第十章热塑性复合材料
热塑性复合材料的加工技术现状应用及发展趋势
热塑性复合材料的加工技术现状应用及发展趋势热塑性复合材料是指由热塑性树脂基体和增强材料（如玻璃纤维、碳纤维等）组成的材料。
它具有良好的机械性能、化学稳定性和耐磨性，广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑等领域。
随着科学技术的发展，热塑性复合材料的加工技术也不断推进，应用范围也在不断扩大。
在热塑性复合材料的加工技术方面，目前主要有预浸法、树脂浸渍法和树脂缠绕法等。
预浸法是将热塑性树脂浸渍到增强材料中，形成预浸料，然后通过压塑和热固化等工艺进行成型。
这种加工技术具有成型周期短、生产效率高、成本低等优点，适用于大批量生产。
但是预浸法的工艺控制要求较高，需要保持一定的工艺温度和压力，以确保产品的质量。
树脂浸渍法是将增强材料浸渍到热塑性树脂中，形成蜂巢结构后加热熔融，然后采用压塑成型。
这种加工技术具有成型性能好、质量稳定等优点，适用于复杂产品的生产。
但是树脂浸渍法需要较长的热固化时间，加工周期较长。
树脂缠绕法是将热塑性树脂涂覆在纤维上，通过控制缠绕角度和缠绕层数，形成复杂的形状。
这种加工技术具有成型灵活、节约材料等优点，适用于空间限制较大的产品。
但是树脂缠绕法需要掌握一定的工艺技巧，以确保产品质量。
热塑性复合材料的加工技术在航空航天、汽车等行业得到了广泛的应用。
在航空航天领域，热塑性复合材料可以用于制造机翼、机身等零部件，以提高飞机的载重能力和燃油效率。
在汽车行业，热塑性复合材料可以用于制造车身、底盘等部件，以提高汽车的安全性和节能性能。
随着科学技术的不断进步，热塑性复合材料的加工技术也在不断发展。
一方面，加工工艺越来越精细化和自动化，提高了生产效率和产品质量。
另一方面，新型材料的研发和应用也为热塑性复合材料的加工技术带来了新的发展方向。
例如，纳米级增强材料的应用可以改善热塑性复合材料的力学性能和耐热性能；3D打印技术的应用可以实现复杂形状的制造，提高产品的适应性和精度。
综上所述，热塑性复合材料的加工技术在应用和发展方向上都取得了很大的进展。
热固性复合材料与热塑性复合材料
热固性复合材料与热塑性复合材料热固性复合材料与热塑性复合材料1热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应⽤⼗分⼴泛的复合型材料，这种材料是经过复合⽽成，在多⾼科技产品中都得到了⼴泛的应⽤与研究，例如在⼤型客运机的应⽤中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞⾏过程中的阻碍，热固性树脂具有⾮常优异的开发潜能，其应⽤领域也会在其改性后得到更⼤的发展。
典型的热固性树脂复合材料分为以下⼏种：（1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西化学公司，道化学公司等⼀系列⼤型化学公司都先后研制成功了新⼀代的酚醛树脂复合材料。
其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。
在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究⼈员重新设计思路，在加⼊不饱和键等其他基团条件下，提⾼了反应速度，减少了挥发组分。
使酚醛树脂复合材料在其应⽤领域得到⼤⼒发展。
(2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本⾝的弱点，研究⼈员对其进⾏了两⾯的改性研究，⼀⾯是改善湿热性能提⾼其使⽤温度;另⼀⾯则是提⾼韧性，进⽽提⾼复合材料的损伤容限。
含有环氧树脂所制备的复合材料⼰经⼤⼒应⽤到机翼、机⾝等⼤型主承⼒构件上。
(3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐⾼温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数⼩等优异性能，所以这种树脂则会⼴泛运⽤在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。
(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有⾼⽐强度，⽐模量以及优异的热氧化稳定性。
其在航空发动机上得到了⼴泛应⽤，主要可明显减轻发动机重量，提⾼发动机推重⽐。
所以在航天航空领域得到了⼤⼒的发展和运⽤。
2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其⾃⾝中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及⼀些助剂组成。
在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯⼄烯、聚⼄烯、聚丙烯、聚苯⼄烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。
热固性复合材料与热塑性复合材料
热固性复合材料与热塑性复合材料1热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料是经过复合而成，在多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究，例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。
典型的热固性树脂复合材料分为以下几种：（1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西化学公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的酚醛树脂复合材料。
其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。
在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速度，减少了挥发组分。
使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发展。
(2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行了两面的改性研究，一面是改善湿热性能提高其使用温度;另一面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。
含有环氧树脂所制备的复合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。
(3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树脂则会广泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。
(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及优异的热氧化稳定性。
其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明显减轻发动机重量，提高发动机推重比。
所以在航天航空领域得到了大力的发展和运用。
2热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。
在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。
热塑性复合材料及其工艺
具有优良的力学性能、耐腐蚀性、绝 缘性、重量轻、易加工成型等特性。
分类与组成
分类
根据基体材料的不同，热塑性复合材料可分为聚合物基、无机非金属基和金属 基等。
组成
通常由增强材料、基体材料和各种添加剂组成，其中增强材料提供强度和刚度， 基体材料提供塑性和韧性。
历史与发展
历史
自20世纪50年代以来，热塑性复合材料的研究和应用逐渐受 到重视，随着科技的发展和环保意识的提高，热塑性复合材 料的应用领域不断扩大。
建筑行业
建筑模板
热塑性复合材料可用于建筑模板的制造 ，具有轻便、易加工和可重复使用的特 点。
VS
建筑管道
热塑性复合材料也可用于制造建筑管道， 如雨水管、排水管等，具有耐腐蚀、寿命 长的优点。
其他领域
医疗器械
热塑性复合材料可用于制造医疗器械，如导管、支架等，具有生物相容性好、耐高温和耐腐蚀的优点 。
挤出成型工艺具有生产效率高、制品尺寸精度高、可连续生 产等优点，广泛应用于管材、型材、板材等产品的生产。
注射成型工艺
01
注射成型工艺是一种将热塑性复 合材料加热至熔融状态，然后通 过注射机注入模具，冷却固化后 得到制品的加工方法。
02
注射成型工艺具有生产效率高、 制品尺寸精度高、可生产复杂结 构制品等优点，广泛应用于汽车 、电子、家电等领域。
加工效率高
热塑性复合材料的加工效率较高，能够提高 生产效率，降低生产成本。
市场接受度挑战
认知度低
相对于传统的金属和塑料材料，热塑性复合 材料的认知度较低，需要加强宣传和推广。
价格较高
热塑性复合材料的价格相对较高，可能会影 响其在某些领域的应用和推广。
技术成熟度挑战
热塑性复合材料介绍及其在真空RTM类成型技术应用概况
• 随着聚酰胺(PA)，聚甲醛(POM) 等工程塑料的应用扩大， 以及新型工程塑料PET，PES，PPS，PEEK等相继问世；结 合高性能玻璃纤维，芳纶纤维及碳纤维，成为新一代复合 材料，应用扩大至汽车，石油化工，机械等工业领域的次 结构件。
热塑性复合材料种类：
1. 短纤维增强热塑性复合材料 (SFRT)
• 根据产品的构造，短纤维热塑性复合材料制品的生产主要 采用挤出成型及注塑成型工艺。挤出成型生产线形材料， 管，板等产品；注塑成型则用于生产各种形状，大小不等 的产品，如精密仪器零件 到 汽车保险杠等。
• SFRT 用的原料，不论挤出或是注塑用的，一般都要经过造 粒过程。
热塑性复合材料种类：
2. 长纤维增强热塑性复合材料 (LFRT)
• 作为半结构及结构材料，LFRT的开发目标是工业和民用的 各个领域，包括汽车，器械，通讯，电气电子，建筑等。
• 在欧洲的LFRT 的总用量中，汽车部件应用占到80%，已成 为前端组件，车门部件，仪表板支架，车底防护件及其他 结构件的标准材料。
• 20世纪70年代，中长玻璃纤维毡增强聚丙烯的热塑片材 (GMT)诞生，开始了长纤维增强热塑性复合材料的工业化。
• 至80年代初期，出现了长纤维增强热塑性复合材料粒料 • 90年代初期，出现了直接法长纤维热塑性复材成型工艺。
• 由于此类产品在汽车工业领域广泛应用，尤其作为可回收 再利用的材料，长纤维增强复材已经成为复合材料行业增 速最快的产业之一。
5. 成型压力低，成型模具费用低 6. 无存放条件限制 7. 废料可以重新回收利用 8. 简化成型工艺环节（针对形状复杂的金属部件而言） 9. 具有可重复/多次成型的特性
热塑性复合材料
热塑性复合材料一、热塑性复合材料的现状和发展趋势热塑性复合材料可在熔融状态下可成为无定形状的制品，并可再加热熔融而制成另一种形状的制品，还可重复多次再生使用而其物理机械性能不发生显著的变化。
另外，它可一次性制成形状十分复杂而尺寸十分精密的制品，生产周期仅需数分钟。
由于热塑性塑料经过增强后，性能大为提高，有些机械性能已跨进了金属强度的范围，从而大大扩展了复合材料的使用范围，可以代替金属和木材。
热塑性复合材料抗冲击损伤容限高，冲击后残余压缩强度比热固性复合材料大，并且热塑性复合材料具有好的热压缩强度。
由于热塑性复合材料加工中的高温和高粘度，所使用的模具成本高，而且热塑性树脂高温强度和化学稳定性不如热固性树脂，加上使用经验不足，应用还不十分广泛。
在过去5年里，全球热塑性复合材料（TPC市场需求显著增长，预计未来5年全球TPC出货量将以5.9%的速度增长，2014年TPC市场将达到62亿美元。
全球领先的管理咨询和市场研究机构Lucintel公司对世界TPC市场进行全面分析后，发表了一份题为《2009~2014年全球热塑性复合材料市场的机遇：趋势、展望与机会分析》的研究报告。
按照这项研究，最近5年TPC的热点是LFT即长纤维增强TPC应用。
运输行业成为TPC最大的市场，超过了消费品市场。
为了获得竞争优势，材料供应商已经将技术开发重点放在客户定制解决方案上，秉承以客户需求为导向、以创新为推动的发展战略，从而实现更广泛的市场渗透。
文中还指出，TPC供应商必须理顺价格，改善加工性能、产品性能，提高生产效率以及产品回收率。
二、热塑性复合材料的应用（1）作为金属材料的取代物多年以来，热塑性复合材料正在替代轿车和轻型货车上的金属部件，这不仅仅是为了获得美观的外壳，更主要的是集成起来的组件可以降低重量和成本，并且大大简化了生产线的操作。
具体说来其优点如下：降低成本一用热塑性复合材料制造零件部件，使原先需组合的零件简化成一个整体部件，从而提高生产效率，降低废/次品率，最终降低成本。
热塑复合材料
热塑复合材料热塑复合材料是一种由两种或两种以上的材料组合而成的新型材料，它具有独特的性能和优势，被广泛应用于工程领域。
热塑复合材料由热塑性树脂和增强材料组成，通过热压或注塑工艺制成。
本文将重点介绍热塑复合材料的特点、应用领域和发展趋势。
首先，热塑复合材料具有优异的性能。
由于其由热塑性树脂和增强材料组成，因此具有优异的机械性能和耐热性能。
同时，热塑复合材料还具有较好的耐腐蚀性和耐磨性，能够在恶劣环境下长期使用。
此外，热塑复合材料还具有较好的成型性能，可以通过热压或注塑工艺轻松制成各种形状的制品，满足不同工程需求。
其次，热塑复合材料在工程领域有着广泛的应用。
由于其优异的性能，热塑复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构、电子设备等领域。
在航空航天领域，热塑复合材料可以制成轻量化的航空零部件，提高飞行器的燃油效率和飞行性能。
在汽车制造领域，热塑复合材料可以制成车身结构和内饰件，降低汽车的整体重量，提高燃油经济性。
在建筑结构领域，热塑复合材料可以制成各种结构件，提高建筑物的抗风抗震能力。
在电子设备领域，热塑复合材料可以制成外壳和散热片，提高设备的散热效果。
最后，热塑复合材料的发展趋势是多样化和高性能化。
随着科技的不断进步，热塑复合材料的种类和性能将不断提升。
未来，热塑复合材料将向着多样化和高性能化的方向发展，不仅可以制成普通结构件，还可以制成具有特殊功能的材料，如导热、导电、阻燃等。
同时，热塑复合材料的制造工艺也将不断改进，降低成本，提高生产效率，推动热塑复合材料的广泛应用。
综上所述，热塑复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，是一种具有发展潜力的新型材料。
随着科技的不断进步，相信热塑复合材料将在未来得到更广泛的应用，为工程领域带来更多的创新和发展。
短纤维增强FRTP成型方法
类
及
特
性
第十章 热塑性复合材料
课件
10.1.2 FRTP的成型方法
10.1.2 FRTP
(1) 短纤维增强FRTP成型方法：
1) 注射成型工艺 2) 挤出成型工艺
(2) 连续纤维及长纤维增强FRTP成型方法
1) 片状模塑料冲压成型工艺
的 成 型
2) 预浸料模压成型工艺
3) 片状模塑料真空成型工艺 4) 预浸纱缠绕成型工艺
的
粘度和拉伸粘度。
成 型
剪切速率↑，熔体粘度↓
性
挤压力↑，熔体流动速率↑
能
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
2 可模塑性 树脂在温度和压力作用下，产 生变形充满模具的成型能力。
取决于树脂流变性、热性能和力学性能等
树
脂 基
T↑，流动性↑
体
的
成 P↑，流动性↑
型
性
能
充模能力强， T过高，收缩率↑，易分解
方
5) 拉挤成型工艺
法
主要用途：汽车制造、机电工业、化工防腐、建筑工程等。
10.2 FRTP
第十章 热塑性复合材料
10.2 热塑性复合材料成型工艺理论基础
FRTP的成型过程 使物料变形或流动
充满模具并取得所需形状
保持形状成为制品
的
成 FRTP成型的基础理论
型
工
树脂基体的成型性能
艺 理
聚合物熔体的流变性
的
成
型
性
能
第十章 热塑性复合材料
课件
10.2.1
4. 热塑性聚合物的物理状态与温度关系
玻璃态、高弹态、粘流态
物态的变化受其化学组成，分子结构，所受
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一般说，用连续纤维增强的热塑性复合材料 的力学性能优于短纤维增强的复合材料。
第十章 热塑性复合材料
10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
热塑性复合材料的特性 (1) 密度小、强度高
ρ钢 ＝ 7.8 g/cm3, ρ热固性CM ＝ 1.7～2.0 g/cm3 ρ热塑性CM ＝ 1.1～1.6 g/cm3 (2) 性能可设计性 与热固性复合材料相比，热塑性树脂种 类多，可选择性大，其可设计性好。 热塑性复合材料的物理性能、化学性能 及力学性能都可以根据使用要求，通过合理 的选择材料及工艺来设计。
课件
第十章 热塑性复合材料
(3) 耐热性
课件
10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
一般地其耐热性比热固性树脂差。热塑性复合材 料耐热性一般在 50~100℃ 以下。用玻纤增强后的热塑 性塑料的使用温度可大大提高。例如：尼龙6的热变形 温度为50℃左右，增强后可提高到 190℃以上，高性能 热塑性复合材料的耐热可达250℃以上。
第十章 热塑性复合材料
10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
增强材料在复合材料中的形状
短纤维增强热 长纤维粒料 塑性复合材料 短纤维粒料 连续纤维增强热 塑性复合材料
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长0.2～0.7mm，均匀无定向 分布在树脂基体中，纤维含 量30％，力学性能各向同性
连续纤维毡或布，按铺层方向分布， 属非均质材料
第十章 热塑性复合材料
4. 热塑性聚合物的物理状态与温度关系 玻璃态、高弹态、粘流态 物态的变化受其化学组成，分子结构，所受 应力和环境温度的影响 粘
流 态
高弹态
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10.2.1 树 脂 基 体 的 成 型 性 能
形 变
玻 璃 态
纺丝 注射 吹塑 挤出 压延 中空吹塑 真空压力成型 热拉伸 冷拉伸
Tx Tg
温度 Tf (Tm)
Td
热塑性聚合物温度－形变曲线与成型方法的关系
第十章 热塑性复合材料
4. 热塑性聚合物的物理状态与温度关系
聚合物力学三态：玻璃态、高弹态、粘流态
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10.2.1 体 的 成 型 性 能
非晶态聚合物典型的温度--形变曲线如下图，存在两个斜 率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别 树 对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特 脂 基 征各有不同。
第十章 热塑性复合材料
(5) 电性能 CM 的电性能取决于树脂基体和增强材料的性 能，其电性能可以根据使用要求进行设计。 热塑性 CM 具有良好的介电性能，优于热固性 CM，不受电磁作用，不反射无线电波。 (6) 加工性能 热塑性 CM 的工艺性能优于热固性 CM ，它可 以多次成型，废料可回收利用等。
易成型
P过高，易溢料和增加制品的内 应力，脱模后变形。 P过低，造成缺料，产生废品。
第十章 热塑性复合材料
3. 可延展性 高弹态聚合物受单向或 双向拉伸时的变形能力
课件
10.2.1 树 脂 基 体 的 成 型 性 能
线型聚合物的可延展性取决于分子长链结构和柔顺性 拉伸在Tg附近，称为冷拉伸 拉伸在Tg以上，称为热拉伸
线膨胀系数比未增强塑料低 1/4~1/2 ，可降低制品 成型过程中的收缩率，使产品的尺寸精度提高。
导热系数：0.3～0.36 w/m.k 与热固性CM相当
第十章 热塑性复合材料
(4) 耐化学腐蚀性
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10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
CM的耐化学腐蚀性能一般取决于基体材料的特性。 热塑性树脂的耐腐蚀品种较热固性树脂多。耐腐蚀性较 好的热塑性树脂有：氟塑料、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙稀等。 热塑性复合材料的耐水性普遍比热固性复合材料好
第十章 热塑性复合材料
10 热塑性复合材料及其工艺 理论基础
10.1 热塑性复合材料的发展概况
课件
10.1.1
热 塑 10.1.1 热塑性复合材料的分类及特性 性 复 定义 合 材 热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo 料 Plastics, FRTP)是指以热塑性树脂为基体，以各 的 种纤维为增强材料而制成的复合材料。 分 类 及 特 性
课件
10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
第十章 热塑性复合材料
10.1.2 FRTP的成型方法
(1) 短纤维增强FRTP成型方法：
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10.1.2 FRTP 的 成 型 方 法
1) 注射成型工艺
2TP成型方法 1) 片状模塑料冲压成型工艺 2) 预浸料模压成型工艺 3) 片状模塑料真空成型工艺 4) 预浸纱缠绕成型工艺 5) 拉挤成型工艺 主要用途：汽车制造、机电工业、化工防腐、建筑工程等。
挤压力↑，熔体流动速率↑
第十章 热塑性复合材料
2 可模塑性 树脂在温度和压力作用下，产 生变形充满模具的成型能力。
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10.2.1
取决于树脂流变性、热性能和力学性能等
树 脂 T↑，流动性↑ 基 体 的 成 P↑，流动性↑ 型 性 能
充模能力强， T过高，收缩率↑，易分解 易成型 T过低，粘度↑，成型困难。
第十章 热塑性复合材料
分类 按树脂基体及复合后的性能 高性能复合材料
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10.1.1 热 塑 性 复 合 材 料 的 分 类 及 特 性
以优良纤维增强高性能热塑性树脂
eg：碳纤维、芳纶纤维 聚苯硫醚、聚醚酮
特点：比强度、比模量高，能 在200℃以上的高温下长期使用 通用型复合材料 以玻纤及其制品增强一般通用的 热塑性树脂 eg：PP、PE、PVC
10.2.1 树脂基体的成型性能 粘流状态
1. 可挤压性
树脂通过挤压作用变形时获 得形状和保持形状的能力。
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10.2.1 树 脂 基 体 的 成 型 性 能
注意： 树脂只有在粘流状态时才能通过挤压而获得需 要的变形。树脂的熔体流动速率与温度、压力有关。 树脂的可挤压性主要取决于熔体的剪切 粘度和拉伸粘度。 剪切速率↑，熔体粘度↓
第十章 热塑性复合材料
10.2 热塑性复合材料成型工艺理论基础
FRTP的成型过程 使物料变形或流动 充满模具并取得所需形状 保持形状成为制品
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10.2 FRTP 的 成 型 工 艺 理 论 基 础
FRTP成型的基础理论 树脂基体的成型性能
聚合物熔体的流变性
成型过程中的物理和化学变化
第十章 热塑性复合材料