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

bamstone

感悟復合材料之魅力
——復合材料制品創(chuàng)新探討

王 鈞
武漢理工大學材料學院復合材料系

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

bamstone

一、復合材料的理解與創(chuàng)新
1.1創(chuàng)新的起點
復合材料是以實踐為基礎的學科和行業(yè)，決定了認識復合材料，必須通過實踐才能獲得真知，實踐是一個感知的過程；在實踐的基礎上，實現(xiàn)由實踐到認識的跨越，還必須通過思考這一領悟的過程。
只有對復合材料有所感知、有所領悟，才能深入的理解復合材料的本質，才能更好的運用復合材料的特點，從而達到創(chuàng)新的目的，“感悟”是復合材料創(chuàng)新的起點。

bamstone

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

bamstone

1.3創(chuàng)新的基礎
復合材料涉及材料、力學、化學、機械、電子等多個學科的知識，是一個跨多個學科、交叉性很強的新學科方向。從圖1我們可以直觀的看出，決定復合材料制品性能的要素有材料、工藝、結構和測試。其中材料是基礎、制品是目的、工藝、結構、測試是手段、橋梁和保障。
各要素所涉及的內容：
材料方面有基體材料、增強材料及其它輔助、功能材料等；
工藝方面主要有工藝方法、成型設備、工藝參數(shù)及控制等；
結構方面主要包括結構設計、結構校核及優(yōu)化等；
測試方面有測試方法、測試設備、材料測試、制品檢測等。
在材料向復合材料制品轉換中，各要素既相互聯(lián)系，又相互制約、相互作用。只有把材料、結構、工藝有機的結合為一個整體，才能有所創(chuàng)新。因此創(chuàng)新的基礎是知識的積累、吸收、思考、運用，其中最為關鍵是思考和運用。

bamstone

圖1 復合材料制品與各要素關系圖

bamstone

1.4創(chuàng)新的方法
復合材料最大的特點——可設計性，即使同一種制品，都會隨材料、工藝和結構的不同選擇，而表現(xiàn)出不同的性能，因此復合材料制品都既有共性，但又有個性。創(chuàng)新就是解決共性中的個性問題，只有充分發(fā)揮可設計性，表現(xiàn)出個性，就能夠實現(xiàn)創(chuàng)新。
發(fā)揮可設計性的方法——“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、改進等發(fā)揮工藝的可利用性；
    結構方面——可以通過結構之間的組合、構成優(yōu)化的可設計性
    同時還可以通過材料－材料、工藝－工藝、結構－結構、材料－工藝－結構之間的重新設計和組合來實現(xiàn)復合材料制品的創(chuàng)新。

bamstone

二、創(chuàng)新實例分析
2.1 低粘度不飽和聚酯樹脂研制
在制備纖維增強樹脂基復合材料時，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，同時還可以降低閉模成型時樹脂的注射壓力等。
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）重新設計配方
1、2兩種方式是以犧牲樹脂固化物的物理、機械性能為代價。
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計來實現(xiàn)。我們根據(jù)官能團之間反應的原理，設計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聚物。在這兩個組分中含有三種官能團：不飽和聚酯樹脂中雙鍵和羥基及二異氰酸酯預聚物中的二異氰酸基。當加入引發(fā)劑、促進劑使兩個組分混合時，混合樹脂中發(fā)生兩類反應，一類是雙鍵的自由基加成反應；另一類是羥基與異氰酸基之間的加成反應。第一類反應是使樹脂進行交聯(lián)，第二類反應使低分子不飽和聚酯擴鏈。由于擴鏈反應的發(fā)生，通過擴鏈增大了線型分子的鏈長，保證了樹脂的性能，擴鏈反應式如下：

bamstone

擴鏈反應

bamstone

圖2 擴鏈反應、固化反應示意

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

bamstone

圖3、圖4為擴鏈前、后，樹脂交聯(lián)結構示意圖，從圖中可以看出未經過擴鏈的交聯(lián)網(wǎng)絡結構中有很多由低分子量不飽和聚酯形成的斷點，這些斷點會降低樹脂固化物的物理機械性能，特別是模量和熱變形性能。