武漢理工大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料系系主任王鈞教授最新力作——《感悟復(fù)合材料之魅力》

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感悟復(fù)合材料之魅力
——復(fù)合材料制品創(chuàng)新探討

王 鈞
武漢理工大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料系

        摘要：作者總結(jié)了其從事復(fù)合材料工作二十多年來的部分實(shí)踐及感想，重點(diǎn)對復(fù)合材料的特點(diǎn)、組成與創(chuàng)新之間的關(guān)系提出了自己的一些想法和見解，并結(jié)合工程實(shí)踐的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
   
        復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料或物質(zhì)，在發(fā)揮各自特性和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，按照相應(yīng)的復(fù)合原理，通過一定的工藝方法，制備出的一類具有新特性、新功能的結(jié)構(gòu)與材料。與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料可以通過材料、結(jié)構(gòu)、工藝之間的組合來靈活實(shí)現(xiàn)。這種組合充滿著自由與變化，就給從事復(fù)合材料理論與工程技術(shù)研究、生產(chǎn)的從業(yè)人員，提供了一個(gè)創(chuàng)新的平臺，這種自由和變化正是復(fù)合材料的魅力所在。

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一、復(fù)合材料的理解與創(chuàng)新
1.1創(chuàng)新的起點(diǎn)
復(fù)合材料是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的學(xué)科和行業(yè)，決定了認(rèn)識復(fù)合材料，必須通過實(shí)踐才能獲得真知，實(shí)踐是一個(gè)感知的過程；在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)由實(shí)踐到認(rèn)識的跨越，還必須通過思考這一領(lǐng)悟的過程。
只有對復(fù)合材料有所感知、有所領(lǐng)悟，才能深入的理解復(fù)合材料的本質(zhì)，才能更好的運(yùn)用復(fù)合材料的特點(diǎn)，從而達(dá)到創(chuàng)新的目的，“感悟”是復(fù)合材料創(chuàng)新的起點(diǎn)。

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1.2創(chuàng)新的原則
與傳統(tǒng)材料相比復(fù)合材料既是一種材料，也是一種結(jié)構(gòu)，而且材料、結(jié)構(gòu)、功能具有一致性。這種材料和結(jié)構(gòu)特性，只能通過具體的制品才能得以體現(xiàn)，因此無論是從事復(fù)合材料理論研究，還是工程技術(shù)研究的目標(biāo)都是研制出更能發(fā)揮材料特性、效率的制品及制備方法。在這個(gè)過程中任何材料、工藝和結(jié)構(gòu)沒有優(yōu)劣之分，只有使用是否科學(xué)、合理、有效之別，科學(xué)、合理、效率是復(fù)合材料制品創(chuàng)新必須遵守的原則。

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1.3創(chuàng)新的基礎(chǔ)
復(fù)合材料涉及材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械、電子等多個(gè)學(xué)科的知識，是一個(gè)跨多個(gè)學(xué)科、交叉性很強(qiáng)的新學(xué)科方向。從圖1我們可以直觀的看出，決定復(fù)合材料制品性能的要素有材料、工藝、結(jié)構(gòu)和測試。其中材料是基礎(chǔ)、制品是目的、工藝、結(jié)構(gòu)、測試是手段、橋梁和保障。
各要素所涉及的內(nèi)容：
材料方面有基體材料、增強(qiáng)材料及其它輔助、功能材料等；
工藝方面主要有工藝方法、成型設(shè)備、工藝參數(shù)及控制等；
結(jié)構(gòu)方面主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)校核及優(yōu)化等；
測試方面有測試方法、測試設(shè)備、材料測試、制品檢測等。
在材料向復(fù)合材料制品轉(zhuǎn)換中，各要素既相互聯(lián)系，又相互制約、相互作用。只有把材料、結(jié)構(gòu)、工藝有機(jī)的結(jié)合為一個(gè)整體，才能有所創(chuàng)新。因此創(chuàng)新的基礎(chǔ)是知識的積累、吸收、思考、運(yùn)用，其中最為關(guān)鍵是思考和運(yùn)用。

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圖1 復(fù)合材料制品與各要素關(guān)系圖

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1.4創(chuàng)新的方法
復(fù)合材料最大的特點(diǎn)——可設(shè)計(jì)性，即使同一種制品，都會隨材料、工藝和結(jié)構(gòu)的不同選擇，而表現(xiàn)出不同的性能，因此復(fù)合材料制品都既有共性，但又有個(gè)性。創(chuàng)新就是解決共性中的個(gè)性問題，只有充分發(fā)揮可設(shè)計(jì)性，表現(xiàn)出個(gè)性，就能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。
發(fā)揮可設(shè)計(jì)性的方法——“合”與“變”。
“合”——集合、組合；
“變”——變化。
    材料方面——可以通過對樹脂、纖維種類進(jìn)行優(yōu)選、改性、組合、混合發(fā)揮材料的可選擇性，從而獲得具有不同特性的制品；
    工藝方面——可以通過不同工藝的組合、集成、改進(jìn)等發(fā)揮工藝的可利用性；
    結(jié)構(gòu)方面——可以通過結(jié)構(gòu)之間的組合、構(gòu)成優(yōu)化的可設(shè)計(jì)性
    同時(shí)還可以通過材料－材料、工藝－工藝、結(jié)構(gòu)－結(jié)構(gòu)、材料－工藝－結(jié)構(gòu)之間的重新設(shè)計(jì)和組合來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制品的創(chuàng)新。

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二、創(chuàng)新實(shí)例分析
2.1 低粘度不飽和聚酯樹脂研制
在制備纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料時(shí)，樹脂對纖維的浸漬過程，可以簡化為樹脂替換纖維中空氣的過程，樹脂的粘度是影響這一過程的重要因素，通過降低樹脂的粘度可以提高浸漬的效率和效果，同時(shí)還可以降低閉模成型時(shí)樹脂的注射壓力等。
以不飽和聚酯樹脂為例，降低粘度最常用的方法有三種：
（1）多加交聯(lián)劑單體
（2）降低不飽和聚酯的分子量
（3）重新設(shè)計(jì)配方
1、2兩種方式是以犧牲樹脂固化物的物理、機(jī)械性能為代價(jià)。
如何在保持性能不變的前提下降低粘度，只能通過新的樹脂配方設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。我們根據(jù)官能團(tuán)之間反應(yīng)的原理，設(shè)計(jì)并研究了一類共混樹脂體系。
該樹脂體系包含如下兩組分：
第一部分為低分子量、高端羥基含量不飽和聚酯樹脂，低分子量保證樹脂體系低粘度；第二部分為二異氰酸酯及其低分子量預(yù)聚物。在這兩個(gè)組分中含有三種官能團(tuán)：不飽和聚酯樹脂中雙鍵和羥基及二異氰酸酯預(yù)聚物中的二異氰酸基。當(dāng)加入引發(fā)劑、促進(jìn)劑使兩個(gè)組分混合時(shí)，混合樹脂中發(fā)生兩類反應(yīng)，一類是雙鍵的自由基加成反應(yīng)；另一類是羥基與異氰酸基之間的加成反應(yīng)。第一類反應(yīng)是使樹脂進(jìn)行交聯(lián)，第二類反應(yīng)使低分子不飽和聚酯擴(kuò)鏈。由于擴(kuò)鏈反應(yīng)的發(fā)生，通過擴(kuò)鏈增大了線型分子的鏈長，保證了樹脂的性能，擴(kuò)鏈反應(yīng)式如下：

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擴(kuò)鏈反應(yīng)

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圖2 擴(kuò)鏈反應(yīng)、固化反應(yīng)示意

圖2為經(jīng)過擴(kuò)鏈后固化反應(yīng)示意圖，其中“○”代表交聯(lián)單體，“PU”代表二異氰酸酯預(yù)聚物，分子鏈代表低分子量不飽和聚酯。

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圖3、圖4為擴(kuò)鏈前、后，樹脂交聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出未經(jīng)過擴(kuò)鏈的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有很多由低分子量不飽和聚酯形成的斷點(diǎn)，這些斷點(diǎn)會降低樹脂固化物的物理機(jī)械性能，特別是模量和熱變形性能。