相比傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以來發(fā)展很快。盡管產(chǎn)量小(據(jù)法國Vetrotex公司統(tǒng)計，2003年全球復(fù)合材料達(dá)700萬噸)，但復(fù)合材料的水平已是衡量一個國家或地區(qū)科技、經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的33%與32%，以中國(含臺灣省)、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2003年玻班纖維增強(qiáng)塑料(玻璃纖維與樹脂 復(fù)合的復(fù)合材料、俗稱“玻璃鋼”)逾90萬噸，已居世界第二位(美國2003年為169萬噸，日本不足70萬噸)。
復(fù)合材料主要由增強(qiáng)材料與基體材料兩大部分組成：
增強(qiáng)材料：在復(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相賦于復(fù)合材料的主要力學(xué)性能，如玻璃鋼中的玻璃纖維，CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)中的碳纖維素就是增強(qiáng)材料。
基體：構(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料如玻璃鋼(GRP)中的樹脂(本文談到的環(huán)氧樹脂)就是基體。
按基體材料不同，復(fù)合材料可分為三大類：
樹脂復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料
無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，如陶瓷基復(fù)合材料。
本文討論環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。
1、為什么采用環(huán)氧樹脂做基體？
固化收縮率代低，僅1%-3%，而不飽和聚酯樹脂卻高達(dá)7%-8%；
粘結(jié)力強(qiáng)；
有B階段，有利于生產(chǎn)工藝；
可低壓固化，揮發(fā)份甚低；
固化后力學(xué)性能、耐化學(xué)性佳，電絕緣性能良好。
值得指出的是環(huán)氧樹脂耐有機(jī)溶劑、耐堿性能較常用的酚醛與不飽和聚酯權(quán)勢脂為佳，然耐酸性差；固化后一般較脆，韌性較差。
2、環(huán)氧玻璃鋼性能(按ASTM)
以FW(纖維纏繞)法制造的玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的產(chǎn)品為例，將其與鋼比較。
表1 GF/EPR與鋼的性能比較
| 玻璃含量 | # P9 R6 k4 ^! E1 O, Q* iGF/EPR(玻纖含量80wt%) | . s! a" W9 L( \9 s& l* k8 BAISI1008 冷軋鋼 |
| 相對密度 | 2.08 | 6 U; O/ q+ u0 w( l. f$ A0 K4 q) h& [7.86 |
| 拉伸強(qiáng)度 | % Q4 G) B* e Z" i551.6Mpa | 7 k' a' f1 z( S% q4 g) | a331.0MPa |
| 拉伸模量 | : S9 b- ~8 w2 V8 q27.58GPa | ( C+ ?3 ~4 s8 A1 v7 J& X4 D206.7GPa |
| 伸長率 | / r* `( N$ x# U1.6% | 37.0% |
| 彎曲強(qiáng)度 | 689.5MPa | , K+ f- q1 R s|
| 彎曲模量 | 6 ]. M2 M) Z. p9 t& L6 R34.48GPa | ( b% P" z9 v: \5 H|
| 壓縮強(qiáng)度 | 1 J5 b: u! \% K3 W310.3MPa | 331.0MPa |
| 懸臂沖擊強(qiáng)度 | 2385J/m | |
| 燃燒性(UL-94) | 0 W$ R, U9 y5 IV-O | . w) I$ i1 Z5 q: v! b, I9 y1 p|
| 比熱容 | 535J/kg·k | ! P* e& \. v& U+ Q# S' D233J/kg·k |
| 膨脹系數(shù) | 4.0×10-6k-1 | 6.7×10-6k-1 |
| 熱變形溫度 | 204oC(1.82MPa) | / _) z- L2 c" U$ H) G! q7 K8 I$ A|
| 熱導(dǎo)率 | 2 H( l4 F1 ~' V2 j; B( n1.85W/m·k | 33.7W/m·k |
| 介電強(qiáng)度 | 0 p ^9 ^/ M) _+ U: f11.8×106V/m | |
| 吸水率 | & k! U4 s& o( R, [ y0.5%(24h) | 0 G! l# y2 g: c% v; f) v# q5 n
| 材料名稱 | 密度g/cm3 | 拉伸強(qiáng)度×104MPa | 彈性模量×106MPa | 6 z/ h5 v X" a3 q5 S$ H比強(qiáng)度×106cm | 比模量×109cm |
| 鋼 | / s3 p9 @8 Y& h) B7 v7.8 | $ b' F5 f. ]- q1 D10.10 | ( w6 I+ c) s* O. H20.59 | 6 w4 u. |- x8 \" Z3 G* w3 k& [0.13 | 1 p( l1 x$ P( J; b7 }0.27 |
| 鋁 | 2 n2 d U, a! [" r# x$ k2.8 | 4.61 | 7.35 | 0.17 | 0.26 |
| 鈦 | - B# z' @0 v, y* j* O; R4.5 | + y5 e2 o( C/ K* _9.41 | 9 m: Q. D7 h* B9 c5 S11.18 | 0.21 | ; m, L9 w! A: o( K$ ~# L0.25 |
| 玻璃鋼 | 2 n" d7 [$ W/ v4 N7 e2.0 | 10.40 | 3 Q) d0 B7 s5 A2 P. c) @% \3.92 | 0.53 | 0.21 |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | 1.45 | % E0 f2 X+ }8 X. Y14.71 | 1 L/ w$ J. Y, v0 F. F, T13.73 | 0.21 | |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | : a5 z8 S: p( R. N ^3 I; i1.6 | . i( O$ k* s x! _1049 | 23.54 | 1.5 | |
| 芳綸纖維/環(huán)氧樹脂 | 9 m3 ]# _9 R7 D! Z& j1.4 | 13.73 | + r5 b: k4 Z# ]& r7.85 | 0.57 | |
| 硼纖維/環(huán)氧樹脂 | ( _" e( M: X0 M3 R7 @2.1 | : `; O) n! t& J X4 S: a/ X2 [) ~1 p13.53 | 20.59 | 2 D; g. T% x" ^5 T7 O! |1.0 | |
| 硼纖維/鋁 | 2.65 | 9.81 | 0 W8 A, [3 |4 P) T5 \/ T( I19.61 | 0 l+ m8 y0 ]. b( Y7 w& [, z0.75 |
圖1 復(fù)合材料的比強(qiáng)度與比剛性
二、纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝簡介
1、手糊成型(hand lay up)
$ f' f8 V; ?2 `+ ^
圖2 手糊成型示意圖
(1)概要
依次在模具表面上施加 脫模劑 膠衣
一層粘度為0.3-0.4PaS的中等活性液體熱固性樹脂(須待膠衣凝結(jié)后)
一層纖維增強(qiáng)材料(玻纖、芳綸、碳纖維......)，纖維增強(qiáng)材料有表面氈、無捻粗紗布(方格布)等幾種。以手持輥?zhàn)踊蛩⒆邮箻渲n纖維增強(qiáng)材料，并驅(qū)除氣泡，壓實(shí)基層。鋪層操作反復(fù)多次，直到達(dá)到制品的設(shè)計厚度。
樹脂因聚合反應(yīng)，常溫固化。可加熱加速固化。
(2)原材料
樹脂 不飽和聚酯樹脂、已烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。
纖維 玻纖、碳纖、芳綸等。雖然厚的芳綸織物難于手工將樹脂浸透，亦可用。
芯材 任意。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)適合少量生產(chǎn)；
2)可室溫成型，設(shè)備投資少，模具折舊費(fèi)低；
3)可制造大型制品和型狀復(fù)雜產(chǎn)品；
4)樹脂和增強(qiáng)材料可自由組合，易進(jìn)行材料設(shè)計；
5)可采用加強(qiáng)筋局部增強(qiáng)，可嵌入金屬件；
6)可用膠衣層獲得具有自由色彩和光澤的表面(如開模成型則一面不平滑)；
7)玻纖含量較噴射成型高。
無捻粗紗布50%左右
織物 35%-45%
短切原絲氈30%-40%
(4)缺點(diǎn)
1)屬于勞動密集型生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量由工人訓(xùn)練程度決定；
2)玻纖含量不可能太高；樹脂需要粘度較低才易手工操作，溶劑/苯乙烯量高，力學(xué)與熱性能受限制；
3)手糊用樹脂分子量低；通?？赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。
(5)典型產(chǎn)品
艦艇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、游樂設(shè)備、冷卻塔殼體、建筑模型。
2、樹脂傳遞成型(RTM)
, j9 r! h1 B$ h
圖3 樹脂傳遞成型示意圖
(1)概要
RTM是一種閉模低壓成型的方法。
將纖維增強(qiáng)材料置于上下模之間；合模并將模具夾緊；在壓力下注射樹脂；樹脂固化后打開模具，取下產(chǎn)品。
樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模個內(nèi)，浸漬纖維材料。RTM是一低壓系統(tǒng)，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當(dāng)制造高纖維含量(體積比超過50%)的制品，如航空航天用零部件時，壓力甚至達(dá)0.7MPa。
纖維增強(qiáng)材料有時可預(yù)先在一個模具內(nèi)預(yù)成型大致形狀(帶粘結(jié)劑)，再在第二個模具內(nèi)注射成型。為了提高樹脂浸透纖維能力，可選擇真空輔助注射(VARI- vacuum saaistedrsin injection)。注意樹脂一經(jīng)將纖維材料浸透，樹脂注口要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進(jìn)行。模具可以復(fù)合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝。宜用鋼模。
(2)原材料
樹脂：一般多用環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛；當(dāng)加溫時，高溫樹脂臺雙馬列來酰亞胺樹脂亦可用。
法國 Vetrotex公司開發(fā)了熱塑性樹脂RTM。
纖維：任意。常用玻纖連續(xù)氈、縫編材料(其纖維間的縫隙得于樹脂傳遞)、無捻粗紗布；玻纖與熱塑性塑料的復(fù)合紗及其織物與片材(法國Vetrotex商品名TWINTEX)。
芯材：不用蜂窩，因蜂窩空格全被樹脂填滿，壓力會導(dǎo)致其破壞?？捎媚腿軇┌l(fā)泡材料PU、PP、CL、VC等。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)制品纖維含量可較高，未被樹脂浸得部分非常少；
2)閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；
3)勞動強(qiáng)度低，對工人技術(shù)熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低；
4)制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高；
5)成型周期較短；
6)產(chǎn)品可大型化；
7)強(qiáng)度可按設(shè)計要求具有方向性；
8)可與芯村、嵌件一體成型；
9)相對注射設(shè)備與模具成本較低。
(4)缺點(diǎn)
1)不易制作較小產(chǎn)品；
2)因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和復(fù)雜，價位也高一些；
3)能有未被浸漬的材料，導(dǎo)致邊角料浪費(fèi)。
(5)典型產(chǎn)品
小型飛機(jī)與汽車零部件、客車座椅、儀表殼
3、纖維纏繞(FW)
# p. k8 V' ~7 d4 Q% u3 s3 n& q
圖4纖維纏繞示意圖
(1)概要
通常采用直接無捻粗紗作為增強(qiáng)材料。粗紗排列在紗架上。粗紗自紗架上退繞，通過張力系統(tǒng)、樹脂槽、繞絲嘴，由小車帶動其往復(fù)移動并纏繞在回轉(zhuǎn)的芯軸(模) 上。纖維纏繞角度與纖維排列密度根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計，并由芯軸(模)轉(zhuǎn)速與小車往復(fù)速度之比，精確地控制。固化后將纏繞的復(fù)合材料制品脫模。
對某些兩端密閉的產(chǎn)品不用脫模，芯模即包在復(fù)合材料產(chǎn)品內(nèi)，作為內(nèi)襯。
(2)原材料
樹脂：任意。環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛樹脂。
纖維：任意。無捻粗紗、縫編和無紡織物。生產(chǎn)管罐時，常用表面氈、短切原絲作為內(nèi)襯材料。
芯材：可用。雖然復(fù)合材料制品通常是單一殼體，一般不用。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)因為纖維逕直以合理的線形鋪設(shè)，承擔(dān)負(fù)荷，故復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)特性可非常高；
2)由于同內(nèi)襯層組合，可制得耐腐蝕、耐壓、耐熱的制品；
3)可制造兩端封閉的制品；
4)鋪放材料快、經(jīng)濟(jì)、用無捻粗紗，材料費(fèi)用低；
5)可采用樹脂計量，然浸膠后的纖維通過擠膠或口模，控制樹脂含量；
6)可大理生產(chǎn)和自動化；
7)機(jī)械成型，復(fù)合材料材質(zhì)及方向性均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。
(4)缺點(diǎn)
1)制品形狀限于圓柱形或其它回轉(zhuǎn)體；
2)纖維不易沿制品長度方向精確排列；
3)對于大型制品，芯模成本高；
4)成品外表不是“模制”的，不盡人意；
5)對于承受壓力的制品，如選擇樹脂不合適或無內(nèi)襯，就易發(fā)生滲漏。
(5)典型產(chǎn)品
管道、貯罐、氣瓶(消防呼吸氣瓶、壓縮天然氣瓶等)、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體。
4、RIM(Reaction Injection Molding-反應(yīng)注射成型)
圖5RIM示意圖
(1)概要
將兩種或兩種以上的組分在混合區(qū)低壓(0.5MPa)混合后，即在低壓(0.5-1.5MPa)下注射到閉模中反應(yīng)成型，此即為工藝過程。若組分一為多元醇，一為異氰酸酯，則反應(yīng)生成聚氨酯。為增加強(qiáng)度，可直接在一種組分內(nèi)行加入磨碎玻纖原絲和(或)填料。弈可采用長纖維(如連續(xù)纖維氈、織物、復(fù)合氈、短切原絲等的預(yù)成型物等)增強(qiáng)，在注射前，將長纖維增強(qiáng)材料預(yù)先置模具內(nèi)。用此法可得到高力學(xué)性能的制品。這種工藝稱為SRIM(Structural Reaction Injection Molding-結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型)。
(2)原材料
樹脂：常用聚氨酯體系或聚氨酯/脲混合體系；亦可采用環(huán)氧、尼龍、聚酯等基本；
纖維：常用長0.2-0.4mm的磨碎玻璃纖維；
芯材：不用。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)制造成本比熱塑性塑料注射工藝低；
2)可制造大尺寸、開頭復(fù)雜的產(chǎn)品；
3)固化快，適于快速生產(chǎn)。
(4)缺點(diǎn)
采用磨碎玻璃纖維增強(qiáng)原料費(fèi)用高，薦用礦物復(fù)合材料取代之。
(5)主要產(chǎn)品
汽車儀表盤、保險杠、建筑門、窗、桌、沙發(fā)、電絕緣件。
5、拉擠成型 (Pultrusion)
(1)概要
主要采用玻璃纖維無捻粗紗(使用前預(yù)先放置在紗架上)，它提供縱向(沿生產(chǎn)線方向)增強(qiáng)。其它類型的增強(qiáng)有連續(xù)原絲氈、織物等，它們補(bǔ)充橫向增強(qiáng)，表面氈則用于提高成品表面質(zhì)量。樹脂中可加入填料，改進(jìn)型材料性能(如阻燃)，并降低成本。
拉擠成型的程序是
1)使玻璃纖維增強(qiáng)材料浸漬樹脂；
2)玻璃纖維預(yù)成型后進(jìn)入加熱模具內(nèi)，進(jìn)一步浸漬(擠膠)、基本樹脂固化、復(fù)合材料定型；
3)將型材按要求長度切斷。
現(xiàn)在已有變截面的、長度方向呈弧型的拉擠制品成型技術(shù)。
拉擠成型將增強(qiáng)材料浸漬樹脂有兩種方式：
膠槽浸漬法：通常采用此法，即將增強(qiáng)材料通過樹脂槽浸膠，然后進(jìn)入模具。此法設(shè)備便宜作業(yè)性好，適于不飽和聚酯樹脂，乙烯基酯樹脂。
注入浸漬法(圖6)：玻纖增強(qiáng)材料進(jìn)入模具后，被注入模具內(nèi)的樹脂所浸漬。此法適于凝膠時間短、粘度高、生產(chǎn)附產(chǎn)物的樹脂基體，如酚醛、環(huán)氧、雙馬來酰亞胺樹脂。
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圖6注入浸漬法
(2)原材料
樹脂：常用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂；
纖維：拉擠用玻璃纖維無捻粗紗、連續(xù)氈、縫編氈、縫編復(fù)合氈、織物、玻纖表面氈、聚酯纖維表面氈等；
芯材：一般不用，現(xiàn)有以PU發(fā)泡材料為芯材，外為連續(xù)拉擠框型型材，作為保溫墻板的。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)典型拉擠速度0.5-2m/min，效率較高，適于大批量生產(chǎn)，制造長尺寸制品；
2)樹脂含量可精確控制；
3)由于纖維呈縱向，且體種比可較高(40%-80%)，因而型材軸向結(jié)構(gòu)特性可非常好；
4)主要用無捻粗紗增強(qiáng)，原材料成本低，多種增強(qiáng)材料組合使用，可調(diào)節(jié)制品力學(xué)性能；
5)制品質(zhì)量穩(wěn)定，外觀平滑。
(4)缺點(diǎn)
1)模具費(fèi)用較高；
2)一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。
(5)典型產(chǎn)品
建筑屋頂橫梁、椽子、門窗框架型材、墻板、石油開采抽油桿、帳篷竿、梯子、橋梁、工具把、手機(jī)微波站罩殼、汽車板簧、傳動軸、電纜管、光纖光纜芯、釣魚竿、隔柵、汽車空調(diào)器罩、擴(kuò)軌罩。
6、真空袋法法成型(Vacuum bag process)
圖7真空袋法成示意圖
(1)概要
此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在樹脂的A階段與模具在一 起，在積層上覆以橡膠袋，周邊密封，在后用真空泵抽真空，積層從而受到不大于1個氣壓的壓力，而被壓實(shí)、成型。
(2)原材料
樹脂：主要采用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。不飽和聚酯樹脂與乙烯基酯樹脂則因真空泵將樹脂中的苯乙烯(交聯(lián)劑)過度抽出，可能會造成問題，故一般不用；
纖維：同手糊法；
芯材：任意。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)采用普通的濕法鋪層技術(shù)，通?？色@得高纖維含量的制品；
2)可制造大尺寸產(chǎn)品；
3)產(chǎn)品兩面光；
4)較濕法鋪層浸膠孔隙率低；
5)由于壓力，樹脂流經(jīng)結(jié)構(gòu)纖維，纖維得以較好地浸漬樹脂；
6)有利于操作人員健康和安全；真空袋減少了固化時逸出的揮發(fā)性物質(zhì)。
(4)缺點(diǎn)
1)額外的工藝過程增加了勞動力和袋材成本；
2)要求操作人員有較高的技術(shù)熟練水平；
3)樹脂混合和含量控制基本上仍然取決于操作人員的技術(shù)；
4)生產(chǎn)效率不高。
(5)典型產(chǎn)品
艇、賽車、芯材粘結(jié)、飛機(jī)鼻錐雷達(dá)罩、機(jī)翼、方向舵。
7、樹脂膜熔浸成型(RFI-Resin Film Infusion)
& ^& A1 H" Z9 v6 h
圖8樹脂膜熔浸成型示意圖
(1)概 要
將干強(qiáng)物與樹脂片(樹脂片系放在一層脫模紙上提供)交替鋪放在模具內(nèi)。鋪層被真空袋包覆，藉真空泵抽真空，將干織物內(nèi)空氣抽出。然后加熱，令樹脂熔化并流浸已抽出空氣的織物，然后經(jīng)過一事實(shí)上時間即固化。
(2)原材料
樹脂：一般僅用環(huán)氧樹脂；
纖維：任意；
芯材：許多種芯材都可以使用，由于工藝過程中溫度高，對PVC泡沫需要專門處理，以免泡沫損壞。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)空隙率低，可精確獲得高的纖維含量；
2)鋪層清潔，有利于健康和安全(似預(yù)浸)；
3)可較預(yù)浸法成本低，此為主要的優(yōu)點(diǎn)；
4)由于樹脂僅能過織物厚度方向傳遞，故樹脂未浸到白斑區(qū)可較SCRIMP(西曼復(fù)合材料公司樹脂參入成型法—Seeman Composite Resin Infusion Molding Process)少。
(4)缺點(diǎn)
1)目前僅用于宇航工業(yè)，還未推廣；
2)雖然宇航工業(yè)用高壓釜系統(tǒng)產(chǎn)非總是需要，但加熱室和真空袋系統(tǒng)對于復(fù)合材料固化，總是不可少的；
3)模具要求能經(jīng)受樹脂膜片的工藝溫度(低溫固化即需60-100oC)；
4)要求所用芯材能經(jīng)受工藝溫度和壓力；
(5)典型產(chǎn)品
飛機(jī)雷達(dá)罩、艦艇聲納整流罩。
8、預(yù)浸料(高壓釜)成型
圖9 預(yù)浸料高壓釜法示意圖
(1)概要
預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和(或)纖維預(yù)先用預(yù)催化樹脂預(yù)浸漬。固化劑大多能在環(huán)境溫度下，讓預(yù)浸材料貯存幾周或幾個月，仍能保質(zhì)使用。當(dāng)要延長保持期，材料須在冷凍條件下貯存。樹脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)。故觸摸預(yù)浸材料時有輕微的黏附感，象膠帶似的。制作單向預(yù)浸漬材料的纖維直接由紗架下來，與樹脂結(jié)合。預(yù)浸漬材料用手或機(jī)械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，并通常加熱到120-180oC。使樹脂重新流動，并最終固化。盛開附加壓力通常藉助高壓釜(實(shí)際上是一座壓力加熱罐)提供，它能對鋪層施加達(dá)5個大氣壓的壓力。
(2)原材料
樹脂：通常用環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂及高溫樹脂，如聚酰亞胺、氰酸酯、雙馬來酰亞胺樹脂等；
纖維：任意。雖然由于在工藝過程中，高溫分對芯材有些影響，需要采用某些專門的泡沫芯材。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)預(yù)浸材料制造人員可精確地調(diào)整樹脂/固化劑水平和樹脂在纖維中的含量；可以可靠地得到高纖維含量。
2)材料于操作人員十分安全，無礙健康，操作清潔；
3)單向帶纖維成本最低，因為毋須將纖維預(yù)先轉(zhuǎn)為織物的二次加工過程；
4)由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學(xué)性能力學(xué)和熱性能可以是最適宜的；
5)材料有效時間長(室溫下可保質(zhì)數(shù)月)，這意味著可優(yōu)化結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料易鋪層；
6)可能實(shí)現(xiàn)自動化和節(jié)省勞動力。
(4)缺點(diǎn)
1)對于預(yù)浸織物，材料成本高；
2)通常要對高壓釜固化復(fù)合材料制品，耗費(fèi)大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；
3)模具需能承受作業(yè)溫度；
4)芯材需要承受作業(yè)溫度和壓力。
(5)典型產(chǎn)品
飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(如機(jī)翼和尾翼)、衛(wèi)星與運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)件(太陽能電池基板、夾層結(jié)構(gòu)板、衛(wèi)星接口支架、火箭整流罩等)、賽車、運(yùn)動器材(如網(wǎng)球拍、滑雪板等)。
9、低溫固化預(yù)浸料成型
圖10 低溫固化預(yù)浸料成型示意圖
(1)概要
低溫固化預(yù)浸料完全按通常的預(yù)浸料方法制備，但樹脂的化學(xué)性質(zhì)使其得以在60-100oC溫度下固化。在60oC時，材料可操作保持期可小到限于1個星期，但亦可延長到幾個月。樹脂系統(tǒng)的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用高壓釜。
(2)材料
樹脂：一般僅采用環(huán)氧樹脂；
纖維：任意，同通常的預(yù)浸料；
芯材：任意，雖然一般 的PVC泡沫需要特別注意。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)具有傳統(tǒng)預(yù)浸料法所具備的(1)-(6)條優(yōu)點(diǎn)；
2)模具材料較便宜，如木材亦可用，因其固化溫度較低故；
3)可容易地制造大型結(jié)構(gòu)。因為僅需真空袋壓力；固化溫度低，可采用簡單的熱空氣循環(huán)加熱室(經(jīng)常就地建造大于制品的加熱室 )；
4)可采用普通的PVC泡沫芯材，略作處理即可；
5)能耗低。
(4)缺點(diǎn)
1)材料成本仍高于預(yù)浸織物；
2)需加熱室和真空袋系統(tǒng)，以固化制品；
3)模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度(常用60-100oC)；
4)仍有能耗，因需高于環(huán)境溫度固化。
(5)典型產(chǎn)品
高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、賽艇、救生艇、火車用零部件。
10、SCRIMP,RIFT,VARTM
圖11 SCRIMP,RIFT,VARTM示意圖
(1)概要
SCRIMP(Seeman Composite Infusion Molding Process—西曼復(fù)合材料公司樹脂滲透成型法),RIFT(Resin Infusion umder Flexibe Tooling—柔性模具樹脂滲透法) ,VARTM(Vscuum Assisted Transfer Molding—真空輔助樹脂傳遞成型)這三種工藝原理相似。將織物作為干鋪層材料入模內(nèi)，如同RTM。然后覆以剝離保護(hù)層和縫編非結(jié)構(gòu)織物。整個鋪層用真空袋覆罩好。袋無滲漏后，讓樹脂流到積層。樹脂很容易流經(jīng)非結(jié)構(gòu)織物而在整個鋪層分布。SCRIMP法在真空袋與鋪層之間可置加壓模塊，利于提高制作表觀與結(jié)構(gòu)密實(shí)度。
(2)材料
樹脂：常和環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂；
纖維：任意種類普通織物。這些工藝方法縫編材料很好用，因其間隙使得樹脂快速流動；
芯材：除蜂窩外，各種芯材均可用。
(3)優(yōu)點(diǎn)
1)同RTM，但制品僅一面光，不似RTM兩面光；
2)由于模具一半是真空袋，主模具僅需較低強(qiáng)度，故模具成本甚低；
3)可制造大尺寸產(chǎn)品；
4)通常的濕法鋪層工具可改進(jìn)以用于這些成型法；
5)一次作業(yè)即可生產(chǎn)芯材結(jié)構(gòu)。
(4)缺點(diǎn)
1)要完成好相對復(fù)雜的操作過程；
2)樹脂粘度必須非常低，限制了制品的力學(xué)性能；
3)鋪層未浸到樹脂而造成的廢品浪費(fèi)甚大；
4) SCRIMP的一些工藝要素已被專利所限。
(5)典型產(chǎn)品
小艇半成品、列車和卡車車身面板。
三、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用
環(huán)氧樹脂是先進(jìn)復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的樹脂體系，它可適用于多種成型工藝，可配制成不同配方，可調(diào)節(jié)粘度范圍大；以便適應(yīng)于不同的生產(chǎn)工藝。它的貯存壽命長，固化時不釋出揮發(fā)物，固化收縮率低，固化后的制品具有極佳的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐熱、耐濕性能和高的絕緣性，因此，目前環(huán)氧樹脂統(tǒng)治著高性能復(fù)合材料的市場。
(一)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在航空工業(yè)中應(yīng)用
40年代初，電子工業(yè)的需要，尋找一種適宜的材料，做防護(hù)軍用飛行器的雷達(dá)天線，特別是防護(hù)戰(zhàn)斗機(jī)及轟炸機(jī)上的雷達(dá)天線。采用雷達(dá)罩是用來防護(hù)氣候?qū)茈娮觾x器的影響。玻璃鋼具有優(yōu)良的透雷達(dá)波性能，足夠的機(jī)械強(qiáng)度和簡便的成型工藝，使它成為理想的雷達(dá)罩材料。這是歷史上第一次采用玻璃鋼制造雷達(dá)罩，同時又大大地促進(jìn)了玻璃鋼材料的研究。
60年代玻璃鋼技術(shù)在直升機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用有所突破，如西德M．B．B．公司研制玻璃鋼旋翼槳葉，逐步取代金屬鋁蒙皮／鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的金屬槳葉。但由于玻璃鋼的模量低，不能制造高強(qiáng)度的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。
70年代初，隨著硼纖維、碳纖維、芳綸纖維等相繼出現(xiàn)，這些高級增強(qiáng)纖維的比剛度、比強(qiáng)度、耐疲勞性能等優(yōu)于金屬材料，由它們來增強(qiáng)環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，已在飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)件(主受力件)上得到應(yīng)用。
近10多年來，考慮到這些高級增強(qiáng)纖維的價格都比較高，為了更合理的用材，大力開發(fā)混雜復(fù)合材料(Hybrid Composites)的研究。
以復(fù)合材料在飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用為代表。美國兩家噴氣發(fā)動機(jī)制造廠：通用電器—飛機(jī)發(fā)動機(jī)事業(yè)集團(tuán)公司(GE—AEBG)和普惠公司，以及其它一些二次承包公司，都在用高性能復(fù)合材料取代金屬制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)零部件。如發(fā)動機(jī)艙系統(tǒng)的許多部緊推力反向器、風(fēng)扇罩、風(fēng)扇出風(fēng)道導(dǎo)流片等都用復(fù)合材料制造。如發(fā)動機(jī)進(jìn)口氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)混料(E707A)疊鋪而成，它具有耐177℃高溫的熱氧化穩(wěn)定性科殼表面光滑如鏡面，有利于形成層流。又如FW 4 0O0型發(fā)動機(jī)有8 0個149℃的高溫空氣噴口導(dǎo)流片也是用碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料制造的。
在316℃這一極限溫度以下的環(huán)境中，復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于金屬，而且經(jīng)濟(jì)效益高。據(jù)波音公司估算，噴氣客機(jī)重量每減輕一磅，是飛機(jī)在整個使用期限內(nèi)可節(jié)省 100 0美元。據(jù)法布萊特公司估算，美國第年約有100萬磅復(fù)合材料用于制造噴氣飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件，銷售額高達(dá)5000萬美元。
目前環(huán)氧樹脂的連續(xù)使用溫度最高約在280℃以下，近來DOW化學(xué)公司的一種多功能團(tuán)環(huán)氧樹脂Tactlx742，用二氨基二苯砜固化劑；制成的制品玻璃化溫度Tg＞310℃，可用于制造噴氣發(fā)動機(jī)零件。
(二)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在航天工業(yè)中的應(yīng)用
宇航技術(shù)對結(jié)構(gòu)材料高比模量、高比強(qiáng)度的要求，特別嚴(yán)格，使先進(jìn)復(fù)合材料成為宇航技術(shù)必需的材料。作為結(jié)構(gòu)材料的基作樹脂基本上都采用環(huán)氧樹脂。其主要的應(yīng)用范圍如下：
1、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體
在50年代末，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體取代鋼殼，使結(jié)構(gòu)減輕50％一60％。后來，“三叉戟1”、 M X的三級發(fā)動機(jī)殼體全部采用芳綸／環(huán)氧樹脂體系，重量又比玻璃鋼的同尺寸殼體減輕50％。
在阿里安運(yùn)載火箭許多結(jié)構(gòu)件均用碳纖維／環(huán)氧樹脂制造。
2．戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用
美國已采用JFRP作彈頭結(jié)構(gòu)殼體、儀器艙、級間段等50多個分系統(tǒng)部件。據(jù) 洛克希德導(dǎo)彈與宇航公司稱用碳纖維／環(huán)氧樹脂制造的機(jī)構(gòu)取代鋁結(jié)構(gòu)，可使結(jié)構(gòu)減輕40％。
3、衛(wèi)星和宇航器上的結(jié)構(gòu)應(yīng)用
衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要，所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重量要求很嚴(yán)。國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減重23kg (約占3O％),可使有效載荷艙增加 450條電話線路，僅此一項盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。美、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量不到總重的10％，其原因就是廣泛使用了先進(jìn)復(fù)合材料。
4．航天飛機(jī)上的應(yīng)用
美國航天飛機(jī)上使用的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料總重約2噸，采用先進(jìn)復(fù)合材料后減重410kg，而且明顯減少了飛行過程中因復(fù)雜的溫度環(huán)境引起的變形。航天飛機(jī)進(jìn)入軌道后，用機(jī)械手投放和回收衛(wèi)星，機(jī)械手上臂、前臂是用超高模量石墨纖維 GY— 7 0增強(qiáng)環(huán)氧制成的。
總之，復(fù)合材料已成為宇航工業(yè)中不可缺少的關(guān)鍵材料。
(三)環(huán)氧復(fù)合材料在民用工業(yè)中的應(yīng)用
凡是對機(jī)械強(qiáng)度要求高的增強(qiáng)塑料制品基本上采用環(huán)氧樹脂作為基體。
1、玻璃鋼的壓力容 器和管道
我國西安、北京、重慶、自貢已生產(chǎn)汽車用壓縮天然氣(CNG)瓶，北京已成為現(xiàn)在使用CNG公交車最多的城市。
國內(nèi)已經(jīng)有4家企業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧玻璃鋼高壓管。
60年代國內(nèi)鋼瓶十分緊張，采用纖維纏繞成型制造玻璃鋼氣瓶相當(dāng)活躍，曾制定過部頒標(biāo)準(zhǔn)FC194-74，90R年修改后制定ZBQ23004一90。玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器，以環(huán)氧樹脂和616酚醛樹脂體系為基體，40立升氣瓶使用壓力為 12MPa，使用壽命5年以上。上海材料研究所和臨安玻璃鋼廠合作，也采用纖維纏繞成型工藝，而使用環(huán)氧樹脂一二甲基咪唑體系，其性能不亞于環(huán)氧一酚醛樹脂體系。用此配方制成水研用的壓力容器。
2、玻璃鋼電機(jī)護(hù)環(huán)、套環(huán)等
護(hù)環(huán)套裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端，保護(hù)轉(zhuǎn)子線圈的端部，防止在高速旋轉(zhuǎn)時，受離心力作用它是發(fā)電機(jī)受力最大的部件之一，對強(qiáng)度和模量要求比較高，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料可以取代無鎳反磁合金鋼。 60年代末國內(nèi)先后生產(chǎn)1. 25W千瓦和2. 5萬千瓦兩種發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)。后者由北京重型電機(jī)廠、杭州玻璃鋼化工設(shè)備廠和上海材料研究所等單位合作，選用高強(qiáng)度(S)玻璃纖維和高模量(M)玻璃纖維進(jìn)行纏繞，用62O7(脂環(huán)族)環(huán)氧樹脂一酸酐體系樹脂配方和 AFG— 9 0環(huán)氧樹脂(縮水甘油胺型)—— HK—0 21酸酐體系作為基體，使用多年情況良好。
玻璃鋼套環(huán) 3 0 00千瓦以下的在杭州玻璃鋼化工設(shè)備廠生產(chǎn)，已在北京重型電機(jī)廠安裝出廠30年，屬于定型產(chǎn)品。
此外，發(fā)電機(jī)定子線圈端都支撐環(huán)，裝在定子線圈的鼻端，承受最大載荷是發(fā)電機(jī)發(fā)生短路的瞬間，亦采用玻璃鋼制造，稱為玻璃鋼綁環(huán)。這種綁環(huán)安裝在10萬千瓦的氣輪發(fā)電機(jī)上，已使用20余年。在國內(nèi)最大的60萬千瓦發(fā)電機(jī)用的玻璃鋼錐殼(其作用類似于支撐環(huán))也是用了10多年。
玻璃鋼絕緣子，有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。絕緣子的作用是把帶電線路或帶電零部件之間隔開，既要求絕緣又要求高強(qiáng)度，電絕緣何耐腐(室外用)，采用玻璃鋼很適用。國外在露天的22萬伏輸電桿上的絕緣于已采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼成批生產(chǎn)。
3、防腐蝕制品
通常不飽和聚酯樹脂玻璃鋼的力學(xué)性能在45℃以上強(qiáng)度就會明顯下降，同時不飽和聚酯樹脂耐堿性較差。如果在防腐蝕制品中要求強(qiáng)度高，耐溫性好等則建議選用環(huán)氧玻璃鋼。如上海市上鋼二廠，在生產(chǎn)硫酸鐵過程中，反應(yīng)槽需要連續(xù)在120℃使用，選用環(huán)氧玻璃鋼取得了很滿意的效果。這種耐高溫的反應(yīng)槽是由臨安玻璃鋼廠制造的。
4、玻璃鋼模具
(1)玻璃鋼鑄造模具
用玻璃鋼制成的鑄造模具，比木模、鋁模的效果好的多，使用壽命長，通常在萬次以上，價格也比較便宜。
(2)玻璃鋼制品模具
采用噴射成型、樹脂傳遞模塑( RTM)成型所需的制品模具，通常都用不飽和聚酯玻璃鋼模具。筆者建議采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼模具更好，具有模具強(qiáng)度高、使用壽命長、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片
我國做到長23m，國外已經(jīng)超過50m。
6、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)
7、運(yùn)動器材
高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、壁球拍、滑雪板、漁具、自行車架等。
四、我國環(huán)氧樹脂市場分析
據(jù)統(tǒng)計，2003年中國大陸環(huán)氧樹脂產(chǎn)量25萬噸，比上年增長25%；進(jìn)口19.88萬噸，比上年增長23%；出口3.558萬噸，比上年增長81%，表現(xiàn)消費(fèi)量41.322萬噸，比上年增長21%。
市場比例為：
涂料 45%
電子電器 36%
復(fù)合材料 5%
粘結(jié)劑 -7%
其它(交聯(lián)劑等) -7%
2003年我國大陸生產(chǎn)高壓玻璃鋼環(huán)氧管3000噸，約用環(huán)氧樹脂1300噸。建筑結(jié)構(gòu)采用CF(碳纖維)補(bǔ)強(qiáng)用環(huán)氧樹脂5 00噸。
絕緣棒管生產(chǎn)2000噸，用環(huán)氧樹脂1000噸。
2003年生產(chǎn)環(huán)氧玻璃鋼2萬噸，采用環(huán)氧樹脂9000余噸。
2003年生產(chǎn)玻璃纖維基覆銅板14萬噸，采用環(huán)氧樹脂6.15萬噸。2004年可增長3O％以上。所用環(huán)氧樹脂將達(dá)8萬噸。
2003年用于生產(chǎn)乙烯基酯樹脂(VER)采用環(huán)氧樹脂2900噸。
國產(chǎn)樹脂的質(zhì)量穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高，因而國內(nèi)一些復(fù)合材料廠家在生產(chǎn)要求性能較高的產(chǎn)品(如絕緣棒、絕緣管)時，常采用陶氏(DOW)，殼牌(Shell)、巴克立特(Bakelite)等國外公司的產(chǎn)品。
繼美國陶氏化學(xué)在江蘇省張家港市建設(shè)一年產(chǎn)能4．1萬噸環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廠后并擬建一年產(chǎn)能 4萬噸的廠；韓國國都化學(xué)正在昆山建一年產(chǎn) 2萬噸的環(huán)氧樹脂廠，并擬再建一年產(chǎn)2萬噸環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)線。
臺塑子公司宏仁集團(tuán)引進(jìn)日本東都化成技術(shù)在廣州興建了年產(chǎn)能2.3萬噸的環(huán)氧樹脂廠。日本鋼鐵化學(xué)公司子公司Tohto Kasei公司轉(zhuǎn)讓技術(shù)給黑龍江省齊華化學(xué)公司建一年產(chǎn)能2萬噸的環(huán)氧樹脂廠。
值得補(bǔ)充的是，環(huán)氧樹脂還可用于文物保護(hù)。在長江三峽的國家級重點(diǎn)文物重慶市云陽縣張飛廟(張桓侯廟)整體搬遷過程中，大量殘損磚石是以環(huán)氧樹脂粘結(jié)修補(bǔ)或灌注成型定型 ，使這座始建于三國蜀漢末年(距今 1780年)的古建筑得以回復(fù)留存。
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