第一篇：淺談車用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研究

淺談車用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研究

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車復(fù)合材料用量逐年增加,尤其是制造大型結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料用量增長迅速。歐美等國汽車工業(yè)已成為復(fù)合材料最大用戶。我國的復(fù)合材料發(fā)展還很落后,汽車工業(yè)將面臨新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇,從國外的應(yīng)用發(fā)展歷程來看,樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件必將在我國車用領(lǐng)域得到前所未有的發(fā)展,對樹脂基復(fù)合材料的工業(yè)化制造技術(shù)需求極為迫切,因此牡丹江雙興化工有限公司承擔(dān)了國家863計劃“車用樹脂基復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)件”的研發(fā)和制造技術(shù)。

一、車用復(fù)合材料的優(yōu)點

復(fù)合材料汽車部件,與金屬材料和其他無機材料相比,具有許多得天獨厚的優(yōu)勢,如重量輕、強度高、耐腐蝕、耐瞬間高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透光電磁波等;同時,復(fù)合材料還具有可設(shè)計性、一次性整體成型等工藝特點。復(fù)合材料是一種在中低溫、低壓條件下采用對模制造車用樹脂基復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)件的低成本先進(jìn)制造技術(shù)。

在國家863計劃資助下,針對車用復(fù)合材料的市場需求,雙興公司以復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造技術(shù)為研究對象,進(jìn)行了“車用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造關(guān)鍵技術(shù)”的研究。攻克了復(fù)合材料液體模塑成型工藝的共性關(guān)鍵技術(shù),搭建了高性能低成本復(fù)合材料集成制造系統(tǒng)的技術(shù)平臺;解決了車用復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計、工藝與工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù),并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)。

二、車用復(fù)合材料研究內(nèi)容

解決重型卡車、列車、大型客車、轎車用異型結(jié)構(gòu)件規(guī)模制造技術(shù),實現(xiàn)復(fù)合材料在車用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,符合汽車行業(yè)輕便、高速、安全節(jié)能、舒適、降低環(huán)境污染以及多功能低成本的發(fā)展方向,符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

1.研究目標(biāo)。主要是攻克復(fù)合材料液體模塑成型工藝的共性關(guān)鍵技術(shù),搭建高性能低成本復(fù)合材料集成制造系統(tǒng)的技術(shù)平臺;解決車用復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計、工藝與工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù),形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)。其應(yīng)用目標(biāo)是開發(fā)重型卡車、電動汽車、高速列車、轎車用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件領(lǐng)域并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.技術(shù)特點。是一種在中低溫、低壓條件下采用對模制造車用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的低成本先進(jìn)制造技術(shù)。其基本工藝原理是:反應(yīng)性的熱固性液態(tài)樹脂在較低壓力下注入含有干纖維預(yù)成型體的模腔中,樹脂將模腔中的空氣排出,同時浸潤纖維。模腔充滿后,注射過程結(jié)束,樹脂開始固化,樹脂固化達(dá)到一定強度后開模,取出制品。

3.其技術(shù)創(chuàng)新點:

(1)工藝類型和設(shè)備變化靈活,總體投資較低,制品產(chǎn)量在1 000~20 000件時,即可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)可設(shè)計性強,能實現(xiàn)局部增強、夾芯結(jié)構(gòu),設(shè)計增強材料的類型、鋪層結(jié)構(gòu);可實現(xiàn)多種零部件一體化,降低制造成本,縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。

(3)制造具有良好表面質(zhì)量、高尺寸精度的復(fù)雜構(gòu)件,在大型構(gòu)件的制造方面優(yōu)勢更為明顯。

(4)模操作工藝,工作環(huán)境清潔,成型過程苯乙烯排放量小,有利于環(huán)保。

(5)壓模注射,可采用復(fù)合材料模具(包括環(huán)氧模具、復(fù)合材料表面鑄鎳模具等),鋁模具等,模具設(shè)計自由度高,模具成本較低。

4.工藝流程

生產(chǎn)工藝流程如下圖所示:

5.主要技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)符合重汽汽車零件檢測標(biāo)準(zhǔn)QZZ11154-1996要求,典型構(gòu)件技術(shù)指標(biāo)如下:

三、主要原材料

樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體,以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂的特點是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機械強度,廣泛應(yīng)用于化工、機械、汽車、電子、水利、交通、家電和宇航等各個領(lǐng)域。

四、應(yīng)用和推廣

雙興公司在主要原材料國產(chǎn)化、制造工藝技術(shù)等共性和關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得了突破性進(jìn)展,還進(jìn)行了制品表面涂裝技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的研究探素,實現(xiàn)了部件的批量化生產(chǎn),在車用樹脂基復(fù)合材料工藝研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。解決車用大型復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計、工藝與工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù),形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù),其應(yīng)用目標(biāo)是開發(fā)重型卡車、大型客車、高速列車用樹脂基復(fù)合材料大型構(gòu)件。

采用樹脂基多合材料大型結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)成果的應(yīng)用和推廣,提升了企業(yè)在低溫低壓,對模具制造工藝技術(shù)的研究層次,拓寬了企業(yè)在樹脂基多合材料技術(shù)應(yīng)用的視野,結(jié)合水轉(zhuǎn)印披覆膜產(chǎn)品技術(shù),日前采用樹脂基復(fù)合材料技術(shù)已成功應(yīng)用于哈飛賽豹、一汽解放、奇瑞旗云、山東重汽的部分構(gòu)件上,公司已在中小型汽車件(如儀表盤、裝飾件、方向盤等)和其他領(lǐng)域逐步推廣應(yīng)用。

(編輯/劉佳)

第二篇：樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

摘要：

樹脂基復(fù)合材料具有良好的成型工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導(dǎo)率等特點，廣泛應(yīng)用于各種武器裝備，在軍事工業(yè)中，對促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。由于與許多材料相比具有獨特的性能，樹脂基復(fù)合材料在航空航天、汽車、電子、電器、醫(yī)藥、建材等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。目前，隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料正憑借它本身固有的輕質(zhì)高強、成型方便、不易腐蝕、質(zhì)感美觀等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。關(guān)鍵字：樹脂基復(fù)合材料，材料性能，應(yīng)用領(lǐng)域

一、前言

復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極其重要的地位，以至于人們把一個國家和地區(qū)的復(fù)合材料工業(yè)水平看成衡量其科技與經(jīng)濟(jì)實力的標(biāo)志之一[1]。樹脂基復(fù)合材料是以纖維為增強劑、以樹脂為基體的復(fù)合材料，所用的纖維有碳纖維、芳綸纖維、超高模量聚乙烯纖維等，所采用的基體主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等有機材料。其中熱固性樹脂是以不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等為主；熱塑性樹脂是指具有線型或分枝型結(jié)構(gòu)的有機高分子化合物。

樹脂基復(fù)合材料的特點：各向異性（短切纖維復(fù)合材料等顯各向同性）；不均質(zhì)或結(jié)構(gòu)組織質(zhì)地的不連續(xù)性；呈粘彈性；纖維體積含量不同，材料的物理性能差異；影響質(zhì)量因素多，材料性能多呈分散性。樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)點如下：(1)密度小，約為鋼的1／5，鋁合金的1／2，且比強度和比模量高。這類材料既可制作結(jié)構(gòu)件，又可用于功能件及結(jié)構(gòu)功能件。(2)抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強度的20～50％，CF增強樹脂基復(fù)合材料的疲勞極限是其拉伸強度的70～80％；（3）減震性好；(4）過載安全性好；（5）具有多種功能，如：耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能、有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能等；（6）成型工藝簡單；（7）材料結(jié)構(gòu)、性能具有可設(shè)計性。

以樹脂基復(fù)合材料為代表的現(xiàn)代復(fù)合材料隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。眾所周知，樹脂基復(fù)合材料首先應(yīng)用于航空航天等國防工業(yè)領(lǐng)域[2-3]，而后向民用飛機發(fā)展。隨著社會的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料在人類物質(zhì)生活中的需求量越來越大，并逐漸成為主要應(yīng)用領(lǐng)域，且研究投入越來越大。樹脂基復(fù)合材料除在航空航天、國防科技領(lǐng)域應(yīng)用外，其他行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。

二、綜述樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

目前常用的樹脂基復(fù)合材料有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型，在加工過程中發(fā)生固化，形成不熔和不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)型高分子化合物，因此不能再生。隨著復(fù)合材料工業(yè)的迅速發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能和特點將應(yīng)用于各個領(lǐng)域。以下將簡介樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。

2.1熱固性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料的樹脂基體，目前以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰(zhàn)斗機、轟炸機上就開始采用玻璃纖維增強塑料作雷達(dá)罩。60年代美國在F-

4、F-11等軍用飛機上采用了硼纖維增強環(huán)氧樹脂作方向舵、水平安定面、機翼后緣、舵門等。在導(dǎo)彈制造方面，50年代后期美國中程潛地導(dǎo)彈“北極星A-2”第二級固體火箭發(fā)動機殼體上就采用了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂的纏繞制件，較鋼質(zhì)殼體輕27％；后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A-3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50％，從而使“北極星A-3”導(dǎo)彈的射程由2700千米

增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，強度又大幅度提高，而重量減輕[4-6]。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

例如樹脂基復(fù)合材料在彈體上的應(yīng)用[7]。彈體是用于構(gòu)成導(dǎo)彈外形 連接和安裝彈上各部分系統(tǒng)且能承受各種載荷的整體結(jié)構(gòu)。采用樹脂基復(fù)合材料做彈體的主要目的是為了最大限度的減輕導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、簡化生產(chǎn)工藝、降低成本。進(jìn)一步提高導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)性能更重要的是，采用樹脂基復(fù)合材料技術(shù)有利于整體成形有復(fù)雜形狀、光滑表面和氣動外形流暢的彈體，可以形成金屬殼體難飛航導(dǎo)彈，以達(dá)到的隱身性能。目前，國外巡航導(dǎo)彈在設(shè)計研制時，都特別重視大量采用樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

2.2熱塑性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用

近年來，由于熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有韌性好，疲勞強度高，耐濕熱性好，預(yù)浸料可以長期存放，可以重復(fù)成形，環(huán)境污染少等優(yōu)點，使其在航空航天、汽車、電器、電子、建材、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。隨著PPO、PEEK、PPS、PSF等高性能熱塑性樹脂的開發(fā)得到快速發(fā)展，使得熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛，其中在汽車行業(yè)中的應(yīng)用最為突出[8]。當(dāng)前，世界汽車材料技術(shù)發(fā)展的主要方向是輕量化和環(huán)?；?。減輕汽車自重是降低汽車排放，提高燃燒效率的最有效措施之一，汽車的自重每減少10%，燃油消耗可降低6%~8%。為此，增加熱塑性復(fù)合材料在汽車中的使用量，便成為降低整車成本及其自重，增加汽車有效載荷的關(guān)鍵。

由于熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有比強度和比剛度高，斷裂韌性、疲勞強度、耐熱、耐腐蝕等性能好，以及可重復(fù)成型等優(yōu)點，在飛機上也得到一定應(yīng)用[9-10]。在航空工業(yè)中，樹脂基復(fù)合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發(fā)動機外涵道；在航天領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料不僅是方向舵、雷達(dá)、進(jìn)氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復(fù)合材料具有耐濕性強、微波介電性能佳、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛用于制作宇航結(jié)構(gòu)件、飛機的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達(dá)天線罩。美國F-22飛機熱塑性復(fù)合材料使用量大于1%，其它民用飛機上熱塑性復(fù)合材料的使用量則更多。

由于熱塑性復(fù)合材料具有獨特的優(yōu)點，使其在軍事領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。主要有槍用材料、彈用材料、以及地面車輛、火炮、艦船等部分零部件用材料。另外，熱塑性復(fù)合材料在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。在建筑行業(yè)，產(chǎn)品有管件閥門、管道、百葉窗等部件；在機械工業(yè)方面，產(chǎn)品有水泵葉輪、軸承、滾輪、電機風(fēng)扇、發(fā)動機冷卻風(fēng)扇空氣濾清器、音響零件等；在油田領(lǐng)域，近年來，熱塑性復(fù)合材料在油田中應(yīng)用也越來越廣泛，其中用于扶正器的玻纖增強PA材料年消耗量近萬噸[11-13]。另外，樹脂基復(fù)合材料在電子、能源、生物醫(yī)學(xué)、體育運動器材、船舶制造等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

三、展望

樹脂基復(fù)合材料良好的發(fā)展和應(yīng)用前景決定了人們將繼續(xù)重視發(fā)展樹脂基復(fù)合材料的研究與開發(fā)。樹脂基體的發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高耐熱和耐濕熱性，以滿足戰(zhàn)機導(dǎo)彈超聲速巡航及未來用材需求，目標(biāo)是在可成型大型復(fù)雜構(gòu)件的前提下，基體的濕態(tài)耐熱進(jìn)一步提高。在開發(fā)高性能增強纖維，如納米材料的同時，主要通過基體增韌，繼續(xù)提高復(fù)合材料的抗沖擊韌性。

樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用向著高性能化方向發(fā)展，旨在追求高的減重效率。重視制造技術(shù)研究、生產(chǎn)改造和綜合配套。開發(fā)材料設(shè)計及制備過程的計算機模擬軟件，對產(chǎn)品設(shè)計和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品的先進(jìn)性、可靠性，并最大限度的降低成本[14]。制約復(fù)合材料擴大應(yīng)用，特別是在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙仍是成本太高，因此降低成本是當(dāng)務(wù)之急。復(fù)合材料的發(fā)展應(yīng)以市場為導(dǎo)向，加大創(chuàng)新力度，加強基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用性研究，努力降低

原材料成本，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域；要通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，立足自主開發(fā)，同時積極引進(jìn)技術(shù)和資金，在科技攻關(guān)、項目建設(shè)、裝置規(guī)模上要力求與國際接軌，以推動我國復(fù)合材料工業(yè)全面、快速、健康地發(fā)展。

隨著飛行器向高空高速無人化智能化低成本化方向發(fā)展樹脂基復(fù)合材料的地位會越來越重要。國外預(yù)計在下一代飛機上復(fù)合材料將扮演主角[15]。樹脂基復(fù)合材料對于導(dǎo)彈、戰(zhàn)機屏蔽或衰減雷達(dá)波或紅外特征，提高自身生存和空防能力，具有至關(guān)重要的作用;在實現(xiàn)戰(zhàn)機、導(dǎo)彈輕量化、快速反應(yīng)能力、精確打擊等方面起著巨大作用，其用量已成為戰(zhàn)機 導(dǎo)彈先進(jìn)性的一個重要標(biāo)志。樹脂基復(fù)合材料技術(shù)不斷發(fā)展更新其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展并在能源電子汽車建筑橋梁環(huán)境和船舶等領(lǐng)域扮演著越發(fā)重要的角色。高性能樹脂基體及其改性是我門樹脂行業(yè)的責(zé)任和義務(wù)，應(yīng)該努力做好這方面的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

隨著樹脂基復(fù)合材料的性能進(jìn)一步提高，使用經(jīng)驗進(jìn)一步積累,低成本技術(shù)的發(fā)展，高效新結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及應(yīng)用效能的提高，未來樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊酶訌V泛。

四、參考文獻(xiàn)

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第三篇：樹脂基復(fù)合材料有關(guān)

高性能復(fù)合材料的樹脂基體的研究進(jìn)展

班級：材碩114 學(xué)號：030110604 姓名：周堅

摘要：本文簡要回顧了高性能復(fù)合材料的發(fā)展歷史。其中簡要的介紹了復(fù)合材料的一個發(fā)展的歷史，從古代開始一直介紹到近代。隨后重點介紹了聚合物基復(fù)合材料。重點是對高性能樹脂基的復(fù)合材料的基體進(jìn)行了介紹，主要是環(huán)氧樹脂基體、聚酰亞胺基體和雙馬來酰胺基體的復(fù)合材料進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞:高性能復(fù)合材料、環(huán)氧樹脂基體、聚酰亞胺基體、雙馬來酰胺基體

1、前言

材料、能源、信息是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，各種性能優(yōu)良的新材料不斷地的出現(xiàn)，并廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域。然而，科學(xué)急速的進(jìn)步是對材料的性能也提出了更高的要求，如減輕重量、提高強度、降低成本等。這些都是需要在原有傳統(tǒng)材料上進(jìn)行改進(jìn)。復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展涌現(xiàn)出的具有極大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不用的材料組合而成，通過各種工藝手段組合而成。復(fù)合材料的各個組成材料在性能上期協(xié)同作用，得到單一材料所沒有的優(yōu)越的綜合性能，它已成當(dāng)代一種新型的工程材料[1]。

復(fù)合材料并不是人類發(fā)明的一種新材料，在自然界中，有許多天然復(fù)合材料，如竹、木、椰殼、甲殼、皮膚等。以竹為例，它是具有許多直徑不同的管狀纖維分散于基體中多形成的材料，纖維的直徑與排列密度由表皮到內(nèi)層是不同的，表皮纖維的直徑小而排列緊密，以利于增加它的彎能力，但內(nèi)層的纖維粗而排列疏可以改善它的韌性，所以這種復(fù)合結(jié)構(gòu)很合理，打掃最優(yōu)的強韌組合。

人類在6000萬年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復(fù)

合材料，這種泥土混麥秸、稻草制土坯砌墻蓋房子的方法目前在有些貧窮的農(nóng)村仍然沿用著，但這種復(fù)合材料畢竟是最原始的和古老的，是傳統(tǒng)的復(fù)合材料。現(xiàn)在建筑行業(yè)已發(fā)展到用鋼絲或鋼筋強化混凝土復(fù)合材料蓋高樓大廈，用玻璃纖維增強水泥制造外墻體。新開發(fā)的聚合物混凝土材料克服了水泥混凝土所存在的脆性大、易開裂及耐腐蝕性差的缺點。5000年前，中東地區(qū)出現(xiàn)過用蘆葦增強瀝青造船。1942年玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料的出現(xiàn)，使造船業(yè)前進(jìn)了一大步，現(xiàn)在造船業(yè)采用玻璃鋼制造船體，尤其賽艇等變速艇等，不僅減輕了船艇的質(zhì)量，而且可防止微生物的吸附。越王勾踐是古老金屬基復(fù)合材料的代表，它是金屬包層復(fù)合材料制品，不僅光亮鋒利，且韌性和耐腐蝕性優(yōu)異。埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土?xí)r依然寒光奪目、鋒利無比。

隨著新型增強體的不斷出現(xiàn)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了新進(jìn)復(fù)合材料，先

進(jìn)復(fù)合材料是比原有通用復(fù)合材料具有更高性能的復(fù)合材料，包括各種高性能增

強劑和耐高溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構(gòu)成的高性能復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的比強度高、比模量大、熱膨脹系數(shù)小,而且它還有耐化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊和耐燒蝕等特點,用它作為結(jié)構(gòu)材料可以提高宇宙飛船、人造衛(wèi)星和導(dǎo)彈等的有效載荷、增加航程或射程乃至改善這些裝備本身的固有技術(shù)性能。21世紀(jì)我們面臨的是復(fù)合材料迅猛發(fā)展和更廣泛應(yīng)用的時代。

2、聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展歷史

聚合物基復(fù)合材料是目前結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣、規(guī)模最大的一類?，F(xiàn)代復(fù)合材料以1942年玻璃鋼的出現(xiàn)為標(biāo)志[2]，1946年出現(xiàn)玻璃纖維增強尼龍，以后相繼出現(xiàn)其他的玻璃鋼品種。然而，玻璃纖維的模量低，無法滿足航空、宇航等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊螅蚨?，人們掙努力尋找新的模量纖維。1964年，硼纖維研制成功，其模量達(dá)400GPa，強度達(dá)3.45GPa。硼纖維增強塑料（BFRP）立即被用于軍用飛機的次承力構(gòu)件，如F-14的水平穩(wěn)定舵。垂尾等。但由于硼纖維價格價格昂貴、工藝性差，其應(yīng)用規(guī)模受到限制，隨著碳纖維的出現(xiàn)和發(fā)展，硼纖維的成產(chǎn)和使用逐漸減少，1965年，碳纖維在美國一誕生，就顯示出強大的生命力。1966年，碳纖維的拉伸強度和模量還分別只有1100MPa和140GPa,其比強度和比模量還不如硼纖維和鈹纖維。而到1970年，碳纖維的拉伸強度和模量就分別達(dá)到2.76GPa和345GPa。從而碳纖維增強纖維得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。碳纖維及其復(fù)合材料性能不斷提高。

1972年，美國杜邦公司又研制了高強、高模的有機纖維-聚芳酰胺纖維 [3]（Kevlar），其強度和模量分別達(dá)到3.4GPa和130GPa,使PMC的發(fā)展和應(yīng)用更為迅速。美國空軍材料研究室（AFML）和國家航空航天局(NASA)的定義，以碳纖維、硼纖維、Kevlar纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等增強的聚合物復(fù)合材料為先進(jìn)復(fù)合材料，比模量大于40GPa/(g/cm3),因而，從60年代中期到80年代初，是先進(jìn)復(fù)合材料的日益成熟和發(fā)展階段。作為結(jié)構(gòu)材料，ACM在許多領(lǐng)域或得應(yīng)用。同時，金屬基復(fù)合材料也在這一時期發(fā)展起來，如硼纖維、碳化硅纖維增強的鋁基、鎂基復(fù)合材料。80年代后，聚合物基復(fù)合材料的工藝、理論逐漸完善。ACM在航空航天、船舶、汽車、建筑、文體用品等各個領(lǐng)域都得到全面應(yīng)用。同時，先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料（ACTP）以1982年英國ICI公司推出的APC-2為標(biāo)志 [4]，向傳統(tǒng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料提出強烈的挑戰(zhàn)。同時，金屬基、陶瓷基復(fù) 合材料的研究和應(yīng)用也有較大發(fā)展。

3、高性能復(fù)合材料用的樹脂基體

基體樹脂的主要功能是傳遞增強材料所承受的負(fù)荷，使之分布均勻并保護(hù)增強材料免受損傷和環(huán)境中濕氣、氧氣和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。而復(fù)合材的耐熱性、剪切和壓縮強度、橫向拉伸強度、蠕變性和流動性等也取決于基體樹脂。因此，通常希望選用耐溫性、強度和模量高、韌性和耐濕性好、與增強材料有良好的粘附性或浸潤性而又易于加工的樹脂。由于熱固性樹脂的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使它具有優(yōu)異的耐溫性和機械強度，而且當(dāng)它作復(fù)合材料基體時，開始時以未交聯(lián)固化的低分子量和低粘度的狀態(tài)出現(xiàn)，便于成型加工，因此多年來用它做高性能復(fù)合材料的基體樹脂一直占絕對優(yōu)勢，代表的品種有耐熱的環(huán)氧樹脂，聚酰亞胺及雙馬來酰亞胺樹脂。3.1環(huán)氧樹脂基高性能復(fù)合材料

3.1.1、環(huán)氧樹脂的性能和基體樹脂的作用

作為高性能復(fù)合材料基體樹脂可以是熱固性的，也可以是熱塑性的，迄今為止，用量最多，應(yīng)用面最廣的要算是環(huán)氧樹脂，這是因為它具備以下幾個特點：(1)在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，除有活性環(huán)氧外，還有羥基和醚基，致使粘結(jié)力強。(2)在固化方面面，其固化收縮率?。?2%）,無揮發(fā)物逸放，孔隙率低；固化后生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不溶不熔，化學(xué)穩(wěn)定性高，耐蝕性強

(3)在力學(xué)性能方面，環(huán)氧樹脂有較高的強度和模量，并有較長的伸長。這些優(yōu)異性能是制取高性能復(fù)合材料的前提之一。

(4)在物性方面，它那熱耐冷，可用在-50—180℃之間；熱膨脹率系數(shù)在Tg以下是為39×10-6/℃，以上時為100×10-6/℃；熱導(dǎo)率約為500×10-6Kal/cm·s·℃；在室溫下的防潮防滲性好，絕緣性高。

(5)工藝性好，適應(yīng)性強。環(huán)氧樹脂不僅本身品種多，可以按比例相互摻混以調(diào)節(jié)其粘度和性能，而且可以在數(shù)十種固化劑中選擇組合，以滿足不同操作工序和不同用途的要求。同時，還可以選配稀釋劑、改性劑和增韌劑等。此外，其貯存時間長，穩(wěn)定性高，適應(yīng)性強。

基體樹脂的作用：

（1）賦予高性能復(fù)合材料的成型性和整體性

（2）提供連續(xù)的基體相，以使增強纖維均勻分布期中。換言之，基體必須把增

強纖維均勻地分開成為分散相，以使其在受到反抗性或彎曲等外來作用是，不會失去增強作用。

（3）當(dāng)復(fù)合材料承受抗拉負(fù)荷時，基體能使其均勻地分布，并通過界面剪切有 效地載荷傳遞給增強纖維，充分發(fā)揮高強度和高模量的特性。3.1.2、環(huán)氧樹脂的種類

（1）標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂 雙酚A型環(huán)氧樹脂亦稱標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂，屬于DGEBA，它

是通用的樹脂[5]。國外的牌號很多。其特點是分子量低，粘度低。主要缺點是耐性差。（2）環(huán)氧酚醛樹脂 其特點是活性環(huán)氧基在兩個以上，交聯(lián)密度大，耐熱性比

較高，例如Dow公司的DEN-438，汽巴的EPN1138和ECN1299；國內(nèi)主要有F-46。后者是目前用于FRP的主要基體樹脂，主要缺點是由一定的脆性。

（3）酯環(huán)環(huán)氧樹脂 美國UCC公司開發(fā)了多種牌號的這類樹脂，它具有很好的 綜合和平衡的力學(xué)性能，并且有優(yōu)良的加工型、耐候性。

（4）多官能度環(huán)氧樹脂 這種類型樹脂的環(huán)氧基在3個以上，環(huán)氧當(dāng)量高，交 聯(lián)密度大，耐熱性得到顯著提高，主要缺點是具有一定的脆性，仍需要改性研究。3.1.3、高性能復(fù)合材料用環(huán)氧樹脂基體的發(fā)展。

FRP的成型方法很多，主要有疊層加壓、拉擠和纏繞等。為適應(yīng)各種成型方 法工藝條件的要求，相應(yīng)地開發(fā)各種專用型環(huán)氧樹脂，有使用價值

（1）拉擠成型法 用于拉擠成型的基體樹脂不僅要求粘度低，而且希望固

化快。一般環(huán)氧樹脂，需膠化、玻璃化和最后固化為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，需發(fā)展快速固化環(huán)氧樹脂。殼牌公司發(fā)展了兩種適用于拉擠成型的環(huán)氧樹脂體系，Epon9102/Epon固化劑CA9150和9302/CA9350。9102和9302都屬于雙酚A/環(huán)氧氯丙烷系環(huán)氧樹脂，而固化劑CA9350為液態(tài)雜環(huán)胺。這兩種新型環(huán)氧環(huán)氧樹脂體系既保留了環(huán)氧樹脂的耐熱性和化學(xué)性，又具有類似聚酯的快速膠化速，滿足課拉擠工藝條件的要求。（2）纏繞成型 纏繞成型對所用樹脂體系有三點要求：①粘度低；②成型

時固化溫度低；③貯存時間長，特別是對纏繞大型構(gòu)件。一般環(huán)氧樹脂的粘度較高，需加入反應(yīng)性的稀釋劑來調(diào)節(jié)，固化劑也需加入低粘度的酸酐，但是，加入稀釋劑會導(dǎo)致耐熱性下降，加入酸酐又會增加吸濕性，致使性能下降。

（3）無維布 無維布市重要的中間產(chǎn)品，各大碳纖維生產(chǎn)廠都有產(chǎn)品銷售。為了制取高性能無維布，各公司發(fā)展了許多專用環(huán)氧樹脂。由于商業(yè)保密，詳情較少透露只有商品牌號和零散資料報道。

3.2、聚酰亞胺基高性能復(fù)合材料 3.2.1、聚酰亞胺的發(fā)展歷史 六十年代以來,杜邦公司在開發(fā)PI方面對了大量工作[6]。1962年開發(fā)了成型材料Vespel；1965年有耐熱薄膜Kapton；1968年湯普森拉英伍爾德里奇公司采用加成法制成聚酰亞胺P13N；1972年開發(fā)了NB-150；1973年法國的

Rhone-Ponlene公司開發(fā)了雙馬來酐亞胺系的PI；1975年第二代NB-150B2問世，迄今為止，Kapton薄膜在耐熱薄膜方面仍多占鰲頭，而NB-150和NB-150B2則是高性能復(fù)合材料的基體材料。對于聚酰亞胺，在開發(fā)的過程中主要圍繞其成型上做了大量工作。影響成型主要的三個因素：①極為有害的縮合水；②使用高沸點溶劑；③預(yù)聚物的熔點高。加成固化A型的開發(fā)，克服了確定①；現(xiàn)場聚合型PMR的研制成功，克服了缺點②；熱熔型LARC-160的問世，克服了缺點③。這就是使PI出具實用化的條件。3.2.2、用作高性能復(fù)合材料基體的聚酰亞胺

1976年，在NASA制定的“高性能空間運輸系統(tǒng)復(fù)合材料”的研究大綱里，要開發(fā)耐熱316℃的高性能復(fù)合材料。經(jīng)過蘭利和合同單位的共同努力，從14種PI中評選出4中作為高性能復(fù)合材料的基體，即NB-150B2、PMR-

15、LARC-160和Thermid6000；從5中PI粘結(jié)劑中篩選出3種，即FM-

34、LARC-

13、和RTV560-SQX；從5中碳纖維中篩選出2種，即Celion和AS4(HTS)[7]。（1）NB-150B2 NB-150B2杜邦生產(chǎn)的熱塑性PI。NB-150B2用的是苯胺混合

物，其剛性比NB-150A2所有的二胺基二苯醚強，因此NB-150B2的Tg(350-371℃)比NB-150A2（280-300℃）高。如果采用其他胺類，Tg可調(diào)節(jié)在229-365℃之間。因為苯環(huán)之間引入—O—、—S—、—CH2—等，使主鏈的柔性增加，剛性下降，致使Tg降低。換言之，在PI的主鏈中，六元苯環(huán)和五元亞胺雜環(huán)都是熱穩(wěn)定性高的剛性環(huán)，Tg主要受芳族二胺結(jié)構(gòu)的影響。這是分子設(shè)計的依據(jù)。

（2）PMR-15 劉易斯研究中心研制出得PMR-15都屬于現(xiàn)場聚合的A型PI。

所謂現(xiàn)場聚合成型是指三元體系的脂肪醇溶液，在室溫下不反應(yīng)，在加熱條件下才形成低聚物，最后在高溫高壓條件下加成固化為交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

（3）LARC-160 LARC-160是蘭利研究中心開發(fā)的熱熔型PI。它是PMR-15 的改進(jìn)型，主要區(qū)別采用了多價液狀胺的低聚物。其特點是在室溫下為單體溶液，浸漬性好，成型性能得到顯著改善。它的強度為10Kg/mm2,模量為3.5×102Kg/mm2,比重約為1.40g/cm2。

（4）Thermid6000 Thermid6000的端基是具有三鍵的乙炔基，在加成固化中

進(jìn)行三聚環(huán)化，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的耐熱性。它的分子量小于2000。當(dāng)加熱到220℃時，因固化而放熱，最終熱處理溫度是371℃，使用溫度為350℃。在固化成型過程中沒有揮發(fā)物釋放，制品空隙率低，質(zhì)量高。主要缺點是成型性欠佳和價高。3.2.3、聚酰亞胺及其復(fù)合材料的應(yīng)用 各種航天航空飛行器和導(dǎo)彈武器，由于飛行條件的不同。飛行時間有很大的差異。GrF/PI準(zhǔn)備用于軌道飛行器的垂直尾翼，升降副翼和后機身襟翼等。這主要時利用它的耐熱性和減重效果。例如，大型試驗件后機身襟翼的尺寸為6.4×2.1cm，其總重量比鋁合金件輕160Kg，減重27%[8]。此外，它還用于：

①高性能軍用飛機YF-12，飛行速度在3馬赫以上。NASA的蘭利研究中心用HTSI/ PMR-15制成了該飛機的翼板，比鈦合金件減重51%。凱芙拉纖維增強聚酰亞胺復(fù)合材料的耐高溫性能也比較好，可用來制造DC-9型運輸機的整流罩，可降低機身阻力和節(jié)省燃油。

②航空導(dǎo)彈的彈頭也采用了GrF/PI復(fù)合材料。

③GrF/PI可用來制造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件，減重17-30%。如制造耐激光和耐高溫的結(jié)構(gòu)件。3.3雙馬來酰亞胺基復(fù)合材料 3.3.1雙馬來酰胺基復(fù)合材料的發(fā)展

高性能復(fù)合材料廣泛的使用環(huán)氧樹脂作為基體，主要是因為其成型工藝好。環(huán)氧樹脂存在的主要缺點是耐濕熱性差，如廣泛使用的5208環(huán)氧體系在干態(tài)下可耐到177℃。而濕態(tài)只能耐到121℃；其次是用作主受力結(jié)構(gòu)件還略顯脆性，5208環(huán)氧基體的斷裂延伸率為1.7%，但目前一出現(xiàn)斷裂延伸率大于2%的碳纖維，人們對于雙馬來酰胺的興趣在于[9]，經(jīng)過改性的雙馬來酰胺基體的耐濕熱性與韌性均優(yōu)于5208體系，同時具有類似環(huán)氧樹脂的良好加工性能，能滿足熱壓罐成型。

馬來均聚物本身脆性大，用來制備復(fù)合材料的工藝性差。需使用高沸點的極性溶劑，制備的預(yù)浸料僵硬，無結(jié)性，鋪覆性不好，成型溫度高。因此，今年來圍繞著提高韌性以及工藝性能對雙馬樹脂進(jìn)行改性研究。

人們早就在40年代就合成出雙馬樹脂基體，到了70年代，為了解決環(huán)氧樹脂的耐濕熱性差的問題，才開始將雙馬樹脂用作高性能復(fù)合材料基體，目前已商品化的雙馬樹脂預(yù)浸料牌號有10余鐘，作為高性能復(fù)合材料的基體，國內(nèi)一些單位也有研究，為了進(jìn)一步推動雙馬樹脂的發(fā)展與應(yīng)用，特別對高性能復(fù)合材料用雙馬基體進(jìn)行總結(jié)[10]。3.3.2雙馬來酰胺樹脂的改性 內(nèi)擴鏈法增韌

雙馬來酰胺樹脂未改性的BMI因2端的馬來酰亞胺(MI)間鏈節(jié)短,導(dǎo)致分子鏈剛性大,固化物交聯(lián)密度高。為使固化物具有柔韌性,人們設(shè)法將MI間的2R2鏈延長,并增大鏈的自旋性和柔韌性, 減少單位體積中反應(yīng)基團(tuán)的數(shù)目,降低交聯(lián)密度, 從而達(dá)到改性目的。朱玉瓏等研究發(fā)現(xiàn),醚鍵的引入有望改善下一步所制備耐高溫絕緣材料的沖擊韌性。Jiang Bi biao等[11]研制了較普通BMI固化溫度低的含氨酯基團(tuán)的新型雙馬來酰亞胺低聚體,用其增韌后的BMI樹脂溶解性和貯存穩(wěn)定性良好, 玻璃布復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。Haoyu Tang[12]等制備了含1,3,42氧二氮唑的耐高溫BMI, 樹脂的玻璃化溫度高(Tg>350e),熱穩(wěn)定性良好, 在空氣中初始分解溫度大于460e,其玻璃布復(fù)合材料在高溫(400e)下仍具有較高的彎曲模量(>1.6GPa)。橡膠共混增韌改性

在BMI樹脂中添加少量帶活性端基的橡膠有利于大大提高體系的抗沖擊性能。目前普遍接受的增韌機理是銀紋剪切帶理論。即橡膠顆粒充作應(yīng)力集中中心從而誘發(fā)了大量的銀紋和剪切帶,這一過程要消耗大量能量,因而能顯著提高材料的沖擊強度,達(dá)到增韌目的。用液體橡膠增韌BMI樹脂可以使BMI韌性大幅度提高,目前應(yīng)用較多的是端羧基丁腈橡膠。此方法同時也會降低耐熱性,因此這類橡膠增韌的BMI樹脂多用作韌性塑料和膠粘劑基體,用作先進(jìn)復(fù)合材料基體的則很少, 且其價格較貴, 應(yīng)盡可能地降低成本以利推廣。胺類擴鏈增韌改性

BMI分子結(jié)構(gòu)的C=C雙鍵由于受到2個鄰位羰基的吸電子作用而成為貧電子鍵,即一個親電子的共軛體系,易與氨基等親核基團(tuán)發(fā)生Michael加成反應(yīng),芳香族二胺改性的BMI體系具有良好的耐熱性和力學(xué)性能,但仍然存在工藝性欠佳、韌性不足、粘接性差等問題。為此在體系中引入環(huán)氧樹脂,使其與芳香族二胺改性的BMI體系反應(yīng),形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),環(huán)氧樹脂還能克服由仲胺基(-NH-)引起的熱穩(wěn)定性降低的缺點。王洪波等[13]通過BMI與二元胺、環(huán)氧樹脂反應(yīng)制備了改性BMI。研究表明,二元胺增韌后的BMI和環(huán)氧樹脂能交聯(lián)固化, 并且固化溫度越高, 固化程度越完全,交聯(lián)密度越大；改性BMI的熱分解溫度降低,柔韌性增加,有利于BMI在電器絕緣材料和膠粘劑等領(lǐng)域的應(yīng)用。高性能熱塑性樹脂增韌改性

利用某些高性能熱塑性樹脂耐熱性較好的特點, 可在一定程度上克服用橡膠增韌BMI后耐熱性降低較多的缺點,因此通過與熱塑性樹脂共混增韌BMI的研究受到了重視。其改性途徑主要有兩種形式。

一種是熱塑性樹脂作為第二相增韌。該樹脂的剛性與基體樹脂接近,有較強的韌性和較高的斷裂伸長率,當(dāng)?shù)诙嗟捏w積分?jǐn)?shù)適當(dāng),就可以發(fā)生裂紋釘錨增韌作用,即在材料受力的情況下,第二相可誘發(fā)基體樹脂產(chǎn)生銀紋,同時由于本身的熱塑性形變能有效地抑制裂紋擴展, 吸收較多能量, 起到增韌作用。另一種是用熱塑性樹脂連續(xù)貫穿于BMI樹脂網(wǎng)絡(luò),形成半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物(S-IPN),進(jìn)行增韌改性。體系中的熱塑性樹脂與BMI相互貫穿,兩相之間分散性良好,相界面大,能夠很好地發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。因此樹脂兼?zhèn)銪MI的工藝性和熱塑性樹脂的韌性 3.3.3雙馬來酰胺基體的發(fā)展趨勢 BMI增韌改性朝著保持熱性能不變而使韌性提高的方向發(fā)展，這些增韌改性方法并非孤立，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)目的和用途同時應(yīng)用幾種方法增韌改性。我國在這方面的研究與國外相比差距還是比較大。應(yīng)進(jìn)一步加強基礎(chǔ)理論研究，開拓新的改性方法[14]。今后我國對BMI的開發(fā)，應(yīng)從一下幾個方面進(jìn)行：①采用先進(jìn)的增韌技術(shù)，對BMI進(jìn)行改性，如原位增韌技術(shù)，通過化學(xué)反應(yīng)過程控制分子交聯(lián)狀態(tài)下的不均勻性，以形成有利于塑性變形的非均勻性，從而得到增韌BMI；②加強新型增韌劑研究，尤其是開發(fā)耐熱強韌型熱塑性樹脂；③進(jìn)一步深入研究BMI的改性化學(xué)，改善其工藝性。開發(fā)適用于RTM的粘度低、固化時間短的BMI極其無溶劑熱熔型BMI，以實現(xiàn)復(fù)合材料制品的工業(yè)化生產(chǎn)；④加強實用性BMI單體研究，有選擇地合成和生產(chǎn)多種BMI。保持較大規(guī)模的高新技術(shù)用新材料產(chǎn)業(yè)。

4、結(jié)語

先進(jìn)復(fù)合材料由于具有一系列優(yōu)異的性能特點,已成為當(dāng)今高性能結(jié)構(gòu)材料的一個重要發(fā)展趨勢,隨著高技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料正發(fā)揮著日益重要的作用。其中由環(huán)氧樹脂為基體的高性能復(fù)合材料由于其成型性好，所以應(yīng)用的很廣泛，但是由于其的耐濕熱性上面的缺陷，所以受到一定的限制，同時聚亞酰胺為基體的復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的耐高溫性，從而在航空航天領(lǐng)域具有及其廣泛的應(yīng)用。雙馬來酰胺由于其的脆性，可以通過改性來改善這一問題。21世紀(jì)是復(fù)合材料的世紀(jì)，在不久的將來，復(fù)合材料肯定會應(yīng)用到我們生活的各個方面。同時，在我們生活中發(fā)揮出來的的作用也會越來越大。

第四篇：樹脂基復(fù)合材料成型工藝發(fā)展進(jìn)程研究

樹脂基復(fù)合材料成型工藝發(fā)展進(jìn)程研究

摘要：本文介紹了樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展進(jìn)程及目前樹脂基復(fù)合材料主要使用的成型工藝方法：手糊成型工藝、噴射成型工藝、模壓成型工藝、RTM成型工藝、注射成型工藝、纖維纏繞成型工藝、拉擠成型工藝進(jìn)行了介紹，并對主要的成型工藝方法進(jìn)行了比較；對樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展情況及趨勢進(jìn)行了敘述。

關(guān)鍵詞：樹脂基復(fù)合材料；成型工藝；發(fā)展進(jìn)程背景介紹

樹脂基復(fù)合材料于1932年在美國誕生，至今已有80多年的發(fā)展歷史。二戰(zhàn)期間，美國首次以玻璃纖維增強聚酯樹脂，以手糊成型工藝制造軍用雷達(dá)罩和遠(yuǎn)航飛機油箱，為樹脂基復(fù)合材料在工業(yè)中的應(yīng)用開辟了道路。

1950年，真空袋和壓力袋壓成型工藝研制成功，并試制成功直升飛機的螺旋槳；1949年，研制成果玻璃纖維預(yù)混料，利用傳統(tǒng)的對模法壓制成表面光潔的玻璃鋼零件；60年代美國用纖維纏繞工藝研制成功“北斗星A”導(dǎo)彈發(fā)動機殼體，此后高壓容器和壓力管道相繼問世。為了提高手糊成型的生產(chǎn)率，在此期間，玻璃纖維聚酯樹脂噴射成型工藝得到了發(fā)展和應(yīng)用，使生產(chǎn)率提高了2～4倍。1961年德國研制成功片狀模塑料（SMC），使模壓成型工藝達(dá)到了新水平；1963年，玻璃鋼板材開始工業(yè)化生產(chǎn)；1965年，美國和日本用SMC壓制汽車部件、浴盆、船上構(gòu)件等。拉擠成型工藝始于50年代，60年代中期實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；70年代，樹脂反應(yīng)注射成型（RIM）和增強樹脂反應(yīng)注射成型（RRIM）研究成功，產(chǎn)品倆面光，廣泛用于衛(wèi)生潔具和汽車零件的生產(chǎn)。60年代，熱塑性復(fù)合材料得到發(fā)展，其成型工藝主要是注射成型和擠出成型，并只用于生產(chǎn)短纖維增強塑料。樹脂基復(fù)合材料成型工藝發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國已經(jīng)形成了從原材料、成型工藝、機械設(shè)備、產(chǎn)品種類及性能檢驗等較完整的工業(yè)體系，與其他工業(yè)相比，發(fā)展速度很快。樹脂基復(fù)合材料的成型工藝也從最初的手工操作工藝逐步向技術(shù)密集，高度自動化、高生產(chǎn)率、高穩(wěn)定性的成型方法上發(fā)展，并隨著應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛開拓，出現(xiàn)了多種成型工藝并存，并不斷衍生出新生工藝的發(fā)展態(tài)勢。目前各種主要成型工藝所占比例如圖1所示。

圖1 主要成型工藝占比

2.1 手糊成型工藝

手糊成型工藝又稱低壓接觸成型工藝，是樹脂基復(fù)合材料工業(yè)中使用最早的一種工藝方法，操作方法簡單，幾乎可適用于所有的復(fù)合材料制品的生產(chǎn)，且投入小，但對操作人員技術(shù)熟練程度的依賴性較大，生產(chǎn)出的制品單面光潔，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。隨著各種新工藝方法的不斷涌現(xiàn)，手糊成型工藝所占比例逐漸降低，但手糊工藝所具有的獨特的其他工藝不可替代的特點，尤其是在生產(chǎn)大型制品方面，故目前該工藝方法仍占有重要的地位。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：建筑雕塑領(lǐng)域如采光頂、活動房屋等；交通設(shè)施領(lǐng)域如游艇、汽車殼體、發(fā)動機罩等；環(huán)境與能源領(lǐng)域如風(fēng)力發(fā)電機用機艙罩、葉片、沼氣池等；體育游樂設(shè)備領(lǐng)域如游樂車、水滑梯等。手糊成型工藝如圖2所示。

圖2 手糊成型工藝

2.2 噴射成型工藝

噴射成型工藝是利用噴射設(shè)備將樹脂霧化，并與即時切斷的纖維在空間混合后落在模具上面，然后壓實排出氣泡固化，是在手糊工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是將手糊操作中的纖維鋪覆和浸膠工作由設(shè)備來完成，是一種相對效率較高的工藝，其生產(chǎn)效率是手糊工藝的2～4倍。噴射工藝同樣對操作人員的技術(shù)水平依賴大，且由于增強纖維以斷切的形式存在，樹脂含量高，制品的強度較低，同時由于噴射設(shè)備的原因，其采用陽模成型方便，而采用陰模成型困難較大，且大型制品比小型制品更適合于噴射成型工藝。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：噴射成型工藝主要應(yīng)用于大型產(chǎn)品的制作及建筑物補強等，代表性的產(chǎn)品有玻璃鋼浴缸、整體衛(wèi)生間、卡車導(dǎo)流罩、凈化槽、船身等。噴射成型工藝如圖3所示。

圖3 噴射成型工藝

2.3 模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定的模壓料（粉狀、粒狀或纖維狀）放入金屬對模中，在一定的溫度、壓力作用下固化成型的一種方法。模壓成型過程需要加熱加壓，使模塑料塑化（或熔化）、流動充滿模腔，并使樹脂發(fā)生固化反應(yīng)。模壓成型屬于高壓成型，及需要壓力控制的壓力機，又需要高強度、高精度、耐高溫的金屬模具。

模壓成型生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品穩(wěn)定重現(xiàn)性好，兩面光潔，尺寸精度高，但模壓成型的模具制造復(fù)雜，需要進(jìn)行模壓料的制備，設(shè)備投資大，并受壓機限制，最適合于大批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：汽車領(lǐng)域如后尾門、側(cè)門、車頂板、擋泥板、保險杠、天窗框架等；鐵路車輛領(lǐng)域如車輛窗框、衛(wèi)生間組間、座椅、車廂壁板與頂板等；電氣領(lǐng)域如電氣罩殼、絕緣子、電機風(fēng)罩、電機換向器、電話機外殼等；建筑領(lǐng)域如浴缸、淋浴間、防水盤、坐便器、組合式水箱等。模壓成型工藝如圖4所示。

圖4 模壓成型工藝

2.4 樹脂傳遞（RTM）成型工藝

RTM成型工藝是在模腔內(nèi)預(yù)先鋪放增強材料預(yù)成型體，然后在壓力或真空作用下將樹脂注入閉合模腔，浸潤纖維，固化后脫模的成型工藝，是從濕法鋪層和注塑工藝演變而來的一種成型工藝。

RTM成型工藝成型壓力低，模具選材制作靈活，可以為鋼模也可以為玻璃鋼等成本較低的模具；設(shè)備成本投入適中，其投入高于手糊成型和噴射成型，但要低于模壓成型；樹脂注入選擇性大，可以為注射機注射，也可以采用真空輔助注入；纖維預(yù)成型可以為手工鋪放、手工鋪放加模具熱壓預(yù)成型，機械噴射短纖維模具熱壓預(yù)成型、三維立體編織等多種形式。

RTM成型工藝為閉模成型制品具有良好的表面質(zhì)量，可制作高尺寸精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件；生產(chǎn)效率高，制品產(chǎn)量在1000～2000件每年。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，在傳統(tǒng)的RTM成型工藝上發(fā)展出一系列的衍生工藝，主要包括Light-RTM、VARIM、RFI等工藝。

Light-RTM工藝通常稱為輕質(zhì)RTM工藝，是在真空輔助RTM工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，適于制造大面積的薄壁產(chǎn)品。其下模為剛性的模具，上模采用輕質(zhì)、半剛性的模具。工藝采用雙層密封結(jié)構(gòu)，外圈采用真空來鎖緊模具，內(nèi)圈采用真空導(dǎo)入樹脂。注射口通常為帶有流道的線形注射方式，有利于快速充模。由于上模采用半剛性的模具，模具成本大大降低，而制品仍然可以保證有良好的表面性能和尺寸精度。

真空輔助樹脂擴散（VARIM）成型工藝是在RTM成型工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高性能第成本的復(fù)合材料成型工藝。該工藝需要一半模具，另一半模具為與剛性模具密封處理的彈性真空袋，在真空狀態(tài)下排除增強纖維中的氣體，同時在真空下通過樹脂的流動實現(xiàn)樹脂的浸漬。與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，其模具成本低，對制品的尺寸結(jié)構(gòu)限制較少，非常適用于大厚度大尺寸結(jié)構(gòu)制件的成型。

RFI工藝也是采用單模和真空袋來成型制品，不同的是模具上鋪放預(yù)制好的樹脂模，再鋪放纖維預(yù)成型體，真空袋封閉模具后將模具置于烘箱或熱壓下加熱并抽真空，樹脂模熔融后對纖維預(yù)成型體浸漬，繼續(xù)升溫加熱使樹脂固化。

總體來說，RTM工藝屬于閉模成型，環(huán)境清潔，能夠得到內(nèi)外表面質(zhì)量好的制品，同時模具制作、材料使用靈活，設(shè)備投入少，其優(yōu)勢越來越多的得到認(rèn)可。但是，RTM工藝是在樹脂與纖維浸漬階段實現(xiàn)賦形，樹脂的流動、纖維的浸漬及樹脂的固化過程的不可控性增大，增加了工藝的復(fù)雜性。尤其是采用上下模都為剛性或半剛性的模具時，樹脂的流動性、樹脂對纖維的浸漬性及注射口的布置、流道的布置是非常重要的。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天和軍事領(lǐng)域如雷達(dá)罩、螺旋槳、隔艙門、機翼、船舶結(jié)構(gòu)件等；汽車領(lǐng)域如儀表盤、車身覆蓋件和零部件；建筑領(lǐng)域如門、框架、腳手架、電話亭、標(biāo)志牌等；體育運動器材如自行車架、高沃爾夫球車、高爾夫球桿、雪橇板等。RTM成型工藝如圖

5、圖

6、圖7所示。

圖5 傳統(tǒng)RTM成型工藝

圖6 輕質(zhì)RTM成型工藝

圖7 真空灌注成型工藝

2.5 注射成型工藝

注射成型工藝是將粉末狀或粒狀的纖維與樹脂的混合物送入注射機內(nèi)，經(jīng)加熱熔化后由螺桿或柱塞加壓通過噴嘴注入導(dǎo)閉合的模具中，冷卻定型后脫出模具。

注射成型工藝生產(chǎn)效率高，成型周期短，能夠很好的保證制品精度，這些都優(yōu)于模壓成型，但注射成型工藝不適用于長纖維增強的產(chǎn)品，優(yōu)于注射機的限制，較適合大量生產(chǎn)中小型的制品。注射成型工藝在熱塑性和熱固性復(fù)合材料中都有應(yīng)用，但目前主要廣泛應(yīng)用與熱塑性的復(fù)合材料。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：注射成型工藝在復(fù)合材料制品生產(chǎn)中，主要是代替模壓成型工藝，生產(chǎn)各種電器材料、絕緣開關(guān)、汽車和火車零配件、紡織機零件、建筑配件、衛(wèi)生及照明器材、家電殼體、食品周轉(zhuǎn)箱、安全帽、空調(diào)機葉片等。注射成型工藝如圖8所示。

圖8 注射成型工藝

2.6 纖維纏繞成型工藝

是在纏繞機控制張力和預(yù)定線型的條件下，將連續(xù)的纖維粗紗或布帶浸漬樹脂，連續(xù)纏繞在相應(yīng)的制品芯模上，然后在室溫或加熱條件下固化成型。

纏繞成型由于能夠充分發(fā)揮纖維的強度，因此比強度和比剛度較高；易于實現(xiàn)產(chǎn)品的等強度設(shè)計，適于耐腐管道、儲罐和高壓管道及容器的制造。但是纏繞工藝具有局限性，由于纏繞過程中易于形成氣泡，制品孔隙過多，從而降低層間剪切強度、壓縮強度和抗失穩(wěn)能力。同時，纏繞工藝對制品的形狀有局限性，不適于制造帶凹曲線表面的制品，且目前只能制造回轉(zhuǎn)體制品。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：管道領(lǐng)域如煉油廠管道、石油化工防腐管道、輸水管道、天然氣管道、固體顆粒輸送管道等；儲罐如石油儲罐、化工腐蝕液體儲罐等；壓力制品如火箭發(fā)動機殼體、深水外壓殼體、高壓氣體壓力容器等。纖維纏繞成型工藝如圖9所示。

圖9 纖維纏繞成型工藝

2.7拉擠成型工藝

是一種生產(chǎn)線型型材的成型方法，是在牽引裝置帶動下將無捻玻璃纖維粗紗和其他連續(xù)增強材料進(jìn)行膠液浸漬、預(yù)成型，然后通過加熱的成型模具固化成型，實現(xiàn)制品的連續(xù)生產(chǎn)。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：電子電氣領(lǐng)域如電線桿、絕緣板、熔絲管、匯流線管、電纜橋架等；石油化工領(lǐng)域如管網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)、格柵地板、抽油桿、樓梯、海上平臺等；建筑機械制造領(lǐng)域如結(jié)構(gòu)型材、行李架、頂梁、支柱、框架等；軍用品領(lǐng)域如坦克、裝甲車上的復(fù)合裝甲、導(dǎo)彈火箭彈外殼等。拉擠成型工藝如圖10所示。

圖10 拉擠成型工藝

總體來說不同的成型工藝適應(yīng)不同的制品性能和生產(chǎn)規(guī)模。盡管機械化、自動化日益發(fā)展，手糊與噴射成型仍將作為基本的成型工藝而占有相當(dāng)?shù)谋壤?。樹脂基?fù)合材料成型工藝發(fā)展趨勢

從復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展趨勢來看，是朝著科技含量高、逐步實現(xiàn)工業(yè)自動化、環(huán)境污染小、勞動強度低的方向發(fā)展。重所周知，成型工藝的優(yōu)劣直接影響到制品的質(zhì)量、成本和銷路。成型工藝的選擇標(biāo)準(zhǔn)主要有：符合市場要求，確保制品質(zhì)量；操作簡便、安全高效；產(chǎn)品性價比高；環(huán)境污染小，勞動強度低。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)有的成型工藝進(jìn)行衡量，手糊和噴射成型工藝為開模成型，對環(huán)境和操作人員污染傷害嚴(yán)重，并且所生產(chǎn)的制品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，難以控制；模壓成型工藝設(shè)備昂貴、投資較大，生產(chǎn)周期長，適合于大批量的穩(wěn)定生產(chǎn)；拉擠和纏繞成型工藝僅適合于較為特定的產(chǎn)品。從而，RTM及其衍生工藝則顯現(xiàn)出它的優(yōu)勢：RTM成型工藝幾乎可以適用于所有的制品的生產(chǎn)，并且生產(chǎn)效率較高，可以滿足大多數(shù)生產(chǎn)的需求；與模壓工藝相比，產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)，但RTM的成本投入遠(yuǎn)小于模壓工藝；與手糊工藝相比，RTM工藝產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，而成本投入并不比手糊工藝高出很多。

因此，RTM成型工藝及其衍生的成型工藝將是樹脂基復(fù)合材料成型工藝發(fā)展的主要趨勢，但還要具體問題具體分析，其他的一些成型工藝也存在有不可替代的優(yōu)點，也會隨著樹脂基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用而繼續(xù)發(fā)展。

4、結(jié)論

樹脂基復(fù)合材料的成型工藝發(fā)展至今，涌現(xiàn)出了諸多的工藝形式，并在不斷的衍生發(fā)展，發(fā)展的總體趨勢是朝向環(huán)保、高效、自動化、低成本的方向發(fā)展。綜合上述工藝方法，RTM及其衍生的成型工藝具有非常不錯的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

【1】 黃家康主編 復(fù)合材料成型技術(shù)及應(yīng)用 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.【2】 董永祺 我國樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展方向 纖維復(fù)合材料，2003，（2）：32-34.劉雄亞 謝懷勤主編 復(fù)合材料工藝及設(shè)備 武漢，武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

第五篇：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料性能的研究

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料性能的研究

摘 要：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能成為當(dāng)今世界材料學(xué)科研究的 重點。本文介紹了的碳纖維增強復(fù)合材料的性能，簡述了增強機理、成型工藝及其應(yīng)用領(lǐng) 域和發(fā)展趨勢。

新材料的研究、發(fā)展與應(yīng)用一直是當(dāng)代高新技術(shù) 的重要內(nèi)容之一。其中復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料 在新材料技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位，對促進(jìn)世界各國 軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的 作用，因此近年來倍受重視。

復(fù)合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。【1】

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)是目前最先進(jìn)的復(fù)合 材料之一。它以輕質(zhì)高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能 優(yōu)良等特點廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料，而這些優(yōu) 異的性能可使碳纖維成為一種十分良好的增強材 料。目前，碳纖維大部分應(yīng)用于碳纖維增強樹脂基 復(fù) 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，簡稱CFRP）。是其它纖維增強復(fù)合材料所無法比擬的。因為環(huán)氧樹脂的熱機械 性能、抗蠕變性能、粘接性能優(yōu)異而且吸濕性好； 固化收縮率和線膨脹系數(shù)?。还袒瘻囟容^低；較高 溫度下穩(wěn)定性好；尺寸穩(wěn)定性、綜合性能好[2]；而 且又與有機材料的浸潤性能好等優(yōu)點，所以近年來 應(yīng)用最多的就是碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。目 前為止，CFRP 可以應(yīng)用于航空、航天，體育用品，交通工具，建筑材料等多個領(lǐng)域。無論是軍用還 是民用，隨著研究的不斷深入和工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊。

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能【10】

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有一系列的優(yōu)異性能, 主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）具有高的比強度和比模量。CFRP的密度僅為 鋼材的 1/5，鈦合金的 1/3，比鋁合金和玻璃鋼（GFRP）還輕，使其比強度（強度 / 密度）是高強度鋼、超硬鋁、鈦合金的4倍左右，玻璃鋼的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它們的3倍以上。CFRP輕而剛、剛而強的特性 是其廣泛用于宇航結(jié)構(gòu)材料最基本的性能。

（2）耐疲勞。在靜態(tài)下，CFRP 循環(huán) 105 次、承受 90%的極限強度應(yīng)力時才被破壞，而鋼材只能承受極 限強度的 50%左右。對于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材 料，在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)粘彈性材料的疲勞特性，顯示出 耐疲勞特性。CFRP呈現(xiàn)出良好的抗蠕變性能，這可能 與碳纖維的剛性有關(guān)。

（3）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維的熱膨脹系數(shù)α具有 顯著的各向異性，使其復(fù)合材料的α也具有各向異 性。

（4）耐磨擦，抗磨損。CFRP 有優(yōu)良的耐疲勞特 性、熱膨脹系數(shù)小和熱導(dǎo)率高的特性，具耐磨擦、抗磨 損的基本性能。再加之碳纖維具有亂層石墨結(jié)構(gòu)，自 潤滑性好，適用于摩擦磨損材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLa

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 為比磨耗量； K為比例常數(shù)； S為循環(huán)作 用的應(yīng)力； So 為材料的拉伸強度； N為斷裂時的循環(huán)次 數(shù)。CFRP具有高的拉伸強度，是優(yōu)良的摩擦材料。

（5）耐蝕性。碳纖維的耐蝕性非常優(yōu)異，在酸、堿、鹽和溶劑中長期浸泡不會溶脹變質(zhì)。CFRP 的耐蝕性 主要取決于基體樹脂。長期在酸、堿、鹽和有機溶劑環(huán) 境中，刻蝕、溶脹等使其變性、腐蝕，導(dǎo)致復(fù)合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纖維復(fù)合材料的耐水性好，可長 期在潮濕環(huán)境和水中使用。一般沿纖維方向(0°)的強度 保持率較高，垂直于纖維方向(90o)的保持率較低。這可 能與基體樹脂的吸濕、溶脹有關(guān)。

（7）導(dǎo)電性好。碳纖維具有導(dǎo)電性能。對于 CFRP 導(dǎo)電性能來自碳纖維，基體樹脂是絕緣體。因此，CFRP 的導(dǎo)電性能也具有各向異性。

（8）射線透過性。CFRP對 X射線透過率大，吸收 率小，可在醫(yī)療器材（如 X光機）方面應(yīng)用。增強機理 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料是以聚合物為基體(連續(xù)相)，纖維為增強材料(分散相)組成的復(fù)合材料。纖維材料的強度和模量一般比基體材料高得多，使它 成為主要的承載體。但是必須有一種粘接性能好的基 體材料把纖維牢固地粘接起來。同時，基體材料又能起到使外加載荷均勻分布，并傳遞給纖維的作用【11】。

這種復(fù)合材料的特點是，在應(yīng)力作用下，使纖維的 應(yīng)變與基體樹脂的應(yīng)變歸于相等，但由于基體樹脂的 彈性模量比纖維小得多，且易塑性屈服，因而當(dāng)纖維和 基體處在相同應(yīng)變時，纖維中的應(yīng)力要比基體中的應(yīng) 力大得多，致使一些有裂口的纖維先斷頭，然而由于斷 頭部分受到粘著它的基體的塑性流動的阻礙，斷纖維 在稍離斷頭的未斷部分仍然與其周圍未斷纖維一樣承 擔(dān)相同的負(fù)荷。復(fù)合增強的另一原因是基體抑制裂紋 的效應(yīng)，柔軟基體依靠切變作用使裂紋不沿垂直方向 發(fā)展而發(fā)生偏斜，導(dǎo)致斷裂能有很大一部分用于抵抗 基體對纖維的粘著力，從而使銀紋在 CFRP 整個體積 內(nèi)得到一致，而使抵抗裂紋產(chǎn)生、生長、斷裂以及裂紋 傳播的能力都大為提高。因此，CFRP的力學(xué)性能得到 很大的改善和提高【12】。實驗部分

1.1 實驗原料

碳纖維（12K/T-300）：臺灣臺塑廠；環(huán)氧樹脂 E51：星辰化工無錫樹脂廠；固化劑：二乙烯三胺（DETA）分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；活 性稀釋劑：市售。

1.2 實驗儀器及設(shè)備 電子天平：H10KS，上海儀器總廠；電熱恒溫 鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9030 型，上海精密實驗設(shè)備有 限公司；攪拌器：DF-1 型，榮華儀器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 復(fù)合材料的制備

（1）將碳纖維干燥，條件為：150 ℃/2 h；（2）按規(guī)定配比配制樹脂膠液；

（3）采用手糊成型工藝制作層合板，并固化，固化條件為 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用萬能制樣機切割標(biāo)準(zhǔn)樣條；

其中制作的層合板長寬為 200 mm×200 mm，厚度為 5 mm 的方形板材，基體樹脂每層用量為 20 g，碳纖維每層平鋪，一共為 8 層，層與層之間的碳 纖維絲束成十字交叉排列。

試驗結(jié)果與討論

2.1 碳纖維含量對硬度的影響 顯微硬度試驗結(jié)果示于圖 1?？梢钥闯? 隨著 碳纖維含量的增加, 試樣的硬度呈現(xiàn) S 形增加趨 勢, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纖維是脆性 材料, 具有高的強度和比模量, 所以加入碳纖維能提 高試樣的硬度[ 5]。基體是樹脂材料, 其硬度較低, 當(dāng) 碳纖維含量較低時, 由于在基體中較分散, 所以對顯 微硬度的貢獻(xiàn)較小;當(dāng)碳纖維含量> 10%, 碳纖維的 作用變的非常明顯, 所以硬度有較大幅度的增加;但 是, 當(dāng)碳纖維含量> 25% , 碳纖維的增強作用逐漸達(dá) 到飽和, 硬度的增加速度開始下降。總之, 碳纖維的 加入對硬度的提高非常明顯。

圖y為不同碳纖維含量樣品的電導(dǎo)率。從中可 以看出, 當(dāng)碳纖維含量< 10%時, 電阻隨纖維含量的 增加急劇下降;當(dāng)碳纖維含量> 10%時, 體積電阻的 變化趨于平緩, 電阻值的下降與碳纖維含量的增加 并不成正比, 有一個滲濾閥值, 這個滲濾閥值約為 15%。這表明, 碳纖維/ 酚醛樹脂復(fù)合體系在碳纖維 含量為 15%以上, 試樣具有一定的導(dǎo)電性能[ 6]。

上述結(jié)果可用以下理論解釋, 當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo) 電填料的含量在達(dá)到一個臨界值前, 其電阻率急劇 下降, 在電阻率導(dǎo)電填料含量曲線上出現(xiàn)一個狹窄 的突變區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi), 導(dǎo)電填料含量的任何細(xì) 微變化均會導(dǎo)致電阻率的顯著改變, 這種現(xiàn)象通常 稱為滲濾現(xiàn)象, 導(dǎo)電填料的臨界含量稱為滲濾閥值。在突變區(qū)域之后, 即使導(dǎo)電填料含量繼續(xù)提高, 復(fù)合 材料的電阻率變化甚小, 這反映在突變點附近導(dǎo)電 填料的分布開始形成導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電高分子材 料的導(dǎo)電現(xiàn)象是由導(dǎo)電填料的直接接觸和填料間隙 之間的隧道效應(yīng)的綜合作用產(chǎn)生的;或者說是由導(dǎo) 電通道、隧道效應(yīng)和場致發(fā)射三種導(dǎo)電機理競相作 用的結(jié)果。在低導(dǎo)電填料含量及低外加電壓下, 導(dǎo) 電粒子間距較大, 形成鏈狀導(dǎo)電通道的幾率極小, 這 時隧道效應(yīng)起主要作用;在低導(dǎo)電填料含量和高外 加電壓時, 場致發(fā)射理論變得顯著;在高導(dǎo)電填料含 量下, 導(dǎo)電粒子的間距小, 形成鏈狀導(dǎo)電通道幾率較 大, 這時導(dǎo)電通道機理的作用明顯增大[ 7]。

碳纖維含量對耐磨性的影響

試樣磨損完畢后, 每個試樣磨損前、后的質(zhì)量磨 損量與碳纖維含量的關(guān)系如圖 3 所示。從圖 3 可以 看出, 隨著碳纖維含量的增加, 復(fù)合材料的磨損率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小, 最后趨于不變。

綜上所述，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料品種結(jié)構(gòu) 變化繁多，加工成型技術(shù)不斷更新，基礎(chǔ)理論研究方興 未艾，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，這些事實充分證明了這一材料在工程塑料中的領(lǐng)先地位。隨著基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研 究的不斷深入，該材料在取代金屬、節(jié)約能源、特殊專 用等方面將發(fā)揮獨特的作用，其巨大的潛力必將得到 進(jìn)一步挖掘。

總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實應(yīng)用有以下幾個方面: 4.1 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[13] 碳纖維復(fù)合材料與鋼材相比其質(zhì)量減輕 75%，而 強度卻提高 4 倍，其最早最成熟的應(yīng)用當(dāng)屬在航空航 天領(lǐng)域，如軍用飛機、無人戰(zhàn)斗機及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi) 星等。早在 1970 年代初期，美國軍用 F-14 戰(zhàn)斗機就部 分采用碳纖維復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)。在民用航空 領(lǐng)域，如波音 767 和空中客車 A310 中，碳纖維復(fù)合材 料也占到了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 3%和 5%左右。近幾年隨著碳 纖維工業(yè)技術(shù)和航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，碳纖維在 這一領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，如用于制造人造衛(wèi)星支架、衛(wèi)星天線、航天飛機的機翼、火箭的噴焰口、戰(zhàn)略導(dǎo)彈 的末級助推器、機器人的外殼等。

4.2 體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用 體育休閑用品是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的另一個重 要領(lǐng)域，如高爾夫球桿、滑雪板、滑雪車、網(wǎng)球拍、釣魚 竿等。用碳纖維復(fù)合材料制成的球拍與傳統(tǒng)的鋁合金 球拍相比，其質(zhì)量更輕、手感和硬度更好、對震蕩和振 動的吸收也更好，且使用壽命大大延長。同時由于復(fù)合 材料本身的可設(shè)計性，使得制造商在球拍的硬度、彈 性、球感、擊球性能的設(shè)計上，有了更大的想象空間。而 碳纖維釣魚竿由于其良好的韌性與耐用性，更是被廣 泛青睞。近年來，碳纖維復(fù)合材料在運動及休閑型自行 車零組件方面的應(yīng)用也非常廣泛。

4.3 交通運輸領(lǐng)域 碳纖維增強復(fù)合材料在交通運輸方面主要是汽車 骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船 舶的增強材料等，尤其在汽車方面的應(yīng)用更是潛力巨 大。早在 1979 年，福特汽車公司就在實驗車上作了試 驗，將其車身、框架等 160 個部件用碳纖維復(fù)合材料制 造，結(jié)果整車減重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 時大大降低了振動和噪音。

4.5 其他工業(yè)領(lǐng)域 防彈產(chǎn)品方面，包括防彈頭盔、防彈服、防彈運鈔 車和防彈汽車等；電子工業(yè)方面，包括各種反射面天 線、印刷電路板、殼架等；生物工程和人體醫(yī)學(xué)方面，包括人造關(guān)節(jié)、骨骼、CT掃瞄床板等；地鐵車輛、發(fā)熱 材料和電熱用品以及機械制造工業(yè)等復(fù)合材料產(chǎn)品 多種多樣，層出不窮，充分體現(xiàn)了其應(yīng)用多元化的趨 勢和特點。

【1】360百科

［2］ 張金祥．新型 BMI/環(huán)氧樹脂共固化體系的研究[D].大連：大連理 工大學(xué)，2011．

10張曉虎,孟宇,張煒.碳纖維增強復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨 勢.纖維復(fù)合材料,2004,30(1):50～58.王汝敏,鄭水蓉,鄭亞萍.聚合物基復(fù)合材料及工藝.北京:科學(xué) 出版社,2004.12彭樹文.碳纖維增強尼龍66的研究.工程塑料應(yīng)用 13 蘇小萍.碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀.高科技纖維與應(yīng) 用, 2004,29(5):34～36.