《环氧树脂复合材料》课件

环氧树脂复合材料课程概述12环氧树脂复合材料基本概念制备工艺与性能特点深入了解环氧树脂复合材料的定义、组成结构以及基本原学习各种制备工艺的原理和应用，分析材料性能与工艺参理，掌握材料设计的基础理论知识数之间的内在关系3应用领域与发展趋势最新研究进展探索材料在不同工业领域的应用实例，了解技术发展的最新动态和未来方向第一部分基础知识分子结构环氧基团的化学特性聚合反应固化机理与网络形成复合原理多相材料的协同效应性能调控组分配比与结构设计什么是环氧树脂分子结构特征固化反应机理环氧树脂是含有两个以上环氧基环氧基团在固化剂作用下发生开团的高分子化合物，环氧基具有环聚合反应，形成稳定的化学高度的化学活性在固化前呈现键反应过程中体积收缩率较线性或支链状结构，便于加工成低，有利于保持制品的尺寸稳定型固化反应发生后，分子间形性固化反应可在室温下进行，成三维网状交联结构，赋予材料也可通过加热催化，工艺适应性优异的力学性能和热稳定性强性能优势固化后的环氧树脂具有优异的力学性能，包括高强度、高刚性和良好的韧性化学稳定性出色，耐多种化学介质腐蚀电绝缘性能优异，介电常数低且稳定粘接性能卓越，与多种材料具有良好的界面结合力环氧树脂的分类双酚A型环氧树脂非双酚A型环氧树脂脂肪族环氧树脂最常用的工业环氧树脂，由双酚A与环氧包括双酚F型、双酚S型等，具有更低的主链为脂肪族结构，具有良好的柔韧性氯丙烷反应制得具有良好的力学性能黏度和更好的热性能双酚F型环氧树脂和低温性能耐候性优异，在紫外线照和电性能，成本相对较低广泛应用于具有较低的氯含量，适用于电子封装材射下不易变色常用作增韧剂或制备柔涂料、胶粘剂、复合材料等领域分子料双酚S型环氧树脂耐热性能更佳，玻性复合材料环脂族环氧树脂则具有更量不同的牌号适用于不同的应用场合璃化转变温度较高高的耐热性能环氧树脂的基本性质粘附性强固化收缩率低耐化学腐蚀性好环氧基团的极性特性使其与固化反应中体积收缩仅为1-交联网络结构赋予环氧树脂多种材料表面形成牢固的化5%，远低于不饱和聚酯树优异的化学稳定性，耐酸、学键和物理吸附对金属、脂低收缩率有利于保持制碱、盐等多种介质腐蚀在陶瓷、玻璃等材料具有优异品的尺寸精度，减少内应力恶劣环境下仍能保持良好的的粘接强度，界面结合力可的产生，提高复合材料的质性能，使用寿命长达30-50MPa量稳定性电绝缘性能优异体积电阻率高达10¹⁴-10¹⁶Ω·cm，介电常数低且频率稳定性好击穿电压高，适用于高压电气设备的绝缘材料复合材料的定义优化性能实现单一材料无法达到的综合性能界面结合组分间形成稳定的物理化学界面多相组成两种或多种不同性质材料的结合复合材料是由基体材料和增强材料通过一定的工艺方法复合而成的多相材料各组分在保持相对独立性的同时，通过界面相互作用产生协同效应，使复合材料具备优于任何单一组分的综合性能这种设计理念体现了材料基因组的思想，通过合理的组分选择和结构设计，可以实现材料性能的精确调控复合材料的组成部分增强材料基体材料承担主要载荷传递载荷和保护增强体•纤维增强体•环氧树脂基体•颗粒填料•载荷传递介质•晶须增强体•形状保持作用添加剂界面层改善工艺和性能连接基体与增强体•固化剂体系•载荷传递桥梁•增塑剂•相容性改善•填料改性剂•应力集中缓解第二部分环氧树脂基复合材料材料选择根据应用要求选择合适的环氧树脂基体和增强纤维结构设计确定纤维铺层角度、厚度分布和整体构型工艺制备选择适当的成型工艺，控制固化条件和质量性能验证通过测试验证材料性能是否满足设计要求环氧树脂基复合材料的特点力学性能高固化收缩率低环氧树脂的三维网状结构提供强大的内聚力，与高强度纤维结固化过程中的低收缩特性减少了内应力的产生，避免了微裂纹合后，复合材料的拉伸强度可达1000-3000MPa，比强度远的形成，保证了复合材料的结构完整性和尺寸稳定性超传统金属材料与纤维结合强度高加工工艺灵活多样环氧树脂与各种纤维具有良好的浸润性和粘接性，界面剪切强可采用手糊、模压、RTM、预浸料等多种工艺成型，适应不同度通常在50-100MPa范围内，确保了载荷的有效传递规模和复杂程度的制品生产需求，工艺窗口宽，操作性好常用增强材料增强纤维是复合材料性能的关键决定因素碳纤维具有最高的比强度和比模量，是航空航天应用的首选玻璃纤维成本低廉，电绝缘性能优异，在民用领域应用广泛芳纶纤维具有优异的抗冲击性能，适用于防护用品硼纤维虽然成本较高，但在高温环境下性能稳定天然纤维作为环保型增强材料，在可持续发展理念推动下得到越来越多的关注碳纤维环氧树脂复合材料/2300拉伸强度MPa超越钢材性能水平150比模量GPa·cm³/g轻质高刚性特征

1.6密度g/cm³仅为钢材的1/560电磁屏蔽dB优异的屏蔽效能碳纤维/环氧树脂复合材料代表了当前复合材料技术的最高水平其高强度来源于碳纤维完美的石墨晶体结构，而环氧树脂基体则提供了优异的载荷传递能力这种组合不仅实现了卓越的力学性能，还具备出色的耐疲劳特性，在循环载荷作用下仍能保持稳定的性能表现玻璃纤维环氧树脂复合材料/成本优势显著玻璃纤维价格仅为碳纤维的1/10-1/20，使得复合材料能够在更广泛的民用领域得到应用原料来源丰富，生产工艺成熟，具有良好的经济性电绝缘性能卓越玻璃纤维本身为绝缘材料，与环氧树脂复合后，材料的体积电阻率可达10¹⁴Ω·cm以上在电力工业中广泛用作绝缘子、变压器套管等关键部件应用领域广泛从建筑材料到汽车零部件，从体育用品到家用电器，玻璃纤维/环氧树脂复合材料以其优异的综合性能和合理的成本，成为应用最广泛的复合材料品种环氧树脂复合材料的结构设计单向布置结构纤维沿单一方向排列，具有最高的单向强度和刚度适用于主要承受单向载荷的结构件，如拉杆、压杆等设计简单，但横向性能较弱正交层合结构纤维按0°/90°交替铺设，在两个主方向上都具有较好的力学性能是最常用的层合板结构，适用于承受双向载荷的平面结构件夹层结构采用轻质芯材作为中间层，两侧为高强度面板具有优异的弯曲刚度和抗屈曲性能，重量轻，适用于大跨度承重结构三维编织结构纤维在三个方向上交织，具有良好的整体性和抗分层性能适用于复杂受力状态下的厚壁结构件，如压力容器、复杂连接节点等第三部分制备工艺手工成型机械成型适合原型制作和小批量生产提高生产效率和产品质量智能制造自动化成型集成传感器和AI技术实现大批量稳定生产复合材料制备工艺的发展经历了从手工操作到智能制造的演进过程现代制备工艺不仅要考虑生产效率，还要注重产品质量的一致性和环境友好性环氧树脂复合材料的制备方法传统工艺先进工艺新兴工艺•手糊工艺操作简单，设备要求低•预浸料工艺质量稳定，性能优异•3D打印技术复杂结构一体成型•模压成型表面质量好，尺寸精度高•RTM工艺自动化程度高，适合批•在线监测实时控制固化过程量生产•激光辅助精确控制固化区域•缠绕成型适合回转体制品•真空辅助成型纤维含量高，孔隙率低手糊工艺预浸料工艺材料优势工艺特点预浸料是预先浸渍了树脂的纤维铺层过程简单，只需按设计要求增强材料，树脂含量精确控制在将预浸料逐层铺设即可固化过30-40%材料质量稳定，避免程在密闭环境中进行，避免了环了现场配制树脂可能出现的误境污染可实现复杂形状零件的差储存和运输方便，可在低温精确成型，特别适合航空航天等条件下保存数月高精度要求的应用质量控制每批预浸料都经过严格的质量检验，包括树脂含量、挥发分、粘性等关键指标铺层过程可追溯，便于质量管理固化后制品的力学性能重现性好，批次间差异小模压成型表面质量优异双面光滑，无需后处理尺寸精度高公差控制在±

0.1mm内高压固化压力达5-15MPa，密度高周期短固化时间2-10分钟模压成型工艺通过上下模具的高压作用实现复合材料的成型和固化高压环境有利于排除气泡，提高纤维体积分数，从而获得高密度、高性能的制品该工艺特别适合批量生产形状相对简单的中小型零件，如汽车零部件、电器外壳等现代模压设备配备了精确的温度和压力控制系统，能够实现工艺参数的精确控制真空辅助成型纤维铺设将增强纤维按设计要求铺设在模具上，确保纤维分布均匀，无褶皱和重叠真空袋密封用真空袋将整个铺层密封，通过密封条确保气密性，为后续真空抽取做准备抽真空浸胶通过真空泵抽取袋内空气，在负压作用下树脂被吸入纤维层间，实现充分浸润固化脱模在温度和压力作用下完成固化反应，冷却后撕去真空袋，取出成品树脂传递模塑RTM树脂注射高压注射系统精确控制模具闭合刚性模具确保尺寸精度纤维预成型3三维纤维结构预制成型RTM工艺是目前最先进的复合材料批量生产技术之一通过将干纤维预成型体放入闭合模具中，然后在压力作用下注入低粘度树脂，实现纤维的完全浸润该工艺可实现复杂三维结构的一体成型，生产效率高，产品质量稳定特别适用于汽车零部件的大批量生产，如保险杠、车门、发动机罩等现代RTM设备配备了先进的工艺监控系统，能够实时监测注射压力、流动前沿位置和固化程度第四部分性能与表征力学性能热性能电性能强度、刚度、热变形温度、电阻率、介电韧性等基本力玻璃化转变温常数、击穿强学指标的测定度、热膨胀系度等电学性能与分析，包括数等热学参数的测试与评静态和动态性的测量估能评价微观分析通过显微镜观察材料的微观结构，分析界面结合状态和缺陷分布力学性能热性能150热变形温度℃承载能力保持温度160玻璃化转变温度℃分子链运动活化温度50线膨胀系数×10⁻⁶/K温度变化尺寸稳定性

0.5热导率W/m·K热量传递能力热性能是环氧树脂复合材料在高温环境下应用的关键指标热变形温度表征材料在受热条件下保持形状稳定性的能力，通常比玻璃化转变温度低10-20℃玻璃化转变是环氧树脂从玻璃态向橡胶态转变的临界温度，超过此温度后材料的刚度和强度会显著下降线膨胀系数的各向异性是复合材料的典型特征，纤维方向的膨胀系数远小于垂直方向电性能体积电阻率环氧树脂复合材料的体积电阻率高达10¹²-10¹⁶Ω·cm，远超金属材料，是优异的绝缘材料电阻率随温度升高而降低，在玻璃化转变温度附近变化最为显著介电性能介电常数在

3.5-

5.0范围内，频率稳定性好介电损耗角正切值通常小于

0.02，适用于高频电子设备极化强度与电场强度呈线性关系，具有良好的介电线性击穿特性击穿电压可达15-25kV/mm，击穿机理主要为电击穿和热击穿材料厚度、温度、湿度都会影响击穿强度在实际应用中需考虑安全系数，通常取击穿强度的1/3-1/5作为工作电压电磁屏蔽添加导电填料后可获得良好的电磁屏蔽效能，屏蔽效果在20-60dB范围内屏蔽机理包括反射损耗、吸收损耗和多次反射损耗，其中吸收损耗是主要贡献耐环境性能耐化学腐蚀性耐水性与耐候性长期耐老化性环氧树脂的交联网络结构赋予复合材料吸水率通常在1-3%范围内，吸水后会导在正常使用温度下，环氧树脂复合材料优异的耐化学性对大多数酸、碱、盐致玻璃化转变温度下降和力学性能劣具有20年以上的使用寿命老化机理主溶液具有良好的抗腐蚀能力在pH值2-化紫外线辐射会引起材料表面老化变要包括热氧化、水解、紫外线降解等12范围内能长期稳定使用对有机溶剂色，但内部性能基本不受影响添加UV通过优化配方和表面防护处理，可进一的耐受性与溶解度参数有关，极性溶剂稳定剂可显著提高耐候性能步延长使用寿命定期检测和维护是确的影响相对较小保长期可靠性的重要措施表征方法力学测试热分析标准试验方法温度相关性能•拉伸试验ASTM D3039•差示扫描量热法DSC•弯曲试验ASTM D7264•热重分析法TGA•压缩试验ASTM D6641•动态热机械分析DMA•剪切试验ASTM D3518•热膨胀分析TMA无损检测微观分析质量评估方法结构表征技术•超声波检测•扫描电镜SEM•X射线CT扫描•透射电镜TEM•红外热成像•原子力显微镜AFM•声发射监测•X射线衍射XRD第五部分功能复合材料智能响应特性多尺度设计理念新一代功能复合材料具备对外界环境变化的结构功能一体化功能复合材料的设计需要从分子、纳米、微智能响应能力，如温度敏感、应力感应、自传统复合材料主要承担结构功能，现代功能米到宏观等多个尺度进行协同考虑通过精修复等这些智能特性使材料能够适应复杂复合材料在保持优异力学性能的同时，还具确控制各尺度下的结构参数，实现材料性能多变的使用环境，提高了系统的可靠性和安备导电、导热、阻燃、吸波等特殊功能这的精准调控这种设计方法体现了现代材料全性种一体化设计理念大大简化了产品结构，提科学的系统性思维高了系统集成度导电环氧树脂复合材料导电环氧树脂复合材料通过添加导电填料实现电性能调控碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，添加量仅需

0.1-1%即可使材料电阻率降低至10²-10⁶Ω·cm石墨烯以其独特的二维结构和高载流子迁移率成为理想的导电填料，同时还能提高材料的热导率导电颗粒如炭黑、石墨粉等成本低廉，是工业化应用的首选这类材料广泛应用于电磁屏蔽、静电防护、加热元件等领域吸波复合材料阻燃环氧树脂复合材料阻燃剂类型含磷阻燃剂通过促进成炭来阻止燃烧蔓延，环保性好含氮阻燃剂释放不燃气体稀释可燃气体浓度无机阻燃剂如氢氧化铝分解吸热并释放水蒸气协同阻燃机理多种阻燃剂复配使用可产生协同效应，在气相和凝聚相同时发挥作用纳米阻燃剂具有更高的比表面积和更好的分散性，阻燃效率更高应用领域拓展建筑领域用于制造防火门、逃生通道材料交通运输中用于车厢内饰、飞机内舱材料电子电器用于制造阻燃外壳和电路板基材性能平衡优化在提高阻燃性能的同时需要保持材料的力学性能和加工性能通过分子结构设计和表面改性技术，实现阻燃性和其他性能的最佳平衡智能环氧树脂复合材料形状记忆复合材料自修复复合材料通过引入形状记忆聚合物或合金，材料可在温度刺激下恢复预设形状在微胶囊或血管网络中储存修复剂，当材料受损时自动释放并固化修复广泛应用于航空航天可展开结构、医疗器械和智能纺织品记忆效应的裂纹可显著延长材料使用寿命，降低维护成本适用于难以接近的结可逆性和响应速度是关键技术指标构部位，如海底管道、航天器外壳等压电复合材料温敏变色复合材料集成压电陶瓷或聚合物，实现机械能与电能的相互转换可用作传感器添加热致变色材料，可根据温度变化改变颜色，实现温度的可视化指监测结构健康状态，或作为致动器实现主动振动控制在智能结构和能示在安全监测、装饰材料、伪装技术等领域有独特应用价值变色温量收集领域具有广阔应用前景度和色彩范围可通过配方调节第六部分应用领域1940年代首次用于军用飞机结构1960年代航天器热防护系统1980年代汽车轻量化零部件2000年代风力发电机叶片2010年代电子封装和5G通信环氧树脂复合材料的应用经历了从军用到民用、从高端到普及的发展历程每个时代的技术突破都推动了新应用领域的开拓，形成了当今多元化的应用格局航空航天应用50%结构减重相比铝合金结构的重量节省30%寿命延长疲劳寿命提升百分比70%复合材料占比新型客机中的应用比例15维护成本降低全寿命周期成本节约倍数在航空航天领域，环氧树脂复合材料已成为不可替代的核心材料波音787和空客A350等新一代客机大量采用复合材料制造机身和机翼，实现了显著的减重效果火箭发动机壳体采用缠绕工艺制造，承受极高的内压和温度卫星天线反射面要求极高的尺寸稳定性和轻量化，碳纤维/环氧树脂复合材料是理想选择未来空间太阳能电站等超大型空间结构也将大量采用复合材料技术汽车工业应用车身轻量化底盘系统发动机罩、车门、后备箱盖等外覆盖件传动轴、悬挂摆臂、制动系统零部件新能源汽车内饰组件电池包外壳、充电桩外壳仪表板、座椅骨架、装饰面板汽车轻量化是应对能源危机和环保要求的重要途径环氧树脂复合材料在保证安全性的前提下，可使汽车减重30%以上，燃油效率提升15%电动汽车对轻量化要求更高，复合材料电池包既能减重又能提供优异的防护性能随着自动驾驶技术发展，车身造型设计自由度增大，为复合材料应用提供了更多机会风力发电应用体育休闲用品高尔夫球杆碳纤维杆身提供更好的击球感和控制性，重量比钢制杆身轻30-40%先进的编织技术和树脂配方使球杆具有理想的弯曲特性和扭转刚度，帮助球手提高击球距离和精准度网球拍与羽毛球拍复合材料拍框具有更大的击球甜点和更好的减震性能通过调节纤维角度和层数分布，可以精确控制拍子的刚度分布，满足不同风格球员的需求现代球拍还集成了振动阻尼系统自行车车架碳纤维车架重量仅为钢架的1/3，却具有更高的刚度一体化成型技术消除了焊接接头，提高了整体强度气动外形设计和内置走线技术进一步提升了竞技性能。