一、前言
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(jì)，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 | GF/EPR(玻纖含量80wt%) | AISI1008 冷軋鋼 |
| 相對密度 | 2.08 | 7.86 |
| 拉伸強(qiáng)度 | 551.6Mpa | 331.0MPa |
| 拉伸模量 | 27.58GPa | 206.7GPa |
| 伸長率 | 1.6% | 37.0% |
| 彎曲強(qiáng)度 | 689.5MPa | |
| 彎曲模量 | 34.48GPa | |
| 壓縮強(qiáng)度 | 310.3MPa | 331.0MPa |
| 懸臂沖擊強(qiáng)度 | 2385J/m | |
| 燃燒性(UL-94) | V-O | |
| 比熱容 | 535J/kg·k | 233J/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) | |
| 熱導(dǎo)率 | 1.85W/m·k | 33.7W/m·k |
| 介電強(qiáng)度 | 11.8×106V/m | |
| 吸水率 | 0.5%(24h) |
表2 幾種常用材料與復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量
| 材料名稱 | 密度g/cm3 | 拉伸強(qiáng)度×104MPa | 彈性模量×106MPa | 比強(qiáng)度×106cm | 比模量×109cm |
| 鋼 | 7.8 | 10.10 | 20.59 | 0.13 | 0.27 |
| 鋁 | 2.8 | 4.61 | 7.35 | 0.17 | 0.26 |
| 鈦 | 4.5 | 9.41 | 11.18 | 0.21 | 0.25 |
| 玻璃鋼 | 2.0 | 10.40 | 3.92 | 0.53 | 0.21 |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | 1.45 | 14.71 | 13.73 | 0.21 | |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | 1.6 | 1049 | 23.54 | 1.5 | |
| 芳綸纖維/環(huán)氧樹脂 | 1.4 | 13.73 | 7.85 | 0.57 | |
| 硼纖維/環(huán)氧樹脂 | 2.1 | 13.53 | 20.59 | 1.0 | |
| 硼纖維/鋁 | 2.65 | 9.81 | 19.61 | 0.75 |
圖1 復(fù)合材料的比強(qiáng)度與比剛性
1、手糊成型(hand lay up)
圖2 手糊成型示意圖
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?br /> 刷子使樹脂浸漬纖維增強(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(jì)厚度。
樹脂因聚合反應(yīng)，常溫固化?？杉訜峒铀俟袒?。
(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(jì)；
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)
圖3 樹脂傳遞成型示意圖
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(shí)，壓力甚至達(dá)0.7MPa。
纖維增強(qiáng)材料有時(shí)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(shí)，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(jì)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(jià)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)
圖4纖維纏繞示意圖
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(jì)，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(shí)，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?yàn)槔w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(jì)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
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(xiǎn)杠、建筑門、窗、桌、沙發(fā)、電絕緣件。
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