纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

一、前言

相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。

复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成：

增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。

基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y 按基体材料不同，复合材料可分为三大类：

树脂复合材料

金属基复合材料

无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。

本文讨论环氧树脂基复合材料。

1、为什么采用环氧树脂做基体？

固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；

粘结力强；

有B阶段，有利于生产工艺；

可低压固化，挥发份甚低；

固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。

值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。

2、环氧玻璃钢性能（按ASTM）

以FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。

表1 GF/EPR与钢的性能比较

玻璃含量GF/EPR（玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢

相对密度 2.08 7.86 V

拉伸强度551.6Mpa 331.0MPa

拉伸模量27.58GPa 206.7GPa

伸长率 1.6% 37.0%

弯曲强度689.5MPa

弯曲模量34.48GPa

压缩强度310.3MPa 331.0MPa

悬臂冲击强度2385J/m

燃烧性（UL-94）V-O

比热容535J/kg?k 233J/kg?k

膨胀系数 4.0×10-6k-1 6.7×10-6k-1

热变形温度204oC(1.82MPa)

热导率 1.85W/m?k 33.7W/m?k

介电强度11.8×106V/m

吸水率0.5%(24h)

表2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量

材料名称密度g/cm3 拉伸强度×104MPa 弹性模量×106MPa 比强度×106cm 比模量×109cm

钢7.8 10.10 20.59 0.13 0.27

铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26

钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25

玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21

碳纤维/环氧树脂 1.45 14.71 13.73

碳纤维/环氧树脂 1.6 1049 23.54

芳纶纤维/环氧树脂 1.4 13.73 7.85

硼纤维/环氧树脂 2.1 13.53 20.59

硼纤维/铝 2.65 9.81 19.61 0.75 c2

二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介

1、手糊成型（hand lay up)

（1）概要依次在模具表面上施加

脱模剂

胶衣

一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂（须待胶衣凝结后）

一层纤维增强材料（玻纤、芳纶、碳纤维......），纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布（方格布）等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。

树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。

（2）原材料 F gb NG ^

树脂不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。

纤维玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透，亦可用。

芯材任意。

（3）优点

1）适合少量生产；

2）可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；

3）可制造大型制品和型状复杂产品；

4）树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计；

5）可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；

6）可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面（如开模成型则一面不平滑）；

7）玻纤含量较喷射成型高。

无捻粗纱布50%左右

织物35%-45%

短切原丝毡30%-40%

（4）缺点

1）属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；;

2）玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限制；3）手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。

（5）典型产品

舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。

2、树脂传递成型（RTM）

（1）概要

RTM是一种闭模低压成型的方法。

将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。

树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。

RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过50%）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。

纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助注射（VARI-vacuum saaistedrsin injection)。

注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺。宜用钢模。

（2）原材料

树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。法国Vetrotex公司开发了热塑性树脂RTM。

纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤维间的缝隙得于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材（法国Vetrotex商品名TWINTEX）。

芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC 等。

（3）优点

1）制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；

2）闭模成型，生产环境好；

3）劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；

4）制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高；

5）成型周期较短；

6）产品可大型化；

7）强度可按设计要求具有方向性；

8）可与芯村、嵌件一体成型；

9）相对注射设备与模具成本较低。

（4）缺点

1）不易制作较小产品；

2）因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些；

3）能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。

（5）典型产品

小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳

3、纤维缠绕（FW）

（1）概要

通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴（模）上。纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计，并由芯轴（模）转速与小车往复速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。

对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。

（2）原材料

树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。