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，在许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，美国西方化学公司，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方面的改性研究，一方面是改善湿热性能提高其使用温度;另一方面则是提高韧性，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。

而热塑性树脂复合材料具有很多的特点，以下概述了一些热塑性树脂复合材料的特点。

1)比强度高热塑性聚合物基复合材料的密度为1.1-1.9g/cm3，仅为钢材的1/7-1/4,铝合金的2/5-2/3,钦合金的1/4-2/5左右。

另外，热塑性树脂复合材料的力学强度一般低于以上的材料，但是由于其密度较低，因而热塑性树脂复合材料具有较高的比强度，能够用较小的单位质量承受更高的外加应力。

2)性能可设计性自由度大热塑性树脂复合材料力学性能、物理性能和化学性能都可以通过合理选择原材料种类、配比以及适当的加工方法进行设计。

由于热塑性树脂复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多得多，因此其选材设计自由度也要大很多。

3)热学性能优异由于引入了无机填料，热塑性树脂复合材料具有优异的热学性能。

一般热塑性塑料的使用温度在50-100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。

热塑性聚合物复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4-1/2，从而能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。

4)耐化学腐蚀性热塑性树脂基的种类很多，一般都有耐化学腐蚀性的特点，热塑性聚合物基复合材料和他们的基体一般都会具有化学腐蚀性的优点。

5)电性能一般热塑性聚合物复合材料都具有良好的介电性能，不反射无线电电波，透过微波性能良好。

6)优异的抗疲劳性能热塑性聚合物基复合材料内部存在大量的界面，使用过程中即使过载而造成少量纤维断裂。

一方面，热塑性树脂基体一般具有一定的阻碍裂纹扩展的能力，从而在短期内不会使整个构件丧失承载能力，具有优异的破损安全性。

7)废料回收利用由于热塑性塑料具有遇热可熔融的特点，所以这种复合材料可以重复加工成型，废品、边角料以及旧品都可以回收利用，进行再加工，这样对于环境起到了很好的保护作用。

在以上优异性能和特点上，科研人员看准了热塑性树脂复合材料的性能可以与热固性树脂复合材料相媲美。

同时，热塑性基体的良好韧性是它重要的技术优势，更吸引人的一方面就是其具有降低制备成本的潜力。

3、热固性树脂基复合材料与热塑性树脂复合材料的比较在加工过程中，热固性树脂材料是经过化学反应和邻近的支链通过共价键结合在一起，所以在此受热时是不会熔融变软的;而热塑性树脂材料则具有较高的分子质量和较大的熔体茹滞度，所以在制备相应的复合材料的时候，制备温度很大程度上要高于其自身的玻璃化转变温度。

在比较了热固性树脂与热塑性树脂的不同后，表1.2阐述了热固性树脂复合材料与热塑性复合材料的不同点。

4、热固性树脂预浸料的制备方法在制备热固性树脂预浸料的过程中，通常采用两种工艺方法，分别为溶液浸渍法和热熔法。

（1）溶液浸渍法:溶液浸渍法则是要把树脂基体中的各个组份按规定的比例溶解到较低沸点的溶剂中，从而使溶液达到一定的溶度，接下来将纤维束或织物按设定的浸渍速度通过树脂基体溶液，使碳纤维布上浸渍上一定量的树脂基体。

而溶液浸渍法又可以分为滚筒缠绕法和多数纤维连续浸渍法。

①滚筒缠绕法是要把纤维束通过树脂基体的溶液槽中，经过几组导向辊以除去多余的树脂，随后平行缠绕在滚筒上，并沿着辊筒纵向切开，才可以得到单向的预浸料。

②多丝束连续浸渍法的工艺过程是要将纱架引出纤维束，用以调节丝束纤维张力基本相等，经过整径、分散、展平、进入浸胶槽等工序，通过挤胶除去多余的树脂，最后再放进烘干炉中，使溶剂充分挥发。

溶液浸渍法的优点则是可以很大程度上增强树脂基体浸透到材料中，可以制备薄型的预浸料，也可以制备厚型的预浸料;在设备上其造价相对较低，可以很好的节省成本。

表2 热固性与热塑性复合材料的比较图2 连续浸渍法制备预浸料工艺2)热熔法:热熔法可以分为直接热熔法和膜胶压延法。

①直接热熔法是把树脂基体放于胶槽中，在加热到一定的温度下从而使树脂熔融，然后再将纤维束依次通过展开机构、胶槽、几组挤胶辊、重排机构上。

这种制备工艺要求所用的树脂基体具有良好的流动性，在不高的温度下就可以呈现出很好的流动态有利于纤维束的浸渍。

②膜胶压延法包含有制膜和预浸两个步骤。

就是要把树脂基体放在混合器中充分混合，等到加热到最佳涂膜温度后，用电机枢机的计量泵将树脂基体输送到涂胶辊上，调节涂胶辊的间距并且使离型纸的运动呈线速度，制备得到不同膜厚的膜。

再取出纤维，调节张力后，通过蓖子集束、展平到规定的宽度，从上、下胶膜辊引出预先制备出的胶模，并和纤维形成夹心结构，再通过几组热压辊，使树脂基体达到熔融温度，使树脂基体充分浸渍到纤维中。

这种热熔法制备预浸料其具有线速度大、效率较高、树脂的含量更容易控制掌握;没有溶剂，预浸料挥发含量则较低，工艺操作步骤也很安全，对于环境的污染较小，是目前采用比较多的热固性预浸料制备方法。

图3 直接热熔法工艺示意图图4膜胶压延法预浸示意图5、热塑性树脂预浸料的制备方法通过研究得知一系列的热塑性树脂都具有熔点较高，熔融粘度都较大一般大于100Pas，并且粘度都会随温度的变化很小，这就给热塑性树脂基复合材料的制备产生了很大的困难，所以热塑性树脂预浸料就成了制备热塑性树脂基复合材料非常重要的研究方向和研究目标。

1)溶液浸渍法这种方法可以运用热固性树脂溶液法预浸料设备及其工艺，但是需要增加熔融炉，使树脂熔融并且可以粘附在增强材料上。

2)泥浆法此种方法是要把树脂粉末悬浮在具有规定特性的液体介质中，树脂粉末应尽量的细，可以很好的分布均匀从而使纤维浸透。

而工艺的制备过程和上述的溶液浸渍方法相类似。

这种方法可以充分使树脂浸渍但是如果增稠剂处理添加不适当，会影响所得到的复合材料的性质。

3)热压工艺热压工艺的设备则是热压机，是要将定量的树脂粉末均匀涂覆在热压板上，并用增强纤维织物盖在树脂上，接下来放上第二块热压板，加热到树脂的加热温度，使其熔融，随后缓慢施加压力，使树脂充分的浸渍到纤维布的织物中。

此种方法更多的应用在纤维织物所制备的预浸料中。

但是制备单向预浸料过程中，由于施加的压力会使纤维在树脂的带动下产生移位，很难保证预浸料的质量问题。

图5热压法制备预浸料示意图4)热熔法热塑性树脂的热熔法与热固性树脂的热熔法非常相似，就是要把增强纤维通过树脂熔融浴中，再利用刮刀或计量辊筒控制树脂的含甲纤维混杂法纤维混杂法首先把热塑性树脂纺成纤维或膜带，然后根据含胶量的多少中的具体情况再将增强纤维和树脂纤维按规定的配比紧密的合成混合纱。

接下来把纤维制备成所需要的形状，最后则是通过高温的情况下将树脂熔融在纤维中。

这种方法是可以很好的掌握树脂所需要的含量并且可以使树脂充分均匀的浸渍在纤维束中。

5)粉末法粉末法就是制备热塑性预浸料比较常用的方法。

而粉末法根据设备和条件不同可以分为多种方法，其中包括粉末浸渍法、流态化床工艺、FIT，预浸法、静电流化床预浸工艺。

概括粉末法主要是把带有静电的树脂粉末沉积在被吹散的纤维上，然后通过高温的作用把树脂熔融在纤维中。

这种方法最大的优点则是不需要采用溶剂，材料形式简单易得，制备工艺简单，纤维不会受损，成本较低。

针对热固性树脂预浸料来说，在加工过程中，运送过程中，储存过程中都会使树脂产生一系列的化学反应变化，所以在这几方面对比热固性树脂预浸料的影响很大。

而热塑性树脂预浸料由于其自身是高聚合物所以不容易在上述情况下发生化学反应和变化，但是热塑性高聚合的分子质量，分子质量的分布，纯度等等各种因素也会对制备成的热塑性树脂预浸料产生很大的影响。

通过热塑性树脂和热固性树脂预浸料的制备中，都会有很多因素对于制备过程和制备成型的预浸料产生影响，进而对所要制备成型的复合材料进行影响，因此，我们要对热固性树脂和热塑性树脂所制备的预浸料进行严格的把控，这样才能保证预浸料的质量，制备成性能优异的复合材料。

6连续纤维增强复合材料的制备工艺近来复合材料的工业化得到了快速的发展，但是在工业化过程中复合材料也存在许多的问题。

在复合材料的制备成型上存在了很多有待解决的问题，这些问题会直接影响到复合材料制备成型后产品的质量。

而在选择复合材料制备成型的工艺条件时应该满足以下几点.①在技术层面上，我们要做到在符合市场要求的基础上，提升产品本身的质量;②在制备过程中，要做到操作简单，成本要适当降低，安全效率提高;③在生产过程中要尽量减小对环境的污染。

而要满足上述的复合材料要求，就要了解复合材料的制备工艺和发展历程。

近年来复合材料的制备工艺得到了大幅度提升，越来越能满足对于产品的高要求。

接下来我们介绍几种连续纤维增强复合材料的制备工艺。

1)RTM成型工艺:由于复合材料工业上己经进入大产量、大消费的阶段，所以树脂传递模塑(RTM)工艺正好符合这一趋势的发展。

这一工艺灵活，适应性较高，在与其他工艺结合性好，所以其得到了大规模的应用。