复合材料

1、复合材料的定义、组成及分类 ① 定义

复合材料→是指将两种或两种以上的不同材料，用适当的方法复合成的一种新材料，其性能比单一材料性能优越。 ② 组成

基体、增强材料、界面

基体：起黏结作用，将增强材料黏合，起到均匀应力和传递应力的作用。 增强材料：承受力的组分

界面：界面粘结力充分发挥其材料的性能使其大大优于单一材料的性能。 ③ 分类

A 按基体类型分类：⑴树脂基复合材料 ⑵金属基复合材料 ⑶无机非金属基复合材料 B 按增强材料类型分类：⑴玻璃纤维复合材料（玻璃纤维增强的树脂基复合材料俗称玻璃钢） ⑵碳纤维复合材料 ⑶有机纤维复合材料 ⑷陶瓷纤维复合材料 C 按用途不同分类：⑴结构复合材料 ⑵功能复合材料 2、复合材料的特性

优点：㈠轻质高强㈡可设计性好㈢电性能好㈣耐腐蚀性好㈤热性能良好㈥工艺性能优良 缺点：㈦弹性模量较低（易变形）㈧长期耐热性不足（不能高温下长期使用）㈨老化现象 3、复合材料的应用及发展 应用：

⒈在航天航空方面的应用：轻质高强，使飞机的质量减轻，连接减少，速度提升，耗能减少。 ⒉在交通运输方面的应用：汽车质量减轻，相同的条件下耗油量只是钢铁汽车的四分之一，而且受到撞击时复合材料能大幅度的吸收冲击能量，保护人员安全。 ⒊在化学工业方面的应用：复合材料主要被用来制造防腐制品，因为聚合物复合基材料具有优良的耐腐性能，可用于制造各种管道，烟囱，地坪，风机，泵等。

⒋在电气工业方面的应用：因为复合基材料是一种优异的电绝缘材料，广泛的用于电机、电工器材制造。例如：绝缘板、绝缘管、电机护环等。

⒌在建筑方面的应用：玻璃钢具有优异的力学性能、良好的隔热，隔音性能，吸水率低，耐腐蚀性好和很好的装饰性，因此是一种理想的建筑材料，建筑上玻璃钢被用作承重结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。耐海水性能，并能极大的减少金属钢筋对电磁波的屏蔽作用。建筑物损坏修补材料等

⒍在机械工业方面的应用：用于制造各种叶片、风机、各种机械部件、齿轮、皮带轮和防护罩等。用复合材料制造的叶片具有质量轻、制造容易、耐腐蚀等优点，并且使用时噪声很小，特别适用于纺织机械。

⒎在体育方面的应用：被用作赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。 发展：

⑴降低成本 ⑵研制高性能的复合材料：高强度、高模量、耐高温 ⑶功能复合材料： ⑷智能复合材料：

⑸仿生复合材料： ⑹环保型复合材料：回收利用、节约资源，减少污染

第三章、复合物材料基体 一、不饱和聚酯树脂

1、不饱和聚酯树脂定义、结构特点及优缺点 定义：不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液。 结构特点:

优缺点：

2、不饱和聚酯树脂主要原料及合成原理

主要原料：领苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、丙二醇 合成原理：

3、影响固化树脂性能的因素 书P50

4、通用型不饱和聚酯树脂的技术指标 粘度、酸值、凝胶时间、固体含量

5、不饱和聚酯树脂的固化

（固化含义、过程阶段、固化原理、网络结构）

① 固化含义：液体树脂发生交联反应而转变成为不溶部熔的具有三维网络结构的固化物的全过程。 ② 过程阶段

a、凝胶阶段（A阶）：从液态的树脂到失去流动性形成半固体凝胶； b、定型阶段（B阶）：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状 c、熟化阶段（C阶）：从定型阶段到表观赏已经变硬而具有一定力学性能，经过后处理后，即使、具有稳定的物理化学性能儿可供使用的阶段

③固化原理：是自由基共聚反应，具有链引发、链增长、链终止三个自由基型聚合反应的特点。

④网络结构（书P57）

二、酚醛树脂

1、酚醛树脂定义及特性 ① 定义;

② 特征:具有良好的力学性能、耐热性能， 尤其具有突出的瞬间耐高温烧蚀性能

2、热固性酚醛树脂与热塑性酚醛树脂（定义及关键合成区别） ① 定义:

热固性酚醛树脂： 热塑性酚醛树脂： ② 区别：

热固性酚醛树脂：碱性催化剂，甲醛：苯酚＞1 热塑性酚醛树脂：酸性催化剂，苯酚：甲醛＞1

3、根据酚和醛的官能度，两者的摩尔比以及反应介质的PH值来获得两类主要的酚醛树脂（书P131）

4、酚醛树脂的改性

通过对酚醛树脂的改性，可以增加其韧性，提高它与增强材料的粘结性能、耐潮湿性能、耐温性能等，酚醛树脂的改性一般可通过下列途径：

① 封锁酚羟基。酚羟基在树脂合成中不参加化学反应，因此在树脂分子链中就留有酚羟基而容易吸水，使产品介电性能和机械性能下降；同时酚羟基容易在热或紫外线作用下生成醌等物质，造成颜色的不均匀变深。封锁酚羟基可以克服上述缺点，并调解书纸的固化速率。 ② 引入其他组分。引入能与酚醛树脂反应或与它相容性较好的组分，已达到对酚醛树脂改性的目的 三、环氧树脂

1、环氧树脂定义及典型双酚A型环氧树脂的结构

① 定义：环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物。 ② 型双酚A型环氧树脂的结构P79 2、环氧树脂的特性 ① 力学性能高

环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂，不饱和聚酯等通用型热固性树脂 ② 粘接性能优异

环氧树脂固化体系中活性极大的环氧基，羟基以及醚键，胺键，酯键等极性基团赋予环氧固化物以极高的粘接强度再加上他有很高的内聚强度等力学性能，因此。。。可做结构胶

③ 固化收缩率小

一般为1%-2%，是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一线膨胀系数也很小，所以其产品尺寸稳定，内应力小，不易开裂 ④ 工艺性好 ⑤ 电性能好 ⑥ 稳定性好 ⑦ 耐热性好

⑧ 在热固性树脂中环氧树脂及其固化物的缩合性能最好 3、环氧树脂被称为万能胶的原因

环氧树脂除了对聚烯烃等非极性塑料粘结性能不好之外对于各种金属材料铝铁，非金属材料玻璃木材以及热固性塑料酚醛等都有优良的粘结性能。 4、环氧树脂的分类及环氧树脂型号

5、双酚A型环氧树脂的合成

（主要原料、合成原理、影响合成的因素） ① 主要原料：二酚基丙烷 环氧氯丙烷 ② 合成原理：

③ 影响合成的因素：

a.环氧氯丙烷与双酚A的摩尔比必须大于1:1才能保证聚合物分子末端含有环氧基 b.环氧树脂的相对分子质量随ECP和EPP的摩尔比的变化而变化，一般来说，环氧氯丙烷过量越多，环氧树脂的相对分子质量越小

c.工业上环氧氯丙烷的实际用量一般为双酚A化学计量的2-3倍 6、环氧树脂主要技术指标

①环氧值、②无机氯含量、③总氯含量、④挥发物、⑤相对分子质量 7、环氧树脂的固化（重点胺类和酸酐类固化剂）

（1）多元伯胺、酸酐与环氧树脂固化反应原理、化学计量关系计算

（2）脂肪族、芳香族多元胺与环氧树脂固化特点

脂肪族：1.反应剧烈放热2.适用期均较短3.有毒性及挥发性稍大 芳香族：

1、固化反应速度慢

2.比脂肪族多元胺原子上电子云密度降低，碱性较低以及芳环的立体位阻效应 3.便于控制反应程度

4.固化环氧树脂在室温下不显示高的放热反应

5.化学计量关系：不同体系应采用实验加以确认,从而得到最优结果

第四章、热固性复合材料成型工艺

一、手糊成型工艺

1、定义：是指手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法。

预浸料定义：是将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物上，通过一定的处理过程后贮存备用的半成品（预浸料是一个总称） 2、分类（按发展或成型压力）

按发展分：喷射成型工艺、袋压成型工艺

按成型时，施加的压力大小分：接触成型、低压成型 3、手糊成型主要工序

增强材料裁剪—模具准备—涂脱模剂—喷涂胶衣层—成型操作—固化—脱模—修边—装配—制品

4、树脂胶液的主要指标：胶液粘度、凝胶时间

5、凝胶时间定义、凝胶时间调控及凝胶对工艺影响

① 定义：是指在一定温度下树脂、引发剂、促进剂混合以后，从粘流态到失去流动性变成软胶状态，所需要的时间。 ② 凝胶时间的调控

③ 凝胶时间对工艺的影响;如果凝胶时间过短，在成型操作过程中树脂粘度迅速增加，树脂胶液难以浸透增强材料，造成粘结不良，影响制品质量；如果树脂凝胶时间过长，成型操作完以后长时间不能凝胶，引起树脂胶液的流失和交联剂挥发，使制品固化不完全，强度降低。 6、胶衣层（定义及厚度控制）

① 定义：为了改善复合材料制品的表面质量，延长使用寿命，而在制品表面做的一层树脂含量较高、性能较好的面层，它可以是纯树脂层也可用表面毡增强。 ② 厚度控制

7、手糊成型优缺点

优点：操作简便、操作者容易培训； 设备投资少、生产费用低； 能生产大型的和复杂结构的制品； 制品可设计性好，且容易改变设计； 模具材料来源广；可制成夹层结构。

缺点：制品质量与操作者的技术水平有关； 制品力学性能较其他方法低； 是劳动密集型的成型方法，生产效率低 生产周期长 8、喷射成型

定义：是为了改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺，是手糊成型工艺的变形，主要改革是使用喷射设备

9、袋压成型（定义、分类、两种袋压成型工艺及比较）

① 定义：是在手糊成型的制品上，装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的复合材料制品表面而使制品成型的工艺方法。 ② 分类：加压袋法、真空袋法 ③ 成型工艺比较：

共同点：都是采用手糊或喷射铺层； 均采用橡胶袋或聚乙烯醇袋加压； 为了加快生产周期，一般都采用加热固化。

不同点：加压方式不同，使得制品在固化过程中受到的压力大小不同。 一般真空袋法的压力为0.05-0.06MPa；加压袋法的工作压力为0.4-0.5MPa.

二、模压成型工艺

1、定义:是指将模压料置于金属对模中，使之在一定的温度和压力下熔融并充满型腔，进而发生固化反应而定型。 2、模压料

① 定义：用树脂浸渍增强材料经烘干制得，是模压成型工艺中所用的原 料半成品 ② 模压料的流动性（压力、温度、加热时间的影响）

a、压力：当时间和温度一定时，成型压力增大，剪切速率增加，流动性增加；

（原因：压力增加，使大分子链局部取向、部分分子链断裂，分子量减小等，使得流动性增加）

b、温度：当时间、压力一定时在较低温度范围内，温度升高，粘度下降，流动性增加，若温度继续升高流动性下降

（原因：温度升高时，分子链活动能力增加，分子间作用力减小，流动性增加；温度继续升高，聚合物交联反应加快，占主导地位，分子量迅速增加，流动性下降）

c、加热时间：当温度、压力一定时，在开始一段时间内，时间增加，流动性增加，继续延长时间，流动性下降

（原因：在固化前的一段时间内，粘度对温度敏感，随时间增加，聚合物内部温度提高，流动性增加；之后聚合物交联反应进一步进行，占主导地位，分子量迅速增加，流动性下降）

3、片状模塑料SCM定义、组成配方

（配方中各部分要点：增稠机理及曲线、低收缩原理、内脱模剂）

① SCM:是指树脂糊浸渍纤维或短切毡，两面覆盖聚乙烯（或聚丙烯）保护膜而制成的片状模压成型中间材料。

② 组成配方：树脂、增强材料、引发剂（过氧化物）、交联剂（苯乙烯）、 增稠剂（金属氧化物、氢氧化物）、低收缩添加剂（热塑性树脂粉PVC/PS/PE/PVAC）内脱模剂（硬脂酸类）、无机填料（氧化硅、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐） ③ 增稠机理及曲线

④ 低收缩原理：当SCM加热加压固化时，热塑性树脂和不饱和聚酯树脂都发生热膨胀，接着不饱和聚酯树脂开始固化。不饱和聚酯树脂固化时放出的热量加上模具的热量，使热塑性树脂产生更大的膨胀力，从而抵消了不饱和聚酯树脂固化时的收缩力；当SCM制品降温时，热塑性树脂由粘流态转变成固态二发生体积收缩，但此时不好喝聚酯树脂已经固化，热塑性树脂的体积收缩引起了与不饱和聚酯树脂的微分离形成微孔，两种树脂之间的分离过程，消除了体积收缩引起的内应力。 ⑤ 内脱模剂

4、模压成型压制操作（书P255）

三、层压成型工艺（定义、热压工艺的升温曲线示意图）

1、定义：是把一定层数的浸胶布（纸）叠在一起，送入多层液压机，在一定温度和压力的作用下压制成板材的工艺。 2、升温曲线示意图（书P268）

第一阶段：预热阶段。目的：使胶布中的树脂熔化，使熔化的树脂往增强材料的间隙中深度浸渍，并使挥发物跑掉一些。此时压力一般为1/2~1/3全压。

第二阶段：中间保温阶段目的：使树脂在较低的反应速度下固化。保温时间的长短主要取决于胶布的老嫩程度以及板料的厚度。在这一阶段应密切注意树脂沿模板边缘流出的情况。当流出的树脂已经硬化，即不能拉成细丝时，应立即加全压，并随即升温。 第三阶段：升温阶段。目的：逐步提高反应温度，以加快固化反应速度。升温速度不宜过快，升温过快则使固化反应剧烈，在制品中容易产生裂缝、分层等缺陷。

第四阶段：热压保温阶段。作用：使树脂获得充分的固化。该阶段的温度高低主要取决于树脂的固化疼醒，保温时间和层压板的厚度有关。 第五阶段：冷却阶段。

四、缠绕成型工艺（定义、分类及对比、三种缠绕规律）

1、定义：是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按一定的规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。 2、分类：干法、湿法、半干法

① 干法：在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在卷盘上待用。使用时使浸渍带加热软化后绕制在芯模上。

② 湿法：缠绕成型时玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成型。

③ 半干法：将无捻粗纱浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上。

3、对比：半干法与湿法相比，增加了烘干工序；与干法相比，缩短了烘干时间，降低了胶纱的烘干程度，使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂，有提高了缠绕速度和制品质量。

4、三种缠绕规律：环向缠绕、纵向缠绕、螺旋缠绕 五、树脂传递成型工艺RTM（定义、优缺点）

1、RTM：是将增强材料预先铺设在对模模腔内，紧锁模具，用压力从预设的注入口将树脂胶液注入模腔，浸透增强材料后固化，脱模得到制品。 2、优缺点：

优点：闭模成型，生产环境好；劳动强度低；成型周期短；产品可大型化； 制品纤维含量较高，未被树脂浸的部分非常少； 制品两面光滑，可作有表面胶衣的制品，精度较高； 强度可按设计要求，具有方向性； 可与芯针、嵌件一体成型； 相对注射设备与模具成本较低。 缺点：不易制作较小产品；

因要承压，故模具较手糊成型与喷射工艺模具要重和复杂，价位较高

六、挤拉成型工艺（定义、分类、基本设备装置）

1、定义：将浸过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型。在模中或固化炉中固化。制成具有特定横截面形状和长度不受限制的缝合材料型材的方法。 2、分类：预浸纤维挤拉成型、纤维挤拉成型 （热塑性复合材料的挤拉成型工艺） 3、基本设备装置

基体浸渍装置、预成型模、加热主成型模、牵引装置、切断装置