壹.前言
與傳統材料相比，復合材料具有壹系列不可替代的特點，自第二次占領以來發展迅速。雖然產量不大(據法國Vetrotex公司統計，2003年全球復合材料達到700萬噸)，但復合材料水平是衡量壹個國家或地區科技和經濟水平的標誌之壹。美國、日本、西歐水平較高。北美和歐洲分別占全球產量的33%和32%，亞洲，主要是中國(包括臺灣省)和日本，占30%。2003年，中國大陸的玻璃鋼(玻璃纖維和樹脂復合材料，俗稱“玻璃鋼”)產量超過90萬噸，居世界第二位(美國2003年為654.38+0.69萬噸，日本不到70萬噸)。
復合材料主要由增強材料和基體材料組成:
增強材料:通過在復合材料中不形成連續相而賦予復合材料的主要機械性能，例如FRP中的玻璃纖維和CFRP中的碳纖維(碳纖維增強塑料)是增強材料。
基體:構成復合材料連續相的單壹材料，如玻璃鋼(GRP)中的樹脂(本文提到的環氧樹脂)就是基體。y
根據基體材料的不同，復合材料可分為三類:
樹脂復合材料
金屬基復合材料
無機非金屬基復合材料，例如陶瓷基復合材料。
本文討論了環氧樹脂基復合材料。
1，為什麽用環氧樹脂做基體？
固化收縮率低，只有1%-3%，而不飽和聚酯樹脂高達7%-8%；
附著力強；
b階段，有利於生產過程；
可在低壓下固化，具有非常低的揮發性；
固化後具有良好的機械性能、耐化學性和電絕緣性。
值得指出的是，環氧樹脂比酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂具有更好的耐有機溶劑和耐堿性，但耐酸性較差。固化後壹般比較脆，韌性差。
2.環氧玻璃鋼的性能(根據ASTM)
以FW(纖維纏繞)法制造的玻璃纖維增強環氧樹脂產品為例，與鋼進行對比。
表1 GF/EPR與鋼性能的比較
玻璃含量GF/EPR(玻璃纖維含量80wt%) AISI1008冷軋鋼。
相對密度2.08-7.86伏
抗拉強度551.6Mpa 331.0MPa
拉伸模量為27.58GPa 206.7GPa。
伸長率1.6% 37.0%
抗彎強度為689.5MPa
彎曲模量為34.48GPa
抗壓強度31.3 MPa 331.0 MPa
懸臂沖擊強度2385J/m
可燃性(UL-94) V-O
比熱容535J/kg？k 233J/kg？k
膨脹系數為4.0×10-6k-1 6.7×10-6k-1。
熱變形溫度204？c(1.82兆帕)
導熱系數1.85W/m？k 33.7W/m？k
介電強度為11.8× 106V/m
吸水率0.5%(24小時)
表2幾種常見材料和復合材料的比強度和比模量
材料名稱密度g/cm3抗拉強度×104MPa彈性模量×106MPa比強度×106cm比模量×109cm。
鋼7.8 10.10 20.59 0.13 0.27
鋁2.8 4.61 7.35 0.1 7 0.26
鈦4.5 9.41.1.1.1.80.21.25
玻璃鋼2.0 10.40 3.92 0.53 0.5438+0
碳纖維/環氧樹脂1.45 14.71 13.73
碳纖維/環氧樹脂1.6 1049 23.54
芳綸纖維/環氧樹脂1.4 13.73 7.85
硼纖維/環氧樹脂2.1.13.53 20.59
硼纖維/鋁2.65 9.81.1.9 4438+0.75 C2
二、纖維增強環氧樹脂復合材料成型工藝。
1，手上籃。
(1)匯總依次應用於模具表面。
脫模
凝膠塗層
壹層中等活性的液體熱固性樹脂，粘度為0.3-0.4PaS(膠衣固化後)。
壹層纖維增強材料(玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、碳纖維...)，其中包括面氈、無撚粗紗布(格子布)等。用手持滾筒或刷子用樹脂浸漬纖維增強材料，並驅除氣泡以壓實基層。分層操作重復多次，直至達到產品的設計厚度。
由於聚合作用，樹脂在室溫下固化。可以加熱以加速固化。
(2)原材料f gb ng
樹脂不飽和聚酯樹脂、己烯酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等。
玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。雖然厚的芳綸織物很難手工浸漬樹脂，但也可以使用。
核心材料是任意的。
(3)優勢
1)適合小規模生產；
2)可在室溫下成型，設備投資少，模具折舊費用低；
3)可以制造大型產品和復雜產品；
4)樹脂和增強材料可以自由組合，材料設計容易；
5)可采用局部加固，可預埋金屬件；
6)使用膠衣層可以獲得自由色澤的表面(開模的話，壹面不光滑)；
7)玻璃纖維含量高於噴射成型。
無撚粗紗布約占50%
35%-45%的面料
30-40%短切原絲氈
(4)缺點
1)屬於勞動密集型生產，產品質量由工人的培訓水平決定；；
2)玻璃纖維含量不能太高；樹脂需要低粘度以便於手動處理，並且溶劑/苯乙烯的量高，這限制了其機械和熱性能。
3)手糊用樹脂分子量低；壹般分子量較大的樹脂可能對人的健康和安全有害。
(5)典型產品
船舶、風力發電機葉片、遊樂設備、冷卻塔外殼、建築模型。
2.樹脂傳遞模塑(RTM)
(1)匯總
RTM是壹種閉模低壓成型方法。
將纖維增強材料放置在上模和下模之間；合模並夾緊模具；在壓力下註射樹脂；樹脂固化後，打開模具，取出產品。
在樹脂的凝膠化過程開始之前，樹脂必須被填充到模腔中，並且壓力促使樹脂快速轉移到模具中以浸漬纖維材料。
RTM是低壓系統，樹脂的註射壓力在0.4-0.5MPa到0.5MPa之間。制造高纖維含量(體積比超過50%)的產品時，如航空航天零件，壓力甚至達到0.7MPa。
纖維增強材料有時可以預先在壹個模具中(用粘合劑)預成型，然後註射到第二個模具中。可以選擇可變真空樹脂註射來提高樹脂浸漬纖維的能力。
註意，壹旦纖維材料被樹脂飽和，樹脂註射口應該關閉，以便樹脂可以固化。註射和固化可以在室溫或加熱條件下進行。模具可以由復合材料和鋼鐵材料制成。如果使用加熱過程。應該使用鋼模。
(2)原材料
樹脂:壹般采用環氧、不飽和聚酯、乙烯基酯、酚醛樹脂；加熱時，高溫樹脂也可用作雙馬來酰亞胺樹脂。
法國Vetrotex公司開發了熱塑性樹脂RTM。
纖維:任何。常用的玻璃纖維連續氈、縫合材料(纖維之間的空隙是由樹脂轉移得到的)和無撚粗紗布；玻璃纖維和熱塑性塑料的復合紗線及其織物和片材(Vetrotex商標名TWINTEX，法國)。
芯材:不需要蜂窩，因為蜂窩空間都被樹脂填充，壓力會導致其破壞。可以使用PU、PP、CL、VC等耐溶劑發泡材料。
(3)優勢
1)產品的纖維含量可以很高，不被樹脂浸透的部分很小；
2)閉模成型，生產環境好；
3)勞動強度低，對工人技術熟練程度的要求低於手糊和噴射成型；
4)產品雙面拋光，可以作為表面有膠衣的產品，精度也比較高；
5)成型周期短；
6)產品可以放大；
7)強度可根據設計要求定向；
8)它可以與芯部和插入件壹體形成；
9)與註塑設備和模具相比，成本更低。
(4)缺點
1)不容易做更小的產品；
2)因為壓力的原因，模具比手糊和噴塗工藝用的模具更重更復雜，價格也更高；
3)可能存在未浸漬的材料，導致廢料的浪費。
(5)典型產品
小型飛機和汽車零件、公共汽車座椅、儀器外殼。
3.纖維纏繞
(1)匯總
直接無撚粗紗通常用作增強材料。粗紗設置在筒子架上。粗紗從筒子架上退繞下來，經過張力系統、樹脂罐和卷繞噴嘴，由小車驅動往復運動，卷繞在旋轉的心軸(模具)上。纖維纏繞角度和纖維排列密度根據強度設計，由錠子(模具)速度與臺車往復速度的比值精確控制。固化後將纏繞好的復合產品脫模。
對於壹些端部封閉的產品，不需要脫模，芯模包裹在復合材料產品中作為內襯。
(2)原材料
樹脂:任何。環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和酚醛樹脂。
纖維:任何。無撚粗紗、縫線和無紡布。當生產管和罐時，表面氈和短切原絲經常用作襯裏材料。
核心材料:可用。復合材料產品雖然通常是單殼，但壹般不使用。
(3)優勢
1)由於纖維以合理的線形鋪設並承受載荷，復合材料制品的結構特性可以很高；
2)由於與內襯結合，可以制成耐腐蝕、耐壓、耐熱的產品；
3)可以制造端部封閉的產品；
4)鋪料快速經濟，無撚粗紗，材料成本低；
5)樹脂可用於計量，然後通過擠出或模具控制浸漬纖維的樹脂含量；
6)可在大理生產和自動化；
7)機械成型，復合材料材質和方向性均勻，質量穩定。
(4)缺點
1)產品的形狀限於圓柱形或其他回轉體；
2)纖維不易沿產品長度方向準確排列；
3)對於大型產品，芯棒成本高；
4)成品外觀沒有“成型”，不盡如人意；
5)對於受壓的產品，如果樹脂不合適或者沒有內襯，很容易漏氣。
(5)典型產品
管道、儲罐、氣瓶(消防呼吸氣瓶、壓縮天然氣氣瓶等)。)，固體火箭發動機外殼。
4.反應註射成型
(1)匯總
將兩種或兩種以上的組分在混合區低壓(0.5MPa)混合，然後在低壓(0.5-1.5MPa)下註射到封閉的模具中反應成型，即工藝過程。如果第壹組分是多元醇，第二組分是異氰酸酯，反應將產生聚氨酯。為了增加強度，可以將磨碎的玻璃纖維前體和/或填料直接添加到壹個部件中。該機器可以通過長纖維(例如連續纖維氈、織物、復合氈、短切原絲的預制品等)來增強。)，並且在註射前將長纖維增強材料預先放置在模具中。通過這種方法可以獲得具有高機械性能的產品。這個過程被稱為SRIM(結構反應註射成型)。
(2)原材料
樹脂:常用聚氨酯體系或聚氨酯/尿素混合體系；也可以用環氧、尼龍、聚酯等基本的；
纖維:常用的毛玻璃纖維，長度為0.2-0.4mm；
核心材料:沒有。
(3)優勢
1)制造成本低於熱塑性註塑工藝；
2)可以制造具有復雜開端的大型產品；
3)固化快，適合快速生產。
(4)缺點
使用磨玻璃纖維增強原料價格昂貴，建議用礦物復合材料代替。
(5)主要產品
汽車儀表板、保險杠、建築門、窗、桌子、沙發、電絕緣。
5.拉擠成型
(1)匯總
主要使用玻璃纖維粗紗(使用前提前放在筒子架上)，提供縱向增強(沿生產線方向)。
其他類型的增強材料包括連續的前體氈、織物等。，即補充橫向鋼筋，而表面氈是用來提高成品的表面質量。可以向樹脂中添加填料，以改善材料性能(如阻燃性)並降低成本。
拉擠成型的過程如下
1)用樹脂浸漬玻璃纖維增強材料；
2)玻璃纖維預成型後進入加熱模具進行進壹步浸漬(擠膠)、基礎樹脂固化和復合材料定型；
3)根據需要的長度裁剪型材。目前已經開發出變截面弧形長度方向的拉擠制品成型技術。在拉擠成型中，用樹脂浸漬增強材料有兩種方法:
膠槽浸漬法:通常采用這種方法，即將增強材料浸漬在樹脂槽中，然後進入模具。該方法設備便宜，可操作性好，適用於不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂。
註射浸漬法(圖6):玻璃纖維增強材料進入模具後，被註入模具的樹脂浸漬。該方法適用於生產凝膠時間短、粘度高的樹脂基體，如酚醛樹脂、環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂等。
(2)原材料
樹脂:常用的不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂；
纖維:玻璃纖維無撚粗紗、連續氈、縫合氈、縫合復合氈、織物、玻璃纖維表面氈、聚酯纖維表面氈等。
芯材:壹般不用。目前，聚氨酯泡沫材料用作芯材，連續拉擠框架型材用作保溫墻板。
(3)優勢
1)典型的拉擠速度為0.5-2m/min，效率高，適合大批量生產制造長尺寸產品；
2)樹脂含量可以精確控制；
3)由於纖維是縱向的，體種比可以很高(40%-80%)，所以型材的軸向結構特性可以很好；
4)以粗紗增強為主，原料成本低，可通過多種增強材料組合調整產品的力學性能；
5)產品質量穩定，外觀光滑。
(4)缺點
1)模具成本高；
2)壹般限於生產等截面的產品。
(5)典型產品
建築屋面梁、椽子、門窗框型材、墻板、采油抽油桿、帳篷桿、梯子、橋梁、工具手柄、手機微波站罩、汽車板簧、傳動軸、電纜管、光纖纜芯、魚竿、格柵、汽車空調罩、鐵軌伸縮罩。0}1x p* V
6.真空袋工藝
(1)匯總:
這種方法是手糊法和噴霧法的延伸。將手糊或噴塗的疊層連同模具壹起放入A級樹脂中，用膠袋覆蓋疊層，密封四周，然後用真空泵抽真空，使疊層在不超過1氣壓的壓力下壓實成型。
(2)原材料
樹脂:主要使用環氧樹脂和酚醛樹脂。不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂壹般不使用，因為樹脂中的苯乙烯(交聯劑)被真空泵過度抽出，可能會產生問題；
纖維:同樣的手糊法；
核心材料:任何。
(3)優勢
1)高纖維含量的產品通常可以通過普通的濕法層壓技術獲得；
2)可以制造大尺寸產品；
3)產品是雙面的；
4)與濕法層壓相比，孔隙率較低；
5)由於壓力，樹脂流過結構纖維，纖維可以很好地被樹脂浸漬；
6)有利於操作人員的健康和安全；真空袋減少了固化過程中逸出的揮發性物質。
(4)缺點
1)多出來的工序增加了人工和包材成本；
2)要求操作人員具有較高的技術熟練程度；
3)樹脂混合和含量控制基本上仍然依賴於操作者的技能；
4)生產效率不高。
(5)典型產品
船、賽車、芯材粘接、飛機頭錐天線罩、機翼、方向舵。
7、樹脂膜灌註(RFI-樹脂膜灌註)
(1)匯總
幹強度物體和樹脂片(提供在壹層隔離紙上)交替放置在模具中。該層被真空袋覆蓋，幹燥織物中空氣被真空泵抽空。然後加熱，使樹脂熔化並流入已抽出空氣的織物中，然後在壹段時間後固化。
(2)原材料
樹脂:壹般只用環氧樹脂；？
纖維:任意；
芯材:可以使用多種芯材。由於加工過程中的高溫，PVC泡沫需要特殊處理以避免泡沫損壞。
(3)優勢
1)孔隙率低，能準確獲得高纖維含量；
2)層幹凈，有利於健康安全(像預浸)；
3)成本可以低於預浸法，這是主要優勢；
4)由於樹脂只能通過織物的厚度方向，所以樹脂不會浸透到白斑區域，可以小於思曼復合樹脂浸滲成型工藝。
(4)缺點
1)目前只在航空航天行業使用，尚未普及；
2)雖然航天工業用的蒸壓釜系統總是必不可少的，但復合材料的固化，加熱室和真空袋系統總是必不可少的；
3)模具要能承受樹脂膜片的工藝溫度(低溫固化60-100？c)；
4)要求使用的芯材能承受工藝溫度和壓力；
(5)典型產品
飛機天線罩、軍艦聲納整流罩。
8、預浸料(熱壓罐)成型
(1)匯總
在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，預先用預催化樹脂預浸漬織物和/或纖維。大多數固化劑可以在環境溫度下儲存幾周或幾個月，並且仍然可以以良好的質量使用。當保存期延長時，材料必須儲存在冷凍條件下。樹脂在環境溫度下通常處於臨界固態。所以接觸預浸料時會有輕微的粘連感，像膠帶壹樣。用於制造單向預浸料的纖維直接從筒子架上取下並與樹脂結合。用手工或機械將預浸料鋪在模具表面，通過真空袋抽真空，通常加熱到120-180？丙.允許樹脂回流並最終固化。噴霜的額外壓力通常通過高壓釜(實際上是壓力加熱罐)提供，該高壓釜可以在層上施加高達5個大氣壓的壓力。
(2)原材料
樹脂:通常是環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂和耐高溫樹脂，如聚酰亞胺、氰酸酯、雙馬來酰亞胺樹脂等。；
纖維:任何。雖然在工藝中高溫對芯材有壹定影響，但還是要使用壹些特殊的泡沫芯材。
(3)優勢
1)預浸料制造商可以精確調整樹脂/固化劑的水平以及樹脂在纖維中的含量；可以可靠地獲得高纖維含量。
2)物料對操作者非常安全，對健康沒有任何危害，操作清潔；
3)單向帶纖維成本最低，因為不需要提前將纖維轉化為面料的二次加工；
4)由於制造工藝采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂的化學性能、機械性能和熱性能可以是最合適的；
5)材料有效時間長(常溫下可保證幾個月)，意味著結構可以優化，復合材料易於鋪設；
6)可以實現自動化，節省勞動力。
(4)缺點
1)對於預浸布，材料成本高；
2)通常需要在高壓釜中固化復合材料產品，這成本高、操作慢且產品尺寸有限；
3)模具應能承受工作溫度；
4)核心材料需要承受工作溫度和壓力。
(5)典型產品
飛機結構復合材料(如機翼和尾翼)、衛星和運載火箭結構件(太陽能電池基板、夾層結構板、衛星接口支架、火箭整流罩等。)、賽車、運動器材(如網球拍、滑雪板等。).
9、低溫固化預浸料成型
(1)匯總
低溫固化預浸料完全按照通常的預浸料方法制備，但樹脂的化學性質使其能夠在60-100？在c溫度下固化。60歲？c、物料可操作的保存期可以小到1周，但也可以延長到幾個月。樹脂系統的流動段適合真空袋壓力，避免高壓釜。
(2)材料|
樹脂:壹般只用環氧樹脂；
纖維:任意，與通常的預浸料相同；
核心材料:任何，雖然壹般聚氯乙烯泡沫需要特別註意。
(3)優勢
1)具有(1)-(6)傳統預浸料方法的優點；
2)模具材料更便宜，如木材，因為其固化溫度低；
3)可以容易地制造大型結構。因為只需要真空袋壓力；固化溫度低，可以使用簡單的熱風循環加熱室(現場往往搭建比產品大的加熱室)。
4)普通PVC發泡芯材即可，稍加處理即可；
5)低能耗。
(4)缺點
1)材料成本仍然高於預浸布；
2)需要加熱室和真空袋系統來固化產品；
3)模具應能承受高於環境溫度的溫度(通常為60-100？c)；
4)還是有能耗的，因為需要在高於環境溫度的溫度下固化。
(5)典型產品
高性能風力渦輪機葉片、劃艇、救生艇和火車零件。
10，斯克林普，裂谷，VARTM
圖11草圖、Rift和Vartm。
(1)匯總
Scrimp(西曼復合材料滲透成型工藝-西曼復合材料公司的樹脂滲透成型方法)、Rift(樹脂滲透umder flexibe tooling)和Vartm (VSCUUM輔助傳遞成型-真空輔助樹脂傳遞成型)原理相似。
將織物放入模具中作為幹鋪材料，就像RTM壹樣。然後用剝離保護層和縫合的非結構織物覆蓋。整層用真空袋覆蓋。袋子無滲漏後，讓樹脂流向層壓層。樹脂可以容易地流過未結構化的織物，並分布在整個層中。SCRIMP方法可以在真空袋和層之間放置壓力模塊，這有利於改善產品的外觀和結構密度。
(2)材料
樹脂:環氧樹脂、不飽和聚酯、乙烯基酯樹脂；
纖維:任何壹種普通的織物。這些工藝方法非常好用，因為縫隙使樹脂流動很快；
芯材:除蜂窩外，各種芯材均可。
(3)優勢
1)和RTM壹樣，但是產品只有壹面燈，不像RTM有兩面燈；
2)由於模具壹半是真空袋，主模只需要低強度，所以模具成本很低；
3)可以制造大尺寸產品；
4)對於這些成型方法，可以改進普通的濕鋪層工具；
5)可以在壹次操作中生產芯材料結構。
(4)缺點
1)來完成相對復雜的操作過程；
2)樹脂的粘度必須很低，限制了產品的機械性能；
3)層內樹脂未浸透造成的廢品非常浪費；
SCRIMP的壹些工藝要素受到了專利的限制。
(5)典型產品
半成品船，火車和卡車車身板。