熱固性復合材料與熱塑性復合材料

1、熱固性復合材料與熱塑性復合材料1熱固性樹脂基復合材料熱固性樹脂基復合材料是應用十分廣泛的復合型材料，這種材料是經(jīng)過復合而成，在多高科技產(chǎn)品中都得到了廣泛的應用與研究，例如在大型客運機的應用中，其不僅減輕了重量，并且還優(yōu)化了飛機的性能，減輕了飛機在飛行過程中的阻礙，熱固性樹脂具有非常優(yōu)異的開發(fā)潛能，其應用領域也會在其改性后得到更大的發(fā)展。典型的熱固性樹脂復合材料分為以下幾種：(1)酚醛樹脂復合材料：隨著對阻燃材料的強烈需求，美國西化學公司，道化學公司等一系列大型化學公司都先后研制成功了新一代的酚醛樹脂復合材料。其具有優(yōu)異的阻燃、低發(fā)煙、低毒霧性能和更加優(yōu)異的熱機械物理性能。在制備這種具有阻燃效果

2、的材料上，研究人員重新設計思路，在加入不飽和鍵等其他基團條件下，提高了反應速度，減少了揮發(fā)組分。使酚醛樹脂復合材料在其應用領域得到大力發(fā)展。(2)環(huán)氧樹脂復合材料：由于環(huán)氧樹脂本身的弱點，研究人員對其進行了兩面的改性研究，一面是改善濕熱性能提高其使用溫度另一面則是提高韌性，進而提高復合材料的損傷容限。含有環(huán)氧樹脂所制備的復合材料己經(jīng)大力應用到機翼、機身等大型主承力構件上。(3)雙馬來醐亞胺樹脂復合材料：在雙馬來醐亞胺樹脂復合材料中，由于雙馬來醐亞胺樹脂具有流動性和可模塑性，良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，所以這種樹脂則會廣泛運用在絕緣材料、航空航天結構材料、耐磨

3、材料等各個領域中。(4)聚酰亞胺復合材料：聚酰亞胺復合材料具有高比強度，比模量以及優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性。具在航空發(fā)動機上得到了廣泛應用，主要可明顯減輕發(fā)動機重量，提高發(fā)動機推重比。所以在航天航空領域得到了大力的發(fā)展和運用。2熱塑性樹脂基復合材料熱塑性樹脂基復合材料：其自身中的基體是熱塑性樹脂，該類復合材料是由熱塑性樹脂基體、增強相以及一些助劑組成。在熱塑性復合材料中最典型和最常見的熱塑性樹脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯樹脂、聚碳酸樹脂、聚甲醛樹脂、聚醍酮類、熱塑性聚酰亞胺、聚苯硫醍、聚颯等。而熱塑性樹脂復合材料具有很多的特點，以下概述了一些熱塑性樹脂復合材料的特點。1）比強

4、度高熱塑性聚合物基復合材料的密度為1.1-1.9g/cm3,僅為鋼材的1/7-1/4,鋁合金的2/5-2/3,欽合金的1/4-2/5左右。另外，熱塑性樹脂復合材料的力學強度一般低于以上的材料，但是由于其密度較低，因而熱塑性樹脂復合材料具有較高的比強度，能夠用較小的單位質量承受更高的外加應力。2）性能可設計性自由度大熱塑性樹脂復合材料力學性能、物理性能和化學性能都可以通過合理選擇原材料種類、配比以及適當?shù)募庸しㄟM行設計。由于熱塑性樹脂復合材料的基體材料種類比熱固性復合材料多得多，因此其選材設計自由度也要大很多。3）熱學性能優(yōu)異由于引入了無機填料，熱塑性樹脂復合材料具有優(yōu)異的熱學性能。一般熱塑性塑

5、料的使用溫度在50-100C,用玻璃纖維增強后，可提高到100c以上。熱塑性聚合物復合材料的線膨脹系數(shù)比未增強的塑料低1/4-1/2,從而能夠降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度。4）耐化學腐蝕性熱塑性樹脂基的種類很多，一般都有耐化學腐蝕性的特點，熱塑性聚合物基復合材料和他們的基體一般都會具有化學腐蝕性的優(yōu)點。5）電性能一般熱塑性聚合物復合材料都具有良好的介電性能，不反射無線電電波，透過微波性能良好。6）優(yōu)異的抗疲勞性能熱塑性聚合物基復合材料部存在大量的界面，使用過程中即使過載而造成少量纖維斷裂。一面，熱塑性樹脂基體一般具有一定的阻礙裂紋擴展的能力，從而在短期不會使整個構件喪失承載能力

6、，具有優(yōu)異的破損安全性。7）廢料回收利用由于熱塑性塑料具有遇熱可熔融的特點，所以這種復合材料可以重復加工成型，廢品、邊角料以及舊品都可以回收利用，進行再加工，這樣對于環(huán)境起到了很好的保護作用。在以上優(yōu)異性能和特點上，科研人員看準了熱塑性樹脂復合材料的性能可以與熱固性樹脂復合材料相媲美。同時，熱塑性基體的良好韌性是它重要的技術優(yōu)勢，更吸引人的一面就是其具有降低制備成本的潛力。3、熱固性樹脂基復合材料與熱塑性樹脂復合材料的比較在加工過程中，熱固性樹脂材料是經(jīng)過化學反應和鄰近的支鏈通過共價鍵結合在一起，所以在此受熱時是不會熔融變軟的；而熱塑性樹脂材料則具有較高的分子質量和較大的熔體茹滯度，所以在制備

7、相應的復合材料的時候，制備溫度很大程度上要高于其自身的玻璃化轉變溫度。在比較了熱固性樹脂與熱塑性樹脂的不同后，表1.2闡述了熱.頁腳.固性樹脂復合材料與熱塑性復合材料的不同點。4、熱固性樹脂預浸料的制備法在制備熱固性樹脂預浸料的過程中，通常采用兩種工藝法，分別為溶液浸漬法和熱熔法。(1)溶液浸漬法：溶液浸漬法則是要把樹脂基體中的各個組份按規(guī)定的比例溶解到較低沸點的溶劑中，從而使溶液達到一定的溶度，接下來將纖維束或織物按設定的浸漬速度通過樹脂基體溶液，使碳纖維布上浸漬上一定量的樹脂基體。而溶液浸漬法又可以分為滾筒纏繞法和多數(shù)纖維連續(xù)浸漬法。滾筒纏繞法是要把纖維束通過樹脂基體的溶液梢中，經(jīng)過幾組導

8、向輻以除去多余的樹脂，隨后平行纏繞在滾筒上，并沿著輻筒縱向切開，才可以得到單向的預浸料。多絲束連續(xù)浸漬法的工藝過程是要將紗架引出纖維束，用以調節(jié)絲束纖維力基本相等，經(jīng)過整徑、分散、展平、進入浸膠梢等工序，通過擠膠除去多余的樹脂，最后再放進烘干爐中，使溶劑充分揮發(fā)。溶液浸漬法的優(yōu)點則是可以很大程度上增強樹脂基體浸透到材料中，可以制備薄型的預浸料，也可以制備厚型的預浸料；在設備上其造價相對較低，可以很好的節(jié)省成本。確置力信114必3MU/rft上幼叼才平-tj才»+*tfiflT心至Q倒在t卡1i-rriFUJWYw產(chǎn)水入愜仃(r.J<ut咕i應Jjk>JAt'J&l

9、t;Lfit利Kh干產(chǎn)5Hl：JJ1Ir仇Y視帖我MCcf冷上MlT：制由拿WCti性M.施定桂4小必的A"4HL.*icKd二女步督匕UFFrrh'fcj-t.i.?j.心;MA-”，14酎生mEE1Jrr今；Tk”93,"吊卡M圖2連續(xù)浸漬法制備預浸料工藝直接熱熔法是2）熱熔法:熱熔法可以分為直接熱熔法和膜膠壓延法。把樹脂基體放于膠梢中，在加熱到一定的溫度下從而使樹脂熔融，然后再將纖維束依次通過展開機構、膠梢、幾組擠膠輻、重排機構上。這種制備工藝要求所用的樹脂基體具有良好的流動性，在不高的溫度下就可以呈現(xiàn)出很好的流動態(tài)有利于纖維束的浸漬。膜膠壓延法包含有制膜和預

10、浸兩個步驟。就是要把樹脂基體放在混合器中充分混合,等到加熱到最佳涂膜溫度后，用電機樞機的計量泵將樹脂基體輸送到涂膠輻上，調節(jié)涂膠輻的間距并且使離型紙的運動呈線速度，制備得到不同膜厚的膜。再取出纖維，調節(jié)力后，通過甕子集束、展平到規(guī)定的寬度，從上、下膠膜輻引出預先制備出的膠模，并和纖維形成夾心結構，再通過幾組熱壓輻，使樹脂基體達到熔融溫度，使樹脂基體充分浸漬到纖維中。這種熱熔法制備預浸料其具有線速度大、效率較高、樹脂的含量更容易控制掌握；沒有溶劑，預浸料揮發(fā)含量則較低,工藝操作步驟也很安全，對于環(huán)境的污染較小，是目前采用比較多的熱固性預浸料制備法。圖3直接熱熔法工藝示意圖圖4膜膠壓延法預浸示意圖

11、5、熱塑性樹脂預浸料的制備法通過研究得知一系列的熱塑性樹脂都具有熔點較高，熔融粘度都較大一般大于100Pas,并且粘度都會隨溫度的變化很小，這就給熱塑性樹脂基復合材料的制備產(chǎn)生了很大的困難，所以熱塑性樹脂預浸料就成了制備熱塑性樹脂基復合材料非常重要的研究向和研究目標。1）溶液浸漬法這種法可以運用熱固性樹脂溶液法預浸料設備及其工藝，但是需要增加熔融爐，使樹脂熔融并且可以粘附在增強材料上。2）泥漿法此種法是要把樹脂粉末懸浮在具有規(guī)定特性的液體介質中，樹脂粉末應盡量的細，可以很好的分布均勻從而使纖維浸透。而工藝的制備過程和上述的溶液浸漬法相類似。這種法可以充分使樹脂浸漬但是如果增稠劑處理添加不適當，

12、會影響所得到的復合材料的性質。3）熱壓工藝熱壓工藝的設備則是熱壓機，是要將定量的樹脂粉末均勻涂覆在熱壓板上，并用增強纖維織物蓋在樹脂上，接下來放上第二塊熱壓板，加熱到樹脂的加熱溫度，使其熔融，隨后緩慢施加壓力，使樹脂充分的浸漬到纖維布的織物中。此種法更多的應用在纖維織物所制備的預浸料中。但是制備單向預浸料過程中，由于施加的壓力會使纖維在樹脂的帶動下產(chǎn)生移位，很難保證預浸料的質量問題。圖5熱壓法制備預浸料示意圖4）熱熔法熱塑性樹脂的熱熔法與熱固性樹脂的熱熔法非常相似，就是要把增強纖維通過樹脂熔融浴中，再利用刮刀或計量輻筒控制樹脂的含甲纖維混雜法纖維混雜法首先把熱塑性樹脂紡成纖維或膜帶，然后根據(jù)含

13、膠量的多少中的具體情況再將增強纖維和樹脂纖維按規(guī)定的配比緊密的合成混合紗。接下來把纖維制備成所需要的形狀，最后則是通過高溫的情況下將樹脂熔融在纖維中。這種法是可以很好的掌握樹脂所需要的含量并且可以使樹脂充分均勻的浸漬在纖維束中。5）粉末法粉末法就是制備熱塑性預浸料比較常用的法。而粉末法根據(jù)設備和條件不同可以分為多種法，其中包括粉末浸漬法、流態(tài)化床工藝、FIT；預浸法、靜電流化床預浸工藝。概括粉末法主要是把帶有靜電的樹脂粉末沉積在被吹散的纖維上，然后通過高溫的作用把樹脂熔融在纖維中。這種法最大的優(yōu)點則是不需要采用溶劑，材料形式簡單易得，制備工藝簡單，纖維不會受損，成本較低。針對熱固性樹脂預浸料來

14、說，在加工過程中，運送過程中，儲存過程中都會使樹脂產(chǎn)生一系列的化學反應變化，所以在這幾面對比熱固性樹脂預浸料的影響很大。而熱塑性樹脂預浸料由于其自身是高聚合物所以不容易在上述情況下發(fā)生化學反應和變化，但是熱塑性高聚合的分子質量，分子質量的分布，純度等等各種因素也會對制備成的熱塑性樹脂預浸料產(chǎn)生很大的影響。通過熱塑性樹脂和熱固性樹脂預浸料的制備中，都會有很多因素對于制備過程和制備成型的預浸料產(chǎn)生影響，進而對所要制備成型的復合材料進行影響，因此，我們要對熱固性樹脂和熱塑性樹脂所制備的預浸料進行格的把控，這樣才能保證預浸料的質量，制備成性能優(yōu)異的復合材料。6連續(xù)纖維增強復合材料的制備工藝近來復合材料

15、的工業(yè)化得到了快速的發(fā)展，但是在工業(yè)化過程中復合材料也存在多的問題。在復合材料的制備成型上存在了很多有待解決的問題，這些問題會直接影響到復合材料制備成型后產(chǎn)品的質量。而在選擇復合材料制備成型的工藝條件時應該滿足以下幾點.在技術層面上，我們要做到在符合市場要求的基礎上，提升產(chǎn)品本身的質量;在制備過程中，要做到操作簡單，成本要適當降低，安全效率提高;在生產(chǎn)過程中要盡量減小對環(huán)境的污染。而要滿足上述的復合材料要求，就要了解復合材料的制備工藝和發(fā)展歷程。近年來復合材料的制備工藝得到了大幅度提升，越來越能滿足對于產(chǎn)品的高要求。接下來我們介紹幾種連續(xù)纖維增強復合材料的制備工藝。1）RTM成型工藝：由于復合

16、材料工業(yè)上己經(jīng)進入大產(chǎn)量、大消費的階段，所以樹脂傳遞模塑（RTM）工藝正好符合這一趨勢的發(fā)展。這一工藝靈活，適應性較高，在與其他工藝結合性好，所以其得到了大規(guī)模的應用。閉模模塑工藝使用的模具是上下的對稱模具，下模具一般是厚實、剛硬的，而上模具則是分為兩種，一種是與下模具一樣厚實、剛硬的；另一種則是比較薄、比較軟的或者真空膜a|'u|iuinip1ftwb洶。聚戶4IIwHHFfilimiWnrlradnluttlfti'仁用07尉Ml!*fa%ramiIdo圖6RTM成型工藝這種制備工藝具有很多優(yōu)點，所以在很多領域得到了廣泛的應用和研究，例如：可選用的樹脂和增強體材料比較多；制

17、備出的產(chǎn)品隙率低，機械性能高，尺寸穩(wěn)定性強，生產(chǎn)效率高；設備和制備的產(chǎn)品成本較低等等優(yōu)異的性能。纏繞成型工藝：纏繞成型工藝的原理是要把浸膠以后的連續(xù)纖維等增強體材料，按照規(guī)定的纏繞法纏繞到芯模上，最后再固化成型。這種成型工藝采用的增強體材料多數(shù)為纖維或者布帶。在使用這種成型工藝條件時不僅對其增強體的種類有所要求外，對于樹脂基體也有明確要求，對于采用的樹脂基體應該具有對纖維良好的潤濕性和粘附能力；固化之后應該具有局域較高的強度和伸長率；在開始時樹脂基體應該有較低的粘度；毒性要盡量的低，不能對人體產(chǎn)生毒性。利用纏繞成型工藝制備的復合材料擁有纖維向整齊、準確率高、比強度和比剛性都要較強等優(yōu)異性能。拉

18、擠成型工藝：這種制備工藝的原理則是把己經(jīng)濕潤的樹脂膠液的連續(xù)的纖維在牽引結構的拉力作用下再通過模具成型，最后在模具中固化，連續(xù)生長出長度不受限制的復合材料。在這種工藝條件下則要求樹脂基體粘度較低，而纖維則要求與樹脂基體相匹配的。圖7拉擠成型工藝示意圖拉擠成型工藝其生產(chǎn)效率較高，制備出的產(chǎn)品質量穩(wěn)定性較高。但是這一工藝使制品的橫向強度很差，制備所用的設備繁瑣，在生產(chǎn)過程中帶來很多的不便。2）手糊成型工藝：手糊成型工藝另一個名稱叫接觸成型工藝，在人工操作下將玻璃纖維織物和樹脂基體進行交替性的鋪附在模具中，兩者進行粘附后再進行固化，進而成型。這種工藝其優(yōu)點在于設備的簡單，人工很容易掌握。但是制備出的

19、產(chǎn)品達不到所要求的標準，產(chǎn)品性能差，穩(wěn)定性得不到提升，力學性能較低，對于環(huán)境的污染重，氣味較大，對于身體的傷害重，粉塵較多，容易造成危險等因素。所以近些年來，研究人員對這種成型工藝進行了大量的研究，改善了其產(chǎn)生的產(chǎn)品不足等缺點。3）模壓成型工藝：這種成型工藝是把一定量的將要混合的材料或者預料加入到金屬對模的部，然后再進行加熱，加壓的處理，在進行加熱,加壓處理過程中進行固化的一種工藝法。這種法的優(yōu)點是制備過程中生產(chǎn)的效率較高，可以降低制備的成本問題，盡可能的實現(xiàn)現(xiàn)代化，專業(yè)的生產(chǎn)流程，制備出的產(chǎn)品尺寸精度高，重復性好，可以一次制備出成型比較復雜的制品。但是在這些優(yōu)點的基礎上還是會產(chǎn)生一些缺點，例如模具的制備過程比較復雜無形中增加了生產(chǎn)的成本等一系列不足之處。在近些年來，模壓成型工藝主要在長短纖維增強材料，熱塑性樹脂，熱固性樹脂基體的復合材料中得到大力發(fā)展和應用。在航空航天通訊電子設備上貢獻了很大的作用。4）鋪放成型工藝：具是自動鋪絲束成型技術與自動窄帶鋪