相比傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有一系列不可替代的特性,，自二次大占以來發(fā)展很快,。盡管產(chǎn)量小(據(jù)法國Vetrotex公司統(tǒng)計，2003年全球復(fù)合材料達(dá)700萬噸),，但復(fù)合材料的水平已是衡量一個國家或地區(qū)科技,、經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)志之一。美,、日,、西歐水平較高。北美,、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)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(fù)合的復(fù)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(fù)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(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相賦于復(fù)合材料的主要力學(xué)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(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料如玻璃鋼(GRP)中的樹脂(本文談到的環(huán)氧樹脂)就是基體。
按基體材料不同,，復(fù)合材料可分為三大類：
樹脂復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料
無機(jī)非金屬基復(fù)合材料,，如陶瓷基復(fù)合材料,。
本文討論環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。
1,、為什么采用環(huán)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(dá)7%-8%,；
粘結(jié)力強；
有B階段,，有利于生產(chǎn)工藝,；
可低壓固化，揮發(fā)份甚低,；
固化后力學(xué)性能,、耐化學(xué)性佳，電絕緣性能良好,。
值得指出的是環(huán)氧樹脂耐有機(jī)溶劑,、耐堿性能較常用的酚醛與不飽和聚酯權(quán)勢脂為佳，然耐酸性差,；固化后一般較脆,，韌性較差。
2,、環(huán)氧玻璃鋼性能(按ASTM)
以FW(纖維纏繞)法制造的玻纖增強環(huán)氧樹脂的產(chǎn)品為例,，將其與鋼比較。
表1 GF/EPR與鋼的性能比較
! u8 Q5 r# }5 S& S+ b# S
| 玻璃含量 | ! Z" ^4 y/ m: D5 |GF/EPR(玻纖含量80wt%) | AISI1008 冷軋鋼 |
| 相對密度 | ) b' o( [8 z" a! ^8 b4 ~) [; Y0 r2.08 | " L& S- w5 n0 e$ ], B0 S% e# u m+ Y- m7.86 |
| 拉伸強度 | 551.6Mpa | 1 a! u; n; x9 N, ~5 H, ~- k331.0MPa |
| 拉伸模量 | 27.58GPa | " t# ] T4 L- y206.7GPa |
| 伸長率 | 1.6% | / g# D# R/ c! y& `( c4 Q2 t$ N L37.0% |
| 彎曲強度 | 689.5MPa | |
| 彎曲模量 | / V$ e0 G5 R$ ?- o7 G34.48GPa | |
| 壓縮強度 | 310.3MPa | ( i2 c1 V2 e8 a- R* O331.0MPa |
| 懸臂沖擊強度 | " g0 M+ U( Y- t* Z1 A2385J/m | |
| 燃燒性(UL-94) | . n8 p3 R+ [ t' n' ^V-O | ( s' P$ D0 s% ?) M|
| 比熱容 | 535J/kg·k | - P a% b) r3 N+ V# p7 Y7 g+ h. v233J/kg·k |
| 膨脹系數(shù) | * _ Y2 K1 P) Z* t5 x0 X" b' o4.0×10-6k-1 | * V6 J2 ?2 Z9 X5 O* f6.7×10-6k-1 |
| 熱變形溫度 | 204oC(1.82MPa) | 5 P9 R! _2 O' x|
| 熱導(dǎo)率 | 1.85W/m·k | , ]4 B' {7 M* [! J# h2 P33.7W/m·k |
| 介電強度 | 11.8×106V/m | |
| 吸水率 | 0.5%(24h) | 2 w1 t- [# f1 c7 @( E( U
| 材料名稱 | 密度g/cm3 | 拉伸強度×104MPa | $ V0 J0 u: c9 Y/ P' d6 X彈性模量×106MPa | 比強度×106cm | 5 w4 J# [% d8 _/ q( L2 t比模量×109cm |
| 鋼 | 7.8 | 10.10 | 4 K4 B/ r# F8 |2 o( c! i20.59 | % S1 |$ i9 M) L2 }! v4 F6 F0.13 | 0.27 |
| 鋁 | 2.8 | 4.61 | 7.35 | : p: z, M: D v! X0.17 | ! e: ^% {3 Y2 N# X) W$ i0.26 |
| 鈦 | 4.5 | 9.41 | 11.18 | : N3 K- w7 ?1 s% y* ?% E! u1 V0.21 | 0.25 |
| 玻璃鋼 | 2.0 | * d4 i& P; A1 s4 N& r0 m10.40 | 3.92 | 0.53 | 0.21 |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | : S9 B! h- S8 \; T1.45 | 14.71 | 13.73 | % S4 R- _# G8 Q+ x' _2 T0.21 | |
| 碳纖維/環(huán)氧樹脂 | 1 G% ~! J+ I4 J$ ^1.6 | 1049 | 23.54 | * C1 v1 o2 W* H2 h0 e% t4 S' M | 1.5 |
| 芳綸纖維/環(huán)氧樹脂 | 1.4 | 13.73 | 9 K1 M. k2 [, Y9 D2 a- ^" \7.85 | . u& Q+ {: Q3 d, H1 _$ l) N2 F1 ?! H: u R$ U | 0.57 |
| 硼纖維/環(huán)氧樹脂 | 2.1 | 13.53 | / y0 X- p- R: h% f# K20.59 | 8 r6 Q Z" [6 ?2 d! g! s$ F# O0 d1 P1.0 | |
| 硼纖維/鋁 | % K. _) x8 r7 J2.65 | ) e1 [+ ]9 E9 f0 O! s9.81 | 19.61 | 0.75 |
5 i& z$ x% W* @9 ~4 V, D* e
圖1 復(fù)合材料的比強度與比剛性
二,、纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝簡介
1,、手糊成型(hand lay up)
% B, M3 P$ J2 z" p, C/ e5 M5 c
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(jié)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(qū)除氣泡，壓實基層,。鋪層操作反復(fù)多次,，直到達(dá)到制品的設(shè)計厚度。
樹脂因聚合反應(yīng),，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(huán)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(yōu)點
1)適合少量生產(chǎn),；
2)可室溫成型，設(shè)備投資少,，模具折舊費低,；
3)可制造大型制品和型狀復(fù)雜產(chǎn)品,；
4)樹脂和增強材料可自由組合,，易進(jìn)行材料設(shè)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(chǎn),，產(chǎn)品質(zhì)量由工人訓(xùn)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(xué)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(chǎn)品
艦艇,、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、游樂設(shè)備,、冷卻塔殼體,、建筑模型。
2,、樹脂傳遞成型(RTM)
! E6 z+ r' v l4 D7 C; G
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(chǎn)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(nèi)，浸漬纖維材料,。RTM是一低壓系統(tǒng),，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當(dāng)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(dá)0.7MPa,。
纖維增強材料有時可預(yù)先在一個模具內(nèi)預(yù)成型大致形狀(帶粘結(jié)劑)，再在第二個模具內(nèi)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(jīng)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(jìn)行,。模具可以復(fù)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(huán)氧,、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛,；當(dāng)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(fā)了熱塑性樹脂RTM,。
纖維：任意,。常用玻纖連續(xù)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(fù)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(dǎo)致其破壞�,？捎媚腿軇┌l(fā)泡材料PU,、PP、CL、VC等,。
(3)優(yōu)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(chǎn)環(huán)境好,；
3)勞動強度低，對工人技術(shù)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(chǎn)品可大型化；
7)強度可按設(shè)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(shè)備與模具成本較低,。
(4)缺點
1)不易制作較小產(chǎn)品,；
2)因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和復(fù)雜,，價位也高一些,；
3)能有未被浸漬的材料,，導(dǎo)致邊角料浪費,。
(5)典型產(chǎn)品
小型飛機(jī)與汽車零部件、客車座椅,、儀表殼
3,、纖維纏繞(FW)
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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(tǒng)、樹脂槽,、繞絲嘴,，由小車帶動其往復(fù)移動并纏繞在回轉(zhuǎn)的芯軸(模) 上。纖維纏繞角度與纖維排列密度根據(jù)強度設(shè)計,，并由芯軸(模)轉(zhuǎn)速與小車往復(fù)速度之比,，精確地控制。固化后將纏繞的復(fù)合材料制品脫模,。
對某些兩端密閉的產(chǎn)品不用脫模,，芯模即包在復(fù)合材料產(chǎn)品內(nèi)，作為內(nèi)襯。
(2)原材料
樹脂：任意,。環(huán)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(chǎn)管罐時,，常用表面氈、短切原絲作為內(nèi)襯材料,。
芯材：可用,。雖然復(fù)合材料制品通常是單一殼體，一般不用,。
(3)優(yōu)點
1)因為纖維逕直以合理的線形鋪設(shè),，承擔(dān)負(fù)荷，故復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)特性可非常高,；
2)由于同內(nèi)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(jīng)濟(jì),、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(chǎn)和自動化,；
7)機(jī)械成型，復(fù)合材料材質(zhì)及方向性均勻,，質(zhì)量穩(wěn)定,。
(4)缺點
1)制品形狀限于圓柱形或其它回轉(zhuǎn)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(nèi)襯，就易發(fā)生滲漏,。
(5)典型產(chǎn)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(fā)動機(jī)殼體。
4,、RIM(Reaction Injection Molding-反應(yīng)注射成型)
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圖5RIM示意圖
(1)概要
將兩種或兩種以上的組分在混合區(qū)低壓(0.5MPa)混合后,，即在低壓(0.5-1.5MPa)下注射到閉模中反應(yīng)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(yīng)生成聚氨酯,。為增加強度,，可直接在一種組分內(nèi)行加入磨碎玻纖原絲和(或)填料。弈可采用長纖維(如連續(xù)纖維氈,、織物,、復(fù)合氈、短切原絲等的預(yù)成型物等)增強,，在注射前,，將長纖維增強材料預(yù)先置模具內(nèi)。用此法可得到高力學(xué)性能的制品,。這種工藝稱為SRIM(Structural Reaction Injection Molding-結(jié)構(gòu)反應(yīng)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(huán)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(yōu)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(fù)雜的產(chǎn)品；
3)固化快,，適于快速生產(chǎn),。
(4)缺點
采用磨碎玻璃纖維增強原料費用高，薦用礦物復(fù)合材料取代之,。
(5)主要產(chǎn)品
汽車儀表盤,、保險杠,、建筑門、窗,、桌,、沙發(fā)、電絕緣件,。
5,、拉擠成型 (Pultrusion)
(1)概要
主要采用玻璃纖維無捻粗紗(使用前預(yù)先放置在紗架上)，它提供縱向(沿生產(chǎn)線方向)增強,。其它類型的增強有連續(xù)原絲氈,、織物等，它們補充橫向增強,，表面氈則用于提高成品表面質(zhì)量,。樹脂中可加入填料，改進(jìn)型材料性能(如阻燃),，并降低成本,。
拉擠成型的程序是
1)使玻璃纖維增強材料浸漬樹脂；
2)玻璃纖維預(yù)成型后進(jìn)入加熱模具內(nèi),，進(jìn)一步浸漬(擠膠),、基本樹脂固化、復(fù)合材料定型,；
3)將型材按要求長度切斷,。
現(xiàn)在已有變截面的、長度方向呈弧型的拉擠制品成型技術(shù),。
拉擠成型將增強材料浸漬樹脂有兩種方式：
膠槽浸漬法：通常采用此法,，即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進(jìn)入模具,。此法設(shè)備便宜作業(yè)性好,，適于不飽和聚酯樹脂，乙烯基酯樹脂,。
注入浸漬法(圖6)：玻纖增強材料進(jìn)入模具后,，被注入模具內(nèi)的樹脂所浸漬。此法適于凝膠時間短,、粘度高,、生產(chǎn)附產(chǎn)物的樹脂基體，如酚醛,、環(huán)氧,、雙馬來酰亞胺樹脂。
圖6注入浸漬法
(2)原材料
樹脂：常用不飽和聚酯樹脂,、環(huán)氧樹脂,、乙烯基酯樹脂,、酚醛樹脂；
纖維：拉擠用玻璃纖維無捻粗紗,、連續(xù)氈,、縫編氈、縫編復(fù)合氈,、織物,、玻纖表面氈、聚酯纖維表面氈等,；
芯材：一般不用,，現(xiàn)有以PU發(fā)泡材料為芯材，外為連續(xù)拉擠框型型材,，作為保溫墻板的,。
(3)優(yōu)點
1)典型拉擠速度0.5-2m/min，效率較高,，適于大批量生產(chǎn),，制造長尺寸制品；
2)樹脂含量可精確控制,；
3)由于纖維呈縱向,，且體種比可較高(40%-80%)，因而型材軸向結(jié)構(gòu)特性可非常好,；
4)主要用無捻粗紗增強,，原材料成本低，多種增強材料組合使用,，可調(diào)節(jié)制品力學(xué)性能,；
5)制品質(zhì)量穩(wěn)定，外觀平滑,。
(4)缺點
1)模具費用較高,；
2)一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。
(5)典型產(chǎn)品
建筑屋頂橫梁,、椽子,、門窗框架型材、墻板,、石油開采抽油桿,、帳篷竿、梯子,、橋梁、工具把,、手機(jī)微波站罩殼,、汽車板簧,、傳動軸、電纜管,、光纖光纜芯,、釣魚竿、隔柵,、汽車空調(diào)器罩,、擴(kuò)軌罩。
6,、真空袋法法成型(Vacuum bag process)
3 X+ Z/ o$ c7 P
圖7真空袋法成示意圖
(1)概要
此法是手糊法與噴射法的延伸,。將手糊或噴射好的積層在樹脂的A階段與模具在一 起，在積層上覆以橡膠袋,，周邊密封,，在后用真空泵抽真空，積層從而受到不大于1個氣壓的壓力,，而被壓實,、成型。
(2)原材料
樹脂：主要采用環(huán)氧樹脂,、酚醛樹脂,。不飽和聚酯樹脂與乙烯基酯樹脂則因真空泵將樹脂中的苯乙烯(交聯(lián)劑)過度抽出，可能會造成問題,，故一般不用,；
纖維：同手糊法；
芯材：任意,。
(3)優(yōu)點
1)采用普通的濕法鋪層技術(shù),，通常可獲得高纖維含量的制品,；
2)可制造大尺寸產(chǎn)品,；
3)產(chǎn)品兩面光；
4)較濕法鋪層浸膠孔隙率低,；
5)由于壓力,，樹脂流經(jīng)結(jié)構(gòu)纖維，纖維得以較好地浸漬樹脂,；
6)有利于操作人員健康和安全,；真空袋減少了固化時逸出的揮發(fā)性物質(zhì)。
(4)缺點
1)額外的工藝過程增加了勞動力和袋材成本,；
2)要求操作人員有較高的技術(shù)熟練水平,；
3)樹脂混合和含量控制基本上仍然取決于操作人員的技術(shù)；
4)生產(chǎn)效率不高,。
(5)典型產(chǎn)品
艇,、賽車,、芯材粘結(jié),、飛機(jī)鼻錐雷達(dá)罩、機(jī)翼、方向舵,。
7,、樹脂膜熔浸成型(RFI-Resin Film Infusion)
圖8樹脂膜熔浸成型示意圖
(1)概 要
將干強物與樹脂片(樹脂片系放在一層脫模紙上提供)交替鋪放在模具內(nèi),。鋪層被真空袋包覆,，藉真空泵抽真空，將干織物內(nèi)空氣抽出,。然后加熱,，令樹脂熔化并流浸已抽出空氣的織物，然后經(jīng)過一事實上時間即固化,。
(2)原材料
樹脂：一般僅用環(huán)氧樹脂,；
纖維：任意；
芯材：許多種芯材都可以使用,，由于工藝過程中溫度高,，對PVC泡沫需要專門處理，以免泡沫損壞,。
(3)優(yōu)點
1)空隙率低,，可精確獲得高的纖維含量；
2)鋪層清潔,，有利于健康和安全(似預(yù)浸),；
3)可較預(yù)浸法成本低，此為主要的優(yōu)點,；
4)由于樹脂僅能過織物厚度方向傳遞,，故樹脂未浸到白斑區(qū)可較SCRIMP(西曼復(fù)合材料公司樹脂參入成型法—Seeman Composite Resin Infusion Molding Process)少。
(4)缺點
1)目前僅用于宇航工業(yè),，還未推廣,；
2)雖然宇航工業(yè)用高壓釜系統(tǒng)產(chǎn)非總是需要，但加熱室和真空袋系統(tǒng)對于復(fù)合材料固化,，總是不可少的,；
3)模具要求能經(jīng)受樹脂膜片的工藝溫度(低溫固化即需60-100oC)；
4)要求所用芯材能經(jīng)受工藝溫度和壓力,；
(5)典型產(chǎn)品
飛機(jī)雷達(dá)罩,、艦艇聲納整流罩。
8,、預(yù)浸料(高壓釜)成型
圖9 預(yù)浸料高壓釜法示意圖
(1)概要
預(yù)先在加熱,、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和(或)纖維預(yù)先用預(yù)催化樹脂預(yù)浸漬。固化劑大多能在環(huán)境溫度下,，讓預(yù)浸材料貯存幾周或幾個月,，仍能保質(zhì)使用,。當(dāng)要延長保持期,，材料須在冷凍條件下貯存。樹脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài),。故觸摸預(yù)浸材料時有輕微的黏附感,，象膠帶似的。制作單向預(yù)浸漬材料的纖維直接由紗架下來,，與樹脂結(jié)合,。預(yù)浸漬材料用手或機(jī)械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空,，并通常加熱到120-180oC,。使樹脂重新流動，并最終固化,。盛開附加壓力通常藉助高壓釜(實際上是一座壓力加熱罐)提供,，它能對鋪層施加達(dá)5個大氣壓的壓力。
(2)原材料
樹脂：通常用環(huán)氧樹脂,，不飽和聚酯樹脂,、酚醛樹脂及高溫樹脂，如聚酰亞胺,、氰酸酯,、雙馬來酰亞胺樹脂等；
纖維：任意,。雖然由于在工藝過程中,，高溫分對芯材有些影響，需要采用某些專門的泡沫芯材,。
(3)優(yōu)點
1)預(yù)浸材料制造人員可精確地調(diào)整樹脂/固化劑水平和樹脂在纖維中的含量,；可以可靠地得到高纖維含量。
2)材料于操作人員十分安全,，無礙健康,，操作清潔；
3)單向帶纖維成本最低,，因為毋須將纖維預(yù)先轉(zhuǎn)為織物的二次加工過程,；
4)由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學(xué)性能力學(xué)和熱性能可以是最適宜的,；
5)材料有效時間長(室溫下可保質(zhì)數(shù)月),，這意味著可優(yōu)化結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料易鋪層；
6)可能實現(xiàn)自動化和節(jié)省勞動力,。
(4)缺點
1)對于預(yù)浸織物,，材料成本高；
2)通常要對高壓釜固化復(fù)合材料制品,，耗費大,、作業(yè)慢、制品尺寸受限制,；
3)模具需能承受作業(yè)溫度,；
4)芯材需要承受作業(yè)溫度和壓力。
(5)典型產(chǎn)品
飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(如機(jī)翼和尾翼),、衛(wèi)星與運載火箭結(jié)構(gòu)件(太陽能電池基板,、夾層結(jié)構(gòu)板、衛(wèi)星接口支架,、火箭整流罩等),、賽車、運動器材(如網(wǎng)球拍,、滑雪板等),。
9、低溫固化預(yù)浸料成型
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圖10 低溫固化預(yù)浸料成型示意圖
(1)概要
低溫固化預(yù)浸料完全按通常的預(yù)浸料方法制備,，但樹脂的化學(xué)性質(zhì)使其得以在60-100oC溫度下固化,。在60oC時，材料可操作保持期可小到限于1個星期,，但亦可延長到幾個月,。樹脂系統(tǒng)的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用高壓釜,。
(2)材料
樹脂：一般僅采用環(huán)氧樹脂,；
纖維：任意，同通常的預(yù)浸料,；
芯材：任意,，雖然一般 的PVC泡沫需要特別注意。
(3)優(yōu)點
1)具有傳統(tǒng)預(yù)浸料法所具備的(1)-(6)條優(yōu)點,；
2)模具材料較便宜,，如木材亦可用，因其固化溫度較低故,；
3)可容易地制造大型結(jié)構(gòu),。因為僅需真空袋壓力；固化溫度低,，可采用簡單的熱空氣循環(huán)加熱室(經(jīng)常就地建造大于制品的加熱室 ),；
4)可采用普通的PVC泡沫芯材,，略作處理即可；
5)能耗低,。
(4)缺點
1)材料成本仍高于預(yù)浸織物,；
2)需加熱室和真空袋系統(tǒng)，以固化制品,；
3)模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度(常用60-100oC),；
4)仍有能耗，因需高于環(huán)境溫度固化,。
(5)典型產(chǎn)品
高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,、賽艇、救生艇,、火車用零部件。
10,、SCRIMP,RIFT,VARTM
, V- V9 a- W8 W
圖11 SCRIMP,RIFT,VARTM示意圖
(1)概要
SCRIMP(Seeman Composite Infusion Molding Process—西曼復(fù)合材料公司樹脂滲透成型法),RIFT(Resin Infusion umder Flexibe Tooling—柔性模具樹脂滲透法) ,VARTM(Vscuum Assisted Transfer Molding—真空輔助樹脂傳遞成型)這三種工藝原理相似,。將織物作為干鋪層材料入模內(nèi)，如同RTM,。然后覆以剝離保護(hù)層和縫編非結(jié)構(gòu)織物,。整個鋪層用真空袋覆罩好。袋無滲漏后,，讓樹脂流到積層,。樹脂很容易流經(jīng)非結(jié)構(gòu)織物而在整個鋪層分布。SCRIMP法在真空袋與鋪層之間可置加壓模塊,，利于提高制作表觀與結(jié)構(gòu)密實度,。
(2)材料
樹脂：常和環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂,；
纖維：任意種類普通織物,。這些工藝方法縫編材料很好用，因其間隙使得樹脂快速流動,；
芯材：除蜂窩外,，各種芯材均可用。
(3)優(yōu)點
1)同RTM,，但制品僅一面光,，不似RTM兩面光；
2)由于模具一半是真空袋,，主模具僅需較低強度,，故模具成本甚低；
3)可制造大尺寸產(chǎn)品,；
4)通常的濕法鋪層工具可改進(jìn)以用于這些成型法,；
5)一次作業(yè)即可生產(chǎn)芯材結(jié)構(gòu)。
(4)缺點
1)要完成好相對復(fù)雜的操作過程；
2)樹脂粘度必須非常低,，限制了制品的力學(xué)性能,；
3)鋪層未浸到樹脂而造成的廢品浪費甚大；
4) SCRIMP的一些工藝要素已被專利所限,。
(5)典型產(chǎn)品
小艇半成品,、列車和卡車車身面板。
三,、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的應(yīng)用
環(huán)氧樹脂是先進(jìn)復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的樹脂體系,，它可適用于多種成型工藝，可配制成不同配方,，可調(diào)節(jié)粘度范圍大,；以便適應(yīng)于不同的生產(chǎn)工藝。它的貯存壽命長,，固化時不釋出揮發(fā)物,，固化收縮率低，固化后的制品具有極佳的尺寸穩(wěn)定性,、良好的耐熱,、耐濕性能和高的絕緣性，因此,，目前環(huán)氧樹脂統(tǒng)治著高性能復(fù)合材料的市場,。
(一)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在航空工業(yè)中應(yīng)用
40年代初，電子工業(yè)的需要,，尋找一種適宜的材料,，做防護(hù)軍用飛行器的雷達(dá)天線，特別是防護(hù)戰(zhàn)斗機(jī)及轟炸機(jī)上的雷達(dá)天線,。采用雷達(dá)罩是用來防護(hù)氣候?qū)茈娮觾x器的影響,。玻璃鋼具有優(yōu)良的透雷達(dá)波性能，足夠的機(jī)械強度和簡便的成型工藝,，使它成為理想的雷達(dá)罩材料,。這是歷史上第一次采用玻璃鋼制造雷達(dá)罩，同時又大大地促進(jìn)了玻璃鋼材料的研究,。
60年代玻璃鋼技術(shù)在直升機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用有所突破,，如西德M．B．B．公司研制玻璃鋼旋翼槳葉，逐步取代金屬鋁蒙皮／鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的金屬槳葉,。但由于玻璃鋼的模量低,，不能制造高強度的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。
70年代初,，隨著硼纖維,、碳纖維,、芳綸纖維等相繼出現(xiàn)，這些高級增強纖維的比剛度,、比強度,、耐疲勞性能等優(yōu)于金屬材料，由它們來增強環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料,，已在飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)件(主受力件)上得到應(yīng)用,。
近10多年來，考慮到這些高級增強纖維的價格都比較高,，為了更合理的用材,，大力開發(fā)混雜復(fù)合材料(Hybrid Composites)的研究。
以復(fù)合材料在飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用為代表,。美國兩家噴氣發(fā)動機(jī)制造廠：通用電器—飛機(jī)發(fā)動機(jī)事業(yè)集團(tuán)公司(GE—AEBG)和普惠公司,，以及其它一些二次承包公司，都在用高性能復(fù)合材料取代金屬制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)零部件,。如發(fā)動機(jī)艙系統(tǒng)的許多部緊推力反向器,、風(fēng)扇罩、風(fēng)扇出風(fēng)道導(dǎo)流片等都用復(fù)合材料制造,。如發(fā)動機(jī)進(jìn)口氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)混料(E707A)疊鋪而成，它具有耐177℃高溫的熱氧化穩(wěn)定性科殼表面光滑如鏡面,，有利于形成層流,。又如FW 4 0O0型發(fā)動機(jī)有8 0個149℃的高溫空氣噴口導(dǎo)流片也是用碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料制造的。
在316℃這一極限溫度以下的環(huán)境中,，復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于金屬,，而且經(jīng)濟(jì)效益高。據(jù)波音公司估算,，噴氣客機(jī)重量每減輕一磅,，是飛機(jī)在整個使用期限內(nèi)可節(jié)省 100 0美元。據(jù)法布萊特公司估算,，美國第年約有100萬磅復(fù)合材料用于制造噴氣飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件,，銷售額高達(dá)5000萬美元。
目前環(huán)氧樹脂的連續(xù)使用溫度最高約在280℃以下,，近來DOW化學(xué)公司的一種多功能團(tuán)環(huán)氧樹脂Tactlx742,，用二氨基二苯砜固化劑；制成的制品玻璃化溫度Tg＞310℃,，可用于制造噴氣發(fā)動機(jī)零件,。
(二)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在航天工業(yè)中的應(yīng)用
宇航技術(shù)對結(jié)構(gòu)材料高比模量、高比強度的要求,，特別嚴(yán)格,，使先進(jìn)復(fù)合材料成為宇航技術(shù)必需的材料,。作為結(jié)構(gòu)材料的基作樹脂基本上都采用環(huán)氧樹脂。其主要的應(yīng)用范圍如下：
1,、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體
在50年代末,，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體取代鋼殼，使結(jié)構(gòu)減輕50％一60％,。后來,，“三叉戟1”、 M X的三級發(fā)動機(jī)殼體全部采用芳綸／環(huán)氧樹脂體系,，重量又比玻璃鋼的同尺寸殼體減輕50％,。
在阿里安運載火箭許多結(jié)構(gòu)件均用碳纖維／環(huán)氧樹脂制造。
2．戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用
美國已采用JFRP作彈頭結(jié)構(gòu)殼體,、儀器艙,、級間段等50多個分系統(tǒng)部件。據(jù) 洛克希德導(dǎo)彈與宇航公司稱用碳纖維／環(huán)氧樹脂制造的機(jī)構(gòu)取代鋁結(jié)構(gòu),，可使結(jié)構(gòu)減輕40％,。
3、衛(wèi)星和宇航器上的結(jié)構(gòu)應(yīng)用
衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運載火箭的要求至關(guān)重要,，所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重量要求很嚴(yán),。國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減重23kg (約占3O％),可使有效載荷艙增加 450條電話線路，僅此一項盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費用,。美,、歐衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量不到總重的10％，其原因就是廣泛使用了先進(jìn)復(fù)合材料,。
4．航天飛機(jī)上的應(yīng)用
美國航天飛機(jī)上使用的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料總重約2噸,，采用先進(jìn)復(fù)合材料后減重410kg，而且明顯減少了飛行過程中因復(fù)雜的溫度環(huán)境引起的變形,。航天飛機(jī)進(jìn)入軌道后,，用機(jī)械手投放和回收衛(wèi)星，機(jī)械手上臂,、前臂是用超高模量石墨纖維 GY— 7 0增強環(huán)氧制成的,。
總之，復(fù)合材料已成為宇航工業(yè)中不可缺少的關(guān)鍵材料,。
(三)環(huán)氧復(fù)合材料在民用工業(yè)中的應(yīng)用
凡是對機(jī)械強度要求高的增強塑料制品基本上采用環(huán)氧樹脂作為基體,。
1、玻璃鋼的壓力容 器和管道
我國西安,、北京,、重慶、自貢已生產(chǎn)汽車用壓縮天然氣(CNG)瓶,，北京已成為現(xiàn)在使用CNG公交車最多的城市,。
國內(nèi)已經(jīng)有4家企業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧玻璃鋼高壓管,。
60年代國內(nèi)鋼瓶十分緊張，采用纖維纏繞成型制造玻璃鋼氣瓶相當(dāng)活躍,，曾制定過部頒標(biāo)準(zhǔn)FC194-74,，90R年修改后制定ZBQ23004一90。玻璃纖維增強塑料壓力容器,，以環(huán)氧樹脂和616酚醛樹脂體系為基體,，40立升氣瓶使用壓力為 12MPa，使用壽命5年以上,。上海材料研究所和臨安玻璃鋼廠合作,，也采用纖維纏繞成型工藝，而使用環(huán)氧樹脂一二甲基咪唑體系,，其性能不亞于環(huán)氧一酚醛樹脂體系,。用此配方制成水研用的壓力容器。
2,、玻璃鋼電機(jī)護(hù)環(huán),、套環(huán)等
護(hù)環(huán)套裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端，保護(hù)轉(zhuǎn)子線圈的端部,，防止在高速旋轉(zhuǎn)時,，受離心力作用它是發(fā)電機(jī)受力最大的部件之一，對強度和模量要求比較高,，采用輕質(zhì)高強的復(fù)合材料可以取代無鎳反磁合金鋼,。 60年代末國內(nèi)先后生產(chǎn)1. 25W千瓦和2. 5萬千瓦兩種發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)。后者由北京重型電機(jī)廠,、杭州玻璃鋼化工設(shè)備廠和上海材料研究所等單位合作，選用高強度(S)玻璃纖維和高模量(M)玻璃纖維進(jìn)行纏繞,，用62O7(脂環(huán)族)環(huán)氧樹脂一酸酐體系樹脂配方和 AFG— 9 0環(huán)氧樹脂(縮水甘油胺型)—— HK—0 21酸酐體系作為基體,，使用多年情況良好。
玻璃鋼套環(huán) 3 0 00千瓦以下的在杭州玻璃鋼化工設(shè)備廠生產(chǎn),，已在北京重型電機(jī)廠安裝出廠30年,，屬于定型產(chǎn)品。
此外,，發(fā)電機(jī)定子線圈端都支撐環(huán),，裝在定子線圈的鼻端，承受最大載荷是發(fā)電機(jī)發(fā)生短路的瞬間,，亦采用玻璃鋼制造,，稱為玻璃鋼綁環(huán)。這種綁環(huán)安裝在10萬千瓦的氣輪發(fā)電機(jī)上,，已使用20余年,。在國內(nèi)最大的60萬千瓦發(fā)電機(jī)用的玻璃鋼錐殼(其作用類似于支撐環(huán))也是用了10多年,。
玻璃鋼絕緣子，有待于進(jìn)一步開發(fā)研究,。絕緣子的作用是把帶電線路或帶電零部件之間隔開,，既要求絕緣又要求高強度，電絕緣何耐腐(室外用),，采用玻璃鋼很適用,。國外在露天的22萬伏輸電桿上的絕緣于已采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼成批生產(chǎn)。
3,、防腐蝕制品
通常不飽和聚酯樹脂玻璃鋼的力學(xué)性能在45℃以上強度就會明顯下降,，同時不飽和聚酯樹脂耐堿性較差。如果在防腐蝕制品中要求強度高,，耐溫性好等則建議選用環(huán)氧玻璃鋼,。如上海市上鋼二廠，在生產(chǎn)硫酸鐵過程中,，反應(yīng)槽需要連續(xù)在120℃使用,，選用環(huán)氧玻璃鋼取得了很滿意的效果。這種耐高溫的反應(yīng)槽是由臨安玻璃鋼廠制造的,。
4,、玻璃鋼模具
(1)玻璃鋼鑄造模具
用玻璃鋼制成的鑄造模具，比木模,、鋁模的效果好的多,，使用壽命長，通常在萬次以上,，價格也比較便宜,。
(2)玻璃鋼制品模具
采用噴射成型、樹脂傳遞模塑( RTM)成型所需的制品模具,，通常都用不飽和聚酯玻璃鋼模具,。筆者建議采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼模具更好，具有模具強度高,、使用壽命長,、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
5,、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片
我國做到長23m,，國外已經(jīng)超過50m。
6,、碳纖維補強建筑結(jié)構(gòu)
7,、運動器材
高爾夫球桿、網(wǎng)球拍,、羽毛球拍,、壁球拍,、滑雪板、漁具,、自行車架等,。
四、我國環(huán)氧樹脂市場分析
據(jù)統(tǒng)計,，2003年中國大陸環(huán)氧樹脂產(chǎn)量25萬噸,，比上年增長25%；進(jìn)口19.88萬噸,，比上年增長23%,；出口3.558萬噸，比上年增長81%,，表現(xiàn)消費量41.322萬噸,，比上年增長21%。
市場比例為：
涂料 45%
電子電器 36%
復(fù)合材料 5%
粘結(jié)劑 -7%
其它(交聯(lián)劑等) -7%
2003年我國大陸生產(chǎn)高壓玻璃鋼環(huán)氧管3000噸,，約用環(huán)氧樹脂1300噸,。建筑結(jié)構(gòu)采用CF(碳纖維)補強用環(huán)氧樹脂5 00噸。
絕緣棒管生產(chǎn)2000噸,，用環(huán)氧樹脂1000噸,。
2003年生產(chǎn)環(huán)氧玻璃鋼2萬噸，采用環(huán)氧樹脂9000余噸,。
2003年生產(chǎn)玻璃纖維基覆銅板14萬噸,，采用環(huán)氧樹脂6.15萬噸。2004年可增長3O％以上,。所用環(huán)氧樹脂將達(dá)8萬噸,。
2003年用于生產(chǎn)乙烯基酯樹脂(VER)采用環(huán)氧樹脂2900噸。
國產(chǎn)樹脂的質(zhì)量穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高,，因而國內(nèi)一些復(fù)合材料廠家在生產(chǎn)要求性能較高的產(chǎn)品(如絕緣棒,、絕緣管)時，常采用陶氏(DOW),，殼牌(Shell)、巴克立特(Bakelite)等國外公司的產(chǎn)品,。
繼美國陶氏化學(xué)在江蘇省張家港市建設(shè)一年產(chǎn)能4．1萬噸環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廠后并擬建一年產(chǎn)能 4萬噸的廠,；韓國國都化學(xué)正在昆山建一年產(chǎn) 2萬噸的環(huán)氧樹脂廠，并擬再建一年產(chǎn)2萬噸環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)線,。
臺塑子公司宏仁集團(tuán)引進(jìn)日本東都化成技術(shù)在廣州興建了年產(chǎn)能2.3萬噸的環(huán)氧樹脂廠,。日本鋼鐵化學(xué)公司子公司Tohto Kasei公司轉(zhuǎn)讓技術(shù)給黑龍江省齊華化學(xué)公司建一年產(chǎn)能2萬噸的環(huán)氧樹脂廠。
值得補充的是,，環(huán)氧樹脂還可用于文物保護(hù),。在長江三峽的國家級重點文物重慶市云陽縣張飛廟(張桓侯廟)整體搬遷過程中,，大量殘損磚石是以環(huán)氧樹脂粘結(jié)修補或灌注成型定型 ，使這座始建于三國蜀漢末年(距今 1780年)的古建筑得以回復(fù)留存,。
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