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1、 樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空、汽車、海洋工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。 ?194 9午： 模壓成型獲不材充成勿。 一，樹(shù)廉基象令材料的或展歷史 >1932年在美國(guó)出現(xiàn)； >19404：手糊成型（玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的軍 用飛機(jī)的雷達(dá)罩）。 1944年3月在萊特-帕特空軍基地試飛成功一架 以玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī)… a 1946年纖維纏繞成型技術(shù)在美國(guó)出現(xiàn)。 ? 1950年：真空袋和壓力袋成型工藝研究成功, 并制成直升飛點(diǎn)的螺旋必 ? 1963年前后在美、法、日等國(guó)先后開(kāi)發(fā)了高產(chǎn) 量、大幅寬、連續(xù)生產(chǎn)的玻璃纖維復(fù)合材料板 材生產(chǎn)線. ，60年代在美國(guó)利用纖維纏繞技術(shù)，制造出北 極星、

2、土星等大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體， 在此期間，玻璃纖維-聚酯樹(shù)脂噴射成型技術(shù) 得到了應(yīng)用， * 1961 年片狀模塑料（Sheet Molding Compound. 簡(jiǎn)稱SMC）在法國(guó)問(wèn)世 ?拉擠成型工藝的研究始于50年代，60年代中期 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，70年代拉擠技術(shù)又有了重 大的突破，近年來(lái)發(fā)展更快。除圓棒狀制品外, 還能生產(chǎn)管、箱形、槽形、工字形等復(fù)雜截面 的型材，并還有環(huán)向纏繞纖維以增加型材的側(cè) 向強(qiáng)度 復(fù)合材料理論是研究?jī)上嗷蚨嘞嚅g是以何種機(jī)理結(jié)合在一起的。在復(fù)合材料的制備 過(guò)程中，要制得具有一定性能的復(fù)合材料，必須通對(duì)物性參數(shù)、工藝

3、參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等 的適當(dāng)調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行表征，而對(duì)界面結(jié)構(gòu)的理 論分析必須建立在界面理論的基礎(chǔ)上，因此對(duì)界面理論的研究具有重要的理論和實(shí)際意 義 不同學(xué)者針對(duì)復(fù)合材料中的不同破壞現(xiàn)象，提出了不同的界面理論，如化學(xué)鍵理論、表 現(xiàn)浸潤(rùn)吸附理論、變形層理論、拘束層理論、機(jī)械聯(lián)結(jié)理論、擴(kuò)散理論、電子理論等七、八 個(gè)界面理論。 界面：復(fù)合材料中兩相之間，例如增強(qiáng)體與基體之間，某種材料特性出現(xiàn)不連續(xù)的區(qū)域。 復(fù)合材料中的界面一般厚度約為幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。 1） 傳遞效應(yīng)：各類信息的傳遞，如載荷從基體傳遞到增強(qiáng)體； 2） 阻斷效應(yīng)：如阻止裂紋擴(kuò)展，延緩材料破壞；顆

4、粒彌散強(qiáng)化時(shí)阻止位錯(cuò)移動(dòng)，提高 強(qiáng)度； 3） 不連續(xù)效應(yīng)：如各種物理性能的不連續(xù)形，如耐熱性、抗電性等； 4） 散熱和吸收效應(yīng)：光波、聲波、沖擊波、熱彈性波等往往會(huì)在界面處產(chǎn)生散射和吸 收，如透光性、隔音性、耐機(jī)械沖擊、耐熱性等; 5）誘導(dǎo)效應(yīng)：復(fù)合材料中的一種組元的表面結(jié)構(gòu)使另一種與之銜接的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于 誘導(dǎo)作用而發(fā)生變化，可產(chǎn)生的效應(yīng)如：強(qiáng)的彈性、低的熱膨脹、耐熱性等。 嚙合理論 當(dāng)纖維表面存在凹凸不平的孔穴時(shí)，樹(shù)脂基體就會(huì)很好的和纖維嵌接或嚙合，從而可以 大幅度的提高界面間的黏合強(qiáng)度，由此可見(jiàn)，嚙合理論是建立在浸潤(rùn)理論和機(jī)械粘結(jié)理 論基礎(chǔ)之上。 靜電理論 當(dāng)膠粘劑與被粘

5、物體形成電子發(fā)射體和電子接受體時(shí)，電子被激發(fā)從發(fā)射體轉(zhuǎn)移到 接受體，于是在電子發(fā)射體和電子接受體接觸區(qū)域形成了雙電層，雙電層電荷的性質(zhì)相 反，從而產(chǎn)生了靜電引力 弱邊界層理論 邊界層主要是指氣體、液體、固體中的兩相或者三相相互接觸的部分。BiKorman首先提出 了弱邊界層理論，他認(rèn)為弱的粘附性是由于基材與膠粘劑之間低內(nèi)聚強(qiáng)度的區(qū)域造成的，然 而Zisman則認(rèn)為弱的粘附性不是由于膠粘劑的作用造成的，而是因?yàn)榫酆衔锞哂械偷谋砻?能［23］。弱邊界層可能由以下幾個(gè)方面的原因造成的，第一、在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備 過(guò)程中，外部雜質(zhì)進(jìn)入了兩相界面之間；第二、在制備復(fù)合材料的 過(guò)程加入了其它助劑

6、的影響；第三、復(fù)合材料在使用、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，不慎帶入 了雜質(zhì)等。 化學(xué)鍵理論 化學(xué)鍵認(rèn)為界面粘結(jié)必須通過(guò)化學(xué)鍵才能使界面達(dá)到良好的粘結(jié)強(qiáng)度。纖維復(fù)合材料往往 是兩種（或兩種以上）完全不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成，它們本身不存在化學(xué)鍵，必須采用 偶聯(lián)劑的方式進(jìn)行表面處理。偶聯(lián)劑在化學(xué)結(jié)構(gòu)上有二種官能團(tuán)，一種可與纖維反應(yīng)產(chǎn)生化 學(xué)鍵，另一種能與樹(shù)脂基體反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵，從而偶聯(lián)劑就像在增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體之間架 起橋梁，使二者能更牢固地粘結(jié)起來(lái)，有效抵制水及其它介質(zhì)對(duì)纖維的浸蝕，因此提高了纖 維復(fù)合材料的物理、力學(xué)、熱電性能，特別是顯著地提高濕態(tài)強(qiáng)度性能和老化性能。 在化學(xué)鍵理論的應(yīng)用中，應(yīng)用最

7、廣泛的是硅烷偶聯(lián)劑的使用，硅烷偶聯(lián)劑的一端可以 與無(wú)機(jī)表面氧化物反應(yīng)生成化學(xué)鍵，另一端可以與基體樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，這樣使基體與增 強(qiáng)纖維間實(shí)現(xiàn)了界面的化學(xué)鍵的結(jié)合，進(jìn)而有效提高了復(fù)合材料的性能。 表面浸潤(rùn)吸附理論 1963年Zisman［4提出了浸潤(rùn)理論，他認(rèn)為浸潤(rùn)是形成界面的基本條件之一， 兩組分如能完全浸潤(rùn)，則樹(shù)脂在高能表面的物理吸附提供的黏合強(qiáng)度可超過(guò)基體的內(nèi)聚 能。兩相間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘結(jié)與潤(rùn)濕吸附，如果基體與增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性差，則 接觸面積有限；如浸潤(rùn)性好，熔融基體可以填補(bǔ)到增強(qiáng)材料表面凹凸不平的空洞中，增 加兩相接的觸面積，使他們緊密結(jié)合，兩相固化后可以產(chǎn)生機(jī)械鎖合作用。

8、纖維表面浸潤(rùn)是界面粘結(jié)的基礎(chǔ)，良好的表面浸潤(rùn)可使增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體之間緊密接 觸，并發(fā)生吸附作用，使界面分子間產(chǎn)生巨大的范德華力，從而提高了復(fù)合材料強(qiáng)度。浸潤(rùn) 良好的界面范德華力往往比樹(shù)脂內(nèi)聚力大，因此復(fù)合材料斷口往往出現(xiàn)樹(shù)脂本身開(kāi)裂，纖 維上粘有樹(shù)脂基體等現(xiàn)象。良好的浸潤(rùn)，同時(shí)也能排除纖維表面吸附的氣體，減少界面的 空隙率，從而提高界面的機(jī)械聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，達(dá)到良好的復(fù)合材料性能。 機(jī)械聯(lián)結(jié)理論 從微觀角度，增強(qiáng)纖維表面是粗糙不平，并有許多微裂紋；當(dāng)樹(shù)脂基體滲透到纖維中的 凹坑及微裂紋中，當(dāng)固化以后就像一個(gè)個(gè)錨、釘子一樣把兩者牢固地連結(jié)一起，使復(fù)合材料有較高的粘結(jié)強(qiáng)度。纖維與樹(shù)脂基體有相差較大

9、的熱膨脹系數(shù)，在熱固化冷卻過(guò)程中由于 不同的收縮產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，不同的配方、不同的原材料組合、不同的成型工藝有不 同性質(zhì)的殘余應(yīng)力，會(huì)在界面上產(chǎn)生拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，拉應(yīng)力不利于界面粘結(jié)，壓應(yīng)力增 強(qiáng)界面的摩擦力，從而提高復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度。另外，增強(qiáng)纖維表面充分浸潤(rùn)，減少表 面氣體，從而減少?gòu)?fù)合材料空隙率，提高界面摩擦力，有效地傳遞應(yīng)力，從界面的機(jī)械聯(lián) 結(jié)理論角度來(lái)看，也提高了纖維復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度，因此提高纖維復(fù)合材料的物理、力 學(xué)、熱電性能。 從上述界面理論可知，要達(dá)到界面產(chǎn)生化學(xué)鍵、良好的浸潤(rùn)吸附、牢固的機(jī)械聯(lián)結(jié)，必 須對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理。 硬纖維復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)啟詢于對(duì)玻璃

10、纖 維.是合材料性能的認(rèn)識(shí)利經(jīng)畛。迪常玻璃纖維復(fù)合 材料的密度要高出碳纖維復(fù)合材料的1/3以上，其 抗拉強(qiáng)度僅是碳纖維復(fù)合材料的2/3,而其模最則 不到1/&滿足不了高性能E機(jī)的要求。因此研究 高強(qiáng)度、高模量及低密度的增強(qiáng)纖維成為發(fā)展高性 但是這些基團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂形成化學(xué)鍵的活性和機(jī)會(huì)要比固化劑（胺類）與環(huán)氧樹(shù)脂反 應(yīng)的機(jī)會(huì)少得多，為此，通過(guò)電化學(xué)氧化處理法使碳纖維表面的羧基、羥基轉(zhuǎn)化成反應(yīng)活性 更高（與環(huán)氧樹(shù)脂）的官能團(tuán)，如胺基，這樣碳纖維有更多機(jī)會(huì)與環(huán)氧樹(shù)脂形成化學(xué)鍵結(jié)合， 從而更加提高復(fù)合材料的粘結(jié)性能. 1碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用 碳纖維復(fù)合材料主要是以滿足航空航天對(duì)高 性能材料的要求

11、而發(fā)展起來(lái)的U隨著碳纖維復(fù)合材 料的優(yōu)異性能越來(lái)越-多地被認(rèn)識(shí)和接受，其在能 源、交起、汽車、海洋、建筑及其他工業(yè)部門的應(yīng) 用近年來(lái)在快速地發(fā)展U 能纖維復(fù)合捌料的前提U在碳纖雄之前，曾經(jīng)開(kāi)發(fā) 過(guò)硼纖維'I960年鴇統(tǒng)芯硼啊開(kāi)始了小批量的生 產(chǎn)，硼纖維直徐約10C呻，其禪性模量達(dá)400 GPa, 拉抗強(qiáng)度達(dá)SSUOMPa；環(huán)氧增腕的硼纖維 60%）彈性模量達(dá)200 GPa〈相而密度^2.0）,是 玻璃纖維復(fù)合材料的彈性模量41） GPa （.相對(duì)密度 兇建）的5倍，約是鋁合金的彈性模量70GPa （相 對(duì)密度的？倍-因此美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室 將環(huán)氧增強(qiáng)的硼纖維母合材料命名為先進(jìn).復(fù)合材 料（A

12、dvanced composite maLcriak, ACM）,并d' 20也紀(jì)61）年代后期開(kāi)始了在E機(jī)結(jié)物上的峻用『 如&機(jī)水平尾翼利垂直穩(wěn)定而翼盒結(jié)構(gòu)等匚但是. 硼纖蛹作頭丁丈篇知一儲(chǔ)木點(diǎn)一牌纖雄太身耕硬「 最近，波音公司在推出的“夢(mèng)想” "（Dreamliner） B7S7 &機(jī)匕復(fù)合材料的用量將 占到全機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的50%,是也界上第一款采 用復(fù)合材料機(jī)翼利機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)件的大型商 用噴氣式客機(jī)匚由于大量采用復(fù)合材料血使E機(jī)的 結(jié)陶重量大幅度降低，燃汕效率可提iW20%c 歐洲空客公司在開(kāi)發(fā)復(fù)合材料的應(yīng)用方而也 有突破'M而超大型客機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到25%. 基?「這一事.虹

13、 著手發(fā)展碳纖維復(fù)合材料，J'' 加也紀(jì)60年代后期，研發(fā)成功聚丙烯臘基菠纖維 并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),從此開(kāi)始了碳纖維復(fù)合材料在骯 空航天領(lǐng)域應(yīng)用的里程汗 碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜令性能，被看廈 是一種理想的成空骯天結(jié)構(gòu)材料，近40年來(lái)，在 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用得到長(zhǎng)足的發(fā)展「表2是美國(guó)F 系列戰(zhàn)斗機(jī)上.復(fù)合材料應(yīng)用情況匚 承力結(jié)構(gòu)件匚碳/碳利碳藺醺.復(fù)合材料用于'彈頭端 頭、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯等耐燒蝕部件的防熱，如美國(guó) “抹儒”、“民兵，“ ?三又戟”等戰(zhàn)略導(dǎo)聲；碳纖維 復(fù)合材料用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，如美國(guó)*大力神-4” 火箭、法國(guó)的"■阿里安娜心甘火箭改型、日本的 M-5火箭等的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中便用

14、量最大的是美 國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拽強(qiáng)度為5 3 GPa的 IM-7碳纖維°以高性能碳r石墨）纖維復(fù)合材料 為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)物 /功能一體化構(gòu)件材料.在導(dǎo)彈、運(yùn)■載火箭和空間 E行器匕也發(fā)揮著不句替代的作用，有力地推動(dòng)了 航天技術(shù)的發(fā)展n 隨著全球石汕資源緊缺局面的如劇.新能瀝的 開(kāi)發(fā)利利用已成為當(dāng)今|-分重要的研究課題，其中 風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用已形成全球的共識(shí)B據(jù)預(yù)瀾，未 來(lái)1。年內(nèi)，全球風(fēng)能市場(chǎng)將保持每年20%的增長(zhǎng) 速度,每年新增風(fēng)自裝機(jī)容星將中況07年的 》萬(wàn)MW增皿到M17年的10.7萬(wàn)MW：全球風(fēng)電 裝機(jī)總?cè)萘恳矊?U07年的9.4萬(wàn)MW增至 W01T

15、年的71衛(wèi)萬(wàn)MW.中國(guó)的增長(zhǎng)速率可能會(huì)更 快，據(jù)估計(jì)中國(guó)風(fēng)電葉片的需求量在2UO6- 2010年之間約為70U0多片，2011-2020年之間將 達(dá)到50U00片匚MW級(jí)的風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度在40 m以 匕1OMW^的區(qū)機(jī)葉片長(zhǎng)度達(dá)60 rib必須采用 碳纖維復(fù)合材料才能滿足葉片輕質(zhì)、高周度利高模 屋的要求°因此風(fēng)電市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)將極大地推動(dòng) 碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 對(duì)于未來(lái)的汽車工業(yè)，碳纖維復(fù)合材料將成為 汽車制造的主流材料* 2001年寶馬公司率先開(kāi)發(fā) 和試驗(yàn)高強(qiáng)輕質(zhì)的碳纖聚復(fù)合材料（CFRP）牟休 板和其他部件，所用碳纖維系Zollck公司生產(chǎn)的大 蛭束產(chǎn)品，目標(biāo)是2007年生產(chǎn)出采用C

16、FRP制造 的系列汽車° Zohek 司總裁確信.碳纖維將弓I起 汽車工業(yè)革命性的變革， 英國(guó)Cranlicld大學(xué)的研究或果也表明，每年 生產(chǎn)2萬(wàn)輛的CFRP汽車是可行的=這種輕質(zhì)化材 料的汽車將改進(jìn)其燃料效率，輕頊化材料部件的刖 性比鋼制部件高，在高風(fēng)阻力下具有快好穩(wěn)定性， 這一點(diǎn)對(duì)賽車和運(yùn)動(dòng)型車li清更為重要口目前巳研 制出的CFR.P汽車長(zhǎng)43 m、寬11m、高1.4 m, 重量只有570 kgm CFRP材料由德國(guó)Tcnax公司生 產(chǎn)提供工 2一 3碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料低成本成型技術(shù)的發(fā) 展現(xiàn)狀及趨勢(shì)⑶ 復(fù)合材料具有多種優(yōu)艮性能，但居高不下的成 本仍然是制約其廣泛應(yīng)

17、用的主要原因?業(yè)內(nèi)專家指 出，用碳纖維復(fù)合材料制造的&機(jī)結(jié)構(gòu)件「與鋁合 金的同類結(jié)構(gòu)件相比，成木可高出1到2倍，這 無(wú)疑極大地限制了復(fù)合材料在此機(jī)上的大量使用匚 因而低成本技術(shù)巳成為復(fù)合材料發(fā)展的重要趨熱 構(gòu)成復(fù)合材料高成木的主要因素有： 1） 原材料的價(jià)格高，碳纖維、芳綸和高性睦 樹(shù)脂基體的價(jià)格居高不下； 2） 手工操作為主'效瑤低，周期長(zhǎng)； 3） 設(shè)備投入和使用費(fèi)用高，能耗大，輔助材 料價(jià)格高,用量大； 4） 整體設(shè)計(jì)欠缺,制件的整體性差，仍需要 使用大量的緊固件互 低成本成型技術(shù)當(dāng)前發(fā)展的土流是濕法成型 技術(shù)，也作液體模塑成型技術(shù)（LCM）,主要有樹(shù) 酯傳遞模型、其空輔助樹(shù)脂傳遇模塑（VAR.TM）. 樹(shù)脂漆透憤型T藝（SCRIMP）和結(jié)糊反應(yīng)注射模 塾等，其中最重要的是樹(shù)脂傳遞模塑技術(shù)（RTM） 以及由此而發(fā)展起來(lái)的VARTM.