第1章 復合材料成型原材料與輔助材料

1.1 復合材料成型原材料

1.1.1 預浸料

預浸料是用控制量的樹脂（熱固性或熱塑性）浸漬纖維或織物后形成的中間材料。浸漬技術有溶劑浸漬、熱熔體浸漬、粉末浸漬等。預浸料可以“B階段”狀態或部分固化后儲存。單向預浸帶（所有纖維平行）是最常見的預浸料形式，它們提供單向增強。機織布及其他平面織物預浸料提供二維增強，它們一般成卷銷售。還有用纖維預成型體和編織物制成的預浸料，它們提供三維增強。如圖1-1所示為碳纖維平紋織物預浸料。

溶劑浸漬法是用溶劑稀釋樹脂，使稀釋的樹脂浸透所指定的纖維，然后蒸發掉浸漬纖維上的溶劑并使其干燥。它是將多束連續纖維在牽引力的作用下，從紗架引出，經過整紗、展平、展開、浸入浸膠槽與烘干工序，然后切邊收卷制成。一定要注意保證不留溶劑，因為溶劑的殘留物會使最終制成品固化時產生空隙。此浸漬材料鋪上一層涂有脫模劑的紙，然后整體被卷成產品，進行貯存、冷凍，其貯存周期可持續幾個月或幾年。

溶劑浸漬法的主要缺點是溶劑對環境的影響，對敞槽浸膠工藝需提供安全、防爆的車間，以及既溶解有些堅韌的樹脂體系而不損害其力學性能的問題（盡管化學配方的進展已改善了后面的問題）。這些障礙激勵了另一種替代體系——熱熔體浸漬。

熱熔體浸漬法是將硅酮（聚硅氧烷）脫模紙涂覆上樹脂膜（通常是兩面）。將兩層干纖維和一層雙面膜組合在一起形成一個三層的預浸漬單元，然后通過加熱的壓緊輥筒把黏性的樹脂壓進纖維以將其浸透。然后層合的預浸料通過冷卻輥筒并從那里卷上大輥筒供貯存及運輸。

樹脂膜重量、纖維密度、加熱溫度、加壓壓力、冷卻速率和其他參數的控制，可以保證重復生產達到要求的質量。運行速度高達170m/min的精密涂膠機控制樹脂膜的質量可在12～120g/m2之間進行設定。樹脂供應商已調整化學成分以使其適應熱浸漬的需要，減少了早先熱熔工藝中樹脂不能徹底浸透纖維的麻煩，另外β射線測量的尖端在線監測使樹脂的諸參數能迅速調整，從而保證質量。把纖維和樹脂集合在精確測定的數量范圍內使廢料減至最少，并且用少量試驗生產即能迅速被優化。

預浸料具有穩定一致的纖維/樹脂復合效果，能使纖維完全被浸透。使用預浸料，在模塑成型時就無需稱量和混合樹脂、催化劑等。預浸料中，熱固性預浸料的鋪覆性和黏性較好，容易操作，但它們必須在低于室溫的溫度下貯存，而且有適用期的限制。也就是說，它們脫離貯存條件后必須在一定的時間內使用，以免發生過早的固化反應。而熱塑性預浸料沒有這些局限，但它們若無特殊的配方，就會缺乏熱固性預浸料那樣的黏性或鋪覆性，因而更難操作。

預浸料一度被認為成本很高而不宜大量生產，但現在預浸料正在迅速成為從航空航天到可再生能源材料生產的理想選擇。實際上，預浸料市場在近年來經歷了很大的發展。由于預浸料被廣泛接受和面臨一些新的市場機遇，目前預浸料行業在整體上頗具吸引力，其利潤幅度高于平均水平。這一形勢已吸引了投資商和用戶的很大關注。世界上各大預浸料生產商也密切注視市場競爭動態，力圖占有盡可能多的市場份額。而如何有效地滿足用戶要求則是決定能否長期成功的關鍵。

1.1.2 纖維織物

編織是一種基本的紡織工藝，是能夠使兩條以上紗線在斜向或縱向互相交織形成整體結構的預成型體。這種工藝通常能夠制造出復雜形狀的預成型體，但其尺寸受設備和紗線尺寸的限制。在航空工業，目前該技術主要集中在編織的設備、生產和幾何分析上，最終的目的是實現完全自動化生產，并將設備和工藝與CAD/CAM進行集成。該工藝技術一般分為兩類：一類是二維編織工藝；另一類是三維編織工藝 。

按織造方式的不同，主要可以分為以下幾類。

〈1〉 機織碳纖維布，主要有平紋布、斜紋布、緞紋布、單向布等。

〈2〉 針織碳纖維布，主要有經編布、緯編布、圓機布（套管）、橫機布（羅紋布）等。

〈3〉 編織碳纖維布，主要有套管、盤根、編織帶、二維布、三維布、立體編織布等。

碳纖維平紋織物和緞紋織物如圖1-2所示。

1.1.3 基體樹脂

基體主要是起連接、支撐和保護紡織增強件（纖維、線或織物）的作用，使增強件保持在設計的方向和位置上，具有剛性和穩定性，還能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去。

基體樹脂可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。熱固性樹脂是指加熱后產生化學變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解的一種樹脂。熱固性樹脂在固化后，由于分子間交聯，形成網狀結構，因此剛性大、硬度高、耐溫高、不易燃、制品尺寸穩定性好，但性脆。熱固性樹脂基體的可選擇范圍較大，且應用廣，耗量大。常用的熱固性樹脂有聚酯、環氧、改性雙馬來酰亞胺、酚醛、脲醛等。

典型的熱塑性樹脂基體有聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）等。采用熱塑性樹脂為基體的復合材料具有許多優于熱固性復合材料的綜合性能，熱塑性復合材料最突出優點是具有較高的韌性、優秀的損傷容限性能以及良好的抗沖擊性能，有利于克服熱固性樹脂基復合材料層間韌性不足和沖擊分層的缺點，可應用于使用環境較為苛刻、承載能力要求較高、容易受到強烈沖擊的場合。另外，一些高性能熱塑性復合材料（例如纖維增強PEI）的長期使用溫度可達250℃以上，其耐熱性能明顯優于熱固性復合材料；其還具有優良的抗蠕變能力，可以在較高溫度條件下長期使用。同時，熱塑性復合材料的耐水性也高于熱固性復合材料，可在潮濕環境下使用。熱塑性復合材料的預浸料存放環境與時間無限制，廢料還可以回收再利用，故通常被稱為“綠色材料”。熱塑性復合材料在加工過程中不發生化學反應，成型周期短，結構件可以直接熔融焊接，無需鉚接，并且維修方便，故具有較大降低結構件制造成本和使用成本的潛力。