料：MMC，以金属（如铝、镁）为基体，以纤维（碳化硅纤维）为增强材料的复合材料。

其特点：其性能即优于金属材料也优于树脂基复合材料，它既具有金属的性能，也有树脂基复合材料无法达到的使用温度高（500—600℃）、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸湿、不放气、耐磨损、导电、导热等金属性能。

如航天、航空、汽车发电机配件已有应用。

c 无机非金属复合材料（如陶瓷基复合材料：CMC）：以陶瓷为基体，以短纤维或晶须（如碳化硅和碳化硼纤维或晶须）为增强材料的复合材料。

其特点：陶瓷其本身强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、有很好的耐磨性和耐化学腐蚀性、热膨胀系数小、密度小，这些优异性能是一般金属、高分子材料和他们的复合材料所不具备的。

其领域主要是高温结构如航空发电机这种热结构，其温度在1650℃。

纤维增强水泥基复合材料：英文FRC原材料：水泥一般425#硅酸盐水泥、普通水泥、粗集料、细集料、水、刚纤维、减水剂、活性矿物掺合料等等。

三种复合材料中，以树脂基复合材料用量最大，占整个复合材料用量的90%以上。

树脂基复合材料中，又以玻璃纤维增强塑料（俗称“玻璃钢”）用量最大，占树脂基复合材料用量的90%以上。

主要讲树脂基复合材料。

三、树脂基复合材料分类1.按聚合物（树脂）分①热固性树脂复合材料；②热塑性树脂复合材料。

2.按聚合物（树脂种类）分③聚酯树脂基复合材料；④环氧树脂基复合材料；⑤酚醛树脂基复合材料；⑥呋喃、乙烯基酯树脂…….等等。

3.按纤维种类分中碱、无碱、碳纤维、硼纤维基复合材料等等。

四、树脂基复合材料的特性1. 优点⑴轻质高强—比强度、比模量高（强度、模量分别除以密度之值），是衡量材料承载能力的指标之一。

玻璃钢的比重是1.5—2.0 是钢材的1/4，但模量不算高；碳纤维增强复合材料的比强度可以达钛的4.9倍，比模量可达铝的5.7倍。

这对要求自重轻的产品意义颇大。

如飞机尾翼、起落架、舱门、机翼、机舱过渡段外缘、驾驶舱窗框等等均为树脂基复合材料，光飞机复合材料占整机结构重量15%。

应力破坏。

金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆；而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从材料薄弱环节开始，逐渐扩展，破坏前有明显征兆。

大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的30—50%，碳纤维复合材料则是70—80%，可见复合材料比金属材料有较高的耐疲劳特性。

纤维增强树脂基复合材料的抗声振疲劳性能亦甚佳。

⑶减振性好复合材料中的纤维与树脂基体界面有吸振能力，故其振动阻力甚高，可避免共振而致的破坏。

⑷破坏安全性好纤维复合材料基体中有大量独立的纤维，每平方厘米上的纤维少则几千根，多则上万根。

从力学观点上看，是典型的静不定体系。

当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配在为破坏的纤维上。

这样，在短期内不至于使整个构件丧失承载能力。

⑸耐化学腐蚀性常见的热固性玻璃钢一般都耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水并耐湿。

热塑性玻璃钢耐化学腐蚀性一般较热固性为佳。

一般而言，耐化学腐蚀性主要取决于基体树脂。

玻璃纤维不耐氢氟酸等氟化物，生产适应氢氟酸等氟化物的复合材料产品时，接触氟化物表面的增强材料不能用玻璃纤维，可采用饱和聚酯或丙纶纤维（薄毡），机体也需采用耐氢氟酸的树脂，如乙烯基酯树脂。

常见的聚酯玻璃纤维增强塑料耐酸、盐、酯，但不耐碱（因为在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以聚酯耐酸性介质的侵蚀；再碱性介质中，由于形成了共振稳定的羟酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯复合材料耐碱性较差）。

一般情况，人们更注重的是水队复合材料的影响。

水一般可导致聚合物基复合材料的介电强度下降，水的作用时材料的化学键断裂时产生光散射和不透明性，对力学性能也有重要影响。

⑥电性能好绝缘性可达到甚高水平，但也可做成防静电或导体的。

在高频下能保持是良好的介电性能。

不受电磁作用，不反射电磁波，能透过微波。

这些性能远非金属材料所能比拟。

⑺热导率低、线膨胀系数小，在有温差使所产生的热应力比金属低的多。

所有玻璃钢（酚醛基体）乃瞬时高温3800℃，是很好的耐烧蚀材料。

⑻可制的透明及各种色彩的产品；籍助添加剂可是制品获得所需的强度和模量或耐磨性等，易于修补与保养；隔磁、隔音。

⑼成型工艺优越可根据产品结构与使用要求及生产数量，合理的灵活选择原材料及成型工艺。

2. 缺点⑴玻璃钢的弹性模量低（但碳纤维复合材料的弹性模量可超过钢），比钢第一个数量级。

⑵耐热性远低于金属，目前高性能树脂基复合材料长期使用温度在250℃以下。

一般玻璃钢在60～100℃以下。

⑶可燃，虽可做到阻燃或自熄，但燃烧时冒黑烟、有臭味。

⑷表面硬度低，以划痕、耐磨性差。

⑸存在老化问题。

在日晒、雨淋，机械应力以及介质腐蚀下，尤其在湿热条件下，会导致外观急性能恶化。

⑥生产时注意安全防护。

玻璃纤维刺激皮肤；化工原料有气味有毒；固化剂和促进剂直接接触可导致火灾，灼伤皮肤，溅到眼内会导致失明，垃圾三废（废水、废气、废渣产成品下脚料缠绕时薄膜）。

⑺产品质量离散系数大。

如手糊成型产品的强度离散系数达0.06～0.1。

⑻冲击、剪切强度低。

无屈服点，受力过程中可产生分层。

⑼作为多种原辅材料复合而成的复合材料因工艺过程控制因素多，影响性能的因素也多，所以难达到理想的性能。

五、树脂基复合材料成型工艺分类树脂基复合材料成型工艺主要分为三大类。

1.对模成型⑴模压成型可为SMC（片状模塑料）、BMC（团状模塑料）预制成型等在一定温度与压力下成型。

⑵树脂传递成型（RTM）将配有固化系统的树脂在一定压力下（或伴有真空辅助）注入已铺敷增强材料的模具内（增强材料可用连续玻璃纤维原丝毡、织物与短切原丝复合毡，方格布等，预敷与模内），经固化后脱模。

此制品两面光、尺寸与树脂含量较稳定。

工艺装备投资少，劳动环境好。

⑶注射成型与热塑性塑料注塑相似，可以长纤维或短纤维的BMC料注射之。

它包括热固性塑料，如BMC ZMC TMC 等，热塑性塑料，如增强PA、PP、PC、PBT等的注塑。

此法生产效率高，劳动成本低，产品力学性能好。

⑷冷压成型不采用外加热，仅赖复合材料在室温下自身放热固化。

⑸结构反应注射成型（SPTM）此法与RTM相似，但基体多用聚氨酯。

产品两面光，此法适用于中到大量生产，要求韧性或弹性较好的高强度制品。

2.接触成型⑴手糊成型；⑵喷射成型；⑶真空袋成型；压力袋成型；高压釜成型。

3.其他重要成型方法⑴纤维缠绕法；⑵拉挤成型法；⑶连续板材成型法；⑷离心浇铸法。

六、树脂基复合材料制品性能设计与质量控制1. 性能设计⑴确定制品功能性要求①力学性能拉伸、压缩、弯曲强度与模量；伸长率；冲击强度；此外还有硬度、密度、耐疲劳性。

②电性能介电强度，介电常数；击穿电压；体积电阻和抗电弧性，有无防静电要求。

③热性能：热导率、热变形、耐热性；易燃性与热膨胀系数。

④耐化学腐蚀性：耐酸、碱及有机溶剂；吸水率；耐臭氧性、紫外线辐射性、耐老化性。

⑤生物性能：是否有食品级要求（与饮用水、食品接触）。

⑥透明性与色泽：透明、半透明或不透明；色泽；乃变黄性。

⑵成本组织设计原材料、生产工艺及装备的最佳选择；有效利用率、作业周期；直接人工费；间接费用。

⑶与产量有关的性能产量、可能销售量、原辅材料购进量；工艺装备的决定。

⑷后继工作规划产品缺陷处理、售后服务、维修市场调查等。

聚合物复合材料的力学及理化性能聚合物复合材料的性能，在常温常态下也称常规性能，可分为基本力学性能和理化性能。

基本力学性能主要指拉伸、弯曲、压缩、剪切、冲击性能。

理化性能主要指密度、巴氏硬度、固化度、树脂含量、负荷热变形温度、热导率、电阻率，线热膨胀系数、耐水性等。

另还有特殊性能，如蠕变、疲劳、高低温、热、电、声、耐化学腐蚀、燃烧性、大气老化等性能。

1、基本力学性能聚合物复合材料是轻质高强的现代材料，其力学性能，特别是增强纤维方向的拉伸强度比较高，大于一般金属材料。

聚合物复合材料力学性能主要决定于增强材料性能、状态（纤维、织物）、方向，也决定于聚合物性能及成型工艺。

1．1拉伸性能拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。

对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。