纤维增强聚合物复合材料性能与制造概述

纤维增强聚合物复合材料性能与制造概述复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型 工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结 构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复 合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料 (constituent materials)，它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。 对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料 中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷; 增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、品须或片状物等 的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材 料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和 最重要的是碳纤维。范围在68m内，是近几十年发展起来的一种 新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腊基 碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腊原丝(称之为前驱体)、沥 青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤 维中的氢、氧等元素得以排出，成为一种接近纯碳的材料，含碳量一 般都在90%以上，而本身质量却大为减轻；由于碳化过程中对纤维进 行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，因而碳纤 维轴向拉伸强度大大提高，成为一种轻质、高强度、高模量、化学性 能稳定的高性能纤维材料。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进树脂基复合材料 是目前用得最多，也是最重要的一种结构复合材料。此外，用天然纤 维、玻璃纤维和玄武岩纤维作增强体的树脂基复合材料也在快速发 展。1、纤维增强聚合物基复合材料的特性1）比强度、比模量大碳纤维、硼纤维等有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度比 钛合金高3-5倍，比模量比金属高4倍。这种性能因增强的纤维排列 不同会在一定的范围内浮动。2）耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合 物基复合才来哦中纤维与基体的界面能阻止材料的受力所致裂纹的 扩展。因此，其疲劳破坏总能从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结 合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其 拉伸强度的30-50%，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其 拉伸强度的70-80%。3）减振性好受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比 模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量高，因此用这类材料制 成的结构件具有较高的自振频率。同时，复合材料中的界面具有吸震 能力，使材料的振动阻尼很高。对相同形状和尺寸的梁进行振动实验 得知，轻合金梁需9秒才能停止振动，而碳纤维复合材料只需2.5秒 就能停止同样大小的振动。4）过载时安全性好复合材料中有大量独立的纤维，当材料过载而有少量纤维断裂时， 载荷会迅速重新分配到破坏的纤维上，使整个构件短期内不至于是去 承载能力。5）电性能好复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材 料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如玻璃纤维增 强的树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电 机与电器中的绝缘零部件。6）有很好的加工工艺性连续纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，可以通 过手糊成型、缠绕成型和拉挤成型等复合材料特有的工艺方法制造制 品。它能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状 复杂、数量少制品的制造。7）具有多种功能性a、耐烧蚀性好 聚合物基复合材料可以制成具有较高的比热，烧 融热和气化热，可吸收高温烧蚀的大量热能。b、有良好的摩擦性能 包括良好的摩阻特性（高摩擦系数材料） 及减摩特性（低摩擦系数材料）。c、高度的电绝缘性能。d、耐腐蚀性。e、具有特殊的光，电、磁特性的聚合物与其它材料组成的多种 功能复合材料。2、纤维增强聚合物基复合材料在低温下的应用纤维增强聚合物基复合材料的低温应用途径主要有3个方面。(1) 结构支撑对重量有严格要求的航天器上目前常采用碳纤维及Kevlar纤维 增强环氧树脂基复合材料作为太阳电池阵结构、天线结构及柄架结构 支撑材料。东方红三号通信广播卫星的太阳电池阵结构中就采用了高 模量碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为夹层结构的面板以实现减 轻质量，增加有效载荷效率的目的。纤维增强聚合物基复合材料用于低温系统中的两类支撑定位结 构形式分别是支承柱/管和支撑带，支承柱/管主要受压缩载荷，固定 支撑带则主要承受拉伸载荷。支撑带低温下的应用主要涉及核磁共振 元件，杜瓦及航天应用方面;支撑柱/管的低温应用则包括杜瓦支撑， 航天应用，高能物理加速器中超导磁体、超导磁流体动力系统及强冲 击加载条件下超导磁体的支撑。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括压缩模量、 压缩强度、拉伸模量、拉伸强度、导热系数、热膨胀系数、疲劳性能 和抗辐射性能。(2) 低温容器压力容器和低温储罐采用纤维增强聚合物基复合材料作为结构 材料。以玻璃、硼、Kevlar、碳等高强纤维作为增强材料，铝合金、 不锈钢、钛合金等金属为内衬材料制成的纤维缠绕式容器，被用于运 载火箭及航天飞机液氢、液氧燃料贮箱；为降低发射费用，减轻飞行 器质量，美国国家航空航天局（NASA）自20世纪90年代中期开始研 发以碳纤维增强复合材料为面板、轻质聚合物材料为芯材的夹层结构 容器作为单级入轨、可重复使用下一代飞行器（RLV）中低温燃料贮 箱。在民用方面，随着氢、天然气作为新型能源而逐渐得到广泛应用， 也出现采用铝材做内衬材料，外部用碳纤维/环氧树脂做增强材料的 压力储氢容器，以及采用玻璃纤维层压复合材料作为液化天然气运输 船绝热贮槽隔热材料的例子。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括导热系数、 拉伸强度、拉伸模量、气/液渗透性、疲劳性能等。（3）低温超导系统的绝缘件在低温超导领域，对于设备的要求除了支承、绝热方面还有电绝 缘性、抗磁性、热膨胀性等。国际热核实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reator）项目、中 国科学院等离子体物理研究所的先进超导托卡马克核聚变装置（EAST）、欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机中所用的超导磁 体装置均采用纤维增强聚合物基复合材料作为绝缘材料。此外，用做 核聚变反应堆和磁流体能量转换器中大型线圈的框架及励磁绕组线 圈层间绝缘，以及脉冲磁体中非金属低温恒温器，也大都采用玻璃/ 环氧树脂等纤维增强层压复合材料作为支撑元件，同时也作为电绝缘 部件。对于纤维增强聚合物基复合材料关键性能的要求包括材料厚度方向力学性能，如剪切强度、压缩强度、剪毋 压缩耦合强度，以及介电强度、抗辐射性能、放气性能、导热系数和热膨胀系数。二.纤维增强聚合物复合材料制造方法复合材料的性能在纤维与树脂体系确立以后，主要决定适于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面的内容，一是成形 就是 将预浸料根据产品的要求,辅置成一定的形状，一般就是产品的形状。 二是进行固化,这就是使一铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时 间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要 求。复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用 要求,结合材料的工艺性来确定的。从20世纪40年代聚合物及复合 材料及其制件成型方法的研究与应用开始，随着聚合物及复合材料工 业迅速发展和日渐完善,新的高效生产方法不断出现 已在生产中采用的成型方法有：1 手糊成型一湿法铺层成型。2 真空袋压法成型。3 压力袋成型。4 树脂注射和树脂传递成型。5 喷射成型。6 真空辅助树脂注射成型。7 夹层结构成型。8 模压成型。9 注射成型。10 挤出成型。11 纤维缠绕成型。12 拉挤成型。13 连续板材成型。14 层压或卷制成型。15 热塑性片状膜塑料热冲压成型。16 离心浇铸成型。1. 手糊工艺手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在磨具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺 贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物 使 其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物, 反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热 固化成型（热压成型），或者利用树脂体系固化释放出的热量固化成型 （冷压成型），最后唾沫得到复合材料制品。手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法。虽然所占比重呈 下降趋势，但仍不失为主要成型工艺。其优点为：1 手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大批量小形状复杂 产品的生产。2 设备简单 投资少 设备折旧费低。3 工艺简便。4 易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料。5 制品树脂含量较高 耐腐蚀性好。同时，手糊成型也有缺点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生 条件差。产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。2. 模压成型工艺模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都是用的纤维复合材 料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞 开的金属对模中，闭模后加热使其熔化 并在压力作用下充满模腔， 形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应 而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。模压成型工艺是一种古老的工艺技术，生产效率较高，制品尺寸准确， 表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无须有损制品性能的二 次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化，但 是磨具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一 般只适合制造批量大的中小型制品。3. RTM成型工艺树脂传递模塑为Resin Transfer Molding,简称RTM。它是一种闭 模成型的工艺方法，其基本工艺过程为;将液态热固性树脂（通常为不 饱和聚酯）及固化剂,由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混 合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、 后加工而制成制品。小结纤维增强聚合物基复合材料具有独特的性能优势，并且低温下 的热性能、力学性能均好于常温，适宜作为低温系统中的隔热结构材 料和超导磁体的绝缘支撑材料。但在实际应用中，也必须考虑到材料 本身的劣势，包括韧性差、各向异性和气密性差等。利用复合材料可 设计性，结合具体低温应用环境下载荷作用形式、方向和对材料性能 的要求，有针对性的选择、设计和制作纤维增强聚合物基复合材料， 可以有效提高低温系统结构安全性，扩大纤维增强聚合物基复合材料 在低温领域的适用范围。