一、前言

       相比傳統材料，復合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以來發展很快。盡管產量小(據法國Vetrotex公司統計，2003年全球復合材料達700萬噸)，但復合材料的水平已是衡量一個國家或地區科技、經濟水平的標志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產量分別占全球產量的33%與32%，以中國(含臺灣省)、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2003年玻班纖維增強塑料(玻璃纖維與樹脂復合的復合材料、俗稱“玻璃鋼”)逾90萬噸，已居世界第二位(美國2003年為169萬噸，日本不足70萬噸)。

復合材料主要由增強材料與基體材料兩大部分組成：

      增強材料：在復合材料中不構成連續相賦于復合材料的主要力學性能，如玻璃鋼中的玻璃纖維，CFRP(碳纖維增強塑料)中的碳纖維素就是增強材料。
基體：構成復合材料連續相的單一材料如玻璃鋼(GRP)中的樹脂(本文談到的環氧樹脂)就是基體。

按基體材料不同，復合材料可分為三大類：

        樹脂復合材料
        金屬基復合材料 
        無機非金屬基復合材料，如陶瓷基復合材料。

本文討論環氧樹脂基復合材料。

1、為什么采用環氧樹脂做基體？

       固化收縮率代低，僅1%-3%，而不飽和聚酯樹脂卻高達7%-8%；
      粘結力強；
      有B階段，有利于生產工藝； 
      可低壓固化，揮發份甚低； 
      固化后力學性能、耐化學性佳，電絕緣性能良好。
      值得指出的是環氧樹脂耐有機溶劑、耐堿性能較常用的酚醛與不飽和聚酯權勢脂為佳，然耐酸性差；固化后一般較脆，韌性較差。

2、環氧玻璃鋼性能(按ASTM)

         以FW(纖維纏繞)法制造的玻纖增強環氧樹脂的產品為例，將其與鋼比較。

表1 GF/EPR與鋼的性能比較
 

玻璃含量	GF/EPR(玻纖含量80wt%)	AISI1008 冷軋鋼
相對密度	2.08	7.86
拉伸強度	551.6Mpa	331.0MPa
拉伸模量	27.58GPa	206.7GPa
伸長率	1.6%	37.0%
彎曲強度	689.5MPa
彎曲模量	34.48GPa
壓縮強度	310.3MPa	331.0MPa
懸臂沖擊強度	2385J/m
燃燒性(UL-94)	V-O
比熱容	535J/kg·k	233J/kg·k
膨脹系數	4.0×10-6k-1	6.7×10-6k-1
熱變形溫度	204ºC(1.82MPa)
熱導率	1.85W/m·k	33.7W/m·k
介電強度	11.8×106V/m
吸水率	0.5%(24h)

表2 幾種常用材料與復合材料的比強度和比模量

材料名稱	密度g/cm3	拉伸強度×104MPa	彈性模量×106MPa	比強度×106cm	比模量×109cm
鋼	7.8	10.10	20.59	0.13	0.27
鋁	2.8	4.61	7.35	0.17	0.26
鈦	4.5	9.41	11.18	0.21	0.25
玻璃鋼	2.0	10.40	3.92	0.53	0.21
碳纖維/環氧樹脂	1.45	14.71	13.73		0.21
碳纖維/環氧樹脂	1.6	1049	23.54		1.5
芳綸纖維/環氧樹脂	1.4	13.73	7.85		0.57
硼纖維/環氧樹脂	2.1	13.53	20.59		1.0
硼纖維/鋁	2.65	9.81	19.61		0.75

 

圖1 復合材料的比強度與比剛性

二、纖維增強環氧樹脂復合材料成型工藝簡介

1、手糊成型(hand lay up)

圖2 手糊成型示意圖

(1)概要 

     依次在模具表面上施加 脫模劑 膠衣
      一層粘度為0.3-0.4PaS的中等活性液體熱固性樹脂(須待膠衣凝結后)
      一層纖維增強材料(玻纖、芳綸、碳纖維......)，纖維增強材料有表面氈、無捻粗紗布(方格布)等幾種。以手持輥子或
      刷子使樹脂浸漬纖維增強材料，并驅除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達到制品的設計厚度。
      樹脂因聚合反應，常溫固化。可加熱加速固化。

(2)原材料

       樹脂 不飽和聚酯樹脂、已烯基酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等。
       纖維 玻纖、碳纖、芳綸等。雖然厚的芳綸織物難于手工將樹脂浸透，亦可用。 
       芯材 任意。

(3)優點

     1)適合少量生產；
     2)可室溫成型，設備投資少，模具折舊費低；
     3)可制造大型制品和型狀復雜產品；
     4)樹脂和增強材料可自由組合，易進行材料設計； 
     5)可采用加強筋局部增強，可嵌入金屬件；
     6)可用膠衣層獲得具有自由色彩和光澤的表面(如開模成型則一面不平滑)；
     7)玻纖含量較噴射成型高。

     無捻粗紗布50%左右
     織物 35%-45% 
     短切原絲氈30%-40%

(4)缺點

      1)屬于勞動密集型生產，產品質量由工人訓練程度決定；
      2)玻纖含量不可能太高；樹脂需要粘度較低才易手工操作，溶劑/苯乙烯量高，力學與熱性能受限制；
      3)手糊用樹脂分子量低；通常可能較分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。 

(5)典型產品 

       艦艇、風力發電機葉片、游樂設備、冷卻塔殼體、建筑模型。

2、樹脂傳遞成型(RTM)

圖3 樹脂傳遞成型示意圖

(1)概要

      RTM是一種閉模低壓成型的方法。 
      將纖維增強材料置于上下模之間；合模并將模具夾緊；在壓力下注射樹脂；樹脂固化后打開模具，取下產品。 
      樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模個內，浸漬纖維材料。 
      RTM是一低壓系統，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當制造高纖維含量(體積比超過50%)的制品，如航空航天用零部件時，壓力甚至達0.7MPa。
      纖維增強材料有時可預先在一個模具內預成型大致形狀(帶粘結劑)，再在第二個模具內注射成型。 
      為了提高樹脂浸透纖維能力，可選擇真空輔助注射(VARI-vacuum saaistedrsin injection)。 
      注意樹脂一經將纖維材料浸透，樹脂注口要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以復合材料與鋼材料 制作。若采用加熱工藝。宜用鋼模。

(2)原材料

      樹脂：一般多用環氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛；當加溫時，高溫樹脂臺雙馬列來酰亞胺樹脂亦可用。
      法國 Vetrotex公司開發了熱塑性樹脂RTM。 
      纖維：任意。常用玻纖連續氈、縫編材料(其纖維間的縫隙得于樹脂傳遞)、無捻粗紗布；玻纖與熱塑性塑料的復合紗及其織物與片材(法國Vetrotex商品名TWINTEX)。
      芯材：不用蜂窩，因蜂窩空格全被樹脂填滿，壓力會導致其破壞。可用耐溶劑發泡材料PU、PP、CL、VC等。

(3)優點

      1)制品纖維含量可較高，未被樹脂浸得部分非常少；
      2)閉模成型，生產環境好； 
      3)勞動強度低，對工人技術熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低；
      4)制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高；
      5)成型周期較短；
      6)產品可大型化； 
      7)強度可按設計要求具有方向性；
      8)可與芯村、嵌件一體成型；
      9)相對注射設備與模具成本較低。

(4)缺點

     1)不易制作較小產品；
     2)因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和復雜，價位也高一些； 
     3)能有未被浸漬的材料，導致邊角料浪費。

(5)典型產品

      小型飛機與汽車零部件、客車座椅、儀表殼

3、纖維纏繞(FW)
 

圖4纖維纏繞示意圖

(1)概要

      通常采用直接無捻粗紗作為增強材料。粗紗排列在紗架上。粗紗自紗架上退繞，通過張力系統、樹脂槽、繞絲嘴，由小車帶動其往復移動并纏繞在回轉的芯軸(模)上。纖維纏繞角度與纖維排列密度根據強度設計，并由芯軸(模)轉速與小車往復速度之比，精確地控制。固化后將纏繞的復合材料制品脫模。
       對某些兩端密閉的產品不用脫模，芯模即包在復合材料產品內，作為內襯。

(2)原材料 

      樹脂：任意。環氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛樹脂。
      纖維：任意。無捻粗紗、縫編和無紡織物。生產管罐時，常用表面氈、短切原絲作為內襯材料。
      芯材：可用。雖然復合材料制品通常是單一殼體，一般不用。

(3)優點

1)因為纖維逕直以合理的線形鋪設，承擔負荷，故復合材料制品的結構特性可非常高；
2)由于同內襯層組合，可制得耐腐蝕、耐壓、耐熱的制品；
3)可制造兩端封閉的制品；
4)鋪放材料快、經濟、用無捻粗紗，材料費用低；
5)可采用樹脂計量，然浸膠后的纖維通過擠膠或口模，控制樹脂含量；
6)可大理生產和自動化；
7)機械成型，復合材料材質及方向性均勻，質量穩定。

(4)缺點

1)制品形狀限于圓柱形或其它回轉體；
2)纖維不易沿制品長度方向精確排列；
3)對于大型制品，芯模成本高；
4)成品外表不是“模制”的，不盡人意；
5)對于承受壓力的制品，如選擇樹脂不合適或無內襯，就易發生滲漏。

(5)典型產品

管道、貯罐、氣瓶(消防呼吸氣瓶、壓縮天然氣瓶等)、固體火箭發動機殼體。

4、RIM(Reaction Injection Molding-反應注射成型)

圖5RIM示意圖

(1)概要

       將兩種或兩種以上的組分在混合區低壓(0.5MPa)混合后，即在低壓(0.5-1.5MPa)下注射到閉模中反應成型，此即為工藝過程。若組分一為多元醇，一為異氰酸酯，則反應生成聚氨酯 。為增加強度，可直接在一種組分內行加入磨碎玻纖原絲和(或)填料。弈可采用長纖維(如連續纖維氈、織物、復合氈、短切原絲等的預成型物等)增強，在注射前，將長纖維增強材料預先置模具內。用此法可得到高力學性能的制品。這種工藝稱為SRIM(Structural Reaction Injection Molding-結構反應注射成型)。

(2)原材料

樹脂：常用聚氨酯體系或聚氨酯/脲混合體系；亦可采用環氧、尼龍、聚酯等基本；
纖維：常用長0.2-0.4mm的磨碎玻璃纖維；
芯材：不用。

(3)優點

1)制造成本比熱塑性塑料注射工藝低；
2)可制造大尺寸、開頭復雜的產品；
3)固化快，適于快速生產。

(4)缺點

采用磨碎玻璃纖維增強原料費用高，薦用礦物復合材料取代之。

(5)主要產品

汽車儀表盤、保險杠、建筑門、窗、桌、沙發、電絕緣件。