感悟复合材料之魅力

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1、感悟复合材料之魅力——复合材料制品创新探讨王钧武汉理工大学材料学院复合材料系    摘要：作者总结了其从事复合材料工作二十多年来的部分实践及感想，重点对复合材料的特点、组成与创新之间的关系提出了自己的一些想法和见解，并结合工程实践的应用进行了分析。     复合材料是由两种或两种以上不同材料或物质，在发挥各自特性和优点的基础上，按照相应的复合原理，通过一定的工艺方法，制备出的一类具有新特性、新功能的结构与材料。与传统材料相比，复合材料可以通过材料、结构、工艺之间的组合来灵活实现。这种组合充满着自由与变化，就给从事复合材料理论与工程技术研究、生产的从业人员

2、，提供了一个创新的平台，这种自由和变化正是复合材料的魅力所在。一、复合材料的理解与创新1.1创新的起点复合材料是以实践为基础的学科和行业，决定了认识复合材料，必须通过实践才能获得真知，实践是一个感知的过程；在实践的基础上，实现由实践到认识的跨越，还必须通过思考这一领悟的过程。只有对复合材料有所感知、有所领悟，才能深入的理解复合材料的本质，才能更好的运用复合材料的特点，从而达到创新的目的，“感悟”是复合材料创新的起点。1.2创新的原则与传统材料相比复合材料既是一种材料，也是一种结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结构特性，只能通过具体的制品才能

3、得以体现，因此无论是从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研制出更能发挥材料特性、效率的制品及制备方法。在这个过程中任何材料、工艺和结构没有优劣之分，只有使用是否科学、合理、有效之别，科学、合理、效率是复合材料制品创新必须遵守的原则。1.3创新的基础复合材料涉及材料、力学、化学、机械、电子等多个学科的知识，是一个跨多个学科、交叉性很强的新学科方向。从图1我们可以直观的看出，决定复合材料制品性能的要素有材料、工艺、结构和测试。其中材料是基础、制品是目的、工艺、结构、测试是手段、桥梁和保障。各要素所涉及的内容：材料方面有基体材料、增强材料及其它辅助

4、、功能材料等；工艺方面主要有工艺方法、成型设备、工艺参数及控制等；结构方面主要包括结构设计、结构校核及优化等；测试方面有测试方法、测试设备、材料测试、制品检测等。在材料向复合材料制品转换中，各要素既相互联系，又相互制约、相互作用。只有把材料、结构、工艺有机的结合为一个整体，才能有所创新。因此创新的基础是知识的积累、吸收、思考、运用，其中最为关键是思考和运用。图片：图1复合材料制品与各要素关系图1.4创新的方法复合材料最大的特点——可设计性，即使同一种制品，都会随材料、工艺和结构的不同选择，而表现出不同的性能，因此复合材料制品都既有共性，但又有个性。创新就

5、是解决共性中的个性问题，只有充分发挥可设计性，表现出个性，就能够实现创新。发挥可设计性的方法——“合”与“变”。“合”——集合、组合；“变”——变化。  材料方面——可以通过对树脂、纤维种类进行优选、改性、组合、混合发挥材料的可选择性，从而获得具有不同特性的制品；  工艺方面——可以通过不同工艺的组合、集成、改进等发挥工艺的可利用性；  结构方面——可以通过结构之间的组合、构成优化的可设计性  同时还可以通过材料－材料、工艺－工艺、结构－结构、材料－工艺－结构之间的重新设计和组合来实现复合材料制品的创新。二、创新实例分析2.1低粘度不饱和聚酯树脂研制在制

6、备纤维增强树脂基复合材料时，树脂对纤维的浸渍过程，可以简化为树脂替换纤维中空气的过程，树脂的粘度是影响这一过程的重要因素，通过降低树脂的粘度可以提高浸渍的效率和效果，同时还可以降低闭模成型时树脂的注射压力等。以不饱和聚酯树脂为例，降低粘度最常用的方法有三种：（1）多加交联剂单体（2）降低不饱和聚酯的分子量（3）重新设计配方1、2两种方式是以牺牲树脂固化物的物理、机械性能为代价。如何在保持性能不变的前提下降低粘度，只能通过新的树脂配方设计来实现。我们根据官能团之间反应的原理，设计并研究了一类共混树脂体系。该树脂体系包含如下两组分：第一部分为低分子量、高端羟

7、基含量不饱和聚酯树脂，低分子量保证树脂体系低粘度；第二部分为二异氰酸酯及其低分子量预聚物。在这两个组分中含有三种官能团：不饱和聚酯树脂中双键和羟基及二异氰酸酯预聚物中的二异氰酸基。当加入引发剂、促进剂使两个组分混合时，混合树脂中发生两类反应，一类是双键的自由基加成反应；另一类是羟基与异氰酸基之间的加成反应。第一类反应是使树脂进行交联，第二类反应使低分子不饱和聚酯扩链。由于扩链反应的发生，通过扩链增大了线型分子的链长，保证了树脂的性能，扩链反应式如下：图片：扩链反应片：图2扩链反应、固化反应示意图2为经过扩链后固化反应示意图，其中“○”代表交联单体，“PU

8、”代表二异氰酸酯预聚物，分子链代表低分子量不饱和聚酯。图片：图片：图3、图4为扩