《聚合物基复合材料》中国复合材料学会组织编写；杜善义丛书主编；俞建勇，方岱宁，叶金蕊丛书副主编；薛忠民等编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《聚合物基复合材料》

【作　者】中国复合材料学会组织编写；杜善义丛书主编；俞建勇，方岱宁，叶金蕊丛书副主编；薛忠民等编著

【丛书名】先进复合材料丛书；国家出版基金项目；“十三五”国家重点出版物出版规划项目

【页 数】 483

【出版社】 北京：中国铁道出版社 , 2021.10

【ISBN号】978-7-113-27608-9

【价 格】198.00

【分 类】聚合物-复合材料

【参考文献】 中国复合材料学会组织编写；杜善义丛书主编；俞建勇，方岱宁，叶金蕊丛书副主编；薛忠民等编著. 聚合物基复合材料. 北京：中国铁道出版社, 2021.10.

图书封面：

《聚合物基复合材料》内容提要：

“先进复合材料丛书”由中国复合材料学会组织编写，并入选国家出版基金项目。丛书共12册，围绕我国培育和发展战略性新兴产业的总体规划和目标，促进我国复合材料研发和应用的发展与相互转化，按最新研究进展评述、国内外研究及应用对比分析、未来研究及产业发展方向预测的思路，论述各种先进复合材料。 本书为《聚合物基复合材料》分册，全书论述了聚合物基复合材料设计应用时所需的理论基础、测试方法和评价标准，全面论述了手糊、RTM、模压、拉挤、缠绕、热压罐等主要制造工艺的特点、关键技术、实施方案和典型案例等内容。 本书内容先进，可供新材料研究院所、高等院校、新材料产业界、政府相关部门、新材料技术咨询机构等领域的人员参考。

《聚合物基复合材料》内容试读

第1章概论

材料科学是推动当代科技进步的重要支柱之一，以聚合物材料作为基体，纤维作为增强材料制成的复合材料是20世纪40年代发展起来的一类新材料。经过几十年的发展，复合材料从聚合物基体和纤维增强材料开发、设计、制造到应用，已经发展成为较为完整的工业体系。复合材料针对不同应用工况，以其可设计性的显著特点，兼具轻质高强、结构功能一体化特性，在航空、航天、船舶、电子、石油化工、汽车、能源等高技术领域得到快速发展和应用。近年来，树脂基复合材料由于综合性能优异，能够满足不同的苛刻工况实际应用需要，在许多应用领域已经成为不可替代的材料。围绕复合材料的科研、生产、制造和应用开展的研究工作也越来越多，同时，在各行业应用的高精尖材料技术领域越来越受到人们的重视。

1.1聚合物基复合材料的发展概况

合成聚合物是一种人工合成的高分子化合物，由于其性能和外形类似于天然树脂而得名，其表观可为液态、固态、半固态或假固态。根据固化方式的不同，可分为热固性树脂和热塑性树脂两种。不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等是最常用的热固性树脂，加固化剂并受热后，将形成不溶不熔的固化物，因此称为热固性树脂；聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等具有线型分子链的结构，可反复受热成型，因此称为热塑性树脂，经常称为塑料。

1.1.1树脂分类

热固性树脂中使用最多的是不饱和聚酯树脂，原因是不饱和聚酯树脂的原材料来源较为广泛，价格较为便宜，且有成型工艺简单、成型温度较低、生产成本低等优点。不饱和聚酯

树脂的品种牌号很多，可分为通用型、耐腐蚀型、耐热型、阻燃型、胶衣树脂、SMC/BMC专用

树脂等几种。

环氧树脂(epoxy resins,EP)是热固树脂的主要品种之一，通常是指大分子主链上含有醚键和仲醇基，同时两端含有环氧基团的一类聚合物的总称。环氧树脂的种类较多，按类型

大致可分为双酚A型环氧树脂、卤代双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂、脂肪族环氧树脂、

双酚S型环氧树脂等等。用途最广的环氧树脂是双酚A二缩水甘油醚类环氧树脂。这类环

氧树脂通常被称为通用型环氧树脂，双酚A型环氧树脂不仅产量大，品种齐全，而且新的改

性产品不断增加，因此应用领域十分广泛。环氧树脂(EP)具有优异的浸润性和黏性（对各

种纤维)，其固化物具有较好的综合性能（包括力学性能、耐酸性、耐碱性和耐多种化学药品性等)，故已成为复合材料热固性树脂基体中最重要的基体材料之一。

21聚合物基复合材料

酚醛树脂(phenolic resin,PR)是三大合成热固性树脂之一，德国化学家拜耳(Bayer)于1872年第一次在实验室成功合成了酚醛树脂；美国人贝克兰(backeland)于1907年提出了酚醛树脂在加热加压条件下固化成型的工艺方法，并申请了专利，热压固化成型的发明使酚醛树脂得以实现工业化大规模生产。迄今，酚醛树脂已经经历100多年的历史，是世界上最早实现工业化的合成树脂，已经应用于社会生活的各个方面，在国民经济、国防建设中起着重要的作用。由于制备酚醛树脂所需的主要原材料酚类和醛类来源广泛，且树脂合成工艺以及生产装备相对比较简单，产品具有性能稳定、耐燃、耐磨、耐热、机械强度高、吸湿性较低、电绝缘性能好、燃烧时发烟量低、尺寸稳定及价格低廉等其他种类树脂无可比拟的优势，树脂基体不但可作为清漆、胶黏剂、涂料等形式单独使用，而且可以和玻璃纤维、碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等增强材料复合，用于制备模塑料、层压板、耐烧蚀材料等。酚类化合物在酸性或者碱性催化剂催化的条件下，与醛类化合物发生缩聚反应而得到的聚合物统称为酚醛树脂。其中，以苯酚和甲醛为原料，经过缩聚反应而合成的酚醛树脂是世界上已知的最早实现工业化的合成树脂，其应用领域最为广泛，也是最为重要的一类酚醛树脂。

世界合成聚合物工业经过数十年的发展和变革，生产规模之大、数量品种之多及产品应用之广泛已形成一定的格局。进人21世纪后，随着合成聚合物生产企业追求低成本、高效率、专业化、高性能，世界合成聚合物工业的趋势是生产规模大型化、产业结构专业化和产品性能高性能化。热固性聚合物基复合材料也称纤维增强塑料(fiber reinforced plastics,

FRP),我国俗称玻璃钢，是由热固性聚合物基体和纤维增强材料所组成的一种多相材料，其

性能比单一材料优越，是当前技术比较成熟、应用最为广泛的一类复合材料。

在热固性聚合物基复合材料中，聚合物通过固化将纤维增强材料包结为一个整体，起到传递载荷的作用，它赋予复合材料各种优良的综合性能，如电绝缘性、耐腐蚀性、耐高温性、工艺性等，在很大程度上决定了材料的最终性能。不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂是最常用的热固性树脂基体。聚合物基体与增强材料的界面包结状况对聚合物基复合材料的力学性能、耐腐蚀性、耐老化性有很大影响，一般常用偶联剂对增强材料进行表面处理来改进界面性能。

1.1.2国外发展概况

热固性聚合物基复合材料于1932年在美国首先出现，第二次世界大战期间首次用玻璃纤维增强聚酯树脂，以手糊工艺制造军用雷达罩、远航飞机油箱、飞机机身和机翼。第二次世界大战以后迅速扩展到民用，风靡一时，发展很快。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术储备。1949年成功研究了玻璃纤维预混料并制造出表面光洁、尺寸和形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制造出直升机的螺旋桨。20世纪60年代美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维一聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。l96l年片状模塑料(sheet molding compound,SMC)在前联邦德国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁、尺寸和形状稳定的制品，如汽车壳体、船的壳体以及卫生洁具等大型制

第1章概论13

件，从而更扩大了聚合物基复合材料的应用领域。1963年前后，在美国、法国、日本等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于20世纪50年代，20世纪60年代中期实现了连续化生产，在20世纪70年代又有了重大的突破，近年来发展更快。除圆棒状制品外，还能生产管形、箱形、槽形、工字形等复杂截面的型材，并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。上述拉挤工艺生产的制品断面可达76cm×20cm。在20世纪70年代树脂反应注塑成型(reaction injection molding,RIM)和增强树脂反应注塑成型(reinforced reaction injec-tion molding,RRIM)两种技术的成功研究，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已

大量用于卫生洁具和汽车零件的生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模塑料

成型技术，1975年投人生产。这种复合材料的最大特点是改变了热固性聚合物基体复合材料生产周期长、废料不能回收的问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外，20世纪80年代又发展了离心浇注成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大直径受外压的管道等。综上可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物基复合材料工业的发展。

20世纪70年代以前，对复合材料的研究仅仅处于采用玻璃纤维增强聚合物的局面。人们一方面不断开辟玻璃纤维一热固性聚合物复合材料的新用途，同时也发现，这类复合材料的比刚度要求很高，因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属或陶瓷为基体，制成了先进复合材料(advanced composite materials,ACM)这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。

经过70余年的发展，热固性聚合物基复合材料已形成了原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检测等一套完善的工业体系。

1.1.3国内发展概况

中国对热固性聚合物基复合材料的研究始于1958年，最早用于军工制品，1978年后逐渐扩展到民用。1958年采用手糊工艺研制了玻璃钢艇，采用层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹，1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维一酚醛树脂烧蚀防热弹头，1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩。1981年复合材料的年产量为1.5万t;到1986年达到6.5万t,年增长率为13%；1987年以后受到国内原材料品种数量不足的影响，发展曾一度停滞。在改革开放期间，大量引进国外先进技术，如在原材料方面引进了池窑拉丝、短切毡、表面毡、喷射纱、缠绕纱以及各种牌号树脂和辅助材料的生产技术。在成型

工艺方面引进了制造管罐的大型缠绕系统、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、

树脂传递模型机组、喷射成型技术、树脂注塑成型技术等先进工艺和设备，形成了研究、设计、生产及原材料相互配套的较完整的工业体系。到1995年国内玻璃钢产量已达到

16.5万t,产品近2000种，拥有缠绕生产线120条、SMC生产线31条、BMC生产线5条、

4「聚合物基复合材料

拉挤工艺生产线100条，喷射机260台、树脂传递模塑成型机(RTM)70台、连续制板机组3

条，机械化年生产能力达25万t。

1.1.4存在的问题

从生产工艺看，虽然引进了很多先进技术设备，但利用率不高，所有制品仍有80%是手糊成

型，仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等设备成型，因此玻璃钢工业的生产潜力很大。我国的

聚合物基复合材料经过60余年的发展，已经取得了很大进步，但也存在很多问题。

1,原材料水平困扰我国FRP制品品质的提高

只有大规模的工业化生产才能使增强纤维、树脂的质量稳定、成本降低。由于中国特定

的经济发展历程，迄今原材料的生产仍是分散、小规模、低层次的。目前，中国FRP工业的

发展已到了一个新的转折点，提高原材料水平实为当务之急。步入20世纪80年代之后，改

革开放政策极大促进了我国FRP工业的发展，但企业规模普遍较小，生产能力有限，一些高

性能的辅助原材料在国内也没有大规模的生产企业，须从国外进口。

2.FRP新产品开发不足

FRP新产品开发不足不仅仅是FRP从业者的事，更主要还是社会认识和社会需求的

事。品种与规模制约着产品开发的周期及生产规模。要把SMC生产线开工率提高到

30%,没有新产品的开发与批量生产是绝对不可能的。FRP近年随着汽车、家用电器、机械、

化工等部门的需求而得到了较快发展。

3.从业者素质有待提高

当前我国FRP厂80%以上为乡镇企业，对外称3000家企业，实际远不止此数。如河

北省枣强县仅注册的FRP厂即有500余家，而FRP厂总数达1600多家。大多数乡镇企业

技术水平和管理水平低下，素质亟待提高。少数企业的产品质量低劣，甚至出现了生产（用

户)事故或人身伤亡事故，以致社会大众一提到FRP,就会将其误以为是低质量的产品。因

此，加强对广大乡镇企业的技术、管理与职业行为规范的教育和监督刻不容缓。

4,将科研成果转化为生产的能力不足

虽然国内FRP原辅材料、装备、结构研发能力已得到海内外较高的评价，但是商品化仍

不够。如从国外引进的一些FRP制造设备，硬软件均不如我国的水平。FRP产品开发同样

有此问题，这有待于国家通过政策等将高校科研机构的先进成果进行针对性的产业化引导与有机地组织，将产学研综合考虑，实现科研成果切实推进产业化转化，促进聚合物基复合材料高质量发展。

1.2热固性聚合物基复合材料的分类与成型工艺

根据热固性聚合物基体的不同，热固性聚合物基复合材料分类见表1.1所示。

复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件，随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到了迅速发展，旧的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现。当前聚合

第1章概论15

物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产，如以下几种工艺：

表1.1热固性聚合物基复合材料的分类

高官能团环氧复合材料

环氧树脂复合材料

环氧/酚醛复合材料低压酚醛复合材料

热固性聚合物基复合材料

高压酚醛复合材料

酚醛树脂复合材料

改性酚醛复合材料

环氧酚醛复合材料

不饱和聚酯基复合材料

双马来酰亚氨基复合材料

脲醛基复合材料

热固性聚合物基复合材料

聚氨酯基复合材料

热固性聚酰亚氨基复合材料

三聚氰胺基复合材料

有机硅基复合材料

①手糊成型工艺

湿法铺层成型法；

②喷射成型工艺；

③树脂传递模塑成型技术(RTM技术)；

④袋压法（压力袋法）成型技术；

⑤真空袋压成型技术；

⑥热压罐成型技术；

⑦液压釜法成型技术；

⑧热膨胀模塑法成型技术；

⑨夹层结构成型技术；

①模压料生产工艺；

①SMC模压料注射技术；

②模压成型工艺；

⑧层合板生产技术；

④卷制管成型技术；

⑤纤维缠绕制品成型技术；

⑥连续制板生产工艺；

⑦浇注成型技术；

⑧拉挤成型工艺；

⑨连续缠绕制管工艺；

四编织复合材料制造技术；

@热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；

6「聚合物基复合材料

@注塑成型工艺；

⑧挤出成型工艺；

四离心浇注制管成型工艺；

⑤其他成型技术。

依据所选用的聚合物基体材料的不同，上述方法分别适用于热固性和热塑性聚合物基复合材料的生产，有些工艺两者都适用。与其他材料加工工艺相比，聚合物基复合材料成型工艺具有如下特点：

(1)材料制造与制品成型同时完成。一般情况下，复合材料的生产过程也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在造板材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物理化学性能、结构形状和外观质量要求等。

(2)制品成型比较简便。一般热固性聚合物基复合材料的聚合物基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物。因此，用这些材料生产复合材料制品所需工序及设备要比其他材料简单得多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。

1.3热固性聚合物基复合材料的性能

热固性聚合物基复合材料是由两个或两个以上的独立物理相组成，包含基体材料（热固性聚合物)和增强材料（纤维）所组成的一种固体产物。热固性聚合物基复合材料具有如下的特点：

(1)轻质高强，比强度高。热固性聚合物基复合材料的密度在1.4~2.2g/cm3,比强度(单位密度的强度)超过合金钢、铝合金、钛钢等。因此在要求减轻自身质量的产品，如航空、火箭、导弹、军械武器、交通运输等领域，具有重要意义。

(2)电性能优良。在高频作用下，热固性聚合物基复合材料能保持良好的介电性能，不受电磁作用，不反射无线电波，能透过电波，这是金属材料无法相比的，因此，其是雷达、电器工业不可少的绝缘材料。

(3)耐腐蚀性能优良。热固性聚合物基复合材料一般都能耐酸、稀碱、盐、大部分有机物、海水等介质，在石油化工、医药、燃料中应用广泛。

(4)绝热性优异。热固性聚合物基复合材料热导率低，只有金属材料的1/1000~1/10，是一种较好的绝热材料；线膨胀系数也很小，如酚醛树脂耐瞬时高温的能力很强，是一种很好的耐烧蚀材料。

(5)工艺性能多样化。热固性聚合物基复合材料有手糊、拉挤、注塑等多种成型方法。

(6)其他性能。目前发展了导电、压电等功能性树脂基复合材料。

尽管具有诸多优异性能，热固性聚合物基复合材料也存在弹性模量低、耐热性差、易老化、力学性能的各相异性、影响质量因素多以及材料性能多导致呈分散性等缺点。

热固性聚合物基复合材料的整体性能并不是其组分材料性能的简单叠加或者平均，这其中涉及一个复合效应问题。复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相

···试读结束···