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。 纤维：任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时，常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。 芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体，一般不用。 （3）优点 1）因为纤维迳直以合理的线形铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可非常高； 2）由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品； 3）可制造两端封闭的制品； 4）铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低； 5）可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，控制树脂含量； 6）可大理生产和自动化； 7）机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。 （4）缺点 1）制品形状限于圆柱形或其它回转体； 2）纤维不易沿制品长度方向精确排列； 3）对于大型制品，芯模成本高； 4）成品外表不是“模制”的，不尽人意； 5）对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或无内衬，就易发生渗漏。 （5）典型产品 ' 管道、贮罐、气瓶（消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等）、固体火箭发动机壳体。 4、RIM(Reaction Injection Molding一反应注射成型） （1）概要 将两种或两种以上的组分在混合区低压（0.5MPa）混合后，即在低压（0.5-1.5MPa）下注射到闭模中反应成型，此即为工艺过程。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚氨酯 。为增加强度，可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和（或）填料。弈可采用长纤维（如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等）增强，在注射前，将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。这种工艺称为SRIM（Structural Reaction Injection Molding-结构反应注射成型）。 (2)原材料 树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系；亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本； 纤维：常用长0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维； 芯材：不用。 （3）优点 1）制造成本比热塑性塑料注射工艺低； 2）可制造大尺寸、开头复杂的产品； 3）固化快，适于快速生产。 （4）缺点 采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高，荐用矿物复合材料取代之。 （5）主要产品 汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。 5、拉挤成型 （Pultrusion) (1)概要 主要采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。 其它类型的增强有连续原丝毡、织物等，它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料，改进型材料性能（如阻燃），并降低成本。 拉挤成型的程序是 1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；