第1章 复合材料概述
复合材料是由两种及以上物理或化学性质上存在差异的物质组合在一起的一种多相固体材料。复合材料由多种成分复合后其整体性能超过各组分原材料，同时保留其所需要的性能(如高比强度、高比刚度等)，而抑制不需要的特性。
复合材料属于混合物，是两个或两个以上的组元或不同组织相的结合体。其中构成复合材料的组成部分的化学性质是不同的，即复合材料是不同材料在宏观标准上组合而成的一种实用材料。复合材料还应具备以下条件：①组成材料的各组元含量所占的比例都需大于5%；②所具备的性能与构成它的各组元*立存在时的性能明显不同；③混合制备方法较多。
1.1 复合材料分类
复合材料的结构通常由两相组成：一个是连续相(称为基体)；一个是分散相。分散相可以明显提高材料性能，因而被称为增强体。复合材料常用的分类方法包括：①按基体材料分类；②按增强材料分类；③按基体材料与增强材料综合考虑进行分类；④按制备工艺分类；⑤按材料作用分类；⑥按组成原材料是否同质分类。
复合材料中常用的纤维有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维，此外还有碳化硅纤维和氧化铝纤维等。*早使用的是玻璃纤维，玻璃纤维的直径为5～20μm，所制成的织物具有强度高、延伸率大的特点。硼纤维属于复相材料，由硼蒸气在钨丝上经过沉积而成，其直径较大不能做成织物，且生产成本高。碳纤维是将多种有机纤维经加热、碳化而形成的，具有高比强度、高比模量等特点，因其制造工艺简单，成本低，所以成为*重要的纤维材料。在制作工艺上，芳纶纤维与碳纤维和玻璃纤维都不相同，它是由液晶纺丝工艺制备而成。
各种主要纤维材料与金属丝基本性能如表1.1所示。
复合材料制备中常用的基体材料包括树脂基、金属基、陶瓷基和碳素基体等。其中树脂基分为热固性树脂基和热塑性树脂基，热固性树脂基包括环氧、酚醛和不饱和聚酯树脂等，热塑性树脂基包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(又称尼龙)等。金属基主要用于耐高温或其他特殊需要的场合，基体材料包括铝、铝合金、镍、钛合金等。陶瓷基具有耐高温、化学稳定性好等优点，同时具有脆性和耐冲击性差等缺点，限制了其应用范围。碳素基主要用于碳纤维增强碳基体复合材料，又称为碳/碳复合材料。
表1.1 各种主要纤维材料与金属丝基本性能
1.2 复合材料成型工艺
1.2.1 低压接触成型工艺
低压接触成型工艺如图1.1所示。在低压接触成型工艺过程中，*先将材料在模具中设计成制品形状，然后将加有固化剂的树脂混合液涂覆到铺好的增强材料上，使之完全浸润，再进行加热或者常温状态下一定时间的固化处理，随后进行脱模和修整，*终得到复合材料制品。低压接触成型工艺是复合材料制备领域中*早使用的成型方法，应用范围广泛。采用低压接触成型工艺制备的复合材料占比极大。
低压接触成型工艺优点包括：①设备简单，适应性广；②不受产品形状和尺寸限制，适于变化较多而数量较少的大型复合材料制品；③操作简便，作业者经短期培训即可生产比较复杂的复合材料制品。缺点则包括：①自动化程度与生产效率低，产品质量依赖作业者的技能熟练度；②作业者劳动强度大，人工成本较高；③产品重复性差，不适于大批量产品。
图1.1 低压接触成型工艺
低压接触成型工艺中使用的原材料包括增强材料、基体材料以及辅助材料等。
1. 增强材料
适用于低压接触成型工艺的增强材料应满足如下要求：①增强材料对树脂的浸润性好，树脂能够充分地浸润到增强材料中；②增强材料有足够的变形性，能够满足形状复杂制品的成型要求；③能够满足使用环境要求，如防腐蚀和防震性能等。适用于低压接触成型工艺的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
2. 基体材料
基体材料是复合材料中的连续相材料，其主要作用是黏结纤维、均衡载荷、分散载荷和增加复合材料强度等。低压接触成型工艺要求基体材料能够容易地浸透增强材料，与材料的黏结性好且强度高；黏度适宜，流动性好；在室温条件下能够凝胶、固化，不会产生流胶现象；基体材料本身无毒或毒性低；基体材料价格低，能够大规模应用。
基体材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂等。不饱和聚酯树脂是*常用的一种热固性树脂，常用于物体表面加厚、加固，具有较高的拉伸、弯*和压缩强度，可以在室温下固化，常压下成型性能好，适于制造大尺寸玻璃钢制品。但不饱和聚酯树脂固化收缩率较大，为3%～6%，且有刺激性气味。环氧树脂是一种热固性树脂，通过使用不同类型的固化剂，环氧树脂可以在0～180℃范围内固化；环氧树脂固化时收缩率低，产生的内应力小，能够得到较高的黏附强度；环氧树脂固化后的力学性能优良，化学性能稳定，尺寸稳定不变性和结构耐久性好。酚醛树脂是无色或黄褐色透明固体，其耐热性、耐燃性、耐水性、绝缘性优良，机械性能良好，但耐碱性较差。乙烯基树脂是热固性树脂，具有较好的固化性，力学性能良好，有较强的耐酸、耐碱等化学性能。
3. 辅助材料
辅助材料用于辅助成型，在复合材料成型过程、复合材料后续处理以及复合材料制品质量改进方面发挥重要作用。辅助材料包括固化剂、脱模剂、促进剂、增韧剂、阻燃剂等。
固化剂是促进树脂在一定时间、温度、湿度条件下固化的化学物质，在使用时将树脂和固化剂按照一定比例混合，并搅拌均匀，然后进行模具充填，常用的固化剂包括过氧化环己酮、过氧化苯甲酰、乙二胺、二亚乙基三胺等。
脱模剂是涂覆在模具和制备材料之间的隔离介质，防止成型后复合材料制品与模具黏结在一起，有助于快速完整无损伤地将制品从模具中取出，同时避免模具损伤。脱模剂应具有良好的耐化学性能，在与不同树脂接触时不易被溶解，并具有一定的耐热和应力性能，不易分解或磨损。此外，脱模剂不能妨碍复合材料制品的二次加工处理。常用的脱模剂包括硅油、甲基硅油、聚乙烯醇、聚乙烯蜡、聚醚和脂油混合物等。
促进剂是在复合材料制备过程中为提高树脂固化速度而添加的物质，通常与固化剂配合使用，其原理是降低引发剂引发温度，促使有机过氧化物在室温下产生游离基。常用的促进剂包括二甲基苯胺、环烷酸钴等。
增韧剂是增加胶黏剂膜层柔韧性的物质，对于某些热固性树脂胶黏剂如环氧树脂胶黏剂，其固化后伸长率低，脆性大而韧性小，在受到外力作用时易产生裂纹，使用增韧剂可以较好地降低胶黏剂脆性，增大其韧性，在不影响胶黏剂其他性能的基础上提高胶黏剂的承载强度。常用的增韧剂包括二丁酯、聚酰胺等。
阻燃剂是降低易燃聚合物可燃性的功能性助剂，能够阻止聚合物材料引燃、燃烧或抑制火焰。阻燃剂按其元素种类可以分为卤系、磷系、氮系、硅系、铝镁系等。
4. 模具
模具是低压接触成型工艺的核心设备，其尺寸和性能直接影响复合材料质量，必须进行精密设计和制造。*先，模具必须满足复合材料制品尺寸精度及外观质量要求；其次，大批量生产工况要求模具具有足够的刚度、强度和抗变形能力，保证在反复使用过程中不会发生变形、损伤以及疲劳破坏；要便于复合材料制品脱模，可根据复合材料结构设计一定的脱模斜度。
低压接触成型模具一般包括三种：阳模、阴模、对模。阳模工作面凸起，阴模工作面凹陷，而对模则是阳模和阴模的组合，兼具阳模和阴模的优点。成型面复杂的模具一般由两部分及以上组成，因此，要考虑模具的定位问题。模具材料应具有足够的强度和刚度，保证模具在使用过程中不会出现变形和损坏，使用过程中不会受到树脂等材料的侵蚀，不影响树脂固化，较高温度下不易产生变形，加工比较方便等。低压接触成型模具所使用的材料包括木材、石膏、金属等。
5. 低压接触成型工艺流程
*先，将基体材料、增强材料以及模具等准备好，根据复合材料类型选择适当的脱模剂、固化剂等辅助材料。模具使用前要进行详细检查，确保尺寸精度和表面质量符合要求，若长期未使用，需要进行打磨、抛光、清洗处理。然后，根据复合材料制品表面要求选择脱模剂并进行配制，乙酸纤维素脱模剂常用于表面粗糙、孔隙率与含水率较高、未经喷漆处理的石膏模具、水泥模具等；聚乙烯醇脱模剂常用于玻璃钢模具和喷漆处理的木质模具等。使用脱模剂对模具表面进行涂覆需要重复多遍，之间应有一定的时间间隔。
低压接触成型复合材料分为表面层和结构层，表面层由胶衣层、表面毡层、短切毡层组成，对复合材料制品的使用寿命和外观质量有很大影响。增强材料种类、纤维铺层设计和基体材料特性决定了复合材料制品的力学性能，*常见的纤维束铺设方向包括0°、45°、90°，也可采用30°或60°。一般可根据结构承载方式对纤维织物铺设方向进行设计，比如单向受力构件可在受力方向多铺设纤维，多向受力则设计多轴向铺层。在树脂涂覆过程中可以逐层涂覆，能够有效排除气泡，使树脂材料达到均质状态，若复合材料制品形状复杂不易逐层涂覆，则可通过局部增强保证结构或强度的一致性。
树脂涂覆完成后，需要进行一定温度下一定时间的固化，固化一般分为凝胶、固化、加热后处理三个阶段，温度对固化时间有较大影响，通常温度高则固化时间短。固化完成后即可进行脱模，并进行去毛刺等修整处理。
采用低压接触成型工艺制备复合材料制品尤其是大尺寸且结构复杂的复合材料制品时，常出现流胶、气泡以及分层等缺陷，这与树脂黏度、纤维织物的铺设、固化剂和促进剂等辅助材料的用量、制品结构的复杂度以及制备环境等密切相关，应对树脂黏度等材料参数进行有效控制，并采用合理的铺层设计，才能得到符合要求的复合材料制品。
1.2.2 喷射成型工艺
喷射成型工艺如图1.2所示。喷射成型工艺是利用喷枪等喷射设备将混合有促进剂和引发剂的树脂基体材料雾化喷出，并和由切割机切断的纤维在空间混合后，在模具表面沉积，然后用压辊等设备压实或固化成型的成型工艺。喷射成型工艺是由低压接触成型工艺衍生出的工艺，主要特点是将低压接触成型工艺中的纤维铺层和基体涂覆改进为由设备完成，是一种半机械化成型工艺，自动化程度相对较高。
图1.2 喷射成型工艺
喷射成型工艺设备按照喷射动力形式可以分为气动型和液压型。气动型是用压缩空气将树脂喷出，液压型则是利用液压将胶液喷涂到模具上。按照胶液的混合形式可以分为预混合型、内混合型和外混合型。预混合型是将树脂和引发剂等辅助材料在混合器中先进行充分混合，再由喷射设备喷出；内混合型是将树脂和固化剂在喷枪头部的紊流混合器内充分混合，再由喷射设备喷出。外混合型是将树脂和固化剂等分别单*喷出，在空间中雾化混合。
喷射成型工艺的优点包括：①生产效率高，是手糊成型工艺的2～4倍；②利用粗纱代替织物，能够降低生产成本；③产品的整体性好，成型过程无缝接，制品层间剪切强度高，有较好的抗腐蚀、耐渗漏性能；④生产过程灵活，可以根据产品要求调节纤维长度等；⑤生产工艺不受复合材料制品的尺寸和形状限制；⑥后处理工作量小，可以有效减少材料消耗。缺点则包括：①增强材料以切断的形式存在，且树脂含量较大，不利于提高复合材料制品的强度；②产品质量在一定程度上取决于作业者的技术水平，产品稳定性受到限制；③喷射过程中材料产生雾化，对环境及作业者的健康有较大影响。
1. 喷射成型工艺材料和设备
在喷射成型工艺中树脂材料被雾化喷出，因此，树脂黏度不能太大，应控制在0.3～0.8Pa s。喷射成型工艺所采用的树脂*重要的特性是触变性，这是因为在大型制品或垂直面成型时，必须抑制树脂的流动，即保证树脂留在喷射位置不流动。对于喷射成型工艺，触变性指数为1.5～4.0Pa。另外，树脂应具有适宜的固化特性和浸润脱泡性。喷射成型工艺所采用的树脂主要为不饱和聚酯树脂，含胶量约为60%，一般采用室温固化。
喷射成型工艺所采用的纤维材料*先应具有适宜的硬挺度，切割成短纤维后能够保持稳定的外形结构和力学性能；其次切割时不易产生静电，分散性好，保证所得制品的厚度均匀；与树脂的浸润性好
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