纤维增强聚合物基复合材料
建筑材料的新型复合材料有哪些
建筑材料的新型复合材料有哪些在现代建筑领域，新型复合材料的出现为建筑设计和施工带来了更多的可能性。
这些新型复合材料具有优异的性能，能够满足各种复杂的建筑需求。
接下来，让我们一起了解一下建筑材料中一些常见的新型复合材料。
纤维增强复合材料（FRP）是目前应用较为广泛的一种新型复合材料。
FRP 通常由纤维材料（如碳纤维、玻璃纤维等）和树脂基体组成。
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高强度、高刚度和轻质量的特点。
它在加固老旧建筑结构方面表现出色，能够有效地提高结构的承载能力和抗震性能。
玻璃纤维增强复合材料（GFRP）则具有较好的耐腐蚀性，常用于海洋工程和化工建筑等环境恶劣的场所。
FRP 材料还可以被制成板材、筋材和索材等形式，应用于桥梁、高层建筑和大跨度空间结构中。
聚合物基复合材料（PMC）也是一类重要的新型建筑材料。
PMC以高分子聚合物为基体，加入各种增强材料，如纤维、颗粒等。
其中，纳米复合材料是近年来的研究热点。
通过在聚合物基体中加入纳米级的填料（如纳米黏土、碳纳米管等），可以显著提高材料的力学性能、热性能和阻隔性能。
例如，纳米复合材料制成的建筑涂料具有更好的耐候性和自清洁功能，能够延长建筑物的外观保持时间。
金属基复合材料（MMC）在建筑领域也有一定的应用。
铝基复合材料具有较高的比强度和比刚度，同时还具有良好的导热性和导电性。
它可以用于制造建筑中的结构件和装饰件，如窗框、扶手等。
钛基复合材料则具有优异的耐高温和耐腐蚀性，适用于一些特殊环境下的建筑应用。
陶瓷基复合材料（CMC）具有高强度、高硬度、耐高温和耐磨损等优点。
在建筑领域，CMC 可以用于制造高温炉窑的内衬、耐磨地面材料等。
然而，CMC 的成本相对较高，限制了其在一些大规模建筑项目中的广泛应用。
智能复合材料是另一类具有创新性的新型建筑材料。
这类材料能够感知外界环境的变化，并做出相应的响应。
例如，形状记忆合金复合材料可以在一定条件下恢复到预先设定的形状，这在自适应结构和抗震结构中具有潜在的应用价值。
天然纤维增强聚合物基复合材料
天然纤维增强聚合物基复合材料
天然纤维增强聚合物基复合材料，是一种结合了天然纤维和聚合物基质的新型
材料。
在复合材料领域，天然纤维作为增强材料的应用已经得到广泛关注，其在提高材料性能、减轻重量、降低成本等方面发挥着重要作用。
天然纤维作为增强材料具有许多优点。
首先，天然纤维来源广泛，如木质纤维、植物纤维、动物纤维等，且具有较高的强度和模量。
其次，天然纤维具有低密度、易加工、可降解的特性，符合现代工业对可持续发展和环保的要求。
另外，天然纤维在复合材料中的表现良好，能够有效增强材料的抗拉强度、耐冲击性和耐磨性。
在天然纤维增强聚合物基复合材料的制备过程中，选择合适的天然纤维材料和
聚合物基质是关键。
不同种类的天然纤维具有不同的特性，可以根据复合材料的具体应用需求选择合适的增强材料。
同时，通过调控纤维的取向、含量和界面改性等方式，可以进一步改善复合材料的性能。
对于聚合物基质的选择和制备也至关重要，需要考虑到与天然纤维的相容性、成本、加工性等因素。
天然纤维增强聚合物基复合材料在诸多领域有着广阔的应用前景。
在汽车工业中，天然纤维复合材料可以替代部分金属材料，降低车身重量，提高燃油经济性；在建筑领域，天然纤维复合材料具有良好的吸声、隔热性能，可以应用于建筑材料制备；在航空航天领域，天然纤维复合材料因其优越的比强度和比刚度，被广泛应用于飞机结构件制备。
总的来说，天然纤维增强聚合物基复合材料作为一种新型的绿色材料，具有广
阔的应用前景和经济效益。
随着技术的不断进步和研究的深入，相信这种材料将在未来得到更广泛的应用，为推动可持续发展和环保产业做出贡献。
复合材料的分类方式
复合材料的分类方式复合材料是由两种或多种不同性质的材料组合而成的材料，具有多种优点，如强度高、刚度大、重量轻、耐磨损、耐腐蚀等。
根据不同的分类标准，可以将复合材料分为多个类别，常见的分类方式有以下几种：1.按增强材料的类型分类：按照增强材料的类型，复合材料可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和片材增强复合材料三类。
-颗粒增强复合材料：是将金属、陶瓷、塑料等颗粒加入到金属基体、陶瓷基体或塑料基体中的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高硬度和高耐磨性能。
-纤维增强复合材料：是将纤维材料（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）加入到金属基体、陶瓷基体或塑料基体中的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高韧性和轻质的优点。
-片材增强复合材料：是将片状增强材料（如钢片、铝片、陶瓷片等）加入到金属基体、陶瓷基体或塑料基体中的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高刚度和高耐磨性能。
2.按增强材料的形状分类：根据增强材料的形状，可以将复合材料分为颗粒复合材料、纤维复合材料和薄膜复合材料三类。
-颗粒复合材料：是将颗粒状的增强材料分散在基体中的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高硬度和高耐磨性能。
-纤维复合材料：是将纤维状的增强材料与基体结合而成的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高韧性和轻质的优点。
-薄膜复合材料：是将薄膜状的增强材料叠加在基体上的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高刚度和高耐磨性能。
3.按基体材料的类型分类：按照基体材料的类型，复合材料可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料三类。
-金属基复合材料：是以金属为基体的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高刚度和高导热性能。
-陶瓷基复合材料：是以陶瓷为基体的复合材料。
这种复合材料通常具有高强度、高硬度和耐磨损的优点。
-聚合物基复合材料：是以聚合物为基体的复合材料。
这种复合材料通常具有高韧性、轻质和耐腐蚀性能。
4.按阶次和结构分类：按照复合材料的结构组成和复合方式，可以将复合材料分为单向复合材料、层状复合材料和异向复合材料三类。
碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展
碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展随着科技的不断进步和人类对材料性能的不断追求，碳纤维增强聚合物基复合材料正在成为重要的研究领域。
这种材料的优越性能得到了广泛认可，它具有轻质、高强、高刚性、抗腐蚀、耐高温等优点，越来越多的领域都在积极研究和应用它。
在本文中，我们将探讨碳纤维增强聚合物基复合材料的研究进展。
1. 碳纤维增强聚合物基复合材料的性能和特点碳纤维增强聚合物基复合材料的最明显特点就是它的轻量化，其密度只有金属的1/4到1/5，但是强度却可以接近或者超过一些金属。
同时，它还具有超强的耐高温性能，能够在高温环境下稳定工作，这在军工、航空等领域具有重要的应用前景。
另外，与传统材料相比，碳纤维增强聚合物基复合材料还具有优异的防腐蚀性能和良好的抗疲劳性能等特点，可以应用在海洋、建筑等领域。
2. 碳纤维增强聚合物基复合材料的制备方法碳纤维增强聚合物基复合材料的制备方法多种多样，其中常用的有手工层叠法、自动层叠法、预浸法和纺丝法等。
手工层叠法是最基础的制备方法，需要手动将碳纤维和树脂搭配层叠，此方法有着简单明了、适用范围广等优点。
自动层叠法是在手工层叠法的基础上进行改进的方法。
它采用机器自动进行层叠，它的优点在于生产效率高，批量生产更为便利。
预浸法是将树脂和碳纤维一起预浸泡，然后在模具中形成复合材料，这种方法制备出来的复合材料质量优良，但价格较高。
纺丝法是将树脂和碳纤维混合，并通过纺织机器将其纺织成所需形状的复合材料，该方法适用于少量高性能需求的制品。
3. 碳纤维增强聚合物基复合材料的应用领域碳纤维增强聚合物基复合材料的应用领域非常广泛，下面我们简单介绍几个：（1）航空航天领域：碳纤维增强聚合物基复合材料本身就具有轻质高强的特点，其中70%以上的航空航天结构部件已经应用了该材料。
（2）汽车工业领域：随着汽车工业向环保、节能、安全的方向发展，碳纤维增强聚合物基复合材料在汽车制造领域也越来越受到重视。
（3）体育用品领域：在体育用品领域，碳纤维增强聚合物基复合材料也有广泛的应用，例如滑雪板、高尔夫球杆等。
聚合物基复合材料的优势
聚合物基复合材料是由聚合物基质与纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）或颗粒填充材料（如硅灰石、陶瓷等）组成的一种新型材料。
它的优势包括：
1. 轻质高强：由于纤维增强材料的加入，聚合物基复合材料具有轻质高强的特点，比传统材料如钢铁、铝等重量轻，但强度却更高。
2. 耐腐蚀：聚合物基复合材料的耐腐蚀性能很好，可以在恶劣环境下长期使用而不受到腐蚀和氧化的影响。
3. 抗疲劳：与金属材料相比，聚合物基复合材料的抗疲劳性能更好，可以在重复载荷下长期使用而不致疲劳断裂。
4. 自润滑：某些聚合物基复合材料中加入适当的固体润滑剂，可以在使用过程中自动释放出润滑剂，从而改善材料的摩擦性能和耐磨性。
5. 高温性能：某些聚合物基复合材料具有很好的高温性能，可以在高温环境下使用而不失效。
6. 成型性好：聚合物基复合材料易于成形，可采用热压、注
塑、挤出等多种加工方式，可以生产出各种形状和尺寸的复合材料制品。
7.热膨胀系数低：与金属相比，聚合物基复合材料的热膨胀系数较低，这意味着它们在温度变化时变形较小。
8.加工成本效益：尽管初始材料成本可能较高，但在生产过程中，聚合物基复合材料通过减少装配步骤、降低废料和能源消耗等方式，可以带来总体成本效益的提高。
9.环保可持续：某些类型的聚合物基复合材料可以使用可再生或回收资源制造，有助于实现可持续发展目标。
10美学效果：一些聚合物基复合材料可以通过染色或表面处理产生美观的效果，使其适合于建筑装饰和其他需要视觉吸引力的应用。
基于这些优势，聚合物基复合材料得到了广泛应用，包括航空航天、汽车、建筑、电子等领域，成为了一种重要的结构材料。
纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强聚合物基复合材料
纤维增强聚合物基复合材料是将纤维材料（如玻璃纤维、碳纤维等）与聚合物基体材料进行复合的一种材料。
纤维材料的加入可以提高聚合物基体的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能。
纤维增强聚合物基复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构、运动器材等领域。
纤维增强聚合物基复合材料的制备通常包括以下步骤：首先将纤维材料进行预处理，如剪断、清洗和表面处理等，以提高纤维与基体材料的黏附性；然后将纤维与聚合物基体材料进行混合，并通过注塑、浸渍等方法将基体材料渗透到纤维间隙中，形成复合材料；最后经过成型、固化和热处理等工艺步骤，使复合材料具有所需的形状和性能。
纤维增强聚合物基复合材料具有重量轻、强度高、刚性好、耐热性好等特点，能够满足复杂工程结构对材料性能的要求。
此外，纤维增强聚合物基复合材料还具有良好的耐化学腐蚀性能和电绝缘性能，能够在恶劣环境下长期稳定使用。
因此，纤维增强聚合物基复材料被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑和电子等领域。
聚合物基复合材料的种类
聚合物基复合材料的种类
聚合物基复合材料的种类有很多，常见的种类包括以下几种：
1. 碳纤维增强复合材料：碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强剂，与树脂等聚合物基体相结合制成的材料。
具有高强度、高模量、低密度等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
2. 玻纤增强复合材料：玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，与聚合物基体相结合制成的材料。
具有良好的绝缘性能、耐腐蚀性能和机械性能，广泛应用于建筑、电子、船舶等领域。
3. 高分子发泡材料：高分子发泡材料是一种以聚合物为基体，通过在其中注入发泡剂生成气泡而形成的轻质材料。
具有低密度、吸震性能好等特点，广泛应用于包装、建筑隔音等领域。
4. 聚合物纳米复合材料：聚合物纳米复合材料是以纳米颗粒作为填充剂，与聚合物基体相结合制成的材料。
具有优异的力学性能、导电性能、热稳定性等特点，广泛应用于电子、光学、医疗等领域。
5. 高分子合金材料：高分子合金材料是将两种或多种不同的聚合物混合共混，形成互相不溶的两相或多相结构的材料。
具有综合性能优良、可调控性好等特点，广泛应用于汽车、电子、家电等领域。
以上所列的聚合物基复合材料种类只是其中的一部分，随着科技的不断发展，新的聚合物基复合材料种类也在不断涌现。
纤维增强复合材料结构的多尺度随机动响应分析
• 37•纤维增强复合材料在结构上具有多尺度特性与空间随机性，其尺度结构、组份材料性能参数均会影响到材料的力学性能。
本文建立了一种基于PCE与Vine Copula方法的多尺度随机力学性能预测方法，能够为CFRP材料的力学性能预测与受力、变形状态评估提供参考价值。
1 材料特性与方法选择1.1 碳纤维复合材料碳纤维复合材料又称为碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP），是一种密度低、比模数大、比强度高的轻质复合材料，具备良好的力学性能，在当前电子产品轻量化趋势下被广泛应用于微型电路芯片、锂电池电极等电子产品的制造生产领域。
CFRP材料因其制备工艺、存储条件、组成相成分等均具有不确定性特征，这种特征反映在材料性质上主要体现为多尺度力学性能的随机性，最终将作用于材料的随机性能，因此本文拟针对CFRP材料的随机力学性能进行测定，并分析影响材料宏观力学性能预测结果的主要因素。
1.2 多尺度分析方法当前国内外学者在针对复合材料随机力学性能预测的研究方面取得了一系列进展：一方面从研究纤维束的尺度入手，现有研究成果主要通过调节纤维的角度、位移等参数，通过改变其约束条件生成所需的材料结构。
例如有学者建立了一种序列随机扰动算法，结合有限元分析方法判断改变纤维的随机分布结构后，纤维束的力学性能将发生哪些变化；有学者采用随机序列展开方法，以介观尺度作为研究切入点，运用图像分析方法与数学统计学方法建立具有随机性RVE结构，并利用仿真软件实现对结构特征的直观分析；有学者针对影响材料结构排列特征的参数进行相关性分析，运用混合高斯随机序列进行算法重构，重新生成符合随机性特征的RVE模型。
另一方面以解析细观力学方法作为切入点，结合计算细观力学存在的计算代价高等缺陷，将解析细观力学方法运用在不确定性预测研究领域，用于提高计算效率。
例如有学者选取复合材料层合板作为研究对象，利用多项式与函数进行材料随机自由振动分析，并运用随机有限元方法进行该材料微观结构的预测；有学者运用Copula函数表示出材料参数对于时复合材料结构、性能的影响，采用摄动法进行材料微观结构的不确定性分析；有学者提出基于PCE 的层级传递方法，针对材料微观结构的分布形态进行分析，进而实现对宏观材料力学性能的预测。
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我国复合材料工业的发展历程
起始于1958年，先军工，后民用。手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工 艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。 1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维－酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962年引进 不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升 机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压 力容器。 1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座雷达罩。自70年代以后玻璃钢复合材 料逐渐转向民用。 到2009年国内玻璃钢产量已达到30万吨，产品2000多种。 从生产工艺来看，尽管引进了不少先进技术设备，但利用率不高，所有制品仍 有80%是手糊成型，仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等设备成型，因此玻璃钢 工业的生产潜力很大。 先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料，主要 是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂，多官能团环氧树脂和BMI，复合材料的性能 稳定，已大量投入应用，相当于T300/PMR－15性能的复合材料已研制成功，一 批高性能的热塑性树脂基复合材料，如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实 用。
固体火箭发动机的壳体
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聚合物基复合材料的发展历程
拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年 代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。
70年代树脂反应注射成型（简称RIM）和增强树脂反应注射成型（简称 RRIM）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大 量用于卫生洁具和汽车的零件生产。
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火箭飞机上用的复合材料
1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并
制成直升飞机的螺旋桨。
60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星
、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技
术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，
玻璃纤维－聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，
使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。
1961年片状模塑料（Sheet
Molding
Compound, 简称SMC）在法国问世，利用这种
技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的
制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制
件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。
1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产
量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材
生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。
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高分子材料专业课程
纤维增强聚合物基复合材料
中原工学院 材料与化工学院
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复合材料按基体材料分类
树脂基
热固性
热塑性
聚合物基复合材料
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复合材料的组成
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飞机上用的复合材料
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飞机上用的复合材料
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飞机上用的复合材料
飞机上用的复合材料
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荷兰计划研 发新型绿色环保 飞机外形将酷似 飞碟,另一个设想 就是使用复合材 料，如纤维增强 塑料。这种复合 材料强度可与金 属媲美，而重量 却比金属轻得多， 因此可以节省燃 油。
1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生 产。
管状构件的工艺除缠绕成型外，80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾 使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆大口径受外压的管道等。
从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。
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聚合物基复合材料的发展历程
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聚合物基复合材料
聚合物基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤 维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是目前技术 比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用 短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体 ，经复合而成。 以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已 形成了产业，在我国俗称玻璃钢。
进入20世纪70年代，人们一方面不断开辟玻纤－树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维 、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性 能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（简称ACM）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合 材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。 自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。 第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机－里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机 仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。 第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作主 货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/ 碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆 在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。 第三件是在波音－767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用 碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引 擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
拉挤成型典型工艺流程为： 玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型——挤
压模塑及固化——牵引——切割——制品
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拉挤成型制品应用
制品包括各种杆棒、平板、空心管及型材，应用领域包括以下几个方面：
1、电气市场 这是拉挤玻璃钢应用最早的个市场，目前成功开发应用的产品有：电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、电机槽 楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯材等。在这个市场中还有许多值得我们进一步开发的产品。 2、化工、防腐市场 化工防腐是拉挤玻璃钢的一大用户，成功应用的有：玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、行走格栅、楼梯扶手 及支架、各种化学腐蚀环境下的结构支架、水处理厂盖板等。 3、消费娱乐市场 这是一个潜力巨大的市场，目前开发应用的有：钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯柱、栏杆、扶手、楼梯、 无线电天线、游艇码头、园林工具及附件。 4、建筑市场 在建筑市场拉挤玻璃钢己渗入传统材料的市场，如：门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间墙板、筋材、装饰材 料等。值得注意的是筋材和装饰材料将有很大的上升空间。 5、道路交通市场 成功应用的有：高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔音壁、冷藏车构件等。
聚合物基复合材料成型工艺
(1)手糊成型 (2)喷射成型 (3)缠绕成型
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(4)挤拉成型 (5)连续成型 (6)袋压成型
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拉挤成型
于1951年首次在美国注册专 利，60年代发展很慢，7080年代进入快速发展阶段。 我国起步则较晚，直到90年 代随着拉挤专用树脂技术的 引进生产才进入快速发展时 期。目前，引进及国产拉挤 生产线已超过200条。我国 发展拉挤与欧美形式相似： 先开发形状简单的棒材，然 后随着化工防腐、电力、采 矿等行业的发展与需求，开 发了型材制品，目前这些技 术已经比较成熟。