《复合材料(肖力光)》肖力光 化学工业出版社 2016/6/1

内容简介：

　　《复合材料》详细阐述聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料以及其他复合材料的界面及复合原理，各种力学性质以及其他性能，产品设计方法，制造工艺及应用情况，同时介绍了复合材料的分析测试方法以及相关实验。让学生在学习知识的同时培养创新精神，提高能力，增强素质，为进一步学习打下必要的基础。本书可作为材料化学、材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、应用化学等专业的本科生教材以及相关专业研究生的参考教材，还可作为从事材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、材料化学、建筑材料、建筑设计、机械设计等相关专业研究、开发、教学、生产、销售、投资人员的参考书。

目录：

　　悬浮液浸渍法是制备纤维增强热塑性树脂基复合材料的一种相对新的工艺方法。这种工艺是将树脂粉末及其他添加剂配制成悬浮液，增强纤维长丝经过浸液槽中，在其中经悬浮液充分浸渍后，进入加热炉中熔融、烘干。也可通过喷涂、刷涂等方法使树脂粉末均匀地分布于纤维增强体中。经过加热炉处理后的纤维／树脂束可制成连续纤维预浸带或短切纤维复合材料粒料。另一种是由热塑性树脂粉末、短切增强纤维、分散剂、表面活性剂、絮凝剂、黏合剂、抗泡剂等组分组成的稳定悬浮体系，再用造纸法利用现有的造纸设备生产增强热塑性片状模塑料，进而可用于模压或其他各种加热成形方法。这种方法工艺简单，生产效率高，成本低，具有广泛的适用性，可应用于各种热塑性树脂基体，可有效地控制产品质量，适于生产大型制品，是一种很有发展前途的工艺方法。
　　②流态化床浸渍工艺
　　流态化床浸渍工艺是使每束纤维或织物通过一个有树脂粉末的流态化床，树脂粉末悬浮于一股或多股气流中，气流在控制的压力下穿过纤维，所带的树脂粉末沉积在纤维上，随后经过熔融炉使树脂熔化并黏附在纤维上，再经过冷却成形阶段，使其表面均匀、平整，冷却后收卷。这种工艺设备简单、投资少、操作容易掌握，可以连续生产，树脂利用率高，预浸树脂含量可多可少，也适用于热塑性树脂和热固性树脂。
　　高分子聚合物特别是新型热塑性树脂，多是电阻率很高的电介质，只有处在一个特殊的带电环境中，才能带上电荷。采用静电发生器产生的电场，使附近的空气电离，形成电离区，静电电压强度越大，空气的电离程度越厉害，使带电的空气与树脂粉末接触，粉末即可带电。静电流态化床工艺是在流态化床工艺的基础上，增加了静电场的作用，使树脂粉末带电，从而大大增加了树脂在增强体上的沉积和对增强体的附着作用。带静电荷的干燥树脂粉末在气流作用下翻腾，纤维事先经过扩散器被空气吹松散后进入流化床，带静电的粉末很快沉积于接地的纤维上（沉积量由流化床电压和纤维通过的速率控制），再经烘炉加热熔化使粉末熔结在纤维的表面，后在成形过程中使纤维得以浸润。
　　这种立艺能快速连续生产热塑性浸渍带，纤维损伤少，聚合物无降解，有成本低的潜在优势。粉末浸渍技术的不足之处是浸润仅在成形加工过程中才能完成，且浸润所需的时间、温度、压力均依赖于粉末直径的大小及其分布状况。
　　（5）悬浮熔融法
　　根据树脂情况选定合适的悬浮剂，配成悬浮液，让纤维通过悬浮液，使树脂粒子均匀地分布在纤维上，然后加热烘干悬浮剂，同时使树脂熔融浸渍纤维，从而得到需要的预浸带。
　　（6）混合纱法
　　混合纱法是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后根据含胶量的多少将一定比例的增强纤维和树脂纤维束紧密地合并成混合纱，再通过一个高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成连续的基体，该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分的浸润，因此，可以直接缠绕成形得到制件，是一种很有前途的方法。混合纱技术的大优点是具有良好的加工性能，可以编织成各种复杂形状，包括三维结构，也可以直接缠绕，制得性能优良的复合材料制品。但由于制取极细的热塑性树脂纤维（＜10μm）非常困难，同时编织过程中易造成纤维损伤，限制了这一技术的应用。
　　（7）纤维混编法
　　根据未经任何化学处理的纺织品具有良好的柔软性和悬垂性的特征，开发了纤维混编技术。纤维混编法即先将热塑性树脂加工成纤维，该纤维再与增强纤维混编，编成带状、空心状、二维或三维等几何形状的织物，以此代替增强纤维浸渍树脂这一工序，此后再进入下一道加工工序的生产预浸渍材料的方法。制得的混编织物使用非常方便，质地柔软，具有良好的成形加工性能，可编织成所要求的产品界面形状，也可以直接使用。只要按要求铺制成规定的厚度，加温加压冷却后，即可制得所要求的复合材料。这种方法的优点：一是可适应各种编织形式，为热塑性树脂基复合材料的设计提供了较大的自由度；二是自动化程度高；三是材料选择范围广泛，任何可编织的纤维和可纺丝的树脂都可用于混编，大大扩大了热塑性树脂基复合材料的范围。
　　混杂方法有拼捻法、缠绕缠织法和共编织法三种。拼捻法是将增强纤维与热塑性树脂纤维以单丝互相紧密地混杂；缠绕法是用热塑性树脂纤维缠绕增强纤维的一种方法；共编织法是用连续增强纤维和热塑性树脂纤维共同编织制成的共编织物。目前，复合纱的制备主要有两种方式，一种是将多种纤维均匀地相互夹杂，另一种是将树脂纤维缠绕在增强纤维上。二维织物的制备主要通过将混杂后的复合纱或未经混杂的树脂纤维、增强纤维纺织成二维织物。前者称混杂编织织物，后者称共编织物。
　　（8）包缠纱法
　　包缠纱法就是以纤维的形式，按照所要求的比例，将增强纤维与热塑性树脂短切纤维机械地结合起来而获得的。在此类预浸渍材料中，增强纤维作为芯纱，处于伸直的状态且纤维之间保持平行，外层包覆着非连续纤维形式的热塑性树脂。热塑性树脂纤维以机械的方式相互纠缠，形成覆盖层，将增强纤维裹在中央，形成了具有包缠结构的线状预浸渍材料（简称包缠纱）。在加热将热塑性树脂熔融前，包缠纱可始终保持良好的柔性。在此基础上，将其进行缠绕或其他的纺织加工，可制得二维或三维形式的预浸渍材料，例如可编织成具有不同截面形状的预成形件。包缠纱的结构良好的编织性能，可以编织成各种织物，并以织物的形式直接使用。只要按要求铺制成规定的形状和厚度，加温和加压冷却后，即可制得复合材料构件，也可用于拉挤和缠绕。
　　（9）薄膜层叠法和镶嵌法
　　该法实际上是纤维浸渍与复合材料成形同时完成。先将热塑性树脂热熔制成衬有脱模纸的薄膜，铺层时撕去脱模纸与织物或增强纤维交替铺置，然后加热加压将树脂压入纤维区制成复合材料。该方法比较简单，但用这种工艺制成的复合材料，由于熔体的黏度太高，不能很好地浸渍织物或纱，因而要加工低孔隙含量的复合材料很困难，且仅能用于模压制品的加工。也有人认为，如果合理地选取压制参数，则可以利用这种方法生产出高质量的复合材料。例如，A10攻击机的内侧襟翼的加强筋和蒙皮就是GF/PPS薄膜层叠预浸渍料预压制的。
　　（10）Atochem法
　　这个方法将黏附有热塑性树脂粉的增强纤维进一步密封包在同种树脂或低熔点树脂的套子里，形成连续柔软的纱束，可以纺织成各种形式的织物，然后直接辅层成形。这个方法称作Atochem法。该方法的缺点是由密封纤维束制成的复合板层可能包含有过多的富树脂区。
　　就目前的工艺状态看，上述各种浸渍工艺，没有一种是十分完善的，或者明显优于其他的浸渍工艺，由于不同的应用领域要使用不同的材料，必须根据所用的材料选取的
　　工艺。
　　5.4.2非连续纤维复合材料制造技术
　　在过去几十年里，热塑性塑料材料得到迅速发展并逐步实现了商业化。由于高分子材料的分子质量必须过某个临界值时才能显示一定的力学性能，因此具有商业价值的热塑性塑料材料几乎都具有较高的黏度。而热塑性塑料的工艺性与其高熔体黏度密切相关，高熔体黏度导致纤维取向难于控制、无纤维填充空区以及高能源消耗。对于非连续纤维增强热塑性树脂基复合材料来说，这些问题非常值得关注。下面对一些经常使用的非连续（短纤维和长纤维）纤维增强热塑性树脂基复合材料的成形技术进行一些介绍。
　　1.注射成形技术
　　注射成形工艺是热塑性树脂基复合材料的主要加工方法之一，历史悠久，应用广。其优点是成形周期短，能耗低，产品精度高，一次可成形复杂及带有嵌件的制品，一模能生产几个制品，生产效率高。缺点是不能生产高性能连续纤维增强复合材料制品以及对模具质量要求较高。这种技术主要用来生产各种机械零件、建筑制品、家电壳体、电器部件、车辆配件等。注射成形工艺的核心是模具。不同的产品可以有无限多的形状，根据特殊需求可以设计出各种模具构造，从而模具的设计和生产也是多种多样的。模具很多参数是共同和基本的：半模、浇口、热交换系统、表面处理、排气口和模具强度。下面将分别介绍注射成形加工工艺过程和相关模具部件。
　　（1）注射成形过程
　　通过混合技术（如挤出混合技术）使纤维和基体达到均匀混合，得到固化后的均匀混合料后切成细粒并用于注射成形。在非连续纤维增强热塑性树脂基复合材料注射成形过程中，首先将粒料通过喂料口加进已加热的注塑机料筒；在注塑机的料筒里，粒料中的基体被加热到过其熔点（半晶态基体）或软化点（无定形树脂基体）的某一温度；这个过程产生一个由软化后的聚合物和增强纤维混合组成具有流动性的熔体；之后，这个熔体经注射机螺杆转动往前推进并继续混合；后，这个熔体抵达料筒末端并在高压下通过一个小小的喷嘴注塑到金属模具中。这个模具在低于固化点的温度下维持一定时间，当复合材料部件固化后，将模具打开并取出部件。这样就完成了一个注射成形过程。然后，模具关闭准备下一个注塑循环。这个工艺过程的示意图如图5-31所示。
　　图5-31注射成形工艺示意图
　　注射成形技术生产效率高，常用于大批量小型部件的生产。因为模具通常非常昂贵，生产要求高质量的部件非常值得利用这项技术。这种成形技术已广泛用于非连续纤维增强热塑性树脂基复合材料试样和制品。注射成形工艺制备非连续纤维增强耐高温热塑性树脂基复合材料的工艺参数如表5-20所示。一般来说，复合材料由于纤维的存在成形温度要高于基体本身的成形温度，并随纤维含量的增加成形温度一般需要略有增加。
　　表5-20非连续纤维增强耐高温热塑性树脂基复合材料注射成形工艺参数①
　　工艺参数机器类型加工温度成型压力螺杆速度后推压力压缩比收缩率/%
　　数值往复式螺杆310～420℃适中适中345Pa 1～3 0.05～0.5
　　①本表参数是针对耐高温热塑性树脂复合材料来说的，如PPS、PEEK、PEI、PAI和PES等。对于其他塑料如PP、PE和PA等，加工温度要低得多，如尼龙的加工温度在250℃左右，温度太高会使塑料材料退化，温度太低则加工成形困难。
　　（2）半模
　　每个模具由两个半模组成，它们夹在一起就构成了模具的模腔空间。模具内形貌与后成形的产品形貌正好相反。从模腔中间的隔层去掉一些材料可以很容易增大制品的尺寸。相反地，要给模腔中间隔层加一些材料来减小制品的尺寸却是非常困难的。所以，从一开始就应该考虑好制品需要的尺寸变化。在设计中我们可以一开始使用较小的模具空间，然后再逐步增大它。通常，一个空的（或凹型的）半模可以形成部件的外部形状，所以叫做型腔。和它对应的半模是凸形的，形成部件的内部形状，所以把它叫做型芯。然而，“型腔”和“型芯”有时可能产生误导。例如，当我们说到磁盘或塑料刀的模具时，模具的两个半模是相同的，都是凹型的。
　　型腔通常被认为是把树脂注射进入模具的一端，所以也被叫做“热端”。有时我们把它叫做“固定端”，因为它经常被固定在注射机的定压板上。通常型腔是由整块材料构成的，其中包括许多镶件。型腔里应该避免隆起的截槽，因为它们会在打开模具时阻止产品的弹出。如果产品设计需要这些截槽，型腔必须有拼块允许产品的弹出。在打开模具的时候，我们可以用凸轮、杆或角度针来固定住拼块。偶尔会使用两个以上的拼块，但由于模具构造复杂，这样的情形很少。很重要的一点是树脂的注入压强在模腔中产生的力会有让腔体打开的趋势。在整块材料构造条件下，产生的力被腔体壁承受，在有拼块的型腔中，力必须由型腔外部的一些辅助设施来承担，如当关闭模具的时候，固定在模具旁孔边的楔子就可以锁住半膜。
　　2.模压成型
　　尽管模压成形常用于热固性树脂基复合材料的制备，但也是制备热塑性树脂基复合材料的制造技术之一。对于非连续纤维增强热塑性树脂基复合材料，将复合材料原料（通常是粒料或切成的短棒）放进一个已加热的模腔里，在压力和温度的作用下复合材料填充到模具的模腔中。这个工艺一般用于小规模制备热塑性复合材料产品，而且较为特殊。模压成形工艺如图5-32所示。