第1章 復(fù)合材料成型原材料與輔助材料

1.1 復(fù)合材料成型原材料

1.1.1 預(yù)浸料

預(yù)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(shù)有溶劑浸漬、熱熔體浸漬、粉末浸漬等。預(yù)浸料可以“B階段”狀態(tài)或部分固化后儲存。單向預(yù)浸帶（所有纖維平行）是最常見的預(yù)浸料形式，它們提供單向增強。機織布及其他平面織物預(yù)浸料提供二維增強，它們一般成卷銷售。還有用纖維預(yù)成型體和編織物制成的預(yù)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(yù)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(fā)掉浸漬纖維上的溶劑并使其干燥。它是將多束連續(xù)纖維在牽引力的作用下，從紗架引出，經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品，進行貯存、冷凍，其貯存周期可持續(xù)幾個月或幾年。

溶劑浸漬法的主要缺點是溶劑對環(huán)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(xué)性能的問題（盡管化學(xué)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(yù)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(yù)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(shù)的控制，可以保證重復(fù)生產(chǎn)達到要求的質(zhì)量。運行速度高達170m/min的精密涂膠機控制樹脂膜的質(zhì)量可在12～120g/m2之間進行設(shè)定。樹脂供應(yīng)商已調(diào)整化學(xué)成分以使其適應(yīng)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(jiān)測使樹脂的諸參數(shù)能迅速調(diào)整，從而保證質(zhì)量。把纖維和樹脂集合在精確測定的數(shù)量范圍內(nèi)使廢料減至最少，并且用少量試驗生產(chǎn)即能迅速被優(yōu)化。

預(yù)浸料具有穩(wěn)定一致的纖維/樹脂復(fù)合效果，能使纖維完全被浸透。使用預(yù)浸料，在模塑成型時就無需稱量和混合樹脂、催化劑等。預(yù)浸料中，熱固性預(yù)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(nèi)使用，以免發(fā)生過早的固化反應(yīng)。而熱塑性預(yù)浸料沒有這些局限，但它們?nèi)魺o特殊的配方，就會缺乏熱固性預(yù)浸料那樣的黏性或鋪覆性，因而更難操作。

預(yù)浸料一度被認為成本很高而不宜大量生產(chǎn)，但現(xiàn)在預(yù)浸料正在迅速成為從航空航天到可再生能源材料生產(chǎn)的理想選擇。實際上，預(yù)浸料市場在近年來經(jīng)歷了很大的發(fā)展。由于預(yù)浸料被廣泛接受和面臨一些新的市場機遇，目前預(yù)浸料行業(yè)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(guān)注。世界上各大預(yù)浸料生產(chǎn)商也密切注視市場競爭動態(tài)，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(guān)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(jié)構(gòu)的預(yù)成型體。這種工藝通常能夠制造出復(fù)雜形狀的預(yù)成型體，但其尺寸受設(shè)備和紗線尺寸的限制。在航空工業(yè)，目前該技術(shù)主要集中在編織的設(shè)備、生產(chǎn)和幾何分析上，最終的目的是實現(xiàn)完全自動化生產(chǎn)，并將設(shè)備和工藝與CAD/CAM進行集成。該工藝技術(shù)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(jīng)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(shè)計的方向和位置上，具有剛性和穩(wěn)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(chǎn)生化學(xué)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(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此剛性大、硬度高、耐溫高、不易燃、制品尺寸穩(wěn)定性好，但性脆。熱固性樹脂基體的可選擇范圍較大，且應(yīng)用廣，耗量大。常用的熱固性樹脂有聚酯、環(huán)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(fù)合材料具有許多優(yōu)于熱固性復(fù)合材料的綜合性能，熱塑性復(fù)合材料最突出優(yōu)點是具有較高的韌性、優(yōu)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(fù)合材料層間韌性不足和沖擊分層的缺點，可應(yīng)用于使用環(huán)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(fù)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(yōu)于熱固性復(fù)合材料；其還具有優(yōu)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(fù)合材料的耐水性也高于熱固性復(fù)合材料，可在潮濕環(huán)境下使用。熱塑性復(fù)合材料的預(yù)浸料存放環(huán)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(fù)合材料在加工過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，成型周期短，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件制造成本和使用成本的潛力。