【环氧板】材料成型加工

环氧板材料通常由增强体、界面界面层和基体组成，其中增强体和界面层是材料强韧化的关键。

相比于块体材料，晶须、纤维、颗粒等材料中，缺陷尺寸受限，因而材料的力学性能优异，作为增强体可提高材料的力学性能。高性能的增强体一般制备技术复杂。制备工艺仍然是材料研究的重点和难点。此外,某些新型材料,如碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维等,还具有电磁、热、光电等功能,是实现材料结构功能一体化的重要途径。

为了传递应力,实现裂纹偏转、纤维拔出、纤维桥接等增韧机制，合理的界面结合强度是必要的，，界面层材料是调控界面结合的途径。此外，它还可以阻止基体与增强体之间的不良反中界面层材料多选用层间刹离力较低的层状材料或较弱的多孔材料，应与环氧板材料中的其他组元具有良好的相容性。

树脂基体种类繁多不同的基体有不同的制备工艺，总体来说,树脂基环氧板材料的制备工 艺可分为一步法和二步法。步法(又称“湿法")是将纤维 直接浸渍树脂一步 固化成型形成环氧板材料;二步法则是预先对纤维浸溃树脂，使之形成纤维和树脂预先混合的半成品,再由半成 品成型制备出环氧板材料制品。早期制造环氧板材料都是采用一 步法工艺，如成型模压制品是先将纤维或织物置于模具中,倒人配好的树脂后加压成型。

一步法工艺简便,设备简单，但存在以下不足:树脂不易分布均匀,在制品中形成富胶区和贫胶区,严重时会出现“白丝”现象;溶剂、水分等挥发物不易去除,形成孔洞;生产效率低,生产 环境恶劣。针对一步法的缺点 ，发展了二步法(“干法”:预先将纤维树脂预先混合或纤维浸渍树脂，经过一定处理，使浸渍物成为种干态或稍有黏性的材料，即半成品材料，再用半成品成型为环氧板材料制品。二步法由于将浸渍过程提前，可很好地控制含胶量并解决纤维树脂均匀分布问题;在半成品制备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分,降低了制品的孔隙率，也改善了环氧板材料成型作业的环境;通过半成品的质量控制，可有效保证环氧板材料制品的质量。对连续纤维增强树脂基环氧板材料,习惯上把这种成型用材料称为预浸料。它是制备环氧板材料制品的重要中间环节,其质量直接影响着成型工艺条件和产品性能。

树脂基环氧板材料的性能不仅取决于所用树脂及添加剂的种类和配比，而且还与其制造方法有极大关系。是树脂基环氧板材料成型加工的典型工艺流程。环氧板材料成型加工包括预浸料等半成品制备、增强材料预成型和环氧板材料固化成型等几方面的内容。环氧板材料半成品的制备主要包括预浸料和预混料的制备,11.2节将做详细说明。环氧板材料预成型的目的是得到接近制品形状的毛坯。成型固化工艺包括两方面内容:一是成型,是根据产品的要求,将预浸料铺制成产品的结构和形状;二是进行固化,是将铺制成-定形状的预浸料，在温度、时间和压力等因素下使形状固定下来,并能达到预计的使用性能要求。不同的工艺方法在这三个方面可能同时或分别进行，但都要完成好树脂与纤维的环氧板、浸渍、固化和成型。在纤维与树脂体系确定后,环氧板材料的性能主要取决于成型固化工艺。

颗粒是指三个维度上的尺度均较小,且长径比接近于1的材料。在环氧板材料中，颗粒作为分散相,常用于改善一-些对结构不敏感的性能，如模量、密度、热导率和硬度等。而对于结构敏感的性能，如强度和韧性，颗粒的改善效果不大。

对于聚合物材料，颗粒的加人可以提高其硬度和热稳定性。金属材料中,颗粒主要起提高硬度、屈服强度和耐磨性的作用。也可通过以下两种效应提高材料的强度:首先，当颗粒的长径比大于1时，可以起到一定的承载的作用;其次，金属材料中使用的颗粒一般具有比基体更低的热导率，材料从较高的制备温度下冷却时,由于热失配引发的热应力会造成颗粒周围的基体中出现位错,起到强化材料的作用。某些情况下，颗粒的加人可以改善陶瓷材料的韧性,例如氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷。表6-1给出了环氧板材料中常用的颗粒材料。

颗粒材料的纯度对不同类型基体的环氧板材料的性能影响是不同的。聚合物基体对于颗粒材料的纯度要求不高，因而多采用天然矿物破碎后得到的颗粒。而在金属基环氧板材料中，颗粒的纯度则尤为重要。在较高的制备温度下，颗粒中的杂质会扩散到合金成分中,改变基体材料性能，并且对界面结合也会产生影响。金属基环氧板材料在使用铸造成型时，常选用氧化物颗粒,因为其一般与金属间的反应活性较低。非氧化颗粒(如SiC)增强金属基环氧板材料在采用铸造工艺时,往往需要对颗粒进行表面处理。

颗粒尺寸对于环氧板材料的性能同样存在显著影响。一般来说，细小的颗粒对于环氧板材料的屈服强度、断裂强度、模量、疲劳强度等具有更好的改善效果。颗粒过于粗大时，环氧板材料的塑性和加工性能将严重下降。然而，颗粒过于细小,尤其是达到纳米级时易于团聚。需要特别关注颗粒的分散性。

非层状界面层一般是氧化物/氧化物环氧板材料界面层。 这类界面又可分为两类:第一类 是为阻止纤维和基体直接接触发生热化学反应的界面涂层，主要有氧化钛、氧化锡、氧化锆、钛酸锆钛酸锡锆等,这类界面的主要问题是脱黏强度较高、界面易分解等;第二类是高表面能的氧化物与增强相或基体存在的弱界面层，这种高表面能氧化物主要是稀土磷酸盐和难溶金属盐，这种界面层存在的主要问题是如何获得化学计量比的界面层，非化学计量比的稀土磷酸盐或难熔金属盐会严重降低环氧板材料强度。

上述界面层都是连续界面层，而在部分氧化物/氧化物环氧板材料，还存在不连续的界面层。如向基体中掺杂活性组元，活性组元会在界面处富集,若富集的组元可降低环氧板材料界面强度，则可提高环氧板材料韧性。这种界面为非连续的界面层。此外，在多孔氧化物陶瓷中，也存在非连续的界面层。非连续的界面层应用较少,不如连续界面层的研究广泛。

关键。环氧板材料通常由增强体、界面/界面层和基体组成，其中增强体和界面层是材料强韧化的相比于块体材料,晶须、纤维，颗粒等材料中,缺陷尺寸受限，因而材料的力学性能优异，作为增强体可提高材料的力学性能。高性能的增强体一般制备技术复杂。制备工艺仍然是材料研究的重点和难点。此外,某些新型材料，如碳纳米管、、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维等，还具有电感热、光电等功能,是实现材料结构功能一体化的重要途径。

为了传递应 力，实现裂纹偏转、纤维拔出、纤维桥接等增制机制，合理的界面结合强度是必应。界面层材料多选用层间剥离力较低的层状状材料或较弱的多孔材料，应与环氧板材料中的其他组元具有良好的相容性。

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