玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展.docx
- 文档编号:16309182
- 上传时间:2023-07-12
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:643.79KB
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展.docx
《玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展.docx(19页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展
JIUJIANGUNIVERSITY
毕业论文
题目环氧树脂玻璃纤维复合材料的研究进展
院系化学与环境工程学院
专业应用化工技术
姓名张飘洋
年级B1021
指导教师刘康强
二零一二年十二月
.
摘要…………………………………………………………………………………1
3玻璃纤维增强环氧树脂的应用………………………………………12
玻璃纤维增强环氧树脂复合材料研究进展
摘要:
玻璃纤维增强环氧树脂是玻璃钢的一种。
本文综述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些性能,尤其是力学性能,并介绍了它的成型方法。
概述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些应用并提出了展望。
关键词:
玻璃纤维;环氧树脂;复合材料;制备
前言:
玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维作为增强材料,热固性塑料(包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)作为基体的纤维增强塑料。
因其比重小,比强度高,比最轻的金属铝还要轻,而比强度比高级合金钢还要高,所以又称为玻璃钢。
而玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。
相比传统材料,复合材料具有一系列不可替代的特性,自二次大战以来发展很快。
尽管产量小(据法国Vetrotex公司统计,2003年全球复合材料达700万吨),但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。
美、日、西欧水平较高。
北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%,以中国(含台湾省)、日本为主的亚洲占30%。
中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾90万吨,已居世界第二位
环氧树脂(EP)是优良的热固性树脂。
它与目前大量应用的不饱和聚酯(UP)树脂相比,具有更优良的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘合性能。
众所周知,在国内,EP除用作粉末涂料、地坪、封装料、粘合剂等以外,在纤维增强复合材料领域中更是大显身手。
EP/玻璃纤维(GF)复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。
EP/GF复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、加工成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重要材料,如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。
1玻璃纤维增强环氧树脂的性能
在玻璃钢产业中可以采用很多种树脂材料做基体,那为什么要采用环氧树脂呢?
这是因为环氧树脂(EP)是优良的热固性树脂,它与目前大量应用的不饱和聚酯(UP)树脂相比,具有更优良的力学性质、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘合性能[1]。
环氧树脂固化收缩率低,仅1%-3%,而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%。
它的粘结力最强,与玻璃纤维复合时,界面剪切强度最高。
可低压固化,挥发份甚低,固化后力学性能、耐化学性佳,电绝缘性能良好。
下表为以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例与钢性能的对比:
表1
GF/EPR(玻纤含量80wt%)
AISI1008冷轧钢
相对密度
2.08
7.86
拉伸强度
551.6Mpa
331.0MPa
拉伸模量
27.58GPa
206.7GPa
伸长率
1.6%
37.0%
弯曲强度
689.5MPa
弯曲模量
34.48GPa
压缩强度
310.3MPa
331.0MPa
悬臂梁冲击强度
2385J/m
燃烧性(UL-94)
V-O
比热容
535J/kg·k
233J/kg·k
膨胀系数
4.0×10-6k-1
6.7×10-6k-1
热变形温度
204ºC(1.82MPa)
热导率
1.85W/m·k
33.7W/m·k
介电强度
11.8×106V/m
吸水率
0.5%(24h)
1.1复合材料的弹性模量分析
以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后,所得复合材料试样的弹性模量变化如图所示:
图1
1.2复合材料的强度分析
图2图3
由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后,当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。
在一定程度上使力的作用得到分散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。
但当纤维含量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降。
表2
当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料可获得较好的综合力学性能,其中弹性模量可达40GPa,纵向拉伸强度可达1200MPa,纵向压缩模量可达700MPa。
2成型工艺
目前玻璃纤维增强环氧树脂在生产上主要有十种成型工艺:
手糊成型(HLU)
树脂传递成型(RTM)
纤维缠绕成型法(FW)
结构反应注射成型(SRIM)
拉挤成型(PULT)
真空袋法成型(VB)
树脂膜熔浸成型(RFI)
低温固化预浸料成型(CP)
预浸料(高压釜)成型
SCRIMPRIFTVARTM
目前我国还是以手糊成型为主,在树脂基复合材料中约占80%。
2.1手糊成型(HLU)
图4
2.1.1方法
依次在模具表面上施加脱模剂、胶衣、一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)、一层纤维增强材料,纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。
以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料,并驱除气泡,压实基层。
铺层操作反复多次,直到达到制品的设计厚度。
树脂因聚合反应,常温固化,可加热加速固化。
2.1.2手糊成型工艺的优点
a)不受尺寸,形状的限制;
b)设备简单,投资少;
c)工艺简单;
d)可在任意部位增补增强材料,易满足产品设计要求;
e)产品树脂含量高,耐腐蚀性能好。
2.1.3手糊成型的缺点
a)属于劳动密集型生产,产品质量由工人训练程度决定;
b)玻纤含量不可能太高,树脂需要粘度较低才易手工操作,溶剂量高,力学与热性能受限制;
c)手糊用树脂分子量低,通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
2.2树脂传递成型(RTM)
图5
2.2.1方法
RTM是一种闭模低压成型的方法,将纤维增强材料置于上下模之间,合模并将模具夹紧,在压力下注射树脂,树脂固化后打开模具,取下产品。
树脂胶凝过程开始前,必须让树脂充满模腔,压力促使树脂快速传递到模个内,浸渍纤维材料。
RTM是一低压系统,树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量(体积比超过50%)的制品,如航空航天用零部件时,压力甚至达0.7MPa。
纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状(带粘结剂),再在第二个模具内注射成型。
为了提高树脂浸透纤维能力,可选择真空辅助树脂传递成型(VARTM-vacuumassistedresintransfermolding)。
注意树脂一经将纤维材料浸透,树脂注口要封闭,以便树脂固化。
注射与固化可在室温或加热条件下进行。
模具可以复合材料与钢材料制作。
若采用加热工艺,宜用钢模。
2.2.2优点
a)制品纤维含量可较高,未被树脂浸得部分非常少;
b)闭模成型,生产环境好;
c)劳动强度低,对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低;
d)制品两面光,可作有表面胶衣的制品,精度也比较高;
e)成型周期较短;
f)产品可大型化;
g)强度可按设计要求具有方向性;
h)
可与芯材、嵌件一体成型;
i)相对注射设备与模具成本较低。
2.2.3缺点
a)不易制作较小产品;
b)因要承压,故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂,价位也高一些;
c)能有未被浸渍的材料,导致边角料浪费。
2.3纤维缠绕成型法(FW)
图6
2.3.1方法
通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。
粗纱排列在纱架上。
粗纱自纱架上退绕,通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴,由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴(模)上。
纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计,并由芯轴(模)转速与小车往复速度之比,精确地控制。
固化后将缠绕的复合材料制品脱模。
对某些两端密闭的产品不用脱模,芯模即包在复合材料产品内,作为内衬。
2.3.2优点
a)因为纤维迳直以合理的线型铺设,承担负荷,故复合材料制品的结构特性可非常高;
b)由于同内衬层组合,可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品;
c)可制造两端封闭的制品;
d)铺放材料快、经济、用无捻粗纱,材料费用低;
e)可采用树脂计量,然浸胶后的纤维通过挤胶或口模,控制树脂含量;
f)可大量生产和自动化;
g)机械成型,复合材料材质及方向性均匀,质量稳定。
2.3.3缺点
a)制品形状限于圆柱形或其它回转体;
b)纤维不易沿制品长度方向精确排列;
c)对于大型制品,芯模成本高;
d)成品外表不是“模制”的,不尽如人意;
e)对于承受压力的制品,如选择树脂不合适或无内衬,就易发生渗漏。
2.4结构反应注射成型(SRIM)
图7
2.4方法
将两种或两种以上的组分在混合区低压(0.5MPa)混合后,即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反应成型,此即为工艺过程。
若组分一为多元醇,一为异氰酸酯,则反应生成聚氨酯。
为增加强度,可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料。
亦可采用长纤维(如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等)增强,在注射前将长纤维增强材料预先置模具内。
用此法可得到高力学性能的制品。
2.4.1优点
a)制造成本比热塑性塑料注射工艺低;
b)可制造大尺寸、形状复杂的产品;
c)固化快,适于快速生产。
2.4.2缺点
采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高,不经济。
2.5拉挤成型(PULT)
2.5.1方法
主要采用玻璃纤维无捻粗纱(使用前预先放置在纱架上),它提供纵向(沿生产线方向)增强。
其它类型的增强材料有连续原丝毡、织物等。
它们补充横向增强,表面毡则用于提高成品表面质量。
树脂中可加入填料,改进型材性能(如阻燃),并可降低成本。
拉挤成型的程序是:
a)使玻璃纤维增强材料浸渍树脂;
b)玻璃纤维预成型后进入加热模具内,进一步浸渍(挤胶)、基体树脂固化、复合材料定型;
c)将型材按要求长度切断。
现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。
拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式:
胶槽浸渍法
(图8):
通常采用此法,即将增强材料通过树脂槽浸胶,然后进入模具。
此法设备便宜作业性好,适于不饱和聚酯树脂,乙烯基酯树脂。
注入浸渍法(图9):
玻纤增强材料进入模具后,被注入模具内的树脂所浸渍。
此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体,如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。
图8
图9
2.5.2优点
a)典型拉挤速度0.5-2m/min,效率较高,适于大批量生产,制造长尺寸制品;
b)树脂含量可精确控制;
c)由于纤维呈纵向,且体积比可较高(40%-80%),因而型材轴向结构特性可非常好;
d)主要用无捻粗纱增强,原材料成本低,多种增强材料组合使用,可调节制品力学性能;
e)制品质量稳定,外观平滑。
2.5.3缺点
a)模具费用较高;
b)一般限于生产恒定横截面的制品。
2.6真空袋法成型(VB)
图10
2.6.1方法
此法是手糊法与喷射法的延伸。
将手糊或喷射好的积层在树脂的A阶段与模具在一起,在积层上覆以橡胶袋,周边密封,在后用真空泵抽真空,使积层受到不大于1个气压的压力,而被压实、固化、成型。
2.6.2优点
a)采用普通的湿法铺层技术,通常可获得高纤维含量的制品;
b)可制造大尺寸产品;
c)产品两面光;
d)较湿法铺层浸胶孔隙率低;
e)由于压力,树脂流经结构纤维,纤维得以较好地浸渍树脂;
f)有利于操作人员健康和安全;真空袋减少了固化时逸出的挥发性物质。
2.6.3缺点
a)额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本;
b)要求操作人员有较高的技术熟练水平;
c)树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技术;
d)生产效率不高。
2.7树脂膜熔浸成型(RFI)
图11
2.7.1方法
将干织物与树脂片(树脂片系放在一层脱模纸上提供)交替铺放在模具内。
铺层被真空袋包覆,藉真空泵抽真空,将干织物内空气抽出。
然后加热,令树脂熔化并流浸已抽出空气的织物,然后经过一事实上时间即固化。
2.7.2优点
a)空隙率低,可精确获得高的纤维含量;
b)铺层清洁,有利于健康和安全(似预浸);
c)可较预浸法成本低,此为主要的优点;
d)由于树脂仅能过织物厚度方向传递,故树脂未浸到白斑区可较SCRIMP(西曼复合材料公司树脂参入成型法—SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess)少。
2.7.3缺点
a)目前仅用于宇航工业,还未推广;
b)虽然宇航工业用高压釜系统产非总是需要,但加热室和真空袋系统对于复合材料固化,总是不可少的;
c)模具要求能经受树脂膜片的工艺温度(低温固化即需60-100ºC);
d)要求所用芯材能经受工艺温度和压力;
2.8预浸料(高压釜)成
图12
2.8.1方法
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下,将织物和(或)纤维预先用预催化树脂预浸渍。
固化剂大多能在环境温度下,让预浸材料贮存几周或几个月,仍能保质使用。
当要延长保持期,材料须在冷冻条件下贮存。
树脂通常在环境温度下呈临界固态。
故触摸预浸材料时有轻微的黏附感,象胶带似的。
制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来,与树脂结合。
预浸渍材料用手或机械铺于模具表面,通过真空袋抽真空,并通常加热到120-180ºC。
使树脂重新流动,并最终固化。
盛开附加压力通常藉助高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供,它能对铺层施加达5个大气压的压力。
2.8.2优点
a)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量;可以可靠地得到高纤维含量。
b)材料于操作人员十分安全,无碍健康,操作清洁;
c)单向带纤维成本最低,因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程;
d)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的;
e)材料有效时间长(室温下可保质数月),这意味着可优化结构、复合材料易铺层;
f)可能实现自动化和节省劳动力。
2.8.3缺点
a)对于预浸织物,材料成本高;
b)通常要对高压釜固化复合材料制品,耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;
c)模具需能承受作业温度;
d)芯材需要承受作业温度和压力。
2.9低温固化预浸料成型(CP)
图13
2.9.2优点
a)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量;可以可靠地得到高纤维含量。
b)材料于操作人员十分安全,无碍健康,操作清洁;
c)单向带纤维成本最低,因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程;
d)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的;
e)材料有效时间长(室温下可保质数月),这意味着可优化结构、复合材料易铺层;
f)可能实现自动化和节省劳动力。
2.9.3缺点
a)对于预浸织物,材料成本高;
b)通常要对高压釜固化复合材料制品,耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;
c)模具需能承受作业温度;
d)芯材需要承受作业温度和压力。
2.10西曼复合材料公司树脂渗透成型法(SCRIMP)
柔性模具树脂渗透法(RIFT)
真空辅助树脂传递成型(VARTM)
图14
2.10.1方法
SCRIMP,RIFT,VARTM这三种工艺原理相似。
它们都是将织物作为干铺层材料入模内,如同RTM。
然后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。
整个铺层用真空袋覆罩好。
袋无渗漏后,让树脂流到积层。
树脂很容易流经非结构织物而在整个铺层分布。
SCRIMP法在真空袋与铺层之间可置加压模块,利于提高制作表观与结构密实度。
2.10.2优点
a)同RTM,但制品仅一面光,不似RTM两面光;
b)由于模具一半是真空袋,主模具仅需较低强度,故模具成本甚低;
c)可制造大尺寸产品;
d)通常的湿法铺层工具可改进以用于这些成型法;
e)一次作业即可生产芯材结构。
2.10.3缺点
a)要完成好相对复杂的操作过程;
b)树脂粘度必须非常低,限制了制品的力学性能;
c)存在铺层未浸到树脂,而造成的废品浪费的可能性;
3玻璃纤维增强环氧树脂的应用
3.1在航空、航天工业中的应用
我国高性能复合材料应用于航空业已有20多年历史[7],因玻璃纤维增强环氧树脂材料耐腐蚀、耐高温、耐辐射而且密度小、刚性好、强度高,所以广泛用于导弹弹头和卫星整流罩,宇宙飞船的防热材料,飞行器的舰船的壳体、翼片和螺旋桨[8]等。
3.2在民用工业中的应用
玻璃纤维增强环氧树脂在民用工业中主要用于以下几个方面:
a)玻璃钢的压力容器和管道
b)玻璃钢电机护环、套环等
c)防腐蚀制品
d)玻璃钢模具
主要产品:
汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件小艇半成品、列车和卡车车身面板、艇、赛车、芯材粘结、方向舵管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)等。
4发展趋势及展望
我国复合材料/玻璃钢工业研究起始于1958年,经过多年的发展,产量从1978年的6000多吨发展到2008年的295万吨,已经仅次于美国,跃居世界第2位。
但在很多高新产业关于玻璃纤维增强环氧树脂的研究仍然远远不够,目前在很多产业方面,尤其在航空航天、飞机、建筑以及地铁和汽车产业中,有很多部件因为暂时还没有研制出性能更好,质量更轻的材料仍然采用金属,这势必会造成能源的损失。
而玻璃纤维增强环氧树脂材料具有比金属更轻,更坚硬、更耐辐射、更绝缘的特性,所以在未来的高新产业方面,定会大有作为。
参考文献:
[1]廖子龙,乌云其格格.环氧树脂/玻璃纤维复合材料性能研究与应用[J].黑龙江工程学院学报,2008,36(9):
1-4.
[2]刘建勋,祖群,朱建勋.新型高强度玻璃纤维制备及其增强环氧树脂性能[J].航空制造技术,2010,17:
46—48.
[3]欧秋仁,柳琼燕,,赵亮等.玻纤织物/3068环氧树脂复合材料性能研究[J].高科技纤维与应用,2010,6:
167—171.
[4]王丽雪,尹丽娟,刘海鸥.玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能分析[J].黑龙江工程学院学报,2009,23(3):
141—145.
[5]刘恩华.碳纤维/玻璃纤维环氧树脂基复合材料性能及工艺条件研究[J].高分子材料,1998,26(3):
86—91.
[6]高建枢.国外玻璃纤维产品结构及发展趋势[J].玻璃纤维,1998,5:
398—399.
[7]吴良义,罗兰,温晓蒙.热固性树脂基体复合材料的应用及其工业进展[J].热固性树脂,2008,23:
478—481.
[8]梁玉华,马洪才.玻璃纤维及其复合材料[J]山东纺织科技,2001,6(47):
315—318
[9]李瑞英.玻璃纤维增强塑料在建筑领域的应用[J].上海建材,2010,2:
178—182.
[10]张伏,杨欣,佟金.几种纤维增强塑料复合材料的发展现状与趋势[J].华中农业大学学报,2005,10:
234—238
[11]刘苑.玻璃纤维增强塑料在地铁中的应用[J].广东建材,2008,6:
401—405.
[12]李大成.玻璃纤维增强热固性塑料性能分析及在汽车工业的应用[J].安徽职业技术学院学报,2006,5
(2):
68—82.
[13]覃世想,章明秋,袁彦超.玻璃纤维增强环氧基自修复复合材料的制备及表征[J]材料研究学院,2002,32(4):
112—124.
[14]王春雷,王春齐,江大志.偶联剂对玻璃纤维增强环氧复合材料吸湿及力学性能的影响[J].玻璃钢/复合材料,2010,434—435.
[15]陈敏孙,江厚满,刘泽金,等.玻璃纤维/环氧树脂复合材料热分解动力学参数的确定[J].强激光与粒子束,2010,22(9):
123—126.
[16]王红瑛,张凯舟,郭建兵.环氧树脂对玻纤增强尼龙6力学性能的影响[J].材料科学,2008,2:
256—257.
[17]詹茂盛,刘德顺.玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理[J].玻璃钢/复合材料,2007,3:
34—42.
[18]肖生祥,樊丁.环氧树脂与玻璃纤维复合材料的应用研究[J].山西建筑,2007,33
(1):
198—201.
[19]笪有仙,李国红,孙慕瑾.玻璃纤维增强环氧树脂纤维表面浸润剂研究[J].玻璃钢/复合材料
1993,3:
367—371.
[20]尹志娟,王丽雪,姜珊.玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的低温性能研究[J].黑龙江工程学院院报,2010,24
(1):
361—363.
[21]杨明.玻璃纤维增强环氧改性树脂基复合材料的研制[J].湖北汽车工业学院学报,2002,16(3):
101—103.
[
..
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 玻璃纤维 增强 环氧树脂 复合材料 研究进展