復合材料成型工藝方法的研討

謝 超

（寧波工程學院杭州灣汽車學院，浙江 寧波 315300）

1 概述

人類生存和發展的過程中離不開材料的使用，它是基本的物質基礎，一直是人類社會文明的支柱。20世紀80年代以后高新技術為支撐的科技革命迅速展開，傳統的單一類型的材料已經遠遠不能滿足實際社會生產生活的需求，在這種情況下，人們根據社會生產實踐的經驗，轉向新的更為廣闊的發展領域——復合材料。狹義上的復合材料單單指用纖維增強樹脂、金屬、無機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。從廣義范圍來講，ISO（International Organization for Standardization）國際標準化組織認為，復合材料（Composite Materials）是由兩種或者兩種以上物理和化學性質不同的物質，一種作為材料基體(Matrix)，另一種作為增強體(reinforcement)組合而成的一種多相固體材料。基體材料包含鋁、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體。組合而成的復合材料一方面能夠保留原組成材料的基本特點，另一方面還可以通過協同效應、不同的制型工藝使個組成材料性能得到優化。組成復合材料的各種組份材料在個體上能夠保持其自身相對的獨立性，它們通過相互補充，取長補短，協同促進新的材料的綜合性能，使其滿足生產生活的各個方面。

由于基體和增強體的種類繁多，同時二者在進行組合的時候設計、制造工藝、使用的環境和復合的方法等等不同會造成復合材料性能上的差異，由此會延伸出種類繁多的復合材料，但是它們兼具一下共同特點：①復合材料的各種組分和相對含量比的多少都是非常靈活，由人工選擇并根據需要來設計，最后由人工制造而成的。②綜合發揮各種組成材料的優點，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。例如，玻璃纖維增強環氧基復合材料，既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。③可按對材料性能的需要進行材料的設計和制造。如，針對方向性材料強度的設計，針對某種介質耐腐蝕性能的設計等。④可制成所需的任意形狀的產品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產品的鑄模、切削、磨光等工序。

2 復合材料特性與應用

復合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優于單一組分的材料。例如，纖維增強的樹脂基復合材料，具有質量輕、強度高、可設計性好、耐化學腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加工等優點。

（1）復合材料輕質高強，其比強度和比剛度都比較高。一方面，復合材料組分中的基體和增強體都是比重相對比較小的物質，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是材料的比強度（強度與密度的比值）和比彈性模量，在這一方面，碳纖維復合材料、有機纖維復合材料具有相當高的性價比。比強度值較高說明使用材料的重量比較輕，而強度比較大。這是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的重要要求。現代飛機、導彈和衛星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例。

（2）復合材料的可設計性比較強，即設計者可以通過選擇合適的基體材料和增強體材料，通過不同的加入比例和合理的鋪層形式，使復合材料能夠滿足滿足使用的需求。對于結構件來說，則可以達到減輕質量、節約材料成本的目的。復合材料良好的設計性決定了生產者可以根據材料的性能要求來選擇合適的組分材料，達成資源的合理使用。例如，在平板模上鋪上一層制作的層板，然后通過加溫對其固化，原來的平板就自動成為曲板。

（3）復合材料具備良好的電性能。復合材料具有優良的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或導電材料。例如，普通鋁合金在400℃時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量基本不變。復合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫性能比較好。因此可作為高性能電機、電器的絕緣材料，在冶金、化工和電池制造等工業領域具有廣泛的應用前景。而且復合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救。

（4）復合材料的安全性好。在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力。

（5）復合材料具有優良的工藝性能。纖維增強的聚合物基復合材料具有優良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復雜、數量少制品的制造。

3 復合材料成型工藝的方法

復合材料的成型工藝取決于其所選擇的基體材料。目前，復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。這是復合材料最早的一種成型方法，也是一種最簡單的方法，其具體工藝過程如下：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，反復上述過程直至達到所需厚度為止。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放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復合材料制品。為了得到良好的脫模效果和理想的制品，同時使用幾種脫模劑，可以發揮多種脫模劑的綜合性能。這種方法不受產品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復雜產品的生產；同時設備簡單、投資少、設備折舊費低，工藝也較簡單。

（2）層壓成型工藝，就是把一定層數的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機，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，是復合材料最主要的的一種成型工藝。可以生產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、質量較好且穩定以及生產效率較高。

復合材料在當今社會被廣泛應用于各個領域，包括飛機零部件的制作、各種發動機、隔熱板等等，極大推動了我國工業生產的發展。伴隨我國化學工業材料科學的不斷發展，復合物材料必將會有新的飛躍。

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

[2]張小溪.復合材料成型工藝方法及優缺點分析[J].科技與企業，2014，（18）.