碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展

碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展

摘要：综述了环氧树脂的合成方法、固化方法以及改性的研究现状以及理论知

识，介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产和性能，重点讲述了环氧树脂的改性方法。

关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；改性

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量、综合性能优异的新型纤维材料，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、抗蠕变、耐辐射、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等诸多优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。碳纤维既可用作结构材料来承载负荷,又可用作功能材料。因此在国内外碳纤维及其复合材料近几年的发展都十分迅速。碳纤维的制备是有机纤维进行碳化的过程，在惰性气体中将含碳的有机物加热到3000℃左右，非碳元素脱离，碳元素含量逐步增大并最终形成碳纤维。其典型的宏观结构如图1所示。

图1 碳纤维的宏观结构

a 整体效果

b 局部效果

1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷合成了树脂状产物，1909年俄国化

学家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反应可生成环氧化合物，在19世纪末20世纪初的这两个重大发现揭开了环氧树脂走向世界的帷幕。环氧树脂是一类重要的热固性树脂,是聚合物复合材料中应用最广泛的基体树脂。环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨性能、机械性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐高低温性能,以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点,在胶粘剂、电子仪表、轻工、建筑、机械、航天航空、涂料、电子电气绝缘材料及先进复合材料等领域得到广泛应用[2]。我国环氧树脂的研制开始于1956年，在上海、

沈阳两地首获成功，并在1958年于上海首先开始了工业化生产。到了60年代中期国内开始研究新型的环氧树脂，如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂等种类，70年代末着手开发了元素改性环氧树脂、特种环氧树脂等诸多新品种。

经过五十余年的发展，环氧树脂的生产和应用取得了长足的进步，然而和金属等传统材料相比，我国的环氧树脂产业在生产规模、品种数量、产品质量等方面和发达国家仍有较大差距。

随着国民经济建设中的应用需要越来越多，对环氧树脂本身性能和生产的要求越来越苛刻，我国的环氧树脂产业暴露出了一系列的问题：①首先是产业格局分布不合理，目前我国环氧树脂的产业集中在低端性能的环氧树脂上，导致低端产品产能过剩高端产品发展后续不足的严重问题。②环氧树脂的广大需求刺激了其市场的快速增长，但环氧树脂生产相关的配套体系发展过慢，不能满足环氧树脂生产的需求。③随着环氧树脂使用环境的增多，对环氧树脂的综合性能要求也越来越高，而环氧树脂本身在韧性、耐热性方面的不足大大局限了其发展空间[3]。目前，为了满足环氧树脂的市场需求，环氧树脂产业正向着规模化、高纯化、专用化、精细化、功能化、系列化的六化方向发展。

1 环氧树脂的理化性质

环氧树脂是一种重要的热固性树脂，泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子，相对分子质量都不高。由于分子结构中环氧基团较活泼，它们可以与多种类型的固化剂发生交联反应形成不溶不熔具有三向网状结构的聚合物。环氧树脂具有良好的物理化学性能，对金属和非金属都具有优异的粘结强度，介电性能良好，制品尺寸稳定性好，硬度高，对碱及大部分溶剂的稳定性好，可作浸渍、浇注、层压料、粘结剂、涂料等各种用途。

环氧树脂按化学结构和环氧基结合方式可分为五大类：缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、缩水甘油胺类、脂肪族环氧化合物和脂环族环氧化合物，此外还有混合型环氧树脂。常用的环氧树脂有两种类型：一种是双酚A缩水甘油醚型环氧树脂，被称为双酚A型环氧树脂,其产量占到环氧树脂总产量的90 % ,可由二酚基丙烷(双酚A)与环氧氯丙烷在碱性催化剂（常用NaOH）作用下聚合而得;另一是高官能度环氧树脂(分子中具有2个以上环氧基)，可由线型酚醛树脂和环氧氯丙烷聚合得到。环氧树脂在室温下根据树脂的状态可分为固态环氧树脂和液态环氧树脂。液态环氧树脂主要用作浇注料、无溶剂胶黏剂和涂料等，固态环氧树脂则可以用作溶剂型涂料和固态成型材料等[5]。

环氧树脂含有较活泼的环氧基团，环氧基团是一种共振型三元环，由处在同一平面内的两个碳原子和一个氧原子组成。氧原子的电负性大于碳原子，电子云偏向于氧原子，所以电子云密度高的氧原子和电子云密度低的碳原子是环氧基团的两个活性点。亲电试剂靠近环氧基团时攻击氧原子，而亲核试剂靠近环氧基团时攻击碳原子，两种情况都能使碳氧键断裂三元环开环。环氧基团为三元环结构，其内键角为60°，与正常键角相比小49°有向外扩张的趋势因而环氧基团具有很大的张力。所以，环氧树脂有很大的反应活性以及良好的粘结性。环氧树脂的固化收缩率在所有热固性树脂中最低，因而环氧树脂制品的内应力小、尺寸稳定性好、吸水率低、力学性能良好[3]。

2 环氧树脂的合成方法

环氧树脂的合成主要有两类方法：①多元酚、多元醇、多元酸或多元胺与环氧氯丙烷等含环氧基的化合物经缩聚反应得到缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺等物质。②链状或环状双烯类化合物的双键与环氧酸通过环氧化反应而成。

以二酚基丙烷缩水甘油醚（即双酚A型环氧树脂）为例来说明环氧树脂的合成。双酚A 型环氧树脂是由二酚基丙烷（双酚A）和环氧氯丙烷在碱性催化剂（常用NaOH）作用下缩聚而成的。

液态双酚A型环氧树脂的合成方法主要有一步法和两步法。一步法的工艺是把双酚A 和环氧氯丙烷在NaOH作用下进行缩聚，即开环反应和闭环反应是在同一反应条件下进行。二步法工艺是环氧氯丙烷和二酚基丙烷在催化剂（如季铵盐）作用下，第一步发生加成反应生成二酚基丙烷氯醇醚中间体，第二步在碱性条件下进行闭环反应生成环氧树脂。二步法的优点是：反应时间短，温度波动小易于控制，避免环氧氯丙烷严重水解，产品质量好且稳定。

固态双酚A型环氧树脂的合成方法也可分为一步法和两步法。一步法有水洗法、溶剂萃取法等，两步法有本体聚合法和催化聚合法[5]。

3 环氧树脂固化反应

环氧树脂是指含有两个或两个以上环氧基的低分子化合物，相对分子质量约为340~7000.以环氧树脂和固化剂为主要成分，经配方设计而组成的未固化体系称为环氧树脂固化体系。环氧树脂固化体系经过交联固化而形成的三维网状结构物质称为环氧树脂固化物。环氧树脂分子中环氧基和羟基是固化反应的活性中心，可与多种活性官能团发生反应，进行交联固化或改性。

在环氧树脂固化反应中，影响固化反应的内在因素有环氧树脂、固化剂及固化促进剂的结构，影响固化反应的外在条件主要有反应温度、空气中二氧化碳及溶剂等。固化反应体系中内在因素和外在条件的交互作用，使环氧树脂呈现不同的历程。其中，环氧基的消耗率随反应温度增高而增大。空气中含有的二氧化碳和水，当用伯胺固化环氧树脂时，二氧化碳会与伯胺反应生成氨基甲酸，该反应降低了固化剂的反应活性阻碍了固化反应的进行。Wicks 认为，二氧化碳、水和伯胺反应生成碳酸盐，这种盐与环氧基不反应但在表面上形成浮渣，如果将伯胺和仲胺混合使用则可以减少浮渣。实验证明，环氧树脂的加成固化反应时，氢键接受体溶剂对固化反应起抑制作用，而氢键给予体溶剂对固化反应起促进作用。固化反应中应保证固化反应体系中有机溶剂具有一定的惰性，尽量避免溶剂参与不利的副反应导致固化物性能下降。

环氧树脂的固化反应要在有利的外界环境中进行。应保证空气中无灰尘、相对湿度小于75%，在水下和低温环境下固化时应准确控制给定的固化条件和外界因素。另外，其他助剂等外界因素对环氧树脂对环氧树脂的固化反应速度及固化产物性能也有一定的影响。

环氧树脂的结构和性能之间具有密切的关系。向环氧树脂结构中引入耐热性的刚性基团合成新结构环氧树脂，可以显著提高环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg）、热分解温度、热分层时间等耐热性能。

4 环氧树脂改性方法

环氧树脂固化后交联密度较高,存在内应力大、脆性大，耐冲击性、耐开裂性和耐湿热性较差等缺点,使它在某些高技术领域的应用受到了很大程度的限制。近几年, 纤维增强材料、结构粘接材料、层压板、封装材料等方面要求环氧树脂具有更好的综合性能,尤其对韧性、耐热性、内部应力大小有了更高的要求,所以现阶段对环氧树脂的改性已经成为了一个研究热点。

4.1 环氧树脂的增韧改性

为了提高环氧树脂的韧性，在开始阶段多使用添加增塑剂、增柔剂的方法，但增塑剂、增柔剂大都是相对分子质量不高的低分子物质，它们的加入大大降低了环氧树脂的耐热性、模量、硬度等其他性能。20世纪60年代后,国内外普遍开展了环氧树脂增韧改性的研究工作,以期在热性能、模量及电性能下降不太大的情况下提高环氧树脂的韧性，主要有橡胶弹性体增韧环氧树脂、热塑性树脂增韧环氧树脂、刚性粒子增韧环氧树脂和核壳结构聚合物增韧环氧树脂。

目前,环氧树脂增韧技术进入了多种技术相互渗透的发展阶段,近年来增韧技术的发展主要有以下特点[2、4]: ①环氧树脂采用弹性体增韧时增韧效果明显,但降低了弹性模量、耐热性等。②使用热塑性树脂增韧时,环氧树脂的弹性模量、耐热性等下降不大,但其增韧效果比弹性体增韧效果差。③环氧树脂互穿网状聚合物的内部两结构可以达到分子水平的混

合,从而大幅度提高材料性能的协同效应,对环氧树脂起到的增韧效果较好。④采用热致性液晶聚合物增韧环氧树脂时,在材料刚度不降低的前提下,达到相同的增韧效果所需液晶聚合物的质量分数是热塑性塑料的25 %左右。⑤纳米材料因为其特殊的尺寸效应使其增韧效果明显从而发展潜能巨大。

采用橡胶类弹性体对环氧树脂进行增韧是开始较早的一种增韧方法，其技术的相关研究也比较成熟。增韧效果不仅取决于二者之间连接的牢固程度，二者之间的相互兼容性、分散性以及环氧树脂的固化过程对增韧效果也有影响。到目前为止，用于环氧树脂增韧改性的反应性橡胶和弹性体品种主要有:端羟基丁橡胶(HTBN)、端羧基丁橡胶(CTBN)、端环氧基丁橡胶(ETBN)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、液体无端羧基丁橡胶、聚硫橡胶、丁羟异氰酸酯预聚体、聚氨酯弹性体、丙烯酸酯、橡胶聚醚弹性体和有机硅等[6]。

近年来，李宏静等[7]采用端环氧基硅油及相关聚醚胺预反应物、聚醚胺(D-230)来改性双酚A 型环氧树脂。环氧树脂主链或固化剂键合有机硅与聚醚柔性链段到致密的环氧树脂网状结构中。宋道理等[8]研究后指出，HP-1 环氧固化剂对环氧树脂脆性大的缺陷改善效果很好，HP-1 环氧固化剂进行增韧改性是以曼尼希反应为基础，是一种新型的环氧固化剂。该固化剂不仅保留了曼尼希改性胺固化剂的固有优点，而且改善了环氧树脂韧性差的缺陷，从而扩大了环氧树脂的应用范围。欧召阳[9]等研究发现聚醚醚酮、聚醚酮、聚砜、聚醚砜和聚碳酸酯等热塑性树脂也能用于环氧树脂的增韧，这类聚合物一般都是力学性能、耐热性都较好的工程塑料，它们以热熔化的方式或者以溶液的方式掺入环氧树脂。T-M Don 等[10]研究发现，聚碳酸酯与环氧树脂共混时，要加快环氧树脂在胺系固化剂中的固化反应速度需要的聚碳酸酯的量很少，他们认为是聚碳酸酯链末端的酚基具有催化作用的原因导致。采用溶液混合使二者良好混溶时，在环氧固化反应的早期聚碳酸酯会发生结晶，有助于提高该体系的热力学性能和热稳定性。

4.2 环氧树脂的耐热性改性

聚合物的耐热性能可以通过热变形温度、热分解温度、玻璃化转变温度、热失重残留率等进行衡量。从聚合物的结构与性能的角度来看，要提高环氧树脂及其复合材料的耐热性能，必须要限制其分子的运动。因此，经常采取以下两种措施：①增大交联密度和分子链刚性，从而提高环氧树脂的玻璃化转变温度；②引入刚性有机聚合物或者无机类增强材料做为环氧树脂良好的支撑材料，提高其环氧树脂的热变形温度和热失重残留率。现阶段常用的耐热性分析方法主要有：动态力学分析法（DMA）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TGA）等。

提高环氧树脂体系耐热性主要从两个方面着手：一是通过环氧树脂或固化剂本身导入多官能度、苯环、稠环、液晶结构、酰亚胺等新结构，以改善该体系的耐热性;二是采用共混、共聚等方法对环氧树脂进行改性，比如采用有机硅、热塑性聚合物、纳米材料等物质，以下是这方面相关研究进展的综述。

4.2.1 环氧树脂或固化剂本身导入新结构

目前，环氧树脂或固化剂本身导入的新结构主要有多官能度结构、耐热性刚性基团等。

采用增加环氧树脂官能度的方式可以有效提高固化物的交联密度，进而得到具有较好耐热性的环氧树脂固化物。目前，许多化工公司致力于开发诸如多官能度酚醛环氧树脂、多官能度胺基环氧树脂等多官能团环氧树脂。其中Avon Advanced Polymer Sciences 公司开发出了官能度高达100 的新型环氧树脂XP60 Series(固体)，使其玻璃化温度高达315℃，官能度为70 的XP6050(高粘液体)的玻璃化温度也超过了260℃。

向环氧树脂结构中引入耐热性能好的刚性基团，如苯环、联苯、稠环、酰亚胺等结构将使聚合物骨架结构刚度提高，分子的旋转运动受到限制，从而提高环氧树脂的玻璃化转变温

度、热分解温度等耐热性能[11]。

任华等[12]以1-苯酚和二环戊二烯（DCPD）为主要原料合成的一种新型含萘环和DCPD 结构的环氧树脂，其测试分析结果表明，该环氧树脂的玻璃化温度为236.2℃，失重10%的温度t10%为392.9℃，在高温下具有较高的残炭率。其中，芴系结构的引入同时在环氧树脂骨架中增加了多个苯环，提高了环氧树脂的耐热性能。栾国栋等[13]选用DHPZ-DA为固化剂，进行了双酚F-E/DHPZ-DA体系的固化动力学研究，该体系固化条件确定为150℃/1h+170℃/2h+190℃/1h。双酚F-E/DHPZ-DA体系耐热性能和粘结性能良好，他们研究表明，双酚F-ER:DHPZ-DA=10:4时剪切强度相对较高，常温剪切强度为12.IMPa，150OC老化24h后剪切强度为13.OMPa。该体系的玻璃化温度为207℃，初始分解温度为321℃。

4.2.2 采用共混、共聚等方法改性环氧树脂

采用共混、共聚等方法对环氧树脂进行改性，可以采用的改性物质主要有机硅、热塑性聚合物、纳米材料等。

有机硅的热稳定性、耐氧化性、耐候性、低温性能良好，是优良的改善环氧树脂耐热性的改性剂。有机硅的引入一般采取物理共混法、化学共聚法两种方法。其中，物理共混法制备有优良综合性能的聚合物体系的成本较低，化学共聚法制备的改性环氧树脂聚合物的耐热性和氧化稳定性都得到了提高。宋江选等[14]研究表明，在最佳配比条件下，自制的端硅氧基封端的聚己内酯-聚二甲基硅氧烷（PCL-TESi /PDMS-TESi）与环氧树脂体系的耐热性和柔韧性比纯环氧树脂固化体系提高了144.4 ℃，其t5%可高达310.2 ℃。

利用具有较高耐热性的聚合物与环氧树脂进行物理共混或化学共聚是提高环氧树脂耐热性的一个重要方法。蒋伯成等[15]用聚酰胺酸(PAA)对环氧树脂进行改性，得到了具有耐热性较高的环氧树脂胶黏剂，它的热分解温度高达411℃，而且固化后产物在600℃时固体余重最高可以达到30. 45%。

纳米材料具有较高的比表面积和表面活性，不仅可以提高环氧树脂的耐热性，还能起到增韧的效果。由于纳米材料比表面能大容易团聚，很难在环氧树脂基体中达到纳米尺度的分散，因此现在的研究主要集中在纳米材料的表面改性和纳米材料在环氧树脂中的分散情况及其对环氧树脂性能的影响[16]。郑亚萍等[17]利用插层聚合法使TiO2、SiO2、α-Al2O3三种纳米粒子改性后环氧树脂的玻璃化温度分别最大提高了40 ℃、36 ℃、48 ℃。

4.3 环氧树脂其他性能的改性

4.3.1 阻燃性

环氧树脂的氧指数约19. 5 ，因此环氧树脂的阻燃改性也是一个研究的重点方向。材料具有较高的阻燃性能要求同时具有低烟、低热效应、低毒和高氧指数的性能，也可称为无公害阻燃材料[18]。因为含卤的阻燃剂燃烧时产生有毒物质和腐蚀性烟的量很大，污染环境较严重，所以采用含磷的固化剂可以达到更好的阻燃效果。

董杰等[19]用苯膦酰二氯(BPOD)为A2单体，以三羟甲基丙烷(TMP)为B3单体，用熔融缩聚法合成了超支化聚膦酸酯。用动态力学热分析(DMA)、热失重分析(TGA)分析后结果表明:加入15%的超支化聚膦酸酯后的环氧树脂固化体系的抗冲击强度和拉伸强度分别提高了306%、11.26%，而且氧指数从22提高到了33，该测试结果说明超支化聚膦酸酯固化改性后的环氧树脂阻燃性得到大幅度的提高。

4.3.2 耐湿热型

环氧树脂及其复合材料的使用很多情况下要处在湿热的环境下，比如船体的保护层，对环氧树脂的耐湿热性进行改性也是一个重点研究方向。环氧树脂复合材料耐湿热性能的提高,主要依靠减少树脂基体分子结构中极性基团的数目,使树脂基体与水之间的相互作用降低,从而使树脂基体的吸水率降低。此外,减少复合材料在成型过程中产生的微裂纹、微孔、

自由体积等以及优化复合材料的成型工艺也可以提高环氧树脂的耐湿热性能。固化剂使用含端胺基的苯胺二苯醚树脂进行改性得到环氧树脂复合材料，在空气气氛中，初始分解温度达到305℃, 表观分解温度达到308 ℃,温度指数为189[20]。

5 碳纤维增强环氧树脂复合材料

碳纤维以其优异的性能广泛地应用于各种行业，但是, 碳纤维表面平滑、与基体浸润性差、表面能低、呈现表面化学惰性等特点使其与基体材料的界面粘结力弱，碳纤维增强复合材料的使用受到了一定程度的限制[21]。用环氧树脂与碳纤维复合后得到的材料具有更加优异的性能，其中比模量、比强度和疲劳强度都高于钢，碳纤维增强环氧树脂复合材料不仅可以作为结构材料承载负荷，还可以作为功能材料发挥作用。

拉挤成型工艺简单高效，是目前大量使用的技术较成熟的碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产工艺。拉挤成型工艺生产过程中决定拉挤成型产品性能的主要因素有：纤维和基体本身的性质、原材料的用量配比、纤维的排布、成型模具和工艺参数[3]。拉挤成型生产线安装过程中，纤维原丝架要按生产线的对称轴线对称摆放，安装完成模具后根据模具口的高度来固定集束槽，原丝的牵拉要注意顺序不可混乱否则容易造成生产故障。生产过程中要严格控制牵引速度和温度分布，确保碳纤维和环氧树脂的浸润充分以及树脂固化所需的温度条件。浸胶前纤维要用烘箱进行烘干，以避免空气中的水分等小分子影响环氧树脂和碳纤维之间的界面结合，纤维浸胶不充分抑或浸胶过量都对碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能影响很大。

6 结束语

随着环氧树脂研究的不断深入，环氧树脂的合成、固化、改性的方法都在逐步更新，环氧树脂的韧性、耐高温性等性能都有了不少的提高，而且还在向着更高的高度发展。环氧树脂产业暴露的问题也在逐步解决，环氧树脂的生产越来越符合市场和国民经济建设的需要，前景十分乐观。

参考文献

[1]贺福,王茂章.碳纤维及其复合材料[M].北京:科学出版社, 1995

[2]郑瑞琪,余云照. 合成胶粘剂丛书. 北京:化学工业出版社,1985. 125-154

[3] 乔琨.改性高温高韧环氧树脂及其CF增强复合材料环境适应性研究[D]. 山东大学，2013

[4] Jones C D ,Lyon L A. Modification of epoxy resins by acrylic copolymer with side chained mesogenic units. Polymer ,2000 ,33(22) :8301-8306

[5] 李桂林.环氧树脂与环氧涂料.北京：化学工业出版社，2003

[6] 刘鸿雁．浅谈环氧树脂的改性技术[J]．中国高新技术企业，2010(06):22-23

[7] 李宏静，刘伟区，魏振杰．有机硅聚醚胺增韧改性环氧树脂的研究[J]．涂料工业务，2011，41(01):9 -11

[8] 宋道理，谢跃辉．一种新型环氧树脂固化剂的合成与性能研究[J]．化学与粘合，2010，32(5):45

[9] 欧召阳，马文石，潘慧铭．环氧树脂改性研究新进展[J]．中国胶粘剂，2001，10(2):41 -43

[10] T-M Don，JPBell．J Apply Polymer Science，1998:69 - 95

[11] 曾小亮，刘甲，熊远钦，夏新年．高耐热性环氧树脂的研究进展[J]．化工进展，2009，28(6): 986-990

[12] 栾国栋. 耐高温杂萘联苯环氧胶粘剂及其纳米改性研究.大连理工大学，2011

[13] 任华, 孙建中,吴斌杰,等. 一种新型含萘环结构高耐热型环氧树脂的合成[J]. 浙江大学

学报(工学版), 2007,41 (5): 848-851

[14] 宋江选, 刘平桂, 赫丽华，等. 聚己内酯/聚硅氧烷/环氧树脂复合体系的形态和耐热性能[J]. 材料工程, 2007,(7): 25-28

[15] 蒋伯成，孔德忠，刘丹，汤隽莹，刘达，周浩然．聚酰亚胺改性环氧树脂胶黏剂的研究[J]．化学与黏合，2010，32(2): 13-15

[16] 刘晓蓓，王晓洁，惠雪梅. 耐高温环氧树脂研究进展. 玻璃钢/复合材料,2013,(3):118-121

[17] 郑亚萍, 宁荣昌, 陈立新. 纳米材料对环氧树脂耐热性的改性研究[J]. 热固性树脂, 2006, 21 (1): 18-20

[18] 张多太.新型耐高温阻燃树脂体系的性能及应用[J]．宇航材料工艺，2001(5):19-21

[19] 董杰，陈晓婷．超支化聚膦酸酯改性环氧树脂的研究[J]．天津科技大学学报，2010，25(06):30-32

[20] 张凯，黄渝鸿，郝晓东，周德惠. 环氧树脂改性技术研究进展. 化学推进剂与高分子材料,2004,2(1):12-14

[21] 杨永岗, 贺福, 王茂章, 等. 碳纤维表面处理及其评价[J]. 材料研究学报,1996, 10(5) : 460-465

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺 一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的 产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称玻璃钢”）逾90 万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。 复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP （碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP ）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y 按基体材料不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 本文讨论环氧树脂基复合材料。 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8% ； 粘结力强； 有B阶段，有利于生产工艺； 可低压固化，挥发份甚低； 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。 值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能（按ASTM） 以FW （纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。 表1 GF/EPR与钢的性能比较 玻璃含量GF/EPR （玻纤含量80wt%） AISI1008 冷轧钢 相对密度 2.08 7.86 V 拉伸强度551.6Mpa 331.0MPa 拉伸模量27.58GPa 206.7GPa 伸长率1.6% 37.0% 弯曲强度689.5MPa 弯曲模量34.48GPa 压缩强度310.3MPa 331.0MPa 悬臂冲击强度2385J/m 燃烧性（UL-94）V-O

新型高强度玻璃纤维制备及其增强环氧树脂性能.

2010 年第 17 期·航空制造技术 75 新型高强度玻璃纤维制备及其 增强环氧树脂性能 * 中材科技股份有限公司刘建勋祖群朱建勋 高强度玻璃纤维与普通无碱玻璃纤维相比具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、耐高温等优良性能, 广泛应用于航空、航天、兵器、舰船、化工等领域。 目前, 主要高强度玻璃纤维有:美国的“S -2” 、日本的“T” 纤维、俄罗斯的“ВМЛ” 纤维、法国的“R” 纤维和中国的“H S” 系列纤维 [3-6]。表 1是不同牌号高强度玻璃纤维的性能比较, 同时与 E-glass 纤维作对比。 从表 1可以看出, 目前我国性能较高的“H S-4” 玻璃纤维, 其力学性能和法国“R”玻璃纤维、俄罗斯 刘建勋 毕业于南京理工大学国家特种超细粉体研究中心, 获工学博士学位。2008~2010年, 南京玻璃纤维研究设计院博士后、高级工程师, 江苏省颗粒学会理事。主持国防军品配套、江苏省自然科学基金等国家和省科技项目, 现在主要从事特种玻璃纤维成分与性能研究。发表 SCI、 EI 文章 10余篇。 Preparation of New High-Strength Glass Fiber and Performance of Reinforced Epoxy Resin

* 国家高技术研究发展计划 (863计划资助项目 (2007AA03Z549 ; 江苏省自然科学基金资助项目 (BK2009488 。 高强度玻璃纤维与普通无碱玻 璃纤维相比具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、耐高温等优良性能, 广泛应用于航空、航天、兵器、舰船、化工等领域, 如导弹发动机壳体、宇航飞机内衬、枪托、发射炮筒、防弹装甲、高压容器等。随着科技的发展, 高强度玻璃纤维在各工业领域的需求量也在不断扩大[1-2]。 76 航空制造技术·2010 年第 17 期 及浸胶纱强度及层间剪切强度。 (2 玻璃纤维新生态强度的检测。 根据标准 A S T M D -2102, 取熔制好的玻璃约 60g, 放入单孔铂铑坩埚内, 在1440℃ ~1450℃下再熔融, 通过控制常规的玻璃纤维成型工艺参数 (液面高度、热点温度、拉丝机转速等 , 拉制成直径为7~8μm 的连续玻璃纤维, 采用强力测试机测试其新生态强度, 测试环境湿度必须控制在规定范围内。 (3 玻璃纤维耐温性的检测。玻璃纤维的耐温性采用软化点来判定, 软化点温度越高, 耐温性越好, 反之则耐温性差。软化点的测试方法与其他玻璃纤维软化点测试方法相同, 采用吊丝法(按 A S T M C -338 测试, 匀速升温, 激光位移感应器记录玻璃伸长速率, 当伸长率

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备

综合实验研究 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备 院系：航空航天工程学部 专业：高分子材料与工程专业 指导教师：于祺 学生姓名：王娜

目录 第1章概述 1.1 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的研究现状 1.2 本次试验的目的及方法 第2章手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料 2.1实验原料 2.1.1环氧树脂 2.1.2玻璃纤维 2.1.3咪唑固化剂 2.1.4活性稀释剂 2.2手糊成型简介 2.4实验部分 2.4.1实验仪器 2.4.2实验步骤 第3章力学性能测试 3.1剪切强度 3.2弯曲强度 3.3实验数据的分析 3.3.1 浸胶的用量及均匀度 3.3.2 固化时间与温度的影响 3.3.3 活性稀释剂的用量 第4章结论与展望 4.1结论与展望 参考文献

第1章概述 1.1 玻璃纤维增强环氧树脂复材的研究现状 EP/玻璃纤维(GF)复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EP/GF复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、加工成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重要材料。且复合材料的研究水平已成为一个国家或地区科技经济水平的标准之一。目前美，日，西欧的水平较高，北美，欧洲，日本的产量分别占33%，32%，30%。毋庸置疑，EP/玻璃纤维(GF)复合材料的质量轻，高强度等优于金属的特性，会在某些领域更广泛的使用，目前复材的粘接性能与力学性能成为主要的研究方面。目前主要的成型方法有手糊成型，缠绕成型，热压管成型，RTM成型，拉挤成型。 1.2 本次试验的目的及方法 实验由学生自行设计采用一种固化体系，用手糊成型方法制备EP/玻璃纤维(GF)复合材料，再测量材料的力学性能如，弯曲，剪切。目的在于1，了解材料科学实验所涉及到的设备的基本使用。 2，掌握环氧树脂固化体系的配置及设计。 3，对手糊成型操作了解，及查找文献完成论文的能力。 就此要求我们第2组采用环氧树脂E-44，20cm×20cm的玻璃纤维布15张，用咪唑固化剂并加入稀释剂防止体系过粘。通过查阅相关文献，确定咪唑固化环氧树脂的最佳固化条件：60℃/2h+80℃/2h，制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，之后将制备的样品进行力学性能测试，其层间剪切强度为5.750Mpa，弯曲强度为127.64Mpa。

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分 组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y

按基体材料不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 本文讨论环氧树脂基复合材料。 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%； 粘结力强； 有B阶段，有利于生产工艺； 可低压固化，挥发份甚低； 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能（按ASTM） 以FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。 表1 GF/EPR与钢的性能比较 玻璃含量GF/EPR（玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢

碳纤维增强复合材料概述

碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究 齐齐哈尔大学 摘要：玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差，并不适于作为结构用材，但若抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，配合树脂赋予其形状以后可以成为优良之结构用材。本文将对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的的研究现状及研究方向进行分析，为新的研究方向探索道路。 关键词：玻璃纤维环氧树脂复合材料研究现状研究方向 1、前言 玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强，疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，在各个领域都有着广泛的应用，用玻璃纤维和环氧树脂可以制造层合制品，是一类性能优良的绝缘材料，广泛用于电力、电器、电子等领域，玻璃纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比模量，而且耐疲劳、耐腐蚀。最早用于飞机、火箭等，近年来在民用方面发展也很迅猛，在舰船、建筑和体育器械等领域得到应用，并且用量不断增加。其中，环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，它适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，调节粘度范围大，以便适应不同的生产工艺。它的贮存寿命长，固化时不释放挥发物，同化收缩率低，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，环氧树脂“统治”着高性能复合材料的市场 目前，复合材料输电杆塔已在欧美和日本得到应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟。我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究，鉴于当时材料性能和制造工艺的限制，复合材料电杆未能得到推广使用。近年来，随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步显露，电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究。 随着电网建设的快速发展，出现了全国联网、西电东送、南北互供的建设格局，输电线路工程口益增多，对钢材的需求越来越大，消耗了大量的矿产资源和能源，在一定程度上加剧了生态环境破坏。并且，线路杆塔采用全钢制结构，存在质量大、施工运输和运行维护困难等问题。因此，采用新型环保材料取代钢材建造输电杆塔得到了输电行业的关注。玻璃纤维增强树脂基复合材料，具有高强轻质、耐腐蚀、耐久性能和电绝缘性好、易维护、温度适应性强、性能可设计、环境友好等特点，成为输电杆塔结构理想的材料。日益受到围内外电力行业的关注。目前，纤维增强复合材料输电杆塔由于其优良的综合性能已在日本和欧美地区得到应用，其中美国的研究开发和应用较为成熟，已制定了相关的产业标准，美国土木工程师学会已制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准。 在输电杆塔中推广应用复合材料不仅能减少对矿产资源的破坏、保护环境，而且易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时减小塔头尺寸，降低线路的维护成本。 2、低温性能研究 2、1单向复合材料板的制作 首先，取一定数量加热的环氧树脂，然后，加入增韧剂和稀释剂，在65℃

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

树脂性能对比以及玻璃纤维介绍

树脂性能介绍以及玻璃纤维简介 不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯是不饱和二元羧酸（或酸酐）或它们和饱和二元羧酸（或酸酐）组成的混合酸和多元醇缩聚而成的，具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚酯化缩聚反应是在190～220℃进行，直至达到预期的酸值（或粘度）。在聚酯化缩反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。 物理性质 1、相对密度在1.11～1.20左右，固化时体积收缩率较大 2、耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在50～60℃，一些耐热性好的树脂则可达120℃ 3、力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度 耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好， 4、耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。 5、介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。 化学性质 不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。 乙烯基树脂 乙烯基树脂又称为环氧丙烯酸树脂，是60年代发展起来的一类新型树脂，其特点是聚合物中具有端基不饱和双键。 乙烯基树脂具有较好的综合性能：①由于不饱和双键位于聚合物分子链的端部，双键非常活泼，固化时不受空间障碍的影响，可在有机过氧化物引发下，通过相邻分子链间进行交联固化，也可和单体苯乙烯其聚固化；②树脂链中的R基团可以屏蔽酯键，提高酯键的耐化学性能和耐水解稳定性；③乙烯基树脂中，每单位相对分子质量中的酯键比普通不饱和聚酯中少35%～50%左右，这样就提高了该树脂在酸、碱溶液中的水解稳定性； ④树脂链上的仲羟基和玻璃纤维或其它纤维的浸润性和粘结性从而提高复合材料的强 度；⑤环氧树脂主链，它可以赋和乙烯基树脂韧性，分子主链中的醚键可使树脂具有优异的耐酸性。 环氧树脂 环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环 氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子 结构中含有活泼的环氧基团，使它们可和多种类型的固化剂发生交联反应而形成不 溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。 环氧树脂的性能和特性 1、形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种使用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。 2、固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。 3、粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。 4、收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的

天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展_陈健

第44卷第5期 2010年9月生 物 质 化 学 工 程B iomass Che m ical Eng i n eering V o.l 44N o .5 Sep .2010 天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展 收稿日期:2010-06-22 基金项目:国家863计划资助(2007AA 100704);国家林业局948创新重大项目(2006-4-C03);国家林业局948引进项目 (200-4-77)。 作者简介:陈健(1980-),男,江苏江都人,助理研究员,主要从事天然资源化学利用及环氧树脂高分子材料研究 *通讯作者:孔振武,研究员,博士,博士生导师,主要从事天然资源化学利用及聚合物高分子材料研究;E -m ai:l kongzhenw u @yahoo .co https://www.sodocs.net/doc/c04570476.html, 。 陈健1,孔振武1,2*,吴国民1,2,储富祥1,2 (1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点 开放性实验室,江苏南京210042;2.中国林业科学研究院林业新技术研究所,北京100091) 摘 要:从天然植物纤维及其改性方法、基体环氧树脂及特性和复合材料的成型方法等方面综述了近年来国内外利用天然植物纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展。 关键词:天然植物纤维;环氧树脂;复合材料 中图分类号:TQ351 文献标识码:A 文章编号:1673-5854(2010)05-0053-07 Researc h Progress on NaturalVegetable F ibres Rei nforced Epoxy Resi n Co mposites C H EN Jian 1,KONG Zhen -wu 1,2,WU Guo -m in 1,2,C HU Fu-x iang 1,2 (1.Institute of Che m ical Industry of Forest P roduc ts ,CAF;N ationa l Eng i neer i ng Lab .for B i om ass Chem ical U tilizati on ;K ey and O pen Lab .on Fo rest Che m ical Eng i nee ri ng ,SFA,N an ji ng 210042,Ch i na ; 2.Instit ute o f N e w T echno logy of F orestry ,CAF,Be iji ng 100091,Ch i na) Abstrac t :It w as rev i ewed on t he progress i n natural vege tab l e fibres re i nforced epoxy resi n com posites a t ho m e and abro ad i n recent years ,wh i ch i nc l udi ng natural vege tab l e fibres and the mod ifi cation m ethods ,epoxy resin ma tr i xes and the character istics ,and t he processi ng m ethods o f co m po sites . K ey word s :natura l vege tab l e fi bre ;epoxy resi n ;co m posites 由于化石资源的日趋短缺,人们在不断寻找新能源、新材料以替代煤炭和石油化工产品,以缓解或解决能源与资源危机。玻璃纤维和碳纤维复合材料在给人类生活带来方便的同时,又给人类带来了资源短缺、回收利用及环境影响等新的问题。利用生物质可再生资源开发环境友好绿色复合材料成为当前世界各国关注和研究的热点之一。天然植物纤维增强环氧树脂复合材料是利用天然可再生植物纤维与环氧树脂基体复合而成的一种新型复合材料。传统环氧树脂复合材料通常以无机粉体、碳纤维和玻璃纤维等为增强体,而天然植物纤维增强环氧树脂复合材料以天然植物纤维为增强体,这为环氧树脂复合材料的应用开辟了新的途径[1-2]。天然植物纤维具有来源丰富、价格低廉、可再生、可降解等优点[3],但存在性能不均一、易吸湿以及与基体树脂相容性差等缺点,在环氧树脂复合材料中的应用受到制约。通过物理、化学方法对天然植物纤维表面改性,可降低植物纤维的表面自由能,增强纤维与基体树脂的界面相容性,从而提高复合材料的综合性能[4]。以天然植物纤维增强环氧树脂复合材料替代木材或玻 璃纤维材料是目前天然植物纤维综合利用的主要途径之一[5]。随着全降解基体高分子材料的不断研 究开发,用天然植物纤维与全降解基体复合制成生物降解复合材料,如以纤维素、淀粉衍生物等天然多聚糖为原料制备可生物降解树脂,再与天然纤维复合制备性能优良的全降解复合材料,可应用于各种环保材料。以天然植物纤维增强的高分子基复合材料将是21世纪环保时代的/绿色产品0,开发轻质、低

碳纤维_树脂基复合材料导电性能研究

第27卷 第5期 2005年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.27 No.5 M ay 2005 碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究 于 杰,王继辉,王 钧 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070) 摘 要: 研究了短切碳纤维/乙烯基酯树脂导电性与短切碳纤维含量、长径比、纤维取向的关系及其PT C 效应。短切碳纤维长径比越大、取向角越小,材料的渗虑阈值越低,导电性越好。渗虑阈值之后,纤维含量越低,PT C 效应越明显,转变温度越低;实验还发现体积膨胀是导致PT C 效应的主要因素之一,通过分析PT C 效应与体积膨胀之间的关系,得出渗滤区域材料的导电性受导电通路与隧道效应的综合影响,当纤维含量较高时,导电性能基本只受导电通路的控制。关键词: 短切碳纤维/乙烯基酯树脂; 导电性; 长径比; PT C 中图分类号: T B 332文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)05-0024-03 Study on Electric Properties of Carbon Fiber/Polymer Composites Y U J ie,WAN G J i -hui,WAN G Jun (Schoo l of M aterials Science and Engineering,Wuhan U niversity of T echnolo gy,Wuhan 430070,China) Abstract: T he electr ical co nduct ivity and P T C effect of chopped -carbon fiber filled viny-l ester resin composites were studied.Filler aspect r at io and filler orientation were found to evidently affect t he composites conductiv ity.It w as also proved that the volume ex pansion was a main factor.It has r esulted in the composites .PT C behavior ,w hich is mor e sensitive and evident when the filler fraction is w ithin t he percolation r eg ion.It also advanced the conductive mechanism based on the analysis of the rela -tion between volume expansion and PT C behav ior. Key words: chopped -carbon fiber/viny-l ester r esin; electrical conductivity ; aspect ratio; P T C 收稿日期:2005-01-30. 基金项目:军工863项目(2003AA 305920).作者简介:于 杰(1980-),男,硕士生.E -mail:yujiejack@https://www.sodocs.net/doc/c04570476.html, 复合型导电高分子材料可以在较大范围内根据需要调节材料的电学、力学性能及其它性能,而且成本较低、易于成型并进行大规模生产,是当前研究开发的重点。其中,碳纤维作为一种纤维状导电填料,填充树脂、橡胶、橡塑共混物等复合型导电高分子材料的研究也经常见诸报道[1,2]。虽然针对碳系填料填充的热塑性树脂复合材料的研究十分广泛,但关于以热固性树脂为基体的导电复合材料的研究却少有报道。以短切碳纤维/乙烯基酯树脂为研究对象,研究了碳纤维含量、长径比及纤维的取向对复合材料导电性能的影响,并对其PT C 效应进行了研究,力图探索短切碳纤维填充热固性树脂基复合材料的导电机理。 1 实 验 1.1 试样制备 碳纤维:PAN 基纤维,型号HTA -12K,由OH O TAYON 公司生产;树脂:3201# 乙烯基酯树脂,上海新华树脂厂生产;固化剂:过氧化苯甲酰,促进剂:环烷酸钴,均由武汉理工大学树脂厂生产。将各长径比(1mm 、3mm 、5mm)的碳纤维按不同的含量(0.5%~10%)与树脂、固化剂及促进剂混合搅拌均匀,浇注到钢模中,140e 下固化20m in,自然冷却,脱模后加工成50m m @20mm @4mm 的片材。

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料 编辑本段概况 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使其复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 编辑本段结构 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。 编辑本段用途 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

碳纤维增强环氧树脂复合材料性与结构的研究

1.1.1 复合材料定义 复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合材料来提高单一材料所不能发挥的各种特性。 1.1.2 EP/CF复合材料的应用 环氧树脂（EP）/碳纤维（CF）复合材料具有比强度、比模量高，密度小，结构尺寸稳定，耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，其既可以作为结构材料承载又可以作为功能材料发挥作用，已成为航空航天领域的首选材料。 1.2 双酚A型环氧树脂 1.2.1 双酚A型环氧树脂的定义 双酚A型环氧树脂是由环氧氯丙烷与双酚A（二酚基丙烷）在碱性催化剂作用下反应而生成的产物， 1.2.2 双酚A型环氧树脂的固化原理 在环氧树脂的结构中有羟基（〉CH—OH）、醚基（—O—）和极为活泼的环氧基存在，羟基和醚基有高度的极性，使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力，而环氧基团则与介质表面（特别是金属表面）的游离键起反应，形成化学键。因而，环氧树脂具有很高的黏合力，用途很广，商业上被称作“万能胶“。此外，环氧树脂还可做涂料、浇铸、浸渍及模具等用途。但是，环氧树脂在未固化前是呈热塑性的线型结构，使用时必须加入固化剂，固化剂与环氧树脂的环氧基等反应，变成网状结构的大分子，成为不溶且不熔的热固性成品。环氧树脂在固化前相对分子质量都不高，只有通过固化才能形成体形高分子。环氧树脂的固化要借助固化剂，固化剂的种类很多，主要有多元胺和多元酸，他们的分子中都含有活波氢原子，其中用得最多的是液态多元胺类，如二亚乙基三胺和三乙胺等。环氧树脂在室温下固化时，还常常需要加些促进剂（如多元硫醇），已达到快速固化的效果。固化剂的选择与环氧树脂的固化温度有关，在通常温度下固化一般用多元胺和多元硫胺等，而在较高温度下固化一般选用酸酐和多元酸为固

碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究

碳纤维表面处理及其增强环氧树脂复合材料界面性能研究 摘要：碳纤维（CF）增强树脂基复合材料（CFRP）是先进复合材料的典型代表，具有密度小、力学性能优异、耐热、耐低温等优点，在航空航天、军事、汽车、体育等领域具有重要的应用前景，但是碳纤维表面光滑呈惰性，与树脂基体的界面粘结性差，限制了CFRP复合材料性能的发挥。针对这一问题，本文采用PAN基碳纤维和双酚A型环氧树脂作为复合材料的增强相和树脂基体，展开CF的表面处理及其CFRP复合材料界面性能的研究。本文采用氨水处理和浓HNO3处理碳纤维表面，通过单丝拔出实验测试复合材料的界面结合强度来表征复合材料的界面粘结性能，并分析了机械锚定和化学键合两种作用共同出现并对复合材料界面性能起改善作用时，两个因素之间的关系，以及起主导作用的因素，对碳纤维与树脂间相容性机理的研究具有知道作用。 关键词：碳纤维；环氧树脂；复合材料；表面处理；界面性能 1、引言 1.1碳纤维概述 碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，是一种高性能的先进非金属材料。根据原料不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）系碳纤维、沥青系碳纤维、黏胶系碳纤维、人造丝系碳纤维等。其中聚丙烯腈基碳纤维综合性能最好，产量占碳纤维总产量的90％以上。由于原料及制法不同，所得碳纤维的性能也不一样。根据力学性能的不同，碳纤维可分为超高强度碳纤维（UHS）、高强度碳纤维（HS）、超高模量碳纤维（UHM）、高模量碳纤维（HM）、中等模量碳纤维（MM）、普通碳纤维等等。 我国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。目前，利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水品。但是与国际水平相比，国产碳纤维强度低、平均稳定性差、毛丝多、品种单一且价格昂贵，而且国内碳纤维总生产能力较小，不能满足国内的需要，仍需大量进口。这些都严重影响了我国高新技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济发展进程不相称。所以研制生产高性能和高质量的碳纤维以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，是当前我国碳纤维工业发展的迫切任务。 碳纤维具有石墨的基本结构，但不是理想的石墨点阵结构，而是所谓的乱层石墨结构。在碳纤维形成过程中，其表面会形成各种微小的缺陷，碳纤维的表面活性与处于边缘和缺陷位置的碳原子数目有关。碳纤维的密度小，质量轻，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2；具有优异的力学性能，热稳定性优良等优点。 1.2碳纤维复合材料 尽管碳纤维单独使用发挥某些功能，但它属于脆性材料，只有将它基体材料牢固地结合在一起时，才能有效发挥其优异的力学性能。因此，碳纤维主要用作复合材料中的增强相。目前用途最广的是碳纤维增强树脂基复合材料。主要分为两大类：一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团高分子量聚合物组成；成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成不熔不溶的交联体型结构。在复合材料中常采用的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解熔融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。

玻璃纤维纱工艺

玻璃纤维纱工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺 一、前言 相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。 复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是

基体。y 按基体材料不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 本文讨论环氧树脂基复合材料。 1、为什么采用环氧树脂做基体？ 固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%； 粘结力强； 有B阶段，有利于生产工艺； 可低压固化，挥发份甚低； 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能（按ASTM） 以FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。

碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展

碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展 摘要：综述了环氧树脂的合成方法、固化方法以及改性的研究现状以及理论知 识，介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产和性能，重点讲述了环氧树脂的改性方法。 关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；改性 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量、综合性能优异的新型纤维材料，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维作为一种高性能纤维,具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、抗蠕变、耐辐射、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等诸多优异性能。此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。碳纤维既可用作结构材料来承载负荷,又可用作功能材料。因此在国内外碳纤维及其复合材料近几年的发展都十分迅速。碳纤维的制备是有机纤维进行碳化的过程，在惰性气体中将含碳的有机物加热到3000℃左右，非碳元素脱离，碳元素含量逐步增大并最终形成碳纤维。其典型的宏观结构如图1所示。 图1 碳纤维的宏观结构 a 整体效果 b 局部效果 1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷合成了树脂状产物，1909年俄国化 学家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反应可生成环氧化合物，在19世纪末20世纪初的这两个重大发现揭开了环氧树脂走向世界的帷幕。环氧树脂是一类重要的热固性树脂,是聚合物复合材料中应用最广泛的基体树脂。环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨性能、机械性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐高低温性能,以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点,在胶粘剂、电子仪表、轻工、建筑、机械、航天航空、涂料、电子电气绝缘材料及先进复合材料等领域得到广泛应用[2]。我国环氧树脂的研制开始于1956年，在上海、 沈阳两地首获成功，并在1958年于上海首先开始了工业化生产。到了60年代中期国内开始研究新型的环氧树脂，如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂等种类，70年代末着手开发了元素改性环氧树脂、特种环氧树脂等诸多新品种。 经过五十余年的发展，环氧树脂的生产和应用取得了长足的进步，然而和金属等传统材料相比，我国的环氧树脂产业在生产规模、品种数量、产品质量等方面和发达国家仍有较大差距。

玻璃纤维增强环氧树脂

玻璃纤维增强环氧树脂 1010121511 郭金玲 一、玻璃纤维增强环氧树脂的简介及其优缺点 玻璃纤维增强环氧树脂，是指以长纤维、布、带、毡等玻璃纤维作为增强材料，以环氧树脂作为基体的纤维增强塑料，属于玻璃钢，是玻璃纤维增强热固性塑料的一种。是一种性能很好的聚合物基复合材料。 １、优点 纤维在复合材料中起增强作用，所以玻璃纤维环氧树脂的特点之一就是比重小、比强度高，比重为1.6-2.0，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级合金钢还高。玻璃纤维增强环氧树脂的耐腐蚀性在玻璃纤维增强热固性塑料（ＧＦＲＰ）中是最为突出的，在酸、碱、有机溶剂、海水等介质中均很稳定，其他ＧＦＲＰ虽然不如玻璃纤维增强环氧树脂，但是其腐蚀性也都超过了不锈钢。玻璃纤维增强环氧树脂具有很多的属于ＧＦＲＰ的共同特点，例如它是一种良好的电绝原材料，它的电阻率和击穿电压强度两项指标都达到了电绝缘材料的标准。它也不受电磁作用的影响，不反射电磁波，微波透过性好。除此外还有保温、隔热、隔音、减振等性能。 玻璃纤维增强环氧树脂是ＧＦＲＰ中总体性能最好的，从下面图表中可以看出 环氧树脂固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；粘结力强；有B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低；固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。 以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。 玻璃含量GF/EPR(玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢 相对密度 2.08 7.86 拉伸强度551.6Mpa 331.0MPa 拉伸模量27.58GPa 206.7GPa 伸长率 1.6% 37.0% 弯曲强度689.5MPa 弯曲模量34.48GPa 压缩强度310.3MPa 331.0MPa ２、缺点 环氧树脂的固化反应是一种放热反应，一般易产生气泡，只要在树脂少添加点添加剂，一般很少发生鼓泡现象。 它的最大不足就是环氧树脂粘度大，加工不太方便，而且成型时需要加热，如在室温下成型会导致环氧树脂固化反应不完全，因此不能制造大型的制件，使用范围受到一定的限