復合材料力學第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征熱固性樹脂（如聚脂、環氧等）一般是粘度很大的液體狀，類似很稠的漿糊，但粘度大。如果不加固化劑（Hardener），樹脂的液狀形態將始終保持不變。固化劑也是一種液態物資，當按比例與樹脂相混后，樹脂的黏度大大降低、流動性增加，變成膠水狀，方便向增強纖維中浸膠。在適當的溫度下，這種膠水狀的持續時間有限，短者幾分鐘、長不過一、二個小時，基體開始固化、變硬，同時釋放大量的熱。由于基體的固化，將一根根彼此獨立的纖維粘結、捆綁成一個整體，成為復合材料制品。樹脂開始固化的時間與固化劑用量和環境溫度有很大關系。相同樹脂，固化時間可達數分鐘或數小時。第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征一般來說，在固化劑用量范圍內使用量越大，樹脂維持液態的時間越短，固化后制品越脆；溫度越低，則樹脂維持液態的時間越長。習慣上將樹脂固化前維持液態的時間稱為凝膠時間。實際生產中可以充分利用這一特點，調整凝膠時間，達到不同的工藝目的。比如，若制品較大或鋪層較多，需要較長時間準備鋪層來確保制品品質，可以通過減少固化劑用量、降低環境溫度來延長凝膠時間；但若制品重復性好、可實現自動生產，則可以通過提高環境溫度來縮短凝膠時間。另外，不同的樹脂或固化劑，固化要求的環境條件（溫度等）不一樣。有的只需在室溫（200C左右）下固化，有的則須在中溫（如800C）下固化。固化度表示固化程度，一般制品要求90%以上。第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征中溫固化必須對浸膠后的纖維（濕纖維）升溫。這一方面使工藝變的復雜、加大了設備投入，但在另一方面，可以有足夠的時間完成固化前的各項準備，并且，中溫固化的復合材料制品品質一般比室溫固化的要好、固化周期短。固化可以是在自然條件下進行，也可以是在真空條件（制品置于真空袋內）實現。在真空環境下固化的制品品質一般都要好的多（減少氣泡等）。聚酯固化一般只需在室溫下進行，中溫固化不易實現；但環氧則通過添加不同的固化劑，可以實現在很大溫度范圍內固化。事實上，以環氧樹脂為基體做成的復合材料，即便在室溫下固化，也往往置于中溫爐內進行后固化處理，一是保證固化充分，二是消除內應力。第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征手糊法是一種適用范圍廣、成本低但勞動強度大的工藝過程。制品的品質在很大程度上取決于操作工的技術水平。第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征2.1.2樹脂傳遞模塑法（RTM）RTM（ResinTransferMolding）工藝主要原理是：先在模腔中鋪放好按性能和結構要求設計好的增強材料，封閉模腔，抽真空，再采用注射設備將低粘度樹脂體系注入閉合模腔，浸潤纖維、固化成型，得到復合材料構件。

模具要具有周邊密封和緊固系統以及注射孔和排氣孔，以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維。模具一般還應具有加熱系統，可進行加熱固化。

第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征增強纖維芯模

下模腔上模腔注射孔排氣孔封模面封模面主要優點：閉模成型，產品尺寸和外形精度高，適合成型高質量的復合材料整體構件；第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征制品表面光潔度高（相對手糊成型）；

環境污染小(是唯一符合國際環保要求的復合材料成型工藝)；初期投資較小（相對其它幾種方法）。主要不足：

工藝要求高，工藝參數較難控制；纖維體積含量一般在50%左右，比熱壓罐、纏繞成型低；對大部件成型時，有可能造成樹脂短路、制品報廢。第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.3熱壓罐法（AutoclaveMolding）熱壓罐是一個封閉的容器，可以同時施加高壓、真空與溫度，實現較高品質復合材料制品的制備。復合材料力學第二章、制備與表征第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日熱壓罐成型的對象為預浸料（prepreg）。復合材料力學第二章、制備與表征預浸料是預先浸有樹脂、經過特殊工藝干燥但尚未固化的纖維布。升溫后，纖維布將產生固化。將預浸料裁剪成所需要的尺寸并按設計鋪層，置于熱壓罐內。熱壓罐密封、抽真空、升溫、加壓。升溫將導致制品固化，加壓使各層形成良好粘結并可以壓制成較為復雜的曲面形狀，抽真空則可以消除固化中的氣泡產生。這種成型過程得到的制品品質很高，纖維體積含量可以高達60-65%,但成本高昂。第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征熱壓罐成型既可用于熱固性、也可用于熱塑性復合材料的制備。第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征2.1.4纏繞法（FilamentWinding，長絲纏繞）在該過程中，連續纖維經過低粘度的樹脂槽，然后，精確纏繞在芯模上。連續纖維束低粘度樹脂槽移動導向眼轉動芯模11詳細鋪層各層依次以相同或變化的角度纏繞一起直到達到所需要的厚度。第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日固化后，芯模可以根據需要移去，但對復雜結構不能移去時往往采用薄壁芯模與復合材料成型一體。復合材料力學第二章、制備與表征適合于制備具有旋轉對稱的部件(管和柱)。可以很好控制纖維鋪設方向，纖維體積含量則可高達65%。但設備投資高。一般適用于熱固性、但也可應用于熱塑性復合材料的制備。第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.5擠拉法（Pultrusion）顧名思義，擠拉法是將浸膠纖維束拔拉通過加熱的模具，在高溫下迅速固化，得到連續、相同截面的復合材料。纖維供給預浸導入熱固性樹脂槽預浸導出高溫模切斷截面復合材料力學第二章、制備與表征最適合于加工制備等截面、大批量的制品(桿、管、梁、角型、槽型等復合材料制品)。纖維定向非常一致，纖維體積含量可以高達60%。第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.6噴射成型法（InjectionMolding）前面的成型方法主要是用于加工連續纖維增強復合材料，噴射成型法則最適合于制備短纖維或顆粒增強復合材料MoldedpartInsulationHeatedmoldRunnerCooledmanifold噴射腔混有短纖維的樹脂壓力泵容器旋轉推動桿復合材料力學第二章、制備與表征第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征首先，混有短纖維和聚合物基體的原料置于容器中，通過溫控裝置加熱至流動狀態。通過置于容器內的旋轉推動桿將液態原料擠出噴嘴，送達模腔。當基體固化或膠連后，打開模腔，取出部件。噴射成型法適合于大批量制備復雜部件，可以精確控制部件的尺寸精度，但設備投資大、成本較高。該方法既可以用于熱塑性、也可以用于熱固性復合材料的制備。第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2.1.7熱壓成型法（Thermo-compressionmolding）

主要用于將平面形式的增強體－基體混合物轉換成三維復合材料構型。“壓力成型”是最簡單的這類方法。將置于上、下兩半模具間的復合材料面料加熱到高于聚合物的軟化溫度，然后，模具對壓，得到所期望的結構形式。模具加熱可以在自然環境、也可以是在真空環境下實現，后一種方式將使制品中的氣泡降到最低。分模后，得到復合材料制品。復合材料力學第二章、制備與表征第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日壓力板陽模定位銷陰模層板

模壓后的構件加熱器

復合材料力學第二章、制備與表征第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日PressureSpacer19q1q2q3q4復合材料力學第二章、制備與表征第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日a)膜間層疊纖維布基體膜b)纖維共紡增強纖維基體纖維

基體粉末

增強纖維c)兩相共混纖維布顆粒

熱壓成型主要適合于熱塑性復合材料的制備復合材料力學第二章、制備與表征第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日2.2表征2.2.1組成材料的性能纖維材料對于纖維，只有拉伸性能才可以通過現有的方法和手段測試，測試采用紙板夾持，示意如下。Tobecut復合材料力學第二章、制備與表征第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日纖維的其它力學性能（壓縮、剪切、泊松比等）難以直接測量，一般只能通過間接方式得到。即先測定復合材料以及基體材料的性能參數，再應用細觀力學的公式反演出纖維的性能。純基體材料由于基體材料是各向同性的，基體的密度、強度、模量、泊松比、硬化模量、最大應變、沖擊韌性等最重要的一些力學性能參數都有成熟的測試標準。應用時，可以參照這些標準制樣和實驗。復合材料力學第二章、制備與表征2.2.2纖維體積含量除了組份材料的性能外，影響復合材料性能的另一個重要參數是纖維體積含量。第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日有多種方法直接測試纖維體積含量，常見的有燒釋法和基體溶解法。燒釋法:將一定面積的復合材料試樣充分干燥，比如，將試樣置于500C的烘箱內干燥8小時以上。然后用電子天平精確測量試樣的重量Wc再將試樣放入陶瓷燒杯，置于加熱爐內，升溫足夠高（對一般聚酯、環氧樹脂，加溫到5000C即可），將基體全部燒掉，剩余在陶瓷燒杯內的為復合材料試樣所含的纖維。復合材料力學第二章、制備與表征雖然彼此有異，但基本原理都是通過去除基體后，根據剩余纖維的重量換算得到纖維的體積含量。第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日待燒杯冷卻后，測量剩余的纖維重量Wf。纖維體積含量就由下式計算：復合材料力學第二章、制備與表征(2.1)其中f、m分別是纖維和基體的質量密度。其推導過程如下：

復合材料的密度為：(2.2)

c=Vf+mVm根據定義,

Vf=/

Vm=/(2.3)第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日其中、、分別是試樣中纖維、基體及復合材料的體積。復合材料力學第二章、制備與表征

根據定義Vf=Wfc/Wcf并由假定：

Vf+Vm=1(2.4)可導出公式(2.1)。(2.4)式忽略了氣孔、氣泡的含量，后者可以由

Vf+Vm+Vv=1導得為：(2.5)第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征例2.1：復合材料風機葉片由玻璃纖維和聚酯制成。已知玻璃纖維和聚酯的密度分別是：f=2.54g/cm3和m=1.24g/cm3，制備中測得樹脂的重量比為38%，試求此風機葉片的纖維體積含量。解：根據所給條件，我們有Wm/Wc=0.38，從而，Wf/Wc=0.62。將這些參數代入（2.1）式，計算得到：因此，纖維體積含量為：Vf=44%。進一步，由(2.2)式得到：c=(2.54)(0.44)+(1.24)(0.56)=1.812g/cm3。代入（2.5）式，求得：第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征2.2.3復合材料的性能拉伸試驗由于其加工性能較差，復合材料一般（采用水冷金崗圓鋸）切成等寬度的板條，端部再用鋁等材料貼成加強片，以便消除試驗機夾在端部引起的應力集中，使破壞在中間段發生。第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征壓縮試驗是最難做成功的試驗之一，主要是在壓縮過程中易產生彎曲和屈曲。Specimen根據預試驗的方法確定試樣的厚度和標距。若(f-b)10%,試樣尺寸合適；否則，調節試樣的標長與厚度。

目前最為有效的壓縮裝置是IITRI

裝置，如圖所示(IllinoisInstituteofTechnologyResearchInstitute)第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征剪切試驗在各種剪切方法與裝置中，Iosipescu方法是最有效的之一。c45o

450試樣

=P/ct

(2.6)t=厚度(寬度)剪應力：剪應變:

xy=245o

(2.7)f與b分別是試樣正面與反面的應變。第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日彎曲試驗PtbL3-點彎曲P/2P/2aLbt4-點彎曲一般，L/t=16、32、40或60彎曲特性(模量、強度等)用各向同性的材料公式計算，如3-點彎曲的強度公式為：復合材料力學第二章、制備與表征第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日復合材料力學第二章、制備與表征其中，Pmax為所加的最大載荷，L、b、t為梁的跨度、寬度與厚度。第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期日MechanicsofComp.Mater.習題（思考題）

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