1、前沿
自50 年代樹脂基復(fù)合材料問世以后的幾十年來(lái),一直以熱固性樹脂基復(fù)合材料為主流發(fā)展著。 進(jìn)入90年代, 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 以通用工程塑料和高性能工程塑料為基體樹脂的熱塑性復(fù)合 材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注。樹脂基纖維復(fù)合材料是樹脂基復(fù)合材料的主要種類。熱塑性纖維復(fù)合材料( FRTP)與熱固性纖維復(fù)合材料( FRP)相比, 具有: ( 1)韌性比較高; ( 2)成 型加工周期比較短; ( 3)可重復(fù)使用; ( 4)維修方便; (5)有類似于金屬的加工特性; ( 6)成本低等優(yōu)點(diǎn)。所以FRTP自70 年代初開發(fā)以來(lái),越來(lái)越受到各國(guó)重視,研究應(yīng)用十分活躍,在航天、航空、汽車、化工、 電子P電器等領(lǐng)域均得到應(yīng)用,發(fā)展速度很快。近10年來(lái), 每年年均以25% 的速度增長(zhǎng), 發(fā)展速度比熱固性復(fù)合材料高數(shù)倍 。
近些年,隨著高性能工程塑料的研制開發(fā),先進(jìn)的復(fù)合成型工藝的發(fā)展與完善, 高性能FRTP 已成為研究的熱點(diǎn)。本文從樹脂基體與增強(qiáng)纖維、預(yù)浸料的制作工藝、成型工藝、發(fā)展趨勢(shì)等方面介紹了高 性能熱塑性纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展。
2 高性能FRTP的組成
FRTP材料主要由樹脂基體和增強(qiáng)纖維兩部分組成,所以復(fù)合材料的發(fā)展與熱塑性樹脂和增強(qiáng)纖維的發(fā)展是分不開的。其中樹脂基體賦予了 FRTP 優(yōu)良的力學(xué)性能、熱性能、耐化學(xué)腐蝕性和易加工性能;而增強(qiáng)纖維則主要決定了復(fù)合材料的機(jī)械性能。能纖維領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的 Kevlar 纖維。此外, PBO纖維的耐沖擊性、耐摩擦性和尺寸穩(wěn)定性均很優(yōu)異,并且質(zhì)輕而柔軟,是極其理想的紡織原料。表3 列出了幾種高性能纖維的典型性能。
2. 1 熱塑性樹脂基體
大部分熱塑性樹脂都可作為 FRTP 的基體, 但作為高性能 FRTP 材料的樹脂基體, 對(duì)樹脂的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度都有較高的要求。如在航天、航空領(lǐng)域中使用,要求復(fù)合材料所采用的熱塑性樹脂的Tg應(yīng)大于177 e ,在機(jī)械強(qiáng)度方面,通常要求抗張強(qiáng)度大于70MPa,抗張模量大于2 GPa,個(gè)別要求能分別達(dá)到100 MPa和3 GPa。
因此,世界各國(guó)兌相開發(fā)各種高強(qiáng)度、高耐熱的樹脂基體。例如英國(guó)ICI公司和美國(guó)DuPont 公司開發(fā)出的聚醚醚酮 ( PEEK)樹脂 (其熔點(diǎn)高達(dá) 334~380 e ,其長(zhǎng)期使用溫度為 240~ 260 e ) ; 德國(guó)Hoe- chest開發(fā)的聚醚酮 ( PEK)樹脂;美國(guó)Phillips 還開發(fā)了聚苯硫醚 ( PPS)、液晶聚合物等高性能樹脂基體。
在國(guó)內(nèi), 長(zhǎng)春應(yīng)化所和吉林大學(xué)等單位在聚醚砜(PES)、聚醚酮( PEK)等的主鏈上引入側(cè)基, 開發(fā)出了可溶性酚酞側(cè)基聚醚砜( PES- C)、酚酞側(cè)基聚醚酮( PEK- C) ; 大連理工大學(xué)高分子材料系在/ 八# 五、九#五0期間研制開發(fā)出一系列新型高性能工程塑料, 如聚芳醚砜酮( PPESK)、聚芳醚酮酮( PPE-KK) 等。表1 列出了常用的高性能樹脂的熱性能及力學(xué)性能。
復(fù)合材料中的熱塑性樹脂除了要有良好的機(jī)械性能、高穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性, 選擇樹脂的另一關(guān)鍵在于其加工性能。對(duì)于高性能的熱塑性樹脂, 一般都是難溶難融甚至不溶不融的,這就給復(fù)合材料的樹脂浸漬和成型加工造成了困難,加工溫度越高, 生產(chǎn)過(guò)程中樹脂越容易熱氧化、降解,因此要選擇合適的樹脂,避免生產(chǎn)時(shí)提高對(duì)設(shè)備的要求,不利于降 低成本。
2. 2 增強(qiáng)纖維
增強(qiáng)纖維作為復(fù)合材料的另一組成部分決定了復(fù)合材料最終的機(jī)械性能, 增強(qiáng)纖維本質(zhì)上是具有高性能的材料, 即高強(qiáng)度、高模量,但如今作為增強(qiáng)材料, 還要求有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐高溫性能。目前玻璃纖維、碳纖維和高性能的有機(jī)纖維仍是制造 高性能FRTP 的主要纖維品種。
玻璃纖維是商業(yè)中最成功、也是應(yīng)用最多的一種增強(qiáng)纖維, 根據(jù)組成成份的差異, 可以分為: E ) 玻璃纖維、C ) 玻璃纖維、S ) 玻璃纖維和D ) 玻璃纖維。用于復(fù)合材料生產(chǎn)的玻璃纖維絕大部分是鈣鋁硼硅酸鹽E ) 玻璃纖維, 90%的連續(xù)玻璃纖維均是E ) 玻璃成份,某些特殊場(chǎng)合下也常用S) 玻璃。玻璃纖維具有很高的強(qiáng)度、合理的模量、高熔點(diǎn)、優(yōu)良的耐熱性以及良好的回彈性、耐化學(xué)腐蝕性, 因此, 玻璃纖維在軍工、民用、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)以及耐腐蝕性裝置中應(yīng)用較多。表2為幾種玻璃纖維的性能比較。
增強(qiáng)用碳纖維在六十年代末首次投入市場(chǎng), 歷史不長(zhǎng), 但其獨(dú)特的性能) ) ) 高比強(qiáng)度、高比模量、 耐磨、導(dǎo)電性、長(zhǎng)期受力不發(fā)生蠕變和疲勞、X射線透過(guò)性、尺寸穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、耐高溫等等,使其成為性能最廣、用途最多的增強(qiáng)纖維, 可用于宇航、衛(wèi)星、精密儀器、民用、火箭、飛機(jī)、X ) 射線裝置、醫(yī)學(xué)等各個(gè)部門。目前關(guān)于碳纖維的研究主要是提高模量和強(qiáng)度, 降低生產(chǎn)成本。使用的纖維先驅(qū)體仍然主要是PAN和瀝青纖維,二者的用量比例約為6B1。一般來(lái)說(shuō), PAN 基碳纖維能提供高強(qiáng)度,而瀝青基碳纖維提供高模量。但通過(guò)控制微觀結(jié)構(gòu)缺陷、結(jié)晶取向、雜質(zhì)和改善工藝條件,利用PAN 或?yàn)r青纖維, 均可獲得高強(qiáng)P高模復(fù)合材料。表3 所列為部分高性能碳纖維的有關(guān)性能。
高性能有機(jī)纖維包括柔性鏈結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度聚乙烯纖維(UHTPE)、芳綸纖維( PTAA)和剛性鏈結(jié)構(gòu)的聚對(duì)苯撐苯并二惡唑纖維( PBO)。UHTPE 纖維密度低、拉伸強(qiáng)度和模量極高,采用等離子表面處理方法解決了它和基體粘結(jié)差的問題,使之應(yīng)用越來(lái)越廣。然而UHTPE纖維在150 e 熔融和在室溫下會(huì)出現(xiàn)蠕變這一缺點(diǎn),嚴(yán)重阻礙了它作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng) 用。PTAA纖維是杜邦公司70年代初研制的。目前PTAA纖維的拉伸模量已達(dá)100~ 200GPa、斷裂強(qiáng)度 蜜2~ 4GPa、密度為0. 97~ 1. 47gPcm3。PTAA纖維的最大缺點(diǎn)是壓縮和橫向拉伸性能差。復(fù)合材料生產(chǎn)中的熱收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致纖維劈裂,水分會(huì)沿著劈裂的纖維進(jìn)入復(fù)合材料而加速?gòu)?fù)合材料的失效。
PBO是聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑纖維( Poly- p- phenylene benzobisthiazole)的簡(jiǎn)稱, 被譽(yù)為21 世紀(jì)超級(jí)纖維, 其商品名為柴隆( Zylon)。PBO 具有十分優(yōu)異的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能, 其強(qiáng)度、模量為Kevlar(凱夫拉)纖維的2 倍, 并兼有間位芳綸耐熱阻燃的性能,而且物理化學(xué)性能完全超過(guò)迄今在高性能纖維領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的 Kevlar 纖維。此外, PBO纖維的耐沖擊性、耐摩擦性和尺寸穩(wěn)定性均很優(yōu)異,并且質(zhì)輕而柔軟,是極其理想的紡織原料。表4列出了幾種高性能纖維的典型性能。
3、高性能FRTP 的預(yù)浸料生產(chǎn)工藝
熱塑性復(fù)合材料的增強(qiáng)方式有短纖維增強(qiáng)型和連續(xù)纖維增強(qiáng)型之分。連續(xù)纖維比短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有更好的機(jī)械性能和耐溫性能, 能更好地發(fā)揮增強(qiáng)纖維的增強(qiáng)效果。因此, 高性能FRTP 都采用連續(xù)纖維增強(qiáng)方式。
大多數(shù)高性能的熱塑性塑料在熔融溫度下, 因其粘度仍然較高而不能很好地浸漬纖維織物。因此,熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型最大的困難在于熱塑性樹脂的高粘度。相比之下, 熱固性樹脂固化之前可以很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榈驼扯葼顟B(tài),在該狀態(tài)下易于浸漬纖維。因此,對(duì)熱塑性樹脂基復(fù)合材料近年來(lái)研究了許多浸漬方法, 以使高粘度的熱塑性樹脂能 充分浸漬纖維。
目前,連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的預(yù)浸料的工藝主要有以下5 種: ( 1)熔融浸漬工藝 ; ( 2)溶 液浸漬工藝; ( 3)粉末流化浸漬工藝; ( 4)粉末懸浮浸漬工藝 ; ( 5)混編制備技術(shù)。
2. 1 熔融浸漬工藝
熔融浸漬工藝中,無(wú)捻粗紗從一個(gè)經(jīng)特別設(shè)計(jì)的浸漬室中通過(guò),無(wú)捻粗紗被熔融的樹脂液浸漬, 樹脂浸漬的纖維經(jīng)冷卻, 并由帶狀拉出機(jī)牽拉平整得到預(yù)浸料。此法的特點(diǎn)是將不含溶劑的樹脂體系熔化成液體,纖維束通過(guò)熔融樹脂便浸漬上樹脂, 因而預(yù)浸料的揮發(fā)份含量低, 避免了由于溶劑的存在而引發(fā)的空隙含量高的內(nèi)部缺陷, 這是一種非常好的方法,無(wú)溶劑污染,特別適用于結(jié)晶性樹脂制備預(yù)浸帶。但熔融樹脂法要求樹脂的熔點(diǎn)較低, 并在熔融狀態(tài)其粘度較低, 具有較高的表面張力,與纖維有較好的浸潤(rùn)性。尤為重要的一點(diǎn)是樹脂在熔融狀態(tài)下,基本上無(wú)化學(xué)反應(yīng),具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和較小的粘度波動(dòng)。
在熔融浸漬工藝的研究方面,咸貴軍等研究了連續(xù)纖維(碳纖維 , 玻璃纖維)增強(qiáng)熱塑性塑料(聚丙烯、尼龍等) ,開發(fā)了一套熱塑性樹脂熔融浸漬連續(xù)纖維的小型裝置, 該裝置主要包括分絲系統(tǒng)、浸漬系統(tǒng)和上光系統(tǒng)等部分,其特點(diǎn)是利用柱狀輥系分散和浸漬纖維束。并利用該裝置制備纖維質(zhì)量比在 30% ~ 60%的連續(xù)纖維預(yù)浸帶。張曉明等 用熔融的PEEK 樹脂浸漬連續(xù)碳纖維, 探討了纖維分散、纖維張力、以及輥?zhàn)訉?duì)浸漬的影響, 得出纖維張力大、纖維越分散及增加輥?zhàn)訑?shù)都可以增加樹脂對(duì) 纖維浸漬效果。
2. 2 溶液浸漬法
為了降低熱塑性樹脂的粘度,選取合適的溶劑,也可以是幾種溶劑配成的混合溶劑, 將樹脂完全溶解配成膠液,然后使連續(xù)纖維通過(guò)膠液得到浸漬,再烘干除去溶劑,便得到預(yù)浸料。李凡等用連續(xù)玻璃纖維浸漬ABS樹脂溶液, 研究了纖維在浸膠過(guò)程中纖維的牽引速度、牽引力和膠液粘度對(duì)復(fù)合材料 含膠量及纖維與膠液浸潤(rùn)性的影響。王榮國(guó)等選擇三種國(guó)產(chǎn)高性能熱塑性樹脂聚醚砜、酚酞側(cè)基聚醚砜、酚酞側(cè)基聚醚酮和高強(qiáng)玻璃纖維粗紗,通過(guò)一定的溶液浸漬工藝,制作了纖維預(yù)浸料,并加工成復(fù)合材料,對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)研究,得到連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)PES- C 與PEK- C的基本力學(xué)性能和連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的基本力學(xué)性能相差不大, 但縱橫向剪切性能有了明顯的提高。陳平等[ 18] 采用溶液浸漬法, 分別研究了連續(xù)的玻璃纖維、T700 碳纖維和F- 12 芳綸纖維增強(qiáng)PPESK樹脂復(fù)合材料的浸漬成型工藝以及力學(xué)性能, 解決高性能聚芳醚系列樹脂連續(xù)纖維纏繞、拉擠成型過(guò)程中 的樹脂浸漬問題[ 19] 。
溶液法制備預(yù)浸料的生產(chǎn)工藝具有膠液粘度低,易于浸漬纖維, 浸漬設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn); 但缺點(diǎn)是不適用于耐溶劑良好的樹脂, 同時(shí)溶劑可能會(huì)有少量殘留在預(yù)浸帶中, 并存在污染問題。且許多高性能熱塑性樹脂沒有合適的溶劑溶解,故此法的使用 范圍有限。
2. 3 粉末浸漬法
粉末浸漬工藝克服了溶劑后處理的問題, 同時(shí)又降低了粘度。可以采用靜電浸漬,再經(jīng)迅速加熱使顆粒與纖維融合形成預(yù)浸料, 也可采用流化床進(jìn)行浸漬。在這種工藝中, 纖維在張力輥?zhàn)饔孟路稚⒊蔀閱谓z, 然后通過(guò)一個(gè)由樹脂粉末懸浮于氣流中形成的流化室, 樹脂粉末在流化室中狀態(tài)好似其浮于水中一樣,由于此時(shí)粗纖維已分散,因此粉末狀樹脂便能夠分散在單絲間, 然后經(jīng)熔融、孔模定尺寸大 小、牽拉成型。
周曉東等 研究了連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的粉末浸漬過(guò)程, 研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯粉末越 細(xì),分散輥越多, 浸漬效果越好且浸漬樹脂量越多,但當(dāng)粉末細(xì)到一定程度, 分散輥多到一定程度后, 增加效果不明顯; 接枝極性基團(tuán)的改性聚丙烯的引入 可增強(qiáng)體系對(duì)纖維的浸漬效果,增強(qiáng)了界面粘結(jié)。
張鳳翔等用連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK樹脂, 通過(guò)正交試驗(yàn)確定了一條靜電粉末法制作預(yù)浸料的工藝、設(shè)備,并研究了其復(fù)合材料的性能, 得出AS4CPPEEK單項(xiàng)織物復(fù)合材料的常規(guī)力學(xué)性能和熱固性復(fù)合材料T300P5405 相當(dāng), 韌性遠(yuǎn)優(yōu)于T300P5405, GIC達(dá)到1560JPm2, CAI為285MPa。
這種工藝主要優(yōu)點(diǎn)是浸漬速度快, 易在單絲間捕集到高分子量的聚合物, 所得復(fù)合材料的聚合物重量分額高, 這是熔融浸漬工藝難以辦到的。但是粉末浸漬法要求纖維在氣相中被分散成單絲,這對(duì)于在膨松狀態(tài)即使在有張力作用下也比較難,樹脂粉末也難以均勻地粘附于纖維的表面上, 容易造成粉末堆積,形成空隙較多, 此外, 還有粉塵爆炸的危險(xiǎn)。
2. 4 粉末懸浮浸漬工藝
水懸浮浸漬工藝是近幾年研究較多的一種工 藝。這種工藝中, 熱塑性樹脂粉末和表面活性劑在浸漬室中形成水懸浮液, 導(dǎo)輥將連續(xù)纖維牽拉入主槽中浸漬, 使粉末均勻地滲入纖維之間, 然后經(jīng)干燥、加熱壓實(shí)成型,再經(jīng)拉出機(jī)拉出, 這種工藝與上述其他工藝相比, 具有以下優(yōu)點(diǎn):
( 1)采用資源豐富且無(wú)污染的水作為懸浮分散劑,方便易得且易除去;
( 2)采用連續(xù)纖維浸漬適合于大批量、高效率生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本;
( 3)樹脂粉末大小在mm級(jí)以下, 克服了粉末法20L的極限;
( 4)水懸浮法操作容易,安全衛(wèi)生, 粘度低, 可以小于10mPa#s, 克服了熔融浸漬的高粘問題;
( 5)僅在熱滾壓時(shí)需要高溫,在熔融態(tài)樹脂停留時(shí)間短,減少了其重量損失, 大大避免了熱降解, 對(duì)溫度敏感的聚合物也可以適用, 節(jié)省了能耗;
( 6)牽引機(jī)械簡(jiǎn)單。
該工藝近些年才開始在文獻(xiàn)上常有報(bào)道。 采用PPS粉料、二苯醚酮制成一定配比的懸浮液,與連續(xù)碳纖維浸漬, 獲得了良好的預(yù)浸料;等研究了連續(xù)纖維粗沙浸漬PPS 泥漿( PPSP水的懸浮液)的浸漬工藝; 邢玉清等[23] 用中長(zhǎng)纖維氈浸漬PPS的懸浮液,也取得了好的效果。
此工藝技術(shù)新,潛力大,采用該工藝進(jìn)行連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn),成本低, 工藝簡(jiǎn)單,設(shè)備投資少,制備周期短, 生產(chǎn)出的預(yù)浸料可以直接投入市場(chǎng)。目前,德國(guó)柏林工大的Augstin
采用次發(fā)生成出來(lái)的預(yù)浸帶速度 5mPmin、纖維體積含量60% ;法國(guó) BASF公司已采用該工藝生產(chǎn)出 纖維增強(qiáng)PEK、PEEK、PEEKK、PES復(fù)合材料片材。
2. 5 混編制備技術(shù)
混編制備技術(shù)是將紡成細(xì)絲的熱塑性樹脂與增強(qiáng)纖維制成混合紗,再進(jìn)行進(jìn)一步加工。這一技術(shù)始見于美國(guó)NASA 公司制備碳纖維與 PBT、PET 和液晶聚合物 ( LCP)的混雜纖維束發(fā)展而來(lái)?；炀幖夹g(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的加工性能, 混合紗可以織成各種復(fù)雜形狀, 包括三維結(jié)構(gòu), 也可以直接纏繞,制得性能優(yōu)良的復(fù)合材料制品。但由于制取極細(xì)的熱塑性樹脂纖維( < 10Lm)非常困難, 同時(shí)編織過(guò)程 中易造成纖維損傷, 限制了這一技術(shù)的應(yīng)用。
利用聚酯纖維作為熱塑性樹脂、玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維,對(duì)摩擦紡混纖紗加工方法及其用于熱塑性復(fù)合材料加工進(jìn)行了一些可行性研究; 吳學(xué)東等[ 34] 對(duì)摩擦紡混纖紗加工方法進(jìn)行了進(jìn)一步討論,紡制了幾種混纖紗,并通過(guò)掃描電鏡和紗線均勻度測(cè)試儀研究了其結(jié)構(gòu),得出對(duì)熱塑性樹脂基復(fù)合材料, 一些常用纖維樹脂體系都可借助摩擦紡紗方法加工出摩擦紡混纖紗,這種混纖紗可以靈活地應(yīng)用到多種復(fù)合材料制備的工藝路線中, 由于摩擦紡混纖紗良好的柔性, 可以利用它方便地加工出機(jī)織、針織或編織的二維和三維結(jié)構(gòu),借助于復(fù) 合材料成型技術(shù)即可形成各種構(gòu)件。
3 高性能的FRTP 的成型工藝
高性能FRTP 是從復(fù)合材料和塑料兩個(gè)不同領(lǐng)域開發(fā)出的一種新型復(fù)合材料,因此,其成型工藝具有塑料和熱固性樹脂復(fù)合材料工藝的特征, 既可以 像熱固性纖維復(fù)合材料那樣成型, 且無(wú)需固化過(guò)程,成型工藝要簡(jiǎn)單快捷的多; 同時(shí)由于它可以進(jìn)行熱成型, 使其又具有金屬材料成型的特點(diǎn)。其主要成 型工藝有許多種。
3. 1 沖壓成型
沖壓成型是通過(guò)將按模具大小裁切好的 FRTP預(yù)浸片材在加熱爐內(nèi)加熱至高于樹脂熔化的溫度,然后送入壓模中, 快速熱壓成型。成型周期一般在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成。這種成型方法能耗、生產(chǎn)費(fèi)用均較低, 生產(chǎn)效率高, 是目前CFRTP 成型加工 中最重要的一種成型方法。
3. 2 輥壓成型
輥壓成型是金屬成型加工中常見的工藝。用于FRTP 的片材加工時(shí),把幾層放好的預(yù)浸料在連續(xù)的基礎(chǔ)上,用遠(yuǎn)紅外或電加熱的方法加熱軟化, 然后通過(guò)牽引經(jīng)過(guò)熱輥、冷卻輥 , 從而逐漸成型為所需形狀的制品。這種方法為連續(xù)成型, 生產(chǎn)效率高,制品尺寸在長(zhǎng)度方向不受限制。
3. 3 拉擠成型
拉擠成型是一種連續(xù)制造復(fù)合材料型材的工藝方法, 也是一種制造恒定截面型材的工藝方法。最初用于制造單向纖維增強(qiáng)實(shí)心截面的簡(jiǎn)單制品, 逐漸發(fā)展成為目前可以制造實(shí)心、空心以及各種復(fù)雜截面的制品,并且型材的性能可以設(shè)計(jì),能夠滿足各種工程結(jié)構(gòu)要求。拉擠成型是將預(yù)浸帶或預(yù)浸紗在一組拉擠模具中固結(jié), 預(yù)浸料或是邊拉擠邊預(yù)浸,或是另外浸漬。一般的浸漬方法是纖維混紡浸漬和粉末流化床浸漬。但不論采用哪種方式, 預(yù)浸料都比較硬,很難用它制造斷面形狀急劇變化的結(jié)構(gòu)。
3. 4 纏繞成型
由于解決了用熱塑性聚合物浸漬連續(xù)纖維,就使得人們能夠得到一類新的高性能復(fù)合材料。目前,熱塑性復(fù)合材料在纖維纏繞制品中的應(yīng)用研究工作正在積極進(jìn)行, 選用熱塑性樹脂主要原因在于熱塑性樹脂具有較高韌性、快速制造的技術(shù)潛力以 及后成型的能力。熱塑性復(fù)合材料的纖維纏繞成型與熱固性復(fù)合材料的不同之處是纏繞時(shí)要把預(yù)浸紗(帶)加熱到軟化點(diǎn),并在與芯模的接觸點(diǎn)上放置一只加熱壓輥。
通常的加熱方法有傳導(dǎo)加熱、介電加熱、電磁加熱、電磁輻射加熱等。在電磁輻射加熱中, 又因電磁波的波長(zhǎng)或頻率不同而分紅外輻射( IR)、微波( MW)和射頻( RF)加熱等。最近幾年還發(fā)展了激光加熱及超聲加熱系統(tǒng)。
近年來(lái)國(guó)外許多公司致力于新型纏繞成型工藝研究,開發(fā)出了幾種很有特色的成型方法。其中有一步成型法, 即纖維通過(guò)熱塑性樹脂粉末沸騰流化床制成預(yù)浸紗(帶) ,然后直接纏繞在芯模上;還有通電加熱成型法,即對(duì)碳纖維預(yù)浸紗(帶)直接通電,靠通電發(fā)熱使熱塑性樹脂熔化, 使纖維紗(帶)纏繞成制品;第三種是用機(jī)器人進(jìn)行纏繞,提高纏繞制品的精度和自動(dòng)化程度,因而受到了極大的重視。
4 發(fā)展趨勢(shì)與展望
高性能的FRTP 作為一種相對(duì)較新的復(fù)合材料,其研究和應(yīng)用也正在不斷地發(fā)展和完善。其研究將主要集中在:
( 1) 進(jìn)一步研究開發(fā)新的低成本的浸漬制備技術(shù)和成型加工方法, 特別是大型和復(fù)雜構(gòu)件成型方 法的開發(fā);
( 2) 開發(fā)新的增強(qiáng)材料和新的樹脂基體, 以提高復(fù)合材料及其制品的強(qiáng)度、剛度、耐熱性和韌性等;
( 3) 開發(fā)新的纖維表面處理技術(shù),提高纖維和基體界面的結(jié)合強(qiáng)度;
( 4) 加快FRTP 制品再生利用的研究,減少環(huán)境污染等。
如果在這些方面取得新的進(jìn)展,則這種復(fù)合材料將會(huì)獲得更為廣泛的應(yīng)用,市場(chǎng)前景將更加廣闊。隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展,特別是隨著航空、航天工業(yè)對(duì)新材料要求的越來(lái)越高、需求越來(lái)越大,從資源及技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看, 高性能的FRTP 材料在性能、價(jià)格、生產(chǎn)效率、裝配、維修費(fèi)用等方面的優(yōu)越性,使其在即將到來(lái)的復(fù)合材料時(shí)代中,將扮演舉足 輕重的角色。
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