玻璃纖維復(fù)合材料

1、n一、玻璃纖維復(fù)合材料簡介 n二、玻璃纖維復(fù)合材料特點 n三、玻璃纖維復(fù)合材料制備與成型工藝 n四、玻璃纖維復(fù)合材料基本構(gòu)造形式 n五、我國玻璃鋼發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀 n六、玻璃纖維復(fù)合材料加工存在的問題 n七、玻璃纖維復(fù)合材料加工工藝研究現(xiàn)狀 n八、玻璃纖維增強復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與面臨的 問題 n玻璃纖維增強材料簡稱（GFRP）俗名玻璃鋼。它是以玻璃纖維及其制品(玻璃 布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。 復(fù)合材料的概念是指一種材料不能滿足使用要求，需要由兩種或兩種以上的 材料復(fù)合在一起組成另一種能滿足人們要求的材料，即復(fù)合材料。單一種 玻璃纖維，雖然強度很高，

2、但纖維間是松散的，只能承受拉力不能承受彎 曲、剪切和壓應(yīng)力 ，還不做成固定的幾何形狀是松軟體。如果用合成樹脂 把它們粘合在一起，就可以做成各種具有固定形狀的堅硬制品既能承受拉 應(yīng)力，又可承受彎曲、壓縮和剪切應(yīng)力 這就組成了玻璃纖維增強的塑料基復(fù) 合材料。根據(jù)合成樹脂的不同玻璃鋼主要有環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼、聚酯 玻璃鋼。 玻璃纖維短切絲玻璃纖維絲玻璃鋼 二、玻璃纖維增強材料特點二、玻璃纖維增強材料特點 n(1)輕質(zhì)高強玻璃纖維增強復(fù)合材料密度小 (1.5一2.0g/cm，)，大約只有普 通鋼的1/4，比鋁合金還輕1/3，但若按比強度計算(強度與密度的比值)，玻 璃纖維增強復(fù)合材料強度超過普通鋼

3、，甚至超過個別特殊合金鋼。優(yōu)異的比 強度、比模量(彈性模量與密度的比值)，滿足了特種車輛輕量化的要求。 n(2)各向異性，層間強度低(一般不到其拉伸強度的10%)、性能分散性大，材 料的剪切強度低于拉伸強度。 n(3)電絕緣和導熱性能：玻璃纖維增強復(fù)合材料是一種優(yōu)秀的電絕緣材料，不 受電磁作用，不反射無線電波。導熱性差，線膨脹系數(shù)低，只有金屬材料的 1/1000一1/100，是優(yōu)良的防護和耐燒蝕材料。 n(4)耐熱性能：玻璃纖維增強復(fù)合材料耐熱性能優(yōu)異，可以耐瞬時一高溫，如 玻璃纖維酚醛基復(fù)合材料能耐3800高溫，但其長期耐高溫性能較差，一般 不超過100。 n(5)耐腐蝕性能：采用熱固性樹脂

4、的玻璃纖維復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能， 但對于硝酸、濃硫酸等這類含有氧化性介質(zhì)的溶劑，復(fù)合材料基體樹脂極易 氧化，而且溫度升高會加速腐蝕。 n(6)抗疲勞性能：金屬材料的疲勞破壞是由里向外沒有征兆突然發(fā)生的，而玻 璃纖維增強復(fù)合材料中纖維和基體形成的界面可以有效阻止裂紋的擴展，破 壞過程是漸進，往往發(fā)生在界面的薄弱處。 n玻璃纖維一般由玻璃原料如純堿、芒硝、石灰石等礦物原 料進行生產(chǎn), 通過坩堝拉絲或池窖拉絲等生產(chǎn)工藝， 制 成玻璃纖維原絲后, 再加工成玻璃紗、玻璃纖維、 玻璃 纖維氈等產(chǎn)品，然后再用合成樹脂把它們粘合在一起，就 制成了玻璃鋼。玻璃鋼是目前世界上產(chǎn)量最大、用途最廣 的復(fù)合材料

5、。隨著玻璃鋼的不斷應(yīng)用和品種的不斷增多， 各種成型加工技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。目前的玻璃鋼成 型技術(shù)有幾十種，按工藝原理分主要有:手糊成型、噴射 成型、纏繞成型、模壓成型、反應(yīng)注塑成型、連續(xù)拉擠成 型。我國1958年開始生產(chǎn)玻璃纖維增強復(fù)合材料，到目前 為止仍以手糊成型為主，大約占整個玻璃纖維增強復(fù)合材 料產(chǎn)業(yè)的70%。但最近幾年通過引進國外先進技術(shù)和裝備， 如大型自動控制纏繞機、拉擠成型機組等設(shè)備，我國玻璃 纖維增強復(fù)合材料的生產(chǎn)制造水平得到了很大的提高，與 國外的差距也越來越小。 (l)手糊成型工藝是復(fù)合材料最早采用的，也是最簡單的成型工 藝方法。它先在模具上涂上一層脫脂劑，然后將含有固化

6、劑的 樹脂混合物涂刷在模具上，再在其上鋪上裁剪好的玻璃纖維編 織物，通過增壓使其充分浸潤并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合 物，鋪上第二層玻璃纖維編織物，重復(fù)上述過程直至達到設(shè)計 要求為止，最后通過固化、脫模成型生產(chǎn)出復(fù)合材料制品。 (2)纏繞成型工藝是將浸漬樹脂的連續(xù)纖維或布帶纏繞到芯模上， 固化脫模后得到復(fù)合材料的一種成型工藝。按樹脂浸漬狀態(tài)主 要分為濕法纏繞和干法纏繞兩種。 (3)模壓成型工藝是將樹脂和短纖維的混合物放入到金屬模具， 閉模后加熱、加壓使其充滿模腔，固化脫模后得到復(fù)合材料制 品。模壓成型是可兼適用于熱固性樹脂和熱塑性樹脂的成型方 法。 (4)拉擠成型工藝是將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖

7、維束或編織物， 通過一定的工藝，在牽引裝置的作用下連續(xù)定型固化，制成長 度不限的復(fù)合材料成型方法。 一般可分為以下三種構(gòu)造形式:單層復(fù)合材料，疊層復(fù)合材料，短纖維復(fù)合 材料。 (1)單層復(fù)合材料 單層復(fù)合材料，或稱單層板，結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，單層復(fù)合材料中纖維按 一個方向整齊排列或由正交雙向編織排列，其中纖維方向稱之為縱向， 用“1”表示，垂直于纖維方向稱之為橫向，用“2”表示，沿復(fù)合材料層 厚度方向用“3”表示，1，2，3軸稱為復(fù)合材料的主軸47。在單層復(fù) 合材料中纖維和基體可能是各向同性材料，但由于纖維排列具有方向性， 在各個方向上纖維含量并不相同，因此單層復(fù)合材料是各向異性、不均 勻的材

8、料。 （3）短纖維復(fù)合材料 短纖維復(fù)合材料增強相為短切纖維，不同于上面兩種采用連續(xù) 纖維構(gòu)造形式的復(fù)合材料。短纖維復(fù)合材料一般分為兩種，如 圖2.3所示，一種是短纖維隨機取向復(fù)合材料，一般通過將短纖 維與基體攪拌均勻模壓而成;另一種是單向短纖維復(fù)合材料，短 切纖維呈單向整齊排列。 （2）加工質(zhì)量差。刀具的幾何參數(shù)、刀具材料、切削工藝參數(shù)、操作方式、冷卻方 式等都會影響纖維增強復(fù)合材料的加工精度。除孔尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差 等幾何缺陷外，孔壁周圍經(jīng)常出現(xiàn)材料抽絲、毛邊、分層、撕裂、裂紋等加工缺陷， 如圖1.3，尤其是在孔的進口和出口處，由于沒有外層材料的約束，纖維增強復(fù)合材 料的最外側(cè)(頂

9、面層和底面層)材料剛度弱，抵抗變形能力差，在切削力和切削熱的 共同作用下，很容易發(fā)生由于變形和退讓形成的孔口撕裂及分層現(xiàn)象;孔徑收縮也很 嚴重，甚至會卡住、咬死鉆頭，使得刀具無法退出己加工孔，破壞了孔的加工表面， 深孔鉆削時尤為嚴重:這些特有缺陷是GFRI鉆孔技術(shù)研究的重點。 (3)粉塵污染嚴重，玻璃纖維增強復(fù)合材料切削形成的粉塵是以一種不均勻、無規(guī)則 運動狀態(tài)而存在的，具有一定的附著能力，無論是在機床上、工件表面上、操作者 身上，還是除塵裝置中，都可以看見一層附著物，對皮膚有一定的刺激性，有刺癢 的感覺，如圖1.4所示。吸入大量粉塵還對呼吸系統(tǒng)造成損害，嚴重時可能會得矽肺， 讓人喪失勞動能力

10、。因此，在復(fù)合材料進行加工過程中一定要采取有效的除塵防護 措施，避免粉塵污染環(huán)境和操作間的空氣。 (1)目前GFRP的切削加工大多仍沿用金屬切削加工工藝和設(shè)備， 如車削、銑削、磨削、鉆削等，傳統(tǒng)的機械加工方法具有 方法簡單、工藝成熟、設(shè)備投入少、人員配置低等優(yōu)點， 但也存在加工效率低、加工精度難以保證、加工缺陷難以 克服等缺點。目前實際加工中，仍以傳統(tǒng)的機械加工方法 為主。國內(nèi)外從事纖維增強復(fù)合材料加工技術(shù)研究的院校 和研究機構(gòu)有很多，國外主要有美國的陸軍材料與力學研 究中心、空軍材料研究所、華盛頓大學等，日本的大阪大 學、橫濱國立大學等，俄羅斯、德國、英國、法國、瑞典 等國家的一些研究機構(gòu)，

11、其中美國的華盛頓大學、日本的 橫濱大學主要從事纖維增強復(fù)合材料的二元切削及切削機 理方面的研究工作。世界上排名靠前的幾家飛機制造公司， 如美國的波音公司、歐洲的空中客車公司也在進行纖維增 強復(fù)合材料加工技術(shù)方面的研究。國內(nèi)從事這方面研究工 作的單位不是很多，主要有北京航空航天大學、大連理工 大學、南京理工大學、鄭州大學，還有一些研究所等單位。 (2)鄭州大學張秀麗等對高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進行了銑削加工試驗，考察了 銑削參數(shù)和加工表面分層破壞之間的關(guān)系。大連理工的楊東軍等采用多種刀 具對高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進行了車削加工試驗，認為立方氮化硼是最佳 的刀具材料。聶曉慶比較了高速鋼鉆頭、硬質(zhì)合金

12、鉆頭、涂層鉆頭和PCD鉆頭 鉆削GFRP后的加工質(zhì)量認為，PCD是加工GFRP的最適合刀具材料。南京理工大 學宋中權(quán)等利用TIN涂層的S刃麻花鉆對GFRP進行了孔加工試驗，表明與普 通麻花鉆相比，S刃鉆尖可有效減小鉆削軸向力和孔分層缺陷，并且對分層機 理進行了理論研究，介紹了分層檢測的方法和評價指標，提出了分層等缺陷 的抑制方法。南京理工大學程寓等通過施加預(yù)應(yīng)力F來改善其切割加工性。上 海航天精密研究所得吳志娟利用具有合理刀具幾何參數(shù)的聚晶金剛石刀具， 采用以磨代鉆、以磨代銑等工藝對GFRP殼體進行了加工，解決了玻璃纖維的 分層和撕裂問題。 多刃尖麻花鉆 n(1)橫刃對軸向力的貢獻占整個軸向力的一 半以上，因此減小橫刃大小，可以有效減 小軸向力和分層，提高鉆孔質(zhì)量。 n(2)涂層工藝可以有效減小軸向力，并且進 給速度較大時，涂層的優(yōu)勢越明顯。 n(3)普通鉆尖麻花鉆鉆削軸向力有以下規(guī)律: 進給速度越大，軸向力越大，而主軸轉(zhuǎn)速 對其影響不顯著;進給量增大，軸向力增大; 鉆頭直徑越大，軸向力越大。 n(4)多刃尖麻花鉆鉆削軸向力有以下規(guī)律: 進