树脂基复合材料——初级入门
空杯心态
古时候一个佛学造诣很深的年轻人人，听说某个寺庙里有位德高望重的老禅师，便去拜访。老禅师的徒弟接待他时，他态度傲慢，心想：我是佛学造诣很深的人，你算老几？后来老禅师十分恭敬地接待了他，并为他沏茶。可在倒水时，明明杯子已经满了，老禅师还不停地倒。他不解地问：“大师，为什么杯子已经满了，装不进去了？”大师说：“是啊，已经满了，满了就装不进去了啊？！”禅师的意思是，既然你已经很有学问了，干嘛还要到我这里拜访？年轻人于是大悟，深刻认识到，大圆满还需要“空杯心态”。 来者急忙叩谢悔过。据说，这就是“空杯心态”的起源。
人生在世——幼时认为什么都不懂，大学时以为什么都懂，毕业后才知道什么都不懂，中年又以为什么都懂，到晚年才觉悟一切都不懂。”“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。 ”——林语堂 ●屈原
什么是复合材料？
复合是否是由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。
万里长城是用整齐的条石、块石和大城砖包砌城墙，胶结材料用的是糯米石灰浆
埃及金字塔是如何建造的？
2000年，法国的约瑟·大卫杜维斯根据化验结果得出结论：金字塔上的石头是用石灰和贝壳经人工浇筑混凝而成的。混合物凝固硬结好，它和天然石头的差别难以分辨。
石头中发现了一缕约1英寸长的人发。
现代考古研究证实人类早在数千年前就知道如何制作混凝土。
草秸增强泥巴筑墙
复合材料解读
复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。我们现在用到的则是非金属复合材料，非金属复合材料又分为树脂基、金属基、陶瓷基、水泥基、石墨基。
热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。
复合效应：复合后形成新的性能构件,加工成型过程中复合材料随之形成。
工艺依赖性：构件性能对工艺方法、过程、参数依赖性较大。
可设计性：力学、机械性能、热、声、光、电、防腐、抗老化等物理、化学性能。
复合材料的性能：拉伸性能、弯曲性能、耐冲击韧性、很好的渗透性、耐温性、耐湿性、抗化学腐蚀性、抗疲劳，使用寿命长达80年以上。
复合材料的组成
通常有一相为连续相，称为基体,如混凝土中的水泥凝胶；
另一相为分散相，称为增强材料,如混凝土中的砂石。分散相以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在相界面-界面相。分散相包括增强纤维,颗粒状或弥散填料。
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
增强材料
复合材料的特点
一体性 ： 构件加工成型过程中复合材料随之形成
可设计性 ： 力学、机械性能、热、声、光、电、防腐、抗老化等物理、化学性能
工艺依赖性：构件性能对工艺方法、过程、参数依赖性较大
复合效应 : 复合后形成新的性能
玻璃钢（行业术语）＝玻璃纤维增强塑料，属树脂基复合材料其中一种。
什么叫玻璃钢？玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。英文名称为（Fiber reinforced plastics缩写FRP）它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）为增强材料，以合成树脂为作基体的一种复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，象玻璃那样，历史上形成了这个通俗易懂的行业术语名称——玻璃钢。根据国家统计局制定的《国民经济行业分类与代码》，中国把玻璃钢归入非金属矿物制品业(国统局代码30)中的玻璃纤维和玻璃纤维增强塑料制品制造(C306)，其统计4级码为C3062。
玻璃钢历史大记事
玻璃钢溯源与国外发展沿革
树脂基复合材料于1932年在美国出现，1938年在美国欧文思,康宁玻璃纤维公司，开始了玻璃纤维工业化生产。当时的玻璃纤维的主要用途是作为电绝缘材料。４０年代初期，一次偶然的机会，含有固化剂的聚酯树脂溢到了几层玻璃布上，过夜之后奇迹发生了，从此诞生了增强塑料工业，玻璃纤维开始用作增强塑料。二次世界大战后玻璃纤维工业迅速发展，达到正规化。
在第二次世界大战期间，当时在"比铝轻、比钢强"这一宣传口号下，玻璃纤维增强塑料被美国空军用于制造飞机雷达罩与副油箱、机翼等构件，并在1950－1951年传入日本，随后便开始了复合材料在民用领域的开发和利用。
1942年第一艘玻璃钢渔船问世，玻璃钢管试制成功并投入使用。
战后，1946年发明了以纤维缠绕法生产压力容器。
1949年预混料模压玻璃钢面市。
1950年真空袋压成型工艺研制成功，手糊环氧玻璃钢直升机旋翼面世。
1951年——1960年发展了布带缠绕高硅氧酚醛耐烧蚀玻璃钢生产导弹头锥；拉挤产品问世。
1965年开展碳纤维、芳纶纤维复合材料。
20世纪50年代末，前苏联成功用于炮弹引信等军工产品，取得高水平成就。
1961年德国率先开发片状模塑料及模压技术SMC。
1963年波形瓦开始机械化生产，美、法、日先后有高生产率的连续生产线设产。
1972年，美国研制成功干湿法生产的热塑性片状模塑料。
20世纪年代瑞士、奥地利、意大利玻璃钢缠绕管生产线成熟，大量用于轻工化工船舶等领域。
美国用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机并试飞成功，这架飞机仅重567kg。
在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料。
我国玻璃钢发展历程
1955年10月，老红军、时任国家重工业部副部长、后任建材工业部部长的赖际发同志赴前苏联考察，发现玻璃钢的优异性能，带回来一块玻璃钢，回国后向党中央报告，组织力量开始研究。
1958年5月，成功研制我国第一块玻璃钢板材。
1958年初，玻璃钢开创性研究工作是在中国建材研究院玻璃钢研究小组（室）开始的。那时建材研究部的前身是建材部玻璃陶瓷研究院抽调出来七名技术人员成立玻璃钢研究小组。这七名同志是文和阳、涂徐梅、何宇声、饶芳甫、方尚华、万进书、詹惠珍。
1960年建材部玻璃设计院成立新材料设计室。
1960年2月4日筹建建工251厂。
1965年9月起，上述二个研究设计室与二五一厂合并，成立北京玻璃钢研究所，同时具有北京二五一厂的名称。
1986年10月升格为国家建材局玻璃钢研究设计院，并继续保留北京二五一厂名称。
1999年更名为北京玻璃钢研究设计院（北玻院）。
1965年12月31日，同济大学新材料结构研究所组建成上海玻璃钢结构研究所。1980年2月4日，更名为上海玻璃钢研究所。2005年12月，更名为上海玻璃钢研究院。
哈尔滨玻璃钢研究院（哈玻院）创建于1960年, 其前身为哈尔滨建筑工程学院玻璃钢研究室，隶属原国家建筑材料工业局。
南京玻璃纤维研究设计院（南玻院）创建于1964年，隶属国家建筑材料工业局。
1999年7月，根据国家经贸委242家科研院所体制改革方案，北玻院和南玻院进入中国非金属矿工业(集团)总公司，哈玻院进入中国建筑材料集团公司，上玻院进入上海建材集团。
北玻院、上玻院、哈玻院、南玻院等玻璃钢复合材料专业研究院所（厂）的建立标志着我国复合材料/玻璃钢工业研究开发组织体系正式成立，中国复合材料／玻璃钢工业肇始50周年即原于此。
人类最早发现的树脂是从树上分泌物中提炼出来的脂状物，如松香等，这是"脂"前有"树"的原因。
直到1906年第一次用人工合成了酚醛树脂，才开辟了人工合成树脂的新纪元。
1942年美国橡胶公司首先投产不饱和聚酯树脂，后来把未经加工的任何高聚物都称作树脂。但是早就与"树"无关了。
树脂又分为热塑性树脂和热固性树脂两大类。对于加热熔化冷却变固，而且可以反复进行的可熔的树脂叫做热塑性树脂，对于加热固化以后不再可逆，成为既不溶解，又不熔化的固体，叫做热固性树脂，如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。
基体树脂
不饱和聚酯
由二元酸与二元醇缩聚而成的含不饱和二元酸或二元醇的线型高分子化合物溶解于单体中而形成的黏稠液体。这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。(英文名Unsaturated Polyester Resin 简称UPR)。厂家习惯以“UP”为缩写。
饱和聚酯树脂的相对密度在1.25左右，热变形温度都在50～120℃，具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。
不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂，当其在热或引发剂的作用下，可固化成为一种不溶不融的高分子网状聚合物。但这种聚合物机械强度很低，不能满足大部分使用的要求，当用玻璃纤维增强时可成为一种复合材料，俗称"玻璃钢"(英文名Fiber Reinforced Plastics 简称FRP)。"玻璃钢"的机械强度等各方面性能与树脂浇铸体相比有了很大的提高。
按具体专用品种分类包括有缠绕树脂、喷射树脂、RTM树脂、拉挤树脂、SMC、BMC树脂、阻燃树脂、食品级树脂、防腐蚀树脂、气干型树脂、宝丽板树脂、工艺品树脂、纽扣树脂、玛瑙树脂、人造石树脂、高透明树脂水晶树脂、原子灰树脂等。
根据不饱和聚酯树脂的结构可分为邻苯型、间苯型、对苯型、双酚A型、乙烯基酯型等;
苯乙烯
不饱和聚酯中应用得最广泛的活性稀释剂——苯乙烯，对不饱和聚酯树脂机械性能、电性能、吸水性、耐化学性等的影响，在实际中应用得最多的交联剂就是苯乙烯，与聚酯的共聚反应活性高，且用苯乙烯做稀释剂的树脂固化速度快、粘度较低，便于施工。固化后的产物电性能也比较好，但耐热性较差，实践证明，苯乙烯对固化后的产品性能起着举足轻重的作用。
苯乙烯含量对弯曲强度的影响
树脂固化体系
不饱和聚酯的生产是由二元酸和二元醇缩聚而得的，而二元酸中，如果含有双键的顺丁烯二酸加入，就会给聚酯的分子带来不饱和性;如果在这种树脂中同时加入也含有双键的单体苯乙烯，组成混合溶液，则这种树脂就不那么安定了。因为，一旦谁能把苯乙烯和树脂中的双键同时打开，那么苯乙烯被打开的双键，就会分别与两个树脂分子中的双键起反应，像一座座桥，把本来是长长的各自独立的树脂分子互相连结起来，成为网状结构。这就是交链反应，也是我们要实现的目的。因此，我们在生产聚酯的原料中安排了含有双键的顺丁烯二酸配进去，树脂生成以后又另外加入含有双键的苯乙烯进去的道理就在此。
什么物质能把树脂和苯乙烯中的双键同时打开？
经过实验，找到了两种主要方式:
①热能;②过氧化物。
只有它们才有能力打开双键，使树脂交联，只有树脂进行网状交联，才能使液态的树脂做成坚固的具备各种性能的FRP。
一、使用过氧化物为固化剂（过氧化甲乙酮）2%
要使双键打开，使树脂固化，可以用加热办法如SMC、BMC模压成型等模具内加热；
二、促进剂。异辛酸钴1.8
增强材料
在复合材料中，凡是能增强基体力学性能的物质称为增强材料。如玻璃钢中的玻璃纤维，碳纤维复合材料中的碳纤维，都称为增强材料。
纤维增强材料的种类
作为结构材料使用的玻璃钢及其它复合材料，常用纤维作增强材料，其种类很多。按其化学组成，大致可分为无机纤维和有机纤维两大类。
无机纤维有：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉纤维及金属纤维等。
有机纤维有：合成纤维如芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等；
天然纤维如棉纤维、剑麻、纸等。
各种材料的比强度和比模量
复合材料至少由两种以上成分复合而成。
1、基体材料（树脂）
2、增强材料（玻璃纤维）。
基体构成复合材料的连续性，增强材料通常呈纤维态分散于基体当中，提高基体的强度和刚度。根据复合材料的性质作用，可将其归纳为：结构复合材料和功能复合材料两大类。
结构复合材料包括：聚合物基（树脂）复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，碳基复合材料（石墨基复合材料），水泥基复合材料等五种。
功能复合材料包括：导电功能复合材料，导磁功能复合材料，换能功能复合材料，阻尼功能复合材料，屏蔽功能复合材料，医学功能复合材料等等。
增强材料——玻璃纤维增强材料
玻璃纤维增强材料
几类复合材料的性能比较
•E－玻璃纤维，无碱纤维，含碱0.8％以下；
•C－玻璃纤维，中碱纤维，含碱8％左右；
•A－玻璃纤维，有碱纤维，含碱12～15％；
•S－玻璃纤维，高强纤维，含碱0.3％；
•M－高弹玻璃纤维；
•L－防辐射玻璃纤维；
增强材料——玻璃纤维的成分及性能
1、E-玻璃 亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。具有良好的电气绝缘性及机械性能，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。
2、C-玻璃 亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维 ，因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。
3、AR玻璃纤维 亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制的。
4、D玻璃 亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。
5、A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
6、S纤维，比E纤维高40%，由于价格昂贵，所以少用，它只是用在火箭的发动机外壳体，飞机的结构部件和高压容器等。
7、还有一种纤维叫碳纤维，它比S纤维优质，被用在国防、军工、航天事业、汽车前盖和尾翼上，它以优越的品质和昂贵的价格而出名。
以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能纤维作为增强材料，并使用高性能树脂、金属及陶瓷为基体的复合材料。先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。
增强材料——耐老化性能
材料总概
玻璃钢是由树脂、玻璃纤维、（毡、布），填料，辛酸钴或环烷酸钴，除此以外，还有二甲基苯胺、二乙基苯胺。术语叫促进剂。还有硬化剂即（过氧化甲乙酮、过氧化环乙酮、但是我们最常用的还是过氧化甲乙酮。还有就是根据客户的要求需要添加的一些辅助剂如：抗老化剂、抗紫外线剂、抗收缩剂、阻燃剂、阻聚剂、缓聚剂、树脂胶衣增稠剂（二氧化硅）、树脂稀释剂（苯乙烯）钛白粉……什么着色剂、触变剂、稳定剂、消泡剂等等。
玻璃纤维增强复合材料的主要组成为增强材料——纤维和基体材料——树脂，纤维的主要功能是承受主要负荷，以及限制微观型纹的扩展。
树脂的主要功能是：固定纤维的位置，承受重力，并将重力传递给纤维，由纤维承受负荷，还能决定复合材料的热、电化学性能，调整材料的制造工艺性能。
填料
什么是填料？
填料是用以改善复合材料性能（如硬度、刚度及冲击强度等），并能降低成本的固体添加剂，它与增强材料不同，填料呈颗粒状。而呈纤维状的增强材料不作为填料。
填料的作用机理：填料作为添加剂，主要是通过它占据体积发挥作用，由于填料的存在，基体材料的分子链就不能再占据原来的全部空间，使得相连的链段在某种程度上被固定化，并可能引起基体聚合物的取向。由于填料的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域内的分子链运动受到限制，而使玻璃化温度上升，热变形温度提高，收缩率降低，弹性模量、硬度、刚度、冲击强度提高。
①降低成型制品的收缩率，提高制品尺寸稳定性、表面光洁度、平滑性以及平光性或无光性等；
②树脂粘度有效的调节剂；
③可满足不同性能要求，提高耐磨性、改善导电性及导热性等，大多数填料能提高材料冲击强度及压缩强度，但不能提高拉伸强度；
④可提高颜料的着色效果；
⑤某些填料具有极好的光稳定性和耐化学腐蚀性；
⑥有增重作用，可降低成本，提高产品在市场上的竞争能力。
填料的种类
1）无机填料和有机填料
①无机类填料 无机类填料主要以天然矿物为原料经过开采、加工制成的颗粒状填料，少数填料是经过处理制成的。a.氧化硅及硅酸盐。b.碳酸盐及碳化物。c.硫酸盐及硫化物。d.钛酸盐。e.氧化物及氢氧化物。f.金属类。
②有机类填料 有机类填料是由天然的动植物及人工合成的有机材料（如再生纤维素、合成树脂等）制成的。
2）惰性填料及活性填料
①惰性填料 是将天然矿石用湿磨研磨后烘干或干磨成粉直接使用。
②活性填料 采用偶联剂表面处理使填料表面有被覆层或天然矿物经过煅烧亦或兼有两种方法。
（3）微球形（实心或空心）填料 微球形填料其主要特征是在任意方向上长度大致相等。a.玻璃微珠 有实心微珠（沉珠）和空心微珠（漂珠）两种。b.聚合物微珠 是有机化合物制成的高分子聚合物微珠。
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