第1章 复合材料成型原材料与辅助材料

1.1 复合材料成型原材料

1.1.1 预浸料

预浸料是用控制量的树脂（热固性或热塑性）浸渍纤维或织物后形成的中间材料。浸渍技术有溶剂浸渍、热熔体浸渍、粉末浸渍等。预浸料可以“B阶段”状态或部分固化后储存。单向预浸带（所有纤维平行）是最常见的预浸料形式，它们提供单向增强。机织布及其他平面织物预浸料提供二维增强，它们一般成卷销售。还有用纤维预成型体和编织物制成的预浸料，它们提供三维增强。如图1-1所示为碳纤维平纹织物预浸料。

溶剂浸渍法是用溶剂稀释树脂，使稀释的树脂浸透所指定的纤维，然后蒸发掉浸渍纤维上的溶剂并使其干燥。它是将多束连续纤维在牵引力的作用下，从纱架引出，经过整纱、展平、展开、浸入浸胶槽与烘干工序，然后切边收卷制成。一定要注意保证不留溶剂，因为溶剂的残留物会使最终制成品固化时产生空隙。此浸渍材料铺上一层涂有脱模剂的纸，然后整体被卷成产品，进行贮存、冷冻，其贮存周期可持续几个月或几年。

溶剂浸渍法的主要缺点是溶剂对环境的影响，对敞槽浸胶工艺需提供安全、防爆的车间，以及既溶解有些坚韧的树脂体系而不损害其力学性能的问题（尽管化学配方的进展已改善了后面的问题）。这些障碍激励了另一种替代体系——热熔体浸渍。

热熔体浸渍法是将硅酮（聚硅氧烷）脱模纸涂覆上树脂膜（通常是两面）。将两层干纤维和一层双面膜组合在一起形成一个三层的预浸渍单元，然后通过加热的压紧辊筒把黏性的树脂压进纤维以将其浸透。然后层合的预浸料通过冷却辊筒并从那里卷上大辊筒供贮存及运输。

树脂膜重量、纤维密度、加热温度、加压压力、冷却速率和其他参数的控制，可以保证重复生产达到要求的质量。运行速度高达170m/min的精密涂胶机控制树脂膜的质量可在12～120g/m2之间进行设定。树脂供应商已调整化学成分以使其适应热浸渍的需要，减少了早先热熔工艺中树脂不能彻底浸透纤维的麻烦，另外β射线测量的尖端在线监测使树脂的诸参数能迅速调整，从而保证质量。把纤维和树脂集合在精确测定的数量范围内使废料减至最少，并且用少量试验生产即能迅速被优化。

预浸料具有稳定一致的纤维/树脂复合效果，能使纤维完全被浸透。使用预浸料，在模塑成型时就无需称量和混合树脂、催化剂等。预浸料中，热固性预浸料的铺覆性和黏性较好，容易操作，但它们必须在低于室温的温度下贮存，而且有适用期的限制。也就是说，它们脱离贮存条件后必须在一定的时间内使用，以免发生过早的固化反应。而热塑性预浸料没有这些局限，但它们若无特殊的配方，就会缺乏热固性预浸料那样的黏性或铺覆性，因而更难操作。

预浸料一度被认为成本很高而不宜大量生产，但现在预浸料正在迅速成为从航空航天到可再生能源材料生产的理想选择。实际上，预浸料市场在近年来经历了很大的发展。由于预浸料被广泛接受和面临一些新的市场机遇，目前预浸料行业在整体上颇具吸引力，其利润幅度高于平均水平。这一形势已吸引了投资商和用户的很大关注。世界上各大预浸料生产商也密切注视市场竞争动态，力图占有尽可能多的市场份额。而如何有效地满足用户要求则是决定能否长期成功的关键。

1.1.2 纤维织物

编织是一种基本的纺织工艺，是能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成型体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成型体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。在航空工业，目前该技术主要集中在编织的设备、生产和几何分析上，最终的目的是实现完全自动化生产，并将设备和工艺与CAD/CAM进行集成。该工艺技术一般分为两类：一类是二维编织工艺；另一类是三维编织工艺 。

按织造方式的不同，主要可以分为以下几类。

〈1〉 机织碳纤维布，主要有平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布等。

〈2〉 针织碳纤维布，主要有经编布、纬编布、圆机布（套管）、横机布（罗纹布）等。

〈3〉 编织碳纤维布，主要有套管、盘根、编织带、二维布、三维布、立体编织布等。

碳纤维平纹织物和缎纹织物如图1-2所示。

1.1.3 基体树脂

基体主要是起连接、支撑和保护纺织增强件（纤维、线或织物）的作用，使增强件保持在设计的方向和位置上，具有刚性和稳定性，还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去。

基体树脂可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。热固性树脂是指加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解的一种树脂。热固性树脂在固化后，由于分子间交联，形成网状结构，因此刚性大、硬度高、耐温高、不易燃、制品尺寸稳定性好，但性脆。热固性树脂基体的可选择范围较大，且应用广，耗量大。常用的热固性树脂有聚酯、环氧、改性双马来酰亚胺、酚醛、脲醛等。

典型的热塑性树脂基体有聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亚胺（PEI）等。采用热塑性树脂为基体的复合材料具有许多优于热固性复合材料的综合性能，热塑性复合材料最突出优点是具有较高的韧性、优秀的损伤容限性能以及良好的抗冲击性能，有利于克服热固性树脂基复合材料层间韧性不足和冲击分层的缺点，可应用于使用环境较为苛刻、承载能力要求较高、容易受到强烈冲击的场合。另外，一些高性能热塑性复合材料（例如纤维增强PEI）的长期使用温度可达250℃以上，其耐热性能明显优于热固性复合材料；其还具有优良的抗蠕变能力，可以在较高温度条件下长期使用。同时，热塑性复合材料的耐水性也高于热固性复合材料，可在潮湿环境下使用。热塑性复合材料的预浸料存放环境与时间无限制，废料还可以回收再利用，故通常被称为“绿色材料”。热塑性复合材料在加工过程中不发生化学反应，成型周期短，结构件可以直接熔融焊接，无需铆接，并且维修方便，故具有较大降低结构件制造成本和使用成本的潜力。