聚合物复合材料

比重 工作温度/°C 拉伸强度/MPa 模量/GPa

1.20 80 70 8.0 1.79 150 500 23 1.86 150 1500 55 1.25 150 1400 78 1.46 150 1900 145 1.58 150 1400 210 工作温度在200°C以上的就属于高温型复合材料。最常用的基体为聚酰亚胺，双马来酸酐也符合这一要求。这两种基体的价格比环氧树脂和酚醛树脂都高，加工也比较困难。其性能见表4-5。

基体 组成 比重 工作温度（°C） 拉伸强度(MPa） 模量(GPa）

近年来开发出来的纤维增强塑料增强筋，称为C-bar，可能在许多场合代替钢筋。C-bar的中心是单轴取向的玻璃纤维浸以回收的对苯二甲酸树脂。外面是浸渍了聚酯的织物与13mm长的短纤维。最外层是聚氨酯改性的乙烯基聚酯。C-bar的与众不同之处是同时使用织物与纤维，内部的酯性树脂与外部的乙烯基聚酯之间以化学键结合。据报道，C-bar的强度是钢筋的两倍，重量是钢筋的四分之一。C-bar既无磁性，又不锈蚀，热胀系数与水泥较为接近，所以应用前景非常可观。

过去高性能的复合材料基体都是热固性塑料，现在一些热塑性工程塑料也加入了高性能基体的行列，如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酮（PEK）和聚酰胺-酰亚胺（PAI）。PAI可以先作为热塑性材料加工，最后成型时进行“后固化”，形成部分体型结构。使用温度可以达到190°C，高于一般的环氧树脂。PEEK复合材料的连续使用温度能够高达250°C。一系列热塑性复合材料的强度与挠曲模量见图4-12。其中CF和GI分别代表碳纤维和石墨纤维。可以看出热塑性复合材料的性能受温度影响比较明显。热固性塑料的一个共同缺点是脆性，如果在复合材料中加入20%的热塑性塑料可以大大改善。

树脂 1.43 260-370 100 4.0 表4-5 高温型复合材料的性能 聚酰亚胺 50%玻璃纤维 1.65 260 200-400 10-20 树脂 1.23 230 70 3.4 双马来酸酐 68.3% T300碳纤维 1.60 230 1600 140 57.7% 玻璃纤维 2.00 230 400-600 35

图4-12 一些工程塑料基复合材料的拉伸强度(a)和挠曲模量(b)

例4-2：设计一棒材，长度为3m。以环氧树脂为基体。受到2.2kN的外力时，伸长不能超过2.5mm，不能发生脆性断裂。已知环氧树脂弹性模量为3.5GPa，屈服强度为80MPa，价格为$1.75/kg。

解：假定棒材全部用环氧树脂制造（无纤维）：

?max??max2.5mm3000mm?0.83?10?3?E??(3.5?103)(0.83?10?3)?2.92MPa FA棒???2200?753.4mm2即直径d?31mm2.92－

环氧树脂的密度?＝1.25Mg/m3，故棒的重量为(1.25) (753.4?106) (3)=2.83kg 其价格为(2.83kg)($1.75/kg)=$4.95

再来看复合材料的情况。最低要求是80MPa应力下的应变为0.83?103，则弹性模量为

－

Ec???max?80

0.83?10?3?96.4GPa玻璃纤维的模量低于96.4GPa，应考虑更强的纤维。高模碳纤维的模量为531GPa，密度为1.9Mg/m3，价格为$66/kg。为使复合材料具有96.4GPa的模量，最低碳纤维体积分数为：

Ec?fc(531)?(1?fc)(3.5)?96.4fc?0.176环氧树脂体积分数为0.824。

如果纤维全部断裂，截面积82.4%上的环氧树脂必须承受2.2kN的外力且使应力不大于80MPa。由此决定棒材的截面积：

Am?0.824Ac?F??2200?27.5mm28027.5Ac??33.4mm2即d?6.5mm0.824

棒材体积?(33.4?10?6m2)(3m)?0.1?10?3m3棒材重量?[(1.9)(0.176)?(1.25)(0.824)](0.1?10?3)?0.137?10?3Mg?0.137kg碳纤维的重量分数?(0.176)(0.19)?0.245(0.176)(0.19)?(0.824)(1.25)

碳纤维的重量?(0.245)(0.137)?0.034kg环氧树脂的重量?(0.755)((0.137)?0.103kg棒材价格?(0.034kg)($66/kg)?(0.103kg)($1.75/kg)?$2.42采用碳纤维复合后的材料直径不足只用环氧树脂的四分之一，重量只有5％，而价格还降低了一半。当然，这里没有考虑棒材的制造成本。

4.6树脂基复合材料的加工

复合材料的加工方法多种多样。夸张地说，有多少种复合材料，就有多少种加工方法。每出现一种新的复合材料，就会伴随着出现一种新的加工方法。 因此不能根据基体材料将加工方法归类，而只能按纤维的几何形状进行分类。

无规取向的短纤维、晶须和颗粒填充的复合材料可以归为一类。其加工方法与普通塑料或橡胶没有明显的分别，填充只会降低聚合物的加工流动性，并不会从本质上改变加工方法。因此我们在此不再重复已在聚合物一章中讨论过的压制、挤出、注射、压延、浇铸等各种方法。所有这些方法，除了挤出方法外，都产生各向同性的复合材料。

连续的或基本连续的纤维复合材料有许多加工方法，包括缠绕、层合与拉挤。纤维增强复合材料的两个加工阶段是涂复与固化。涂复指使增强物（纤维束或织物）浸润基体的过程。固化指使基体材料聚合、交联或干燥，形成增强纤维间或层间永久粘合的过程。固化过程可以独立进行，也可以和模压、热压、真空成型等过程同时进行。

图4-13 复合材料模面成型方法(a)手工涂敷(b)喷涂法

4.6.1模面成型

手工涂敷是最简单的加工方法。只需要简单的模具，将加强纤维（或织物）铺在模具面

上，用手往纤维上涂树脂，使纤维表面完全浸润。然后再加一层纤维，再使之浸润树脂，直至达到所需要的厚度。制成的层合体在室温固化。这种不需加热的固化过程也称为表面模塑(见图4-13a)。

喷涂模塑法可以大大加快涂敷的速度。将固化剂与树脂同时通入喷枪，在喷涂的同时混合均匀（图4-13b）。在喷枪上还装有切刀，可以将连续纤维切成一定长度，并与树脂一同喷到模具表面。这样，混合过程与浸润过程同时发生，喷到预定厚度时就可以室温固化。这一方法适合制造大型制品，如船体、浴缸等。但喷涂制品的强度不如手工涂敷制品，因为短纤维增强的材料毕竟不如连续纤维或织物增强。

4.6.2模压成型

将预制片或预混料放在模具中加温加压得到所设计的形状（图4-14a）。所用树脂不同，模压条件不同。例如汽车的车体，使用玻璃纤维增强的预制片，在120°C下用1.72MPa的压力成型。树脂转移模压法（图4-14b）可不用预制件，而直接用树脂、纤维与固化剂生产制品。先在打开的模具上将纤维按一定方向，一定厚度敷设，然后闭合模具，抽真空，用泵注入混好固化剂的树脂，将模具充满。固化完成后就能得到双面光洁的制品。这一方法特别适合制造大型热塑性制品。因为热塑性塑料熔体粘度大，温度高，不适宜手工成型。而用树脂转移法则类似普通塑料的注射成型，树脂充满模具冷却即可。

图4-14 (a)模压成型；(b)树脂转移模压法

4.6.3真空成型

与塑料真空成型工艺相似，利用大气压成型，省却了昂贵的金属模具。所不同的是，材料固化时常需要用一个气囊在上面施加压力（见图4-15）。为了加快生产速度，常常先用真空方法预成型，再在另一个地方固化。

图4-15 真空成型 图4-16 复合材料缠绕成型