纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺及其应用

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1、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺及其应用   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，自二次大战以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，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年玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾100万吨，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

2、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。   按基体材料不同，复合材料可分为三大类：   树脂基复合材料   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、水泥基复合材料、碳基复合材料等。   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？   ·固化收缩率低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%

3、；   ·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树脂为佳，然耐水性、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 GF/EPR（玻纤含量80wt%)AISI1008冷轧钢相对密度2.087.86拉伸强度551.6Mpa331.

4、0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸长率1.6%37.0%弯曲强度689.5MPa　弯曲模量34.48GPa　压缩强度310.3MPa331.0MPa悬臂梁冲击强度2385J/m　燃烧性（UL-94）V-O　比热容535J/kg·k233J/kg·k膨胀系数4.0×10-6k-16.7×10-6k-1热变形温度204ºC(1.82MPa)　热导率1.85W/m·k33.7W/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

5、比强度×106cm比模量×109cm钢7.810.1020.590.130.27铝2.84.617.350.170.26钛4.59.4111.180.210.25玻璃钢2.010.403.920.530.21碳纤维/环氧树脂1.4514.7113.73　0.21碳纤维/环氧树脂1.6104923.54　1.5芳纶纤维/环氧树脂1.413.737.85　0.57硼纤维/环氧树脂2.113.5320.59　1.0硼纤维/铝2.659.8119.61　0.75玻璃纤维含量%Kevlar/环氧（60）S-玻璃/环氧（60）高强度型碳/环氧（60）硼/环氧（50）高刚性型

6、碳/环氧（60）硼/铝（50）积层钛钢铝图1 复合材料的比强度与比刚性二、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）       图2  手糊成型示意图   （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，压实积层。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，

7、常温固化。可加热加速固化。   （2）原材料   树脂  环氧树脂   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   

8、织物