8、预浸料(高压釜)成型
图9 预浸料高压釜法示意图
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和(或)纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周或几个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须在冷冻条件下贮存。树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感，象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热到120-180ºC。使树脂重新流动，并最终固化。盛开附加压力通常藉助高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供，它能对铺层施加达5个大气压的压力。
(2)原材料
树脂：通常用环氧树脂，不饱和聚酯树脂、酚醛树脂及高温树脂，如聚酰亚胺、氰酸酯、双马来酰亚胺树脂等；
纤维：任意。虽然由于在工艺过程中，高温分对芯材有些影响，需要采用某些专门的泡沫芯材。
(3)优点
1)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量；可以可靠地得到高纤维含量。
2)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁；
3)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程；
4)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的；
5)材料有效时间长(室温下可保质数月)，这意味着可优化结构、复合材料易铺层；
6)可能实现自动化和节省劳动力。
(4)缺点
1)对于预浸织物，材料成本高；
2)通常要对高压釜固化复合材料制品，耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；
3)模具需能承受作业温度；
4)芯材需要承受作业温度和压力。
(5)典型产品
飞机结构复合材料(如机翼和尾翼)、卫星与运载火箭结构件(太阳能电池基板、夹层结构板、卫星接口支架、火箭整流罩等)、赛车、运动器材(如网球拍、滑雪板等)。
9、低温固化预浸料成型
图10 低温固化预浸料成型示意图
低温固化预浸料完全按通常的预浸料方法制备，但树脂的化学性质使其得以在60-100ºC温度下固化。在60ºC时，材料可操作保持期可小到限于1个星期，但亦可延长到几个月。树脂系统的流动截面适于采用真空袋压力，避免采用高压釜。
(2)材料
树脂：一般仅采用环氧树脂；
纤维：任意，同通常的预浸料；
芯材：任意，虽然一般 的PVC泡沫需要特别注意。
(3)优点
1)具有传统预浸料法所具备的(1)-(6)条优点；
2)模具材料较便宜，如木材亦可用，因其固化温度较低故；
3)可容易地制造大型结构。因为仅需真空袋压力；固化温度低，可采用简单的热空气循环加热室(经常就地建造大于制品的加热室 )；
4)可采用普通的PVC泡沫芯材，略作处理即可；
5)能耗低。
(4)缺点
1)材料成本仍高于预浸织物；
2)需加热室和真空袋系统，以固化制品；
3)模具需能经受高于环境温度的温度(常用60-100ºC)；
4)仍有能耗，因需高于环境温度固化。
(5)典型产品
高性能风力发电机叶片、赛艇、救生艇、火车用零部件。
10、SCRIMP,RIFT,VARTM
图11 SCRIMP,RIFT,VARTM示意图
SCRIMP(Seeman Composite Infusion Molding Process—西曼复合材料公司树脂渗透成型法),RIFT(Resin Infusion umder Flexibe Tooling—柔性模具树脂渗透法) ,VARTM(Vscuum Assisted Transfer Molding—真空辅助树脂传递成型)这三种工艺原理相似。
将织物作为干铺层材料入模内，如同RTM。然后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。整个铺层用真空袋覆罩好。袋无渗漏后，让树脂流到积层。树脂很容易流经非结构织物而在整个铺层分布。SCRIMP法在真空袋与铺层之间可置加压模块，利于提高制作表观与结构密实度。
(2)材料
树脂：常和环氧树脂、不饱和聚酯和乙烯基酯树脂；
纤维：任意种类普通织物。这些工艺方法缝编材料很好用，因其间隙使得树脂快速流动；
芯材：除蜂窝外，各种芯材均可用。
(3)优点
1)同RTM，但制品仅一面光，不似RTM两面光；
2)由于模具一半是真空袋，主模具仅需较低强度，故模具成本甚低；
3)可制造大尺寸产品；
4)通常的湿法铺层工具可改进以用于这些成型法；
5)一次作业即可生产芯材结构。
(4)缺点
1)要完成好相对复杂的操作过程；
2)树脂粘度必须非常低，限制了制品的力学性能；
3)铺层未浸到树脂而造成的废品浪费甚大；
4) SCRIMP的一些工艺要素已被专利所限。
(5)典型产品
小艇半成品、列车和卡车车身面板。
三、环氧树脂复合材料的应用
环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，它可适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，可调节粘度范围大；以便适应于不同的生产工艺。它的贮存寿命长，固化时不释出挥发物，固化收缩率低，固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性，因此，目前环氧树脂统治着高性能复合材料的市场。
(一)环氧树脂复合材料在航空工业中应用
40年代初，电子工业的需要，寻找一种适宜的材料，做防护军用飞行器的雷达天线，特别是防护战斗机及轰炸机上的雷达天线。采用雷达罩是用来防护气候对精密电子仪器的影响。玻璃钢具有优良的透雷达波性能，足够的机械强度和简便的成型工艺，使它成为理想的雷达罩材料。这是历史上第一次采用玻璃钢制造雷达罩，同时又大大地促进了玻璃钢材料的研究。
60年代玻璃钢技术在直升机领域的应用有所突破，如西德M．B．B．公司研制玻璃钢旋翼桨叶，逐步取代金属铝蒙皮／铝蜂窝夹层结构的金属桨叶。但由于玻璃钢的模量低，不能制造高强度的飞机结构件。
70年代初，随着硼纤维、碳纤维、芳纶纤维等相继出现，这些高级增强纤维的比刚度、比强度、耐疲劳性能等优于金属材料，由它们来增强环氧树脂组成的复合材料，已在飞机的主结构件(主受力件)上得到应用。
近10多年来，考虑到这些高级增强纤维的价格都比较高，为了更合理的用材，大力开发混杂复合材料(Hybrid Composites)的研究。
以复合材料在飞机发动机中的应用为代表。美国两家喷气发动机制造厂：通用电器—飞机发动机事业集团公司(GE—AEBG)和普惠公司，以及其它一些二次承包公司，都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件。如发动机舱系统的许多部紧推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用复合材料制造。如发动机进口气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料(E707A)叠铺而成，它具有耐177℃高温的热氧化稳定性科壳表面光滑如镜面，有利于形成层流。又如FW 4 0O0型发动机有8 0个149℃的高温空气喷口导流片也是用碳纤维环氧预浸料制造的。
在316℃这一极限温度以下的环境中，复合材料不仅性能优于金属，而且经济效益高。据波音公司估算，喷气客机重量每减轻一磅，是飞机在整个使用期限内可节省 100 0美元。据法布莱特公司估算，美国第年约有100万磅复合材料用于制造喷气飞机发动机零件，销售额高达5000万美元。
目前环氧树脂的连续使用温度最高约在280℃以下，近来DOW化学公司的一种多功能团环氧树脂Tactlx742，用二氨基二苯砜固化剂；制成的制品玻璃化温度Tg＞310℃，可用于制造喷气发动机零件。
(二)环氧树脂复合材料在航天工业中的应用
宇航技术对结构材料高比模量、高比强度的要求，特别严格，使先进复合材料成为宇航技术必需的材料。作为结构材料的基作树脂基本上都采用环氧树脂。其主要的应用范围如下：
1、固体火箭发动机壳体
在50年代末，采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体取代钢壳，使结构减轻50％一60％。后来，“三叉戟1”、 M X的三级发动机壳体全部采用芳纶／环氧树脂体系，重量又比玻璃钢的同尺寸壳体减轻50％。
在阿里安运载火箭许多结构件均用碳纤维／环氧树脂制造。
2．战略导弹上的应用
美国已采用JFRP作弹头结构壳体、仪器舱、级间段等50多个分系统部件。据 洛克希德导弹与宇航公司称用碳纤维／环氧树脂制造的机构取代铝结构，可使结构减轻40％。
3、卫星和宇航器上的结构应用
卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要，所以对卫星结构的重量要求很严。国际通讯卫星VA中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减重23kg(约占3O％),可使有效载荷舱增加 450条电话线路，仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。美、欧卫星结构重量不到总重的10％，其原因就是广泛使用了先进复合材料。
4．航天飞机上的应用
美国航天飞机上使用的结构复合材料总重约2吨，采用先进复合材料后减重410kg，而且明显减少了飞行过程中因复杂的温度环境引起的变形。航天飞机进入轨道后，用机械手投放和回收卫星，机械手上臂、前臂是用超高模量石墨纤维 GY— 7 0增强环氧制成的。
总之，复合材料已成为宇航工业中不可缺少的关键材料。
(三)环氧复合材料在民用工业中的应用
凡是对机械强度要求高的增强塑料制品基本上采用环氧树脂作为基体。
1、玻璃钢的压力容 器和管道
我国西安、北京、重庆、自贡已生产汽车用压缩天然气(CNG)瓶，北京已成为现在使用CNG公交车最多的城市。
国内已经有4家企业生产环氧玻璃钢高压管。
60年代国内钢瓶十分紧张，采用纤维缠绕成型制造玻璃钢气瓶相当活跃，曾制定过部颁标准FC194-74，90R年修改后制定ZBQ23004一90。 玻璃纤维增强塑料压力容器，以环氧树脂和616酚醛树脂体系为基体，40立升气瓶使用压力为 12MPa，使用寿命5年以上。上海材料研究所和临安玻璃钢厂合作，也采用纤维缠绕成型工艺，而使用环氧树脂一二甲基咪唑体系，其性能不亚于环氧一酚醛树脂体系。用此配方制成水研用的压力容器。
2、玻璃钢电机护环、套环等
护环套装于发电机转子两端，保护转子线圈的端部，防止在高速旋转时，受离心力作用它是发电机受力最大的部件之一，对强度和模量要求比较高，采用轻质高强的复合材料可以取代无镍反磁合金钢。 60年代末国内先后生产1. 25W千瓦和2. 5万千瓦两种发电机护环。后者由北京重型电机厂、杭州玻璃钢化工设备厂和上海材料研究所等单位合作，选用高强度(S)玻璃纤维和高模量(M)玻璃纤维进行缠绕，用62O7(脂环族)环氧树脂一酸酐体系树脂配方和 AFG— 9 0环氧树脂(缩水甘油胺型)—— HK—0 21酸酐体系作为基体，使用多年情况良好。
玻璃钢套环 3 0 00千瓦以下的在杭州玻璃钢化工设备厂生产，已在北京重型电机厂安装出厂30年，属于定型产品。
此外，发电机定子线圈端都支撑环，装在定子线圈的鼻端，承受最大载荷是发电机发生短路的瞬间，亦采用玻璃钢制造，称为玻璃钢绑环。这种绑环安装在10万千瓦的气轮发电机上，已使用20余年。在国内最大的60万千瓦发电机用的玻璃钢锥壳(其作用类似于支撑环)也是用了10多年。
玻璃钢绝缘子，有待于进一步开发研究。绝缘子的作用是把带电线路或带电零部件之间隔开，既要求绝缘又要求高强度，电绝缘何耐腐(室外用)，采用玻璃钢很适用。国外在露天的22万伏输电杆上的绝缘于已采用环氧树脂玻璃钢成批生产。
3、防腐蚀制品
通常不饱和聚酯树脂玻璃钢的力学性能在45℃以上强度就会明显下降，同时不饱和聚酯树脂耐碱性较差。如果在防腐蚀制品中要求强度高，耐温性好等则建议选用环氧玻璃钢。如上海市上钢二厂，在生产硫酸铁过程中，反应槽需要连续在120℃使用，选用环氧玻璃钢取得了很满意的效果。这种耐高温的反应槽是由临安玻璃钢厂制造的。
4、玻璃钢模具
(1)玻璃钢铸造模具
用玻璃钢制成的铸造模具，比木模、铝模的效果好的多，使用寿命长，通常在万次以上，价格也比较便宜。
(2)玻璃钢制品模具
采用喷射成型、树脂传递模塑( RTM)成型所需的制品模具，通常都用不饱和聚酯玻璃钢模具。笔者建议采用环氧树脂玻璃钢模具更好，具有模具强度高、使用寿命长、尺寸稳定性好等优点。
5、风力发电机叶片
我国做到长23m，国外已经超过50m。
6、碳纤维补强建筑结构
7、运动器材
高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、壁球拍、滑雪板、渔具、自行车架等。
四、我国环氧树脂市场分析
据统计，2003年中国大陆环氧树脂产量25万吨，比上年增长25%；进口19.88万吨，比上年增长23%；出口3.558万吨，比上年增长81%，表现消费量41.322万吨，比上年增长21%。
市场比例为：
涂料 45%
电子电器 36%
复合材料 5%
粘结剂 -7%
其它(交联剂等) -7%
2003年我国大陆生产高压玻璃钢环氧管3000吨，约用环氧树脂1300吨。建筑结构采用CF(碳纤维)补强用环氧树脂5 00吨。
绝缘棒管生产2000吨，用环氧树脂1000吨。
2003年生产环氧玻璃钢2万吨，采用环氧树脂9000余吨。
2003年生产玻璃纤维基覆铜板14万吨，采用环氧树脂6.15万吨。2004年可增长3O％以上。所用环氧树脂将达8万吨。
2003年用于生产乙烯基酯树脂(VER)采用环氧树脂2900吨。
国产树脂的质量稳定性有待于进一步提高，因而国内一些复合材料厂家在生产要求性能较高的产品(如绝缘棒、绝缘管)时，常采用陶氏(DOW)，壳牌(Shell)、巴克立特(Bakelite)等国外公司的产品。
继美国陶氏化学在江苏省张家港市建设一年产能4．1万吨环氧树脂生产厂后并拟建一年产能 4万吨的厂；韩国国都化学正在昆山建一年产 2万吨的环氧树脂厂，并拟再建一年产2万吨环氧树脂的生产线。
台塑子公司宏仁集团引进日本东都化成技术在广州兴建了年产能2.3万吨的环氧树脂厂。日本钢铁化学公司子公司Tohto Kasei公司转让技术给黑龙江省齐华化学公司建一年产能2万吨的环氧树脂厂。
值得补充的是，环氧树脂还可用于文物保护。在长江三峡的国家级重点文物重庆市云阳县张飞庙(张桓侯庙)整体搬迁过程中，大量残损砖石是以环氧树脂粘结修补或灌注成型定型 ，使这座始建于三国蜀汉末年(距今 1780年)的古建筑得以回复留存。(end)
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