复合材料工学

1. 复合材料工学 主讲人：王晓钧 材料科学与工程学院 文库专用

2. 目 录 1、绪论6、夹层结构 2、玻璃纤维表面处理7、模压成型 3、热固性树脂工艺性能8、缠绕成型 4、手糊成型9、挤出注射成型 5、喷射成型10、连续成型 课间休息 文库专用

3. 复合材料分类 金属基复合材料 树脂基复合材料 无机非金属基 绪 论 文库专用

4. 金属基复合材料 硼/铝复合材料 碳化硅纤维/铝复合材料 金属基复合材料 文库专用

5. 树脂基复合材料 玻璃/酚醛 高硅氧/酚醛 涤纶/酚醛 碳/酚醛 碳/环氧 蜂窝夹层结构复合材料 经编复合材料 多维整体编织织物复合材料 耐高温树脂基复合材料 特种不燃防（隔）热材料 文库专用

6. 无机非金属基复合材料 碳基复合材料： 整体毡碳/碳 低密度碳/碳 多维整体编织碳/碳 陶瓷基复合材料： 石英织物增强复合材料 高硅氧织物增强复合材料 文库专用

7. 复合材料的发展概况 1932年 诞生于美国 42~45年 手糊军用雷达罩，远航飞机油箱材料 玻纤增强聚酯树脂。 44年 飞机机身、机翼 与上述改进：玻钢夹层结构 46年 纤维缠绕成型 50年 压制成型，直升机螺旋桨 49年 玻纤预混，对模压制成型 文库专用

8. 60年代 机械式，计算机缠绕 玻纤、聚酯树脂喷射成型 61年 德国，片状模塑料（SMC）问世 63年 FRP板材工业化生产，美、法、日 60年代中 美、日SMC汽车部件，浴盆，船上构件 60年代 棒材、细管、定型截面制品 70年代 拉挤，环向缠绕 树脂反应注射成型（RIM） 增强树脂反应注射成型（RRIM） 卫生器具，汽车零件 文库专用

9. 72年 美国PPG公司，热塑性片状模塑料 (SMTC) 80年 法国，湿法热塑性片状模塑料(GMT) 60~80年代 离心浇铸成型，瑞士 美国，大口负压管道 发展领域 军→民 美国 民→军 西欧 文库专用

10. 主要国家1990年CM产量 文库专用

11. 应用范围 建筑 轻型房屋（日本） 装饰（雕塑、装饰件） 卫生洁具（淋浴室） 冷却塔（中国可见） 贮水箱（中国上海可见） 波形瓦（样品） 塑钢门窗 落水系统（落水管、雨蓬） 地面，墙布，桌椅，卫生桶 文库专用

12. 化学工业 防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架 交通 汽车构件、铁路客车、通讯器材、 高速公路格栅 造船 各种小艇、无磁性小艇、破障艇 电器 元器件、灯具（杯）、绝缘工具 军事航空 弹体件、雷达罩、飞机附件 体育 撑杆、弓箭、球拍、雪橇、赛车、 滑板、赛艇、 皮艇、划桨、渔杆、按摩舱 农业 温室（FILON板，透光率99%） 食品级设备 机械 机械零配件 文库专用

13. 中国复合材料的状况： 传统的福建漆器，漆雕 现代的“玻璃钢” 复合材料性能： 性能的可设计性 力学性能、热学性能、耐腐性能。 文库专用

14. 主要成型工艺 手糊、袋压、喷射、树脂注射、模压、缠绕、 连续、离心 手工 异形，小批量产品，投资低、效率低、 重复性差 机械自动化 外形不复杂，批量大产品，连续性、 投资高、效率高、重复性好、性能好 文库专用

15. 玻璃纤维表面处理 §1-1、概述 意义：纤维——基体界面的结构和性能对 复合材料的力学性能和物理性能起主要作 用。 如断裂、韧性、腐蚀、刚度、膨胀等。 文库专用

16. A B’ B A’ §1-2、表面复合材料的结构 1、结构：数种弹性性能不同的材料薄片交 替铺叠而成。 如图所示： 文库专用

17. 2、决定因素： 纤维的原子排列，化学性能 高分子基体的分子结构和化学组成 例： 纤维的高模量、高强度性能使它成为理想的负荷 载体，但必须有一种模量较低的基体把它牢固地 粘结起来，使任何一根纤维的断裂，对整体的强 度影响不大。这就要求纤维对基体有良好的浸润 性，但玻纤和碳纤对树脂的浸润性是相当差的， 表现在层间剪切上。 文库专用

18. §1-3、处理剂作用理论 1、耦联目的：增加玻纤与树脂间的粘结力 2、耦联作用：耦联剂具有两种或两种以上性质 不同的官能团，一端亲玻纤，一端亲树脂。从而 起到玻纤与树脂间的桥梁作用。 ※耦联剂的主要功能是在纤维表面的氧化物分子 团和树脂的聚合物分子之间建立很强的化学键合， 产生很强的耐水键。 ※耦联剂的部分作用是提高表面能以保证树脂很 好的浸润。 文库专用

19. 3、耦联机理： 不吸湿，带羟基 SiO2,Al2O3,Fe2O3带羟基， —M—OH, M=Si, Fe, Al。 玻纤表面 水合完以后, 分布基团 留下来由不 水合氧化物 网络构成的 疏松表面。 吸水基，形成水合氧化层 文库专用

20. §1-4、处理剂种类和作用机理 1、种类 有机硅烷型，非有机硅烷型 2、通式 R——SiX3 ↑ ↑ 与聚合物作用端 与Si键合的可水解基团 文库专用

21. 玻璃纤维 3、作用过程：(1)水解R—SiX3＋H2O→R—Si（OH）3＋3HX (2)与纤维表面羟基 结合 文库专用

22. 玻璃纤维 (3)脱水 聚硅氧烷层 文库专用

23. 刚性键 玻璃纤维 (4)与树脂结合 R基团与树脂基团 相似相容 文库专用

24. (5)克服刚性键 第一、形成改性区——改性树脂区：机械性能介 于纤维和树脂的机械性能之间。 产生方法： a、硅烷耦联剂改变纤维表面区域基体树脂的固 化行为。 b、用含有长链R基团的硅烷耦联剂，使得固化 以后在纤维和树脂之间出现一层性能不同于块状 树脂的树脂层。 文库专用

25. 第二、Plueddemann机制 核心：两个表面相互滑移但不产生永久性的联键 破坏。 1974年Plueddemann提出界面上的运动或滑移可 以松弛局部应力，但却维持其化学键合。 如图：见下页 文库专用

26. H2O+ 玻璃纤维 Plueddemann机制图 存在分子水时，水会扩散透过树脂进入界面，共价键M—O便发生可递的水解过程。因为过程的可逆性，当水扩散出去之后，共价键重新恢复。 文库专用

27. 聚合物 聚合物 R R R R R R R R M M M M M M M M 玻璃 玻璃 滑移 当一个与界面相平行的简单剪应力作用时，两个 表面会相互滑移，但不产生永久性的联键破坏。 文库专用

28. 总之： 纤维——硅烷界面和硅烷——树脂 ↑ ↑ 化学键合化学键合，相互扩散 文库专用

29. §1-5、纤维的表面处理工艺 1、玻纤 前处理，后处理，迁移法三种。 (1)前处理 耦联剂代替石蜡型浸润剂，直接用于玻纤拉丝集 束，使用时勿须脱蜡处理。 强度完好，柔性较差。 (2)后处理 纤维先热处理脱蜡，然后浸渍耦联剂，再经预烘、 蒸馏水洗涤、干燥工序。热处理导致强度下降。 文库专用

30. (3)迁移法 耦联剂直接加入树脂配方中，让它在浸胶和成型 过程中迁移到玻纤表面发生耦联作用。方法简便， 可增加纤维与树脂间的粘结力，提高了强度与电 性能。 2、碳纤 与玻纤不同，一般采用表面活化的办法，提高了 碳纤与树脂复合材料的剪切强度。有液相氧化、 气相氧化、阳极氧化、Co60或中子辐照。 文库专用

31. 热固性树脂工艺性能 §2-1、浸润性能 不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂三大类。 用于制造纤维增强复合材料时有三条浸润途径。 1、湿法加工 低粘度树脂浸润干燥的纤维。 方法1：湿法铺糊，用辊压的方法将纤维毡用树脂 浸渍。 方法2：湿法缠绕或纤维缠绕，用纤维束通过树脂 槽拉出缠绕在所需形状的芯轴或芯模上。 文库专用

32. 方法3：树脂注塑，纤维在闭模中铺好，树脂在重方法3：树脂注塑，纤维在闭模中铺好，树脂在重 力或外压的作用下注入模子。 工艺因素： (1)树脂对纤维的完全浸润 (2)树脂粘度 (3)树脂与纤维之间的界面的表面张力 (4)纤维体积百分数高，直径细小，完全浸 润需长时间和高压。 文库专用

33. 2、预浸润 第一步：生产预浸料 把纤维和树脂铺在两张硅化纸或塑料薄膜之间，再 对它加压或辊压，确保压实和纤维浸润，然后部分 固化得到浸有树脂的纤维带或片。 该步工艺优点：单向层中的纤维定向程度极好。 第二步：去纸或薄膜 移去纸或薄膜后，将预浸料铺叠成物件形状或把预 浸带缠绕在芯轴上，通过加压压实，最后由加热加 压实现固化。 文库专用

34. 3、改性预浸渍法 形成中间产物：片状模塑料SMC 团状模塑料DMC SMC：是一种含有化学增稠剂和碳酸钙的薄片。 DMC：含较多的填料和较低的纤维含量，并且纤 维是三维取向的，在模中热压后，进一步压实并 固化，得到结实又刚硬的DMC。 文库专用

35. §2-2、粘接性能 发生在界面上的粘着认为有五 种机理。 1、吸附和浸润 两电中性的表面，粗糙，表面 足够近地靠在一起。 物理吸引 两种现象 孤立点接触 文库专用

36. γLV V L γSV γSL S 要使纤维表面有效浸润，必须：液态树脂覆盖表面 上的每个峰谷，空气完全排除。 浸润方程：Wa=γSV＋γLV－γSL Wa：由高度集中的分子间色散力引起的物理结合。 理想状态，这种色散力能在树脂与碳纤维或玻璃纤 维之间产生很强的粘结。 文库专用

37. 它受下列因素影响： (1)纤维表面受沾污使有效表面能大大低于原固体 的表面能。 (2)材料表面有截留的空气和其他气体存在。 (3)固化过程中形成很大的凝缩应力，在表面引起 不可恢复的位移。 这种强的物理结合在这些因素的影响下，往往不 能成为理想状态的强结合。 文库专用

38. 2、相互扩散 两种聚合物表面有可能形成的， 通过一个表面上聚合物分子向另 一个表面的分子网络扩散形成粘 结。——定义，也叫自粘着作用 界面上分子缠绕的数量和所包含 分子的数目——粘结强度的决定 因素。 溶剂和增塑剂的存在——有助于 扩散。 文库专用

39. + + + + + + - - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + 3、静电吸引 一个表面携有净正电荷而 另一个表面携有净负电荷 时，两个表面之间会产生 吸引力——定义。 控制PH值→控制电荷密度 →最佳耦联效果→界面强 度 文库专用

40. A A A A A A B B B B B B 4、化学键结合 耦联剂作用机理。 5、机械粘着 两粗糙表面形成的 纯粹机械连锁作用。 文库专用

41. §2-3、流动性能 树脂在熔融态经历了延展（拉伸）和剪切两种流 动，这种简单的二维变形对纤维产生影响。 延展流动：纤维朝延伸的方向转动，延伸量很大， 纤维取向程度也大。 剪切流动：一些纤维朝剪切方向转动，其他纤维 朝相反方向转动，因此在纤维的取向上没有净变 化。 部分取向的材料中，剪切流动的作用使得一些纤 维转离取向主方向。 文库专用

42. §2-4、固化性能 1、交联 (1)交联的作用 热固性聚合物，通过化学交联由液态树脂转变成 硬而脆的固体物质，交联导致了高分子链的三维 网络的紧密键合的形成。 (2)交联的工艺因素 机械性能取决于组成网络的分子单元和交联的长 度与密度，前者由所用的化合物决定。后者受交 联工艺，其中也包括固化工艺的控制。 文库专用

43. (3)交联工艺 程序： a、设定温度、加热时间→最佳交联，最佳性能。 b、设定某一较高温度→进一步固化，提高性能。 2、热响应 热固性树脂一般是各向同性的。热固性树脂的最 大特点是对热的响应，它不因加热而熔化，这一 点与热塑性塑料不同。不过，当加热到热变形温 度时，热固性树脂会失去其刚度，这也就规定了 热固性树脂在结构件上应用的有效上限温度。 文库专用

44. 与热塑性塑料相比，在交联和热响应中两者有何不同？与热塑性塑料相比，在交联和热响应中两者有何不同？ 热塑性塑料分子间没有交联。热塑性塑料 的强度和刚度来源于单体链节所固有的性 质及其高分子量。由此可以肯定，在非晶 态热塑性塑料中存在着高度集中的分子缠 结，这些缠结起着交联的作用，与热固性 树脂不同。 文库专用

45. 设备 模具 树脂胶液 增强材料 原材料 涂脱模剂 手糊成型 脱模 固化 制品 检验 后处理 手糊成型工艺 文库专用

46. 手糊工艺视频 文库专用

47. 定义：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺 敷成型，室温（或加热）、无压（或低压）条件 下固化，脱模成制品的工艺方法。 特点： 文库专用

48. §1、原材料 要求：满足设计要求 手糊工艺要求 价低易得 文库专用

49. §1-1、聚合物基体 要求：1、室温下固化、胶凝，生成高分子物 2、胶液粘度：0.2~0.5Pa•S（适合手糊） 3、无毒或低毒 4、价低 种类：不饱和聚酯树脂 环氧树脂 双马来酰亚胺树脂 聚酰亚胺树脂 文库专用

50. 耐腐 阻燃 低收缩 耐候 专用型 §1-1-1、不饱和聚酯树脂 优点：常温迅速固化 ，粘度低，良好的性能。 缺点：怕氧，固化收缩大，固化易受温度、湿度 影响。 品种： 通用型 文库专用