复合材料成型工艺方法的研讨

谢 超

（宁波工程学院杭州湾汽车学院，浙江 宁波 315300）

1 概述

人类生存和发展的过程中离不开材料的使用，它是基本的物质基础，一直是人类社会文明的支柱。20世纪80年代以后高新技术为支撑的科技革命迅速展开，传统的单一类型的材料已经远远不能满足实际社会生产生活的需求，在这种情况下，人们根据社会生产实践的经验，转向新的更为广阔的发展领域——复合材料。狭义上的复合材料单单指用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。这也是我们通常研究的方面。从广义范围来讲，ISO（International Organization for Standardization）国际标准化组织认为，复合材料（Composite Materials）是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质，一种作为材料基体(Matrix)，另一种作为增强体(reinforcement)组合而成的一种多相固体材料。基体材料包含铝、镁、铜等金属材料和橡胶、陶瓷、树脂等非金属材料两大类，碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维等是较为常见的增强体。组合而成的复合材料一方面能够保留原组成材料的基本特点，另一方面还可以通过协同效应、不同的制型工艺使个组成材料性能得到优化。组成复合材料的各种组份材料在个体上能够保持其自身相对的独立性，它们通过相互补充，取长补短，协同促进新的材料的综合性能，使其满足生产生活的各个方面。

由于基体和增强体的种类繁多，同时二者在进行组合的时候设计、制造工艺、使用的环境和复合的方法等等不同会造成复合材料性能上的差异，由此会延伸出种类繁多的复合材料，但是它们兼具一下共同特点：①复合材料的各种组分和相对含量比的多少都是非常灵活，由人工选择并根据需要来设计，最后由人工制造而成的。②综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。③可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。④可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。

2 复合材料特性与应用

复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。例如，纤维增强的树脂基复合材料，具有质量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。

（1）复合材料轻质高强，其比强度和比刚度都比较高。一方面，复合材料组分中的基体和增强体都是比重相对比较小的物质，它们不属于致密的元素。一般衡量材料材料承载能力的指标是材料的比强度（强度与密度的比值）和比弹性模量，在这一方面，碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有相当高的性价比。比强度值较高说明使用材料的重量比较轻，而强度比较大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。

（2）复合材料的可设计性比较强，即设计者可以通过选择合适的基体材料和增强体材料，通过不同的加入比例和合理的铺层形式，使复合材料能够满足满足使用的需求。对于结构件来说，则可以达到减轻质量、节约材料成本的目的。复合材料良好的设计性决定了生产者可以根据材料的性能要求来选择合适的组分材料，达成资源的合理使用。例如，在平板模上铺上一层制作的层板，然后通过加温对其固化，原来的平板就自动成为曲板。

（3）复合材料具备良好的电性能。复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。而且复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。

（4）复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。

（5）复合材料具有优良的工艺性能。纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。

3 复合材料成型工艺的方法

复合材料的成型工艺取决于其所选择的基体材料。目前，复合材料成型工艺方法主使用范围比较广的主要有一下2种方法：

（1）手糊成型工艺。这是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。为了得到良好的脱模效果和理想的制品，同时使用几种脱模剂，可以发挥多种脱模剂的综合性能。这种方法不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；同时设备简单、投资少、设备折旧费低，工艺也较简单。

（2）层压成型工艺，就是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。它属于干法压力成型范畴，是复合材料最主要的的一种成型工艺。可以生产各种各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等，其制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。

复合材料在当今社会被广泛应用于各个领域，包括飞机零部件的制作、各种发动机、隔热板等等，极大推动了我国工业生产的发展。伴随我国化学工业材料科学的不断发展，复合物材料必将会有新的飞跃。

[1]赵秋艳.复合材料成型工艺的发展[J].航天返回与遥感，1999，（1）.

[2]张小溪.复合材料成型工艺方法及优缺点分析[J].科技与企业，2014，（18）.