復(fù)合材料成型工藝方法的研討

謝 超

（寧波工程學(xué)院杭州灣汽車學(xué)院，浙江 寧波 315300）

1 概述

人類生存和發(fā)展的過(guò)程中離不開材料的使用，它是基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，一直是人類社會(huì)文明的支柱。20世紀(jì)80年代以后高新技術(shù)為支撐的科技革命迅速展開，傳統(tǒng)的單一類型的材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)生活的需求，在這種情況下，人們根據(jù)社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向新的更為廣闊的發(fā)展領(lǐng)域——復(fù)合材料。狹義上的復(fù)合材料單單指用纖維增強(qiáng)樹脂、金屬、無(wú)機(jī)非金屬材料所得的多相固體材料。這也是我們通常研究的方面。從廣義范圍來(lái)講，ISO（International Organization for Standardization）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為，復(fù)合材料（Composite Materials）是由兩種或者兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，一種作為材料基體(Matrix)，另一種作為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成的一種多相固體材料?；w材料包含鋁、鎂、銅等金屬材料和橡膠、陶瓷、樹脂等非金屬材料兩大類，碳纖維、玻璃纖維、石棉纖維等是較為常見的增強(qiáng)體。組合而成的復(fù)合材料一方面能夠保留原組成材料的基本特點(diǎn)，另一方面還可以通過(guò)協(xié)同效應(yīng)、不同的制型工藝使個(gè)組成材料性能得到優(yōu)化。組成復(fù)合材料的各種組份材料在個(gè)體上能夠保持其自身相對(duì)的獨(dú)立性，它們通過(guò)相互補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同促進(jìn)新的材料的綜合性能，使其滿足生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。

由于基體和增強(qiáng)體的種類繁多，同時(shí)二者在進(jìn)行組合的時(shí)候設(shè)計(jì)、制造工藝、使用的環(huán)境和復(fù)合的方法等等不同會(huì)造成復(fù)合材料性能上的差異，由此會(huì)延伸出種類繁多的復(fù)合材料，但是它們兼具一下共同特點(diǎn)：①?gòu)?fù)合材料的各種組分和相對(duì)含量比的多少都是非常靈活，由人工選擇并根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)，最后由人工制造而成的。②綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒(méi)有的性能。例如，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。③可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。如，針對(duì)方向性材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，針對(duì)某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)等。④可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。

2 復(fù)合材料特性與應(yīng)用

復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。例如，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐化學(xué)腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加工等優(yōu)點(diǎn)。

（1）復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)，其比強(qiáng)度和比剛度都比較高。一方面，復(fù)合材料組分中的基體和增強(qiáng)體都是比重相對(duì)比較小的物質(zhì)，它們不屬于致密的元素。一般衡量材料材料承載能力的指標(biāo)是材料的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度的比值）和比彈性模量，在這一方面，碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料具有相當(dāng)高的性價(jià)比。比強(qiáng)度值較高說(shuō)明使用材料的重量比較輕，而強(qiáng)度比較大。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求。現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例。

（2）復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)，即設(shè)計(jì)者可以通過(guò)選擇合適的基體材料和增強(qiáng)體材料，通過(guò)不同的加入比例和合理的鋪層形式，使復(fù)合材料能夠滿足滿足使用的需求。對(duì)于結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，則可以達(dá)到減輕質(zhì)量、節(jié)約材料成本的目的。復(fù)合材料良好的設(shè)計(jì)性決定了生產(chǎn)者可以根據(jù)材料的性能要求來(lái)選擇合適的組分材料，達(dá)成資源的合理使用。例如，在平板模上鋪上一層制作的層板，然后通過(guò)加溫對(duì)其固化，原來(lái)的平板就自動(dòng)成為曲板。

（3）復(fù)合材料具備良好的電性能。復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性能，通過(guò)選擇不同的樹脂基體、增強(qiáng)材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或?qū)щ姴牧?。例如，普通鋁合金在400℃時(shí)，彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量基本不變。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般都小，因而它的瞬時(shí)耐超高溫性能比較好。因此可作為高性能電機(jī)、電器的絕緣材料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。而且復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補(bǔ)救。

（4）復(fù)合材料的安全性好。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬(wàn)根獨(dú)立的纖維。當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。

（5）復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能。纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造。

3 復(fù)合材料成型工藝的方法

復(fù)合材料的成型工藝取決于其所選擇的基體材料。目前，復(fù)合材料成型工藝方法主使用范圍比較廣的主要有一下2種方法：

（1）手糊成型工藝。這是復(fù)合材料最早的一種成型方法，也是一種最簡(jiǎn)單的方法，其具體工藝過(guò)程如下：首先，在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過(guò)程直至達(dá)到所需厚度為止。然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型）或者利用樹脂體系固化時(shí)放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。為了得到良好的脫模效果和理想的制品，同時(shí)使用幾種脫模劑，可以發(fā)揮多種脫模劑的綜合性能。這種方法不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)；同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低，工藝也較簡(jiǎn)單。

（2）層壓成型工藝，就是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。它屬于干法壓力成型范疇，是復(fù)合材料最主要的的一種成型工藝?？梢陨a(chǎn)各種各種絕緣材料板、人造木板、塑料貼面板、覆銅箔層壓板等，其制品表面光潔、質(zhì)量較好且穩(wěn)定以及生產(chǎn)效率較高。

復(fù)合材料在當(dāng)今社會(huì)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括飛機(jī)零部件的制作、各種發(fā)動(dòng)機(jī)、隔熱板等等，極大推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。伴隨我國(guó)化學(xué)工業(yè)材料科學(xué)的不斷發(fā)展，復(fù)合物材料必將會(huì)有新的飛躍。

[1]趙秋艷.復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展[J].航天返回與遙感，1999，（1）.

[2]張小溪.復(fù)合材料成型工藝方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析[J].科技與企業(yè)，2014，（18）.