《復(fù)合材料教學(xué)》5聚合物基復(fù)合材料

一、聚合物基復(fù)合材料的分類二、聚合物基復(fù)合材料的性能三、聚合物基復(fù)合材料的制備工藝四、復(fù)合材料成型固化工藝五、PMC的界面六、纖維增強聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能七、鋪層設(shè)計八、結(jié)構(gòu)設(shè)計第八章聚合物基復(fù)合材料編輯ppt一、聚合物復(fù)合材料的分類

—纖維增強（FRC）—按纖維形態(tài)：連續(xù)纖維非連續(xù)纖維

—按鋪層方式：單向角鋪層：（0/）織物三維

—按纖維種類：玻璃纖維碳纖維芳綸（Kevlar）纖維混雜纖維

—晶須增強（WRC）——粒子增強（PRC）—編輯ppt1、高比強、高比模量：

材料GFRPCFRPKPRPBFRP

鋼鋁鈦密度,g/cm32.01.61.42.17.82.84.5拉伸強度,GPa1.21.81.51.61.40.481.0比強度60011201150750180170210拉伸模量,GPa421308022021077110比模量218157104272725熱膨脹系數(shù)(10-6/K)80.21.84.012239.0二、聚合物復(fù)合材料的性能表8-1聚合物復(fù)合材料與幾種金屬材料的力學(xué)性能比較編輯ppt2、設(shè)計性強、成型工藝簡單。3、熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定。4、耐腐蝕、抗疲勞性能好。5、減震性能好。6、高溫性能好。7、安全性能好。

編輯ppt1、預(yù)浸料/預(yù)混料制備預(yù)浸料是指定向排列的連續(xù)纖維（單向、織物）浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。

預(yù)混料是指不連續(xù)纖維浸漬樹脂或與樹脂混合后所形成的較厚的片（SMC、GMT）團狀（BMC）或粒狀半成品以及注射模塑料（IMC）。

三、聚合物復(fù)合材料的制備工藝編輯ppt1-1熱固性預(yù)浸料：濕法：溶液浸漬法。干法：熱熔預(yù)浸法輪鼓纏繞法圖8-1浸漬法制備預(yù)浸料示意圖編輯ppt1-2熱塑性預(yù)浸料：按樹脂狀態(tài)不同，分為預(yù)浸漬技術(shù)和后浸漬技術(shù)兩大類。

預(yù)浸漬技術(shù)：—溶液浸漬；

—熔融浸漬。特點是預(yù)浸料中樹脂完全浸漬纖維。后浸漬技術(shù)：預(yù)浸料中樹脂以粉末、纖維或包層等形式存在，對纖維的完全浸漬要在復(fù)合材料成型過程中完成。編輯ppt1–3預(yù)混料制造

（1）SMC和BMC制造：這是一類可直接進行模壓成型而不需要事先進行固化、干燥等其它工序的纖維增強熱固性模塑料。其組成包括短切玻璃纖維、樹脂、引發(fā)劑、固化劑或催化劑、填料等。SMC一般使用專用SMC機組制造；BMC常用捏合法制造。

（2）GMT和IMC制造：GMT是一種類似于熱固性SMC的復(fù)合材料半成品。所采用的增強劑是無堿玻璃、無紡氈或連續(xù)纖維。制造工藝有熔融浸漬法和懸浮浸漬法。IMC一般使用雙螺桿擠出機制造，由切割機切斷，長度一般為3–6mm。編輯ppt1、聚合物基復(fù)合材料的成型工藝

聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維與樹脂體系確定后，主要決定于成型工藝。成型工藝主要包括以下兩個方面：編輯ppt一是成型，即將預(yù)浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀;二是固化，即把已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時間和壓力等因素影響下使形狀固定下來，并能達到預(yù)期的性能要求。編輯ppt生產(chǎn)中采用的成型工藝

(1)手糊成型 (2)注射成型

(3)真空袋壓法成型(4)擠出成型

(5)壓力袋成型(6)纖維纏繞成型

(7)樹脂注射和樹脂傳遞成型

(8)真空輔助樹脂注射成型編輯ppt

(9)連續(xù)板材成型(10)拉擠成型

(11)離心澆鑄成型(12)層壓或卷制成型

(13)夾層結(jié)構(gòu)成型(14)模壓成型

(15)熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型

(16)噴射成型編輯ppt(1)手糊成型工藝手糊成型工藝是復(fù)合材料最早的一種成型方法，也是一種最簡單的方法，其具體工藝過程如下：編輯ppt首先，在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達到所需厚度為止。

編輯ppt然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型）或者利用樹脂體系固化時放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。其工藝流程如下圖所示：編輯ppt模具準備涂脫模劑手糊成型樹脂膠液配制增強材料準備固化脫模后處理檢驗制品手糊成型工藝流程圖編輯ppt為了得到良好的脫模效果和理想的制品，同時使用幾種脫模劑，可以發(fā)揮多種脫模劑的綜合性能。編輯ppt手糊成型工藝優(yōu)點

①不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)；②設(shè)備簡單、投資少、設(shè)備折舊費低。編輯ppt

③工藝簡單；④易于滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補增強材料⑤制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。編輯ppt手糊成型工藝缺點

①生產(chǎn)效率低，勞動強度大，勞動衛(wèi)生條件差。②產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。③產(chǎn)品力學(xué)性能較低。編輯ppt圖8-2手糊成型工藝示意圖編輯ppt2．模壓成型工藝

模壓成型工藝是一種古老的技術(shù)，早在20世紀初就出現(xiàn)了酚醛塑料模壓成型。模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。編輯ppt模壓成型工藝過程將定量的模塑料或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品；再經(jīng)加熱使樹脂進一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。編輯ppt金屬對模準備涂脫模劑膜壓成型模塑料、顆粒樹脂短纖維固化脫模后處理檢驗制品加熱、加壓加熱冷卻膜壓成型工藝流程圖編輯ppt圖8-7模壓成型工藝原理編輯ppt

模壓成型工藝優(yōu)點模壓成型工藝有較高的生產(chǎn)效率，制品尺寸準確，表面光潔，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需二次加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好，容易實現(xiàn)機械化和自動化等。編輯ppt模壓成型工藝缺點

模具設(shè)計制造復(fù)雜，壓機及模具投資高，制品尺寸受設(shè)備限制，一般只適合制造批量大的中、小型制品。編輯ppt

模壓成型工藝已成為復(fù)合材料的重要成型方法，在各種成型工藝中所占比例僅次于手糊/噴射和連續(xù)成型，居第三位。近年來隨著專業(yè)化、自動化和生產(chǎn)效率的提高，制品成本不斷降低，使用范圍越來越廣泛。編輯ppt模壓制品主要用作結(jié)構(gòu)件、連接件、防護件和電氣絕緣等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、電氣、化工、建筑、機械等領(lǐng)域。由于模壓制品質(zhì)量可靠，在兵器、飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星上也都得到應(yīng)用。編輯ppt3.層壓成型工藝

層壓成型工藝，是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。

層壓成型工藝屬于干法壓力成型范疇，是復(fù)合材料的一種主要成型工藝。編輯ppt層壓成型工藝生產(chǎn)的制品包括各種絕緣材料板、人造木板、塑料貼面板、覆銅箔層壓板等。復(fù)合材料層壓板的生產(chǎn)工藝流程如下編輯ppt層壓板的生產(chǎn)工藝流程增強材料熱固性樹脂浸膠膠布裁剪疊合熱壓脫模切邊產(chǎn)品編輯ppt

層壓成型工藝的優(yōu)點是制品表面光潔、質(zhì)量較好且穩(wěn)定以及生產(chǎn)效率較高。

層壓成型工藝的缺點是只能生產(chǎn)板材，且產(chǎn)品的尺寸大小受設(shè)備的限制。

風車葉片編輯ppt4．噴射成型工藝

將分別混有促進劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時將玻璃纖維無捻粗紗用切割機切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。編輯ppt當不飽和聚酯樹脂與玻璃纖維無捻粗紗混合沉積到一定厚度時，用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂、壓實并除去氣泡，最后固化成制品。其具體工藝流程圖如下：編輯ppt玻璃纖維無捻粗紗聚酯樹脂加熱引發(fā)劑促進劑靜態(tài)混合切割噴槍模具噴射成型輥壓固化脫模噴射成型工藝流程圖編輯ppt

圖8-10噴射成型原理圖

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噴射成型對所用原材料有一定要求，例如樹脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射霧化、脫除氣泡和浸潤纖維以及不帶靜電等。

最常用的樹脂是在室溫或稍高溫度下即可固化的不飽和聚酯等。編輯ppt

噴射法使用的模具與手糊法類似，而生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍，勞動強度降低，能夠制作大尺寸制品。編輯ppt用噴射成型方法雖然可以制成復(fù)雜形狀的制品，但其厚度和纖維含量都較難精確控制，樹脂含量一般在60%以上，孔隙率較高，制品強度較低，施工現(xiàn)場污染和浪費較大。

編輯ppt利用噴射法可以制作大蓬車車身、船體、廣告模型、舞臺道具、貯藏箱、建筑構(gòu)件、機器外罩、容器、安全帽等。編輯ppt5.連續(xù)纏繞成型工藝將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強塑料制品的工藝過程，稱為纏繞工藝。纏繞工藝流程圖如下圖所示：編輯ppt纏繞工藝流程圖紗團集束膠液配制浸膠烘干絡(luò)紗膠紗紗綻張力控制縱、環(huán)向纏繞芯模縱、環(huán)向纏繞張力控制加熱粘流固化脫模打模噴漆成品濕法纏繞成型工藝干法纏繞成型工藝編輯ppt8-5濕法纏繞的工藝原理圖圖8-6纏繞線成型圖編輯ppt利用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)制作復(fù)合材料制品時，有兩種不同的方式可供選擇：一是將纖維或帶狀織物浸樹脂后，再纏繞在芯模上；二是先將纖維或帶狀織物纏好后，再浸漬樹脂。

目前普遍采用前者。編輯ppt

纏繞機類似一部機床，纖維通過樹脂槽后，用軋輥除去纖維中多余的樹脂。為改善工藝性能和避免損傷纖維，可預(yù)先在纖維表面徐覆一層半固化的基體樹脂，或者直接使用預(yù)浸料。編輯ppt纖維纏繞方式和角度可以通過機械傳動或計算機控制。

纏繞達到要求厚度后，根據(jù)所選用的樹脂類型，在室溫或加熱箱內(nèi)固化、脫模便得到復(fù)合材料制品。

編輯ppt利用纖維纏繞工藝制造壓力容器時，一般要求纖維具有較高的強度和模量，容易被樹脂浸潤，纖維紗的張力均勻以及纏繞時不起毛、不斷頭等。

編輯ppt另外，在纏繞的時候，所使用的芯模應(yīng)有足夠的強度和剛度，能夠承受成型加工過程中各種載荷（纏繞張力、固化時的熱應(yīng)力、自重等），滿足制品形狀尺寸和精度要求以及容易與固化制品分離等。編輯ppt常用的芯模材料有石膏、石蠟、金屬或合金、塑料等，也可用水溶性高分材料，如以聚烯醇作粘結(jié)劑制成芯模。

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連續(xù)纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點首先，纖維按預(yù)定要求排列的規(guī)整度和精度高，通過改變纖維排布方式、數(shù)量，可以實現(xiàn)等強度設(shè)計，因此，能在較大程度上發(fā)揮增強纖維抗張性能優(yōu)異的特點，編輯ppt

其次，用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)所制得的成品，結(jié)構(gòu)合理，比強度和比模量高，質(zhì)量比較穩(wěn)定和生產(chǎn)效率較高等。編輯ppt連續(xù)纖維纏繞技術(shù)的缺點

設(shè)備投資費用大，只有大批量生產(chǎn)時才可能降低成本。編輯ppt

連續(xù)纖維纏繞法適于制作承受一定內(nèi)壓的中空型容器，如固體火箭發(fā)動機殼體、導(dǎo)彈放熱層和發(fā)射筒、壓力容器、大型貯罐、各種管材等。編輯ppt近年來發(fā)展起來的異型纏繞技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)雜橫截面形狀的回轉(zhuǎn)體或斷面呈矩形、方形以及不規(guī)則形狀容器的成型。編輯ppt

6.拉擠成型工藝

拉擠成型工藝中，首先將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模而定型；編輯ppt

其次，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。編輯ppt一般情況下，只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化的程度，最后固化是在加熱箱中完成的。臥式拉擠成型過程原理圖制品切割纖維樹脂槽擠膠器預(yù)成型拉攏熱模編輯ppt

拉擠成型過程中，要求增強纖維的強度高、集束性好、不發(fā)生懸垂和容易被樹脂膠液浸潤。常用的增強纖維如玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維以及金屬纖維等。編輯ppt用作基體材料的樹脂以熱固性樹脂為主，要求樹脂的粘度低和適用期長等。大量使用的基體材料有不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂等。編輯ppt另外，以耐熱性較好、熔體粘度較低的熱塑性樹脂為基體的拉擠成型工藝也取得了很大進展。其拉擠成型的關(guān)鍵在于增強材料的浸漬。編輯ppt

在拉擠成型工藝中，目前常用的方法如熱熔涂覆法和混編法。

熱熔涂覆法是使增強材料通過熔融樹脂，浸漬樹脂后在成型模中冷卻定型；編輯ppt混編法中，首先按一定比例將熱塑性聚合物纖維與增強材料混編織成帶狀、空芯狀等幾何形狀的織物；然后，利用具有一定幾何形狀的織物通過熱模時基體纖維熔化并浸漬增強材料，冷卻定型后成為產(chǎn)品。編輯ppt拉擠成型的優(yōu)點

①生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)自動化；②制品中增強材料的含量一般為40％--80％，能夠充分發(fā)揮增強材料的作用，制品性能穩(wěn)定可靠；編輯ppt③不需要或僅需要進行少量加工，生產(chǎn)過程中樹脂損耗少；④制品的縱向和橫向強度可任意調(diào)整，以適應(yīng)不同制品的使用要求，其長度可根據(jù)需要定長切割。編輯ppt拉擠制品的主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)耐腐蝕領(lǐng)域。主要用于上、下水裝置，工業(yè)廢水處理設(shè)備、化工擋板及化工、石油、造紙和冶金等工廠內(nèi)的欄桿、樓梯、平臺扶手等。

(2)電工領(lǐng)域。主要用于高壓電纜保護管、電纜架、絕緣梯、絕緣桿、燈柱、變壓器和電機的零部件等。編輯ppt

(3)建筑領(lǐng)域。主要用于門窗結(jié)構(gòu)用型材、桁架、橋梁、欄桿、支架、天花板吊架等。

(4)運輸領(lǐng)域。主要用于卡車構(gòu)架、冷藏車箱、汽車籠板、剎車片、行李架、保險桿、船舶甲板、電氣火車軌道護板等。編輯ppt

(5)運動娛樂領(lǐng)域。主要用于釣魚桿、弓箭桿、滑雪板、撐桿跳桿、曲輥球輥、活動游泳池底板等。

(6)能源開發(fā)領(lǐng)域。主要用于太陽能收集器、支架和抽油桿等。

(7)航空航天領(lǐng)域。如宇宙飛船天線絕緣管，飛船用電機零部件等。編輯ppt目前，隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，正向著提高生產(chǎn)速度、熱塑性和熱固性樹脂同時使用的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料和方向發(fā)展。生產(chǎn)大型制品，改進產(chǎn)品外觀質(zhì)量和提高產(chǎn)品的橫向強度都將是拉擠成型工藝今后的發(fā)展方向。編輯ppt7.注射成型工藝

注射成型是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的一種重要成型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用最廣。編輯ppt

圖8-9注射成型原理圖編輯ppt

注射成型工藝原理

注射成型是根據(jù)金屬壓鑄原理發(fā)展起來的一種成型方法。該方法是將顆粒狀樹脂、短纖維送入注射腔內(nèi)，加熱熔化、混合均勻，并以一定的擠出壓力，注射到溫度較低的密閉模具中，經(jīng)過冷卻定型后，開模便得到復(fù)合材料制品。編輯ppt

注射成型工藝過程包括加料、熔化、混合、注射、冷卻硬化和脫模等步驟。加工熱固性樹脂時，一般是將溫度較低的樹脂體系(防止物料在進入模具之前發(fā)生固化)與短纖維混合均勻后注射到模具，然后再加熱模具使其固化成型。

編輯ppt在加工過程中，由于熔體混合物的流動會使纖維在樹脂基體中的分布有一定的各向異性。如果制品形狀比較復(fù)雜，則容易出現(xiàn)局部纖維分布不均勻或大量樹脂富集區(qū)，影響材料的性能。

編輯ppt因此，注射成型工藝要求樹脂與短纖維的混合均勻，混合體系有良好的流動性，而纖維含量不宜過高，一般在30％--40％左右。編輯ppt

注射成型法所得制品的精度高、生產(chǎn)周期短、效率較高、容易實現(xiàn)自動控制，除氟樹脂外，幾乎所有的熱塑性樹脂都可以采用這種方法成型。編輯ppt按物料在注射腔中熔化方式分類，常用的注射機有按塞式和螺桿式兩種。由于按塞式注射機塑化能力較低、塑化均勻性差，注射壓力損耗大及注射速度較慢等，已很少生產(chǎn)，現(xiàn)在普遍使用的是往復(fù)螺桿式注射機。編輯ppt8、袋壓成型袋壓成型是最早最廣泛用于預(yù)浸料成型的工藝之一。將鋪層鋪放在模具中，依次鋪上脫膜布、吸膠層、隔離膜、袋膜等，在熱壓下固化。經(jīng)過所需的固化周期后，材料形具有一定結(jié)構(gòu)形狀的構(gòu)件（圖8-3）。

編輯ppt圖8-3袋壓成型原理圖編輯ppt

袋壓成型可分為真空袋成型、壓力袋成型及熱壓成型。鋪放與裝袋是生產(chǎn)高質(zhì)量構(gòu)件的關(guān)鍵步驟。

真空袋是袋裝成型中最重要的材料之一。它幫助排除蒸汽、包埋的空氣或其它揮發(fā)物，促進所期望的樹脂流動。最普通的材料是尼龍膜。編輯ppt9、熱壓罐成型熱壓罐成型的基本工藝是：鋪層被裝袋并抽真空以排除包埋的空氣或其它揮發(fā)物，在真空條件下在熱壓罐中加熱、加壓固化（圖8-4）。固化壓力通常在0.35-0.7MPa。熱壓罐成型具有構(gòu)件尺寸穩(wěn)定、準確、性能優(yōu)異等優(yōu)點，可制造各種形狀及尺寸的構(gòu)件。

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圖8-4熱壓罐裝置剖面圖

1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；5-弓形夾；6-熱壓罐；7-底板；編輯ppt10、樹脂傳遞成型（ResinTransferMolding）

先將增強劑置于模具中形成一定形狀，再將樹脂注射進入模具、浸漬并固化的一種復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，是FRP的主要成型工藝之一。其最大特點是污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在制品可設(shè)計性、可方向性增強、制品綜合性能方面優(yōu)于SMC、BMC。編輯ppt圖8-11樹脂傳遞成型示意圖編輯ppt四、復(fù)合材料成型固化工藝熱固性樹脂基復(fù)合材料的成型固化工藝是指將預(yù)浸料按零件要求鋪層后，在一定的工藝參數(shù)下使形狀固定下來，并賦予它設(shè)計所需要的性能。工藝過程有以下幾方面的研究內(nèi)容，即：原材料的工藝性、固化工藝過程的原理、固化工藝參數(shù)的選擇、固化工藝方法與裝備、工藝質(zhì)量控制與檢驗以及輔助材料等。編輯ppt1、工藝性工藝性是指復(fù)合材料的各組分在一定的工藝過程中轉(zhuǎn)化為制品的難易程度、制品的質(zhì)量達到的難易程度。不同的材料具有不同的工藝性。必須根據(jù)材料的工藝性來選擇相適應(yīng)的工藝方法；反之，任何制品的成型固化工藝方法主要依據(jù)材料的工藝性。編輯ppt另外，根據(jù)制品的設(shè)計要求，研究適應(yīng)現(xiàn)行工藝方法的新材料，或者研究新材料新工藝方法來滿足制品結(jié)構(gòu)的需要。通過材料工藝性的研究，促進材料和工藝技術(shù)的進步。每種具體的材料都有它自身的工藝性。對樹脂而言其工藝性包括：樹脂對纖維的浸潤性、粘附性、流動性、固化溫度、樹脂的適用期、收縮率等。對纖維來說有：鋪覆性、預(yù)浸料的制作性能以及預(yù)浸料的樹脂含量、貯存期等。編輯ppt對工藝性的好壞還有一些外在的評定標準。除材料轉(zhuǎn)化為制品的難易程度外，還有所制造制品的質(zhì)量與所能達到的工藝條件所表現(xiàn)出來的工藝穩(wěn)定性、性能指標的波動性；再就是經(jīng)濟效益和社會效益。編輯ppt2、復(fù)合材料固化工藝過程復(fù)合材料所用的樹脂基體主要有兩種組分，即樹脂和固化劑。復(fù)合材料固化工藝參數(shù)一般是指溫度、壓力、時間及其三者的相互關(guān)系，溫度包括升溫速度、固化溫度及保溫時間；壓力包括加壓時機、壓力大小和保壓時間。編輯ppt復(fù)合材料的固化過程是樹脂基體的物理和化學(xué)變化過程，也是纖維和樹脂基體形成界面的過程。作為固化過程的工藝參數(shù)是根據(jù)內(nèi)在質(zhì)量與能量的變化規(guī)律所決定的。固化工藝參數(shù)的研究是找出得到復(fù)合材料最佳性能所需要的溫度、壓力、時間及其相互變化的制約關(guān)系。對固化過程的控制，關(guān)鍵是加溫速率與溫度的控制，應(yīng)使整個制件在具體規(guī)定的時間內(nèi)溫度達到要求而且溫度分布均勻、并在樹脂粘度最合理的時機加壓，以便使構(gòu)件樹脂含量合理、分布均勻、空隙含量最低。編輯ppt熱固性樹脂的典型固化過程可以有三個不很明顯的階段。第一階段是樹脂基體中樹脂分子與固化劑分子相聚合形成可交聯(lián)（或聚合）的活化中間體。這個階段對多數(shù)樹脂基體體系是處于熔融可流動狀態(tài)。第二階段是開始引發(fā)交聯(lián)（或聚合）。隨著分子的加大或交聯(lián)點的增多，進入第三階段，即三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這個階段一般是不溶不熔狀態(tài)，只可能有一點補充交聯(lián)。編輯ppt熱固性樹脂復(fù)合材料的固化過程是一個不可逆的動態(tài)過程。在固化過程中，對于一個具體的樹脂基體來說，大部分交聯(lián)反應(yīng)是在最高溫度下進行的，這個溫度稱為固化溫度。樹脂基體交聯(lián)將發(fā)生收縮，引起變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，但此時的樹脂基體仍有足夠的粘度而允許殘余應(yīng)力完全釋放掉，因此固化溫度也稱為應(yīng)力釋放溫度。編輯ppt復(fù)合材料的固化初期在纖維周圍存在一個富樹脂層。經(jīng)過升溫，在一個加壓點加壓后，富樹脂層開始流動，以滲透方式通過纖維間隙流入吸膠層。多余樹脂流動后，纖維周圍形成有一定樹脂含量的復(fù)合材料。因此，由第二階段向第三階段的過渡是固化過程的關(guān)鍵時機，工藝過程中的加壓時機也是在這個階段。編輯ppt加壓時機是指復(fù)合材料固化過程中加壓的正確時間。加壓的最佳時間是樹脂達到凝膠點（指樹脂基體有一定粘度，樹脂基體的體積或宏觀粘度對時間曲線的斜率突然增加的那一點）的時刻。在此時加壓可使樹脂基體產(chǎn)生流動，使樹脂基體均勻分布，多余的樹脂流出，并迫使樹脂中的帶入或反應(yīng)形成的低分子揮發(fā)物形成的氣泡壓出，使制品內(nèi)部無空隙。加壓的時間如果在凝膠點前實施，樹脂將流失過多，造成復(fù)合材料制品貧膠，如加壓在凝膠點之后進行，樹脂已開始硬化，則將造成復(fù)合材料制品樹脂含量多、不均勻，以及有過多的空隙等。編輯ppt五、PMC的界面1、PMC的界面特點：

1）大多數(shù)界面為物理粘結(jié)，結(jié)合強度較低，結(jié)合力主要來自如色散力、偶極力、氫鍵等物理粘結(jié)力。偶聯(lián)劑與纖維的結(jié)合（化學(xué)反應(yīng)或氫鍵）也不穩(wěn)定，可能被環(huán)境（水、化學(xué)介質(zhì)等）破壞。

2）PMC的界面一般在較低溫度下使用，其界面可保持相對穩(wěn)定。

3）PMC中增強劑本身一般不與基體材料反應(yīng)。編輯ppt2、PMC的界面表征：

PMC的界面結(jié)構(gòu)主要包括增強劑表面、與基體的結(jié)合（反應(yīng)）層或偶聯(lián)劑參與的反應(yīng)層以及接近反應(yīng)層的基體擬制層。界面表征的目的是了解增強劑表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理、化學(xué)性質(zhì)，基體與增強劑表面的作用，偶聯(lián)劑與增強劑及基體作用，界面層性質(zhì)，界面結(jié)合強度以及殘余應(yīng)力的大小及作用等。使用電子顯微鏡（SEM、TEM）、紅外光譜、拉曼（Raman）光譜、二次離子質(zhì)譜等進行界面層的化學(xué)結(jié)構(gòu)表征。編輯ppt3、界面作用機理1）界面浸潤理論：Z2=Kcost/

樹脂流入量Z與液體表面張力

、接觸角

、時間t和孔徑成正比，與粘度

成反比。2）化學(xué)鍵理論：如在界面上形成共價鍵結(jié)合，在理論上可獲得最強的界面結(jié)合（210–220J/mol）這對在偶聯(lián)劑的選擇方面有一定指導(dǎo)意義。3）物理吸附理論：界面結(jié)合是屬于機械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸附。4）變形理論：纖維經(jīng)處理后，在界面上形成一層塑性層，松弛和減緩界面處的應(yīng)力集中。編輯ppt5）拘束層理論：界面區(qū)的模量介于基體和纖維之間時可最均勻地傳遞應(yīng)力。6）擴散層理論：偶聯(lián)劑形成的界面是能與樹脂相互擴散的聚合物硅氧烷層或其它的偶聯(lián)劑層。7）減弱界面局部應(yīng)力作用理論：基體與纖維之間的處理劑提供了一種具有“自愈合能力”的化學(xué)鍵，在載荷作用下處于不斷形成與斷裂的動態(tài)平衡。同時應(yīng)力得以松弛，減緩了界面處的應(yīng)力集中。編輯ppt4、PMC界面設(shè)計

基本原則：改善浸潤性、提高界面結(jié)合強度。1）使用偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑是一種化合物，其分子兩端含有不同的基團，一端可與增強劑發(fā)生化學(xué)或物理作用，另一端則能與基體材料發(fā)生化學(xué)或物理作用，從而使增強劑與基體靠偶聯(lián)劑的偶聯(lián)緊密地結(jié)合在一起。編輯ppt圖8-12有機硅偶聯(lián)劑對玻璃纖維的作用機制

編輯ppt2）增強劑表面（活化）處理由于碳纖維本身的結(jié)構(gòu)特征（沿纖維軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶）以及石墨表面能低，纖維不能被樹脂很好浸潤?？赏ㄟ^適當?shù)谋砻嫣幚硪愿淖兝w維表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)，使其表面能提高，以改善浸潤性或使表面生成一些能與樹脂反應(yīng)形成化學(xué)鍵的活性官能團，如引入-COOH、-OH、-NH2、C=O等，從而提高纖維與基體的相容性以及結(jié)合強度。

碳纖維表面處理方法主要有：氧化法（液相氧化、氣相氧化法等）；冷等離子體處理法；表面（氣相）沉積；表面電聚合處理。編輯ppt3）使用聚合物涂層改善基體和纖維的潤濕性以及界面粘接狀態(tài)；改善界面應(yīng)力狀態(tài)。使用溶液聚合物涂層涂敷、電化學(xué)及等離子聚合等方法可獲得。編輯ppt六、纖維增強聚合物基復(fù)合材料（FRP）的力學(xué)性能1、靜態(tài)力學(xué)性能：呈完全彈性形變，沒有屈服點和塑性區(qū)，斷裂應(yīng)變?。▓D8-14）。FRP的縱向拉伸強度和模量主要由纖維控制；縱向壓縮強度受纖維類型、纖維準直度（圖8-15）、界面粘結(jié)狀況和基體模量等因素影響較大。

FRP的橫向拉伸強度主要由基體或界面控制。橫向拉伸模量、剪切模量可由Halpin-Tsai公式較準確地估算。

FRP的高溫力學(xué)性能主要由基體控制。編輯ppt

圖8-14纖維增強聚合物基復(fù)合材料的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線編輯ppt圖8-15纖維增強聚合物基復(fù)合材料強度與纖維準直度的關(guān)系編輯ppt圖8-16FRP的高溫力學(xué)性能編輯ppt2、疲勞性能

材料在低于靜態(tài)強度極限的動載荷作用下，經(jīng)過不同時間后的破壞稱為材料的疲勞。其疲勞性能用疲勞壽命N或疲勞應(yīng)力SN表示。所加應(yīng)力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線為S-N曲線。編輯ppt圖8-17FRP與金屬鋁的疲勞性能對比

編輯ppt

S-N曲線受各種材料和試驗參數(shù)影響，包括：纖維類型及體積比；基體類型；鋪層形式；界面性質(zhì)；載荷形式；平均應(yīng)力；交變應(yīng)力頻率；環(huán)境條件等。

FRP的疲勞損傷首先發(fā)生在與載荷方向垂直或成大角度的鋪層中，特別是在富纖維區(qū)域的裂紋中開始。損傷起源于纖維與基體的界面脫粘，通常沿纖維/基體界面擴展。編輯ppt

疲勞導(dǎo)致復(fù)合材料的模量和靜強度下降；當內(nèi)部損傷積累到一定程度時發(fā)生災(zāi)難性破壞。此時作為復(fù)合材料的失效準則；也有把經(jīng)過一定疲勞循后，模量和強度下降到某一特定值時作為失效準則。在同樣條件下，F(xiàn)RP的疲勞性能優(yōu)于金屬；高模量FRP的疲勞性能優(yōu)于低模量的FRP（圖8-17）。編輯ppt3、沖擊和韌性

表征復(fù)合材料韌性的方法有三種：沖擊強度、斷裂韌性及沖擊后壓縮強度。Charpy和Izod沖擊試驗是評價復(fù)合材料沖擊性能的最普通方法，它是通過測量一個標準試樣所需能量來確定沖擊韌性。圖8-18為一典型沖擊載荷與時間關(guān)系曲線。全部沖擊破壞所吸收的能量Q等于裂紋引發(fā)能Qi和裂紋擴展能QP之和。編輯ppt圖8-18沖擊試驗中的典型加載歷程

編輯ppt韌性DI指數(shù)定義為裂紋擴展能QP與裂紋引發(fā)能Qi之比：

DI=QP/QiDI越大，材料韌性越好；對完全脆性材料，DI=0。FRP的能量吸收包括：1）纖維脫膠；2)纖維拔出；3）纖維破壞；4）基體變形和開裂；5）分層裂紋。

纖維非常顯著地影響破壞模式。通常韌性纖維，如玻璃纖維Kevla纖維增強樹脂復(fù)合材料具有較高的沖擊強度，而脆性纖維，如CFRP和BFRP沖擊強度較低。編輯ppt

基體變形要吸收較多的能量。熱固性基體較脆，變形較小，因而沖擊強度較低；熱塑性基體可產(chǎn)生較大的塑性變形，具有較高的沖擊強度。

纖維與基體界面粘結(jié)強度強烈地影響FRP的沖擊破壞模式，包括纖維的脫膠、分層和斷裂（圖8-19）。纖維脫膠可吸收大量的能量。如果FRP脫膠程度較大，可明顯增加沖擊能。當纖維斷裂的裂紋沒有能力擴展到韌性基體中時，纖維?？蓮幕w中拔出并引起基體變形，明顯增加斷裂能。分層裂紋通常吸收較大的能量，分層的增加會顯著提高沖擊能。當分層破壞占主導(dǎo)時，界面粘接越弱，沖擊能越大，反之，當纖維斷裂占主導(dǎo)作用時，界面粘接越強，沖擊能越大。

編輯ppt

圖8-19纖維復(fù)合材料中裂紋擴展模式編輯ppt表8-2各種材料的典型沖擊強度材料體積比（Vol%）沖擊強度（KJ/m2）石墨/EPKavlar-40/EPS–GF/EPBF/EP4130合金鋼4340合金鋼2024–T3鋁合金6061–T6鋁合金556572601146936937859221584153編輯ppt七、鋪層設(shè)計：鋪層材料的鋪層方案的設(shè)計。耦合效應(yīng)：層合板厚度方向的非均質(zhì)性造成層合結(jié)構(gòu)的一個特有現(xiàn)象，即是在小變形情況下，面內(nèi)內(nèi)應(yīng)力會引起平面變形，內(nèi)力矩會引起面內(nèi)變形。編輯ppt1、層合板設(shè)計的一般原則（1）鋪層定向原則：目前多選擇0、45、90和45四種鋪層方式。（2）均衡對稱鋪設(shè)原則：一般均設(shè)計成均衡對稱層合板，以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化后的翹曲等變形。編輯ppt（3）鋪層取向按承載選取原則：如果承受拉（壓）載荷，鋪層方向按載荷方向鋪設(shè)；如果承受剪切載荷，則鋪層方向按45成對鋪設(shè)；如果承受雙軸向載荷，則鋪層按受載方向0、45、90正交鋪設(shè)；如果承受多種載荷，則鋪層按0、90和45多向鋪設(shè)。（4）鋪層最小比例原則：對于方向為0、90和45鋪層，其任一方向的鋪層最小比例應(yīng)大于6-10%。編輯ppt

（5）鋪設(shè)順序原則：a：應(yīng)使各定向?qū)颖M量沿層合板厚度均勻分布，也就是說使層合板的單層組數(shù)盡量地大，或使每一單層組中的單層盡量地少，一般不超過4層。這樣可減少兩種定向?qū)又g的層間分層的可能性。b：如果層合板中含有0、90和45鋪層，應(yīng)盡量使45鋪層之間用0或90層隔開，也盡量使0和90層之間用+45或-45層隔開，以降低層間應(yīng)力。編輯ppt（6）沖擊載荷區(qū)設(shè)計原則：沖擊載荷區(qū)層合板應(yīng)有足夠多的0層，以承受局部沖擊載荷；也要有一定量的45鋪層以使載荷擴散。除此之外，需要時還應(yīng)局部加強以確保足夠的強度。（7）防邊緣分層破壞設(shè)計原則：除了遵循鋪設(shè)順序原則外，還可以沿邊緣區(qū)包一層玻璃布，以防止邊緣分層破壞。（8）抗局部屈服設(shè)計原則：對于有可能形成局部屈曲的區(qū)域，將45層盡量鋪設(shè)在層合板的表面，可提高局部屈曲強度。編輯ppt（9）連接區(qū)設(shè)計原則：沿載荷的鋪層比例應(yīng)大于30%，以保證足夠的擠壓強度；與載荷方向成45的鋪層比例應(yīng)大于40%，以增加剪切強度，同時有利于擴散載荷和減少孔的應(yīng)力集中。（10）變厚度設(shè)計原則：變厚度零件的鋪層階差、各層臺階設(shè)計寬度應(yīng)相等，其臺階寬度應(yīng)等于或大于2.5mm。為防止臺階處剝離破壞，表面應(yīng)由連續(xù)鋪層覆蓋。編輯ppt2、等代設(shè)計法等代設(shè)計法一般是指在載荷和使用環(huán)境不變的條件下，用相同形狀的復(fù)合材料層合板來代替其它材料，并用原來材料的設(shè)計方法進行設(shè)計，以保證強度和剛度。這種設(shè)計法對于不受力或受力很小的非承力構(gòu)件是可行的；對于受很大力的主承力構(gòu)件是不可行的；而對于受較大力的次承力構(gòu)件有時是可行的，有時是不可行的。

編輯ppt受力性質(zhì)層合板結(jié)構(gòu)形式用途承受拉伸、壓縮載荷，可承受有限的剪切載荷（0/90/90/0）或（90/0/0/90）用于主要應(yīng)力狀態(tài)為拉伸或壓縮應(yīng)力，或拉、壓雙向應(yīng)力的構(gòu)件。承受拉伸載荷、剪切載荷（45/-45/-45/45）或（-45/45/45/-45）用于主要應(yīng)力狀態(tài)為剪切應(yīng)力的構(gòu)件設(shè)計。承受拉伸載荷、壓縮載荷、剪切載荷（0/45/90/-45/-45/90/45/0）用于面內(nèi)一般應(yīng)力作用的構(gòu)件設(shè)計。承受壓縮載荷、剪切載荷（45/90/-45/-45/90/45）用于壓縮和剪切應(yīng)力，而剪切應(yīng)力為主要應(yīng)力的構(gòu)件設(shè)計。承受拉伸載荷、剪切載荷（45/0/-45/-45/0/45）用于拉伸和剪切應(yīng)力，而剪切應(yīng)力為主要應(yīng)力的構(gòu)件設(shè)計。編輯ppt3、層合板排序設(shè)計法

層合板排序設(shè)計法是基于某一類（即選定幾種鋪層角）或某幾類層合板選取不同的定向?qū)颖人懦傻膶雍习逑盗校员砀裥问搅谐龈鱾€層合板在各種內(nèi)力作用下的強度或剛度值，以及所需的層數(shù)，供設(shè)計選擇。

層合板排序設(shè)計法是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下按復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)求其強度的，一般需用計算機實施。在多種載荷情況下，必須用層合板排序設(shè)計法才有效。編輯ppt4、層合板的層間問題（1）層間強度：層間抵抗分層破壞的能力。

層間拉伸強度：層合板垂直于板面的拉應(yīng)力作用下的極限應(yīng)力。層間拉伸強度一般是指單向?qū)訅喊宓膶娱g拉伸強度。大量試驗證明，無論是單向?qū)訅喊宓膶娱g拉伸強度還是多向?qū)訅喊宀煌较蜾亴又g形成的層間拉伸強度基本上是一致的。

層間剪切強度：層壓板不同方向鋪層之間的剪切強度。通常采取三點彎曲試驗方法求得。編輯ppt（2）層間失效準則

最大應(yīng)力準則：層間應(yīng)力的最大值達到其相應(yīng)的強度時，即層間剪切應(yīng)力達到層間剪切強度，或?qū)娱g拉應(yīng)力達到層間拉伸強度時，層合板就發(fā)生層間失效。在有層間剪切應(yīng)力

xz又有層間剪切應(yīng)力

yz時，其層間剪切應(yīng)力為兩矢量之和，大小為：

=（

xz2+

yz2）1/2。

層間應(yīng)力相互作用準則：認為層間應(yīng)力滿足如下失效準則時，層間就失效。（

xz2+

yz2）/(ib)2+

z2/(

bi)2=1

式中

ib、

bi分別為層間剪切強度和層間拉伸強度。

編輯ppt

平均應(yīng)力準則：認為層間應(yīng)力的平均值達到其相應(yīng)的強度指標時，層壓板就發(fā)生層間失效。

基體失效準則：認為層壓板是由各向異性的鋪層與各向同性的基體層組合而成的，因而基體層失效就發(fā)生層間失效?；w層的失效準則可以用各向同性的失效準則，一般采用形狀改變比能準則。修正的三維失效準則：這是一類在三維失效準則基礎(chǔ)上修正了的層間失效準則，即將原來的三維失效準則中與應(yīng)力分量