熱固性復合材料
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
熱固性復合材料的實例教程
領導行業超過三十五年，IDI 與客戶緊密合作，為每個應用領域打造最優異的熱固性復合材料……
IDI國際復合材料公司，是模塑成型廠商和OEM加工廠定制熱固性復合材料的重要全球配方及制造商，為要求嚴格的汽車、機電、餐飲、能源和家用電器行業，提供客戶訂制的聚酯/乙烯基酯類團狀模塑料（BMC）和片狀模塑料（SMC）。IDI 高性能熱固性復合材料輕巧而強度極佳，比大多數金屬料有更優異的強度/重量比， 而且耐腐蝕，抗蠕變，比熱塑性工程產品有著更卓越的熱特性。公司擁有豐富研發資源，出眾的化學工程技術，制造工藝通過ISO認證的全面質量管理體系。 IDI國際復合材料公司總部和研發中心設在美國印第安納州諾布爾斯維爾市（Noblesville, IN, USA），占地約20,000 平方米，在國際熱固性復合材料市場占有重要席位。公司在歐洲、亞洲和美洲獨資經營多家制造工廠，支持日益增長的全球客戶群。(演講人：IDI國際復合材料有限公司 何善先生、茹敏良先生)
點擊查看附件：熱固性復合材料(SMC/BMC)在汽車行業應用
展開 背景介紹
熱固性樹脂基復合材料在制件成型過程中會產生殘余應力，引起固化變形，從而增加裝配和制造的難度，因此，合理預測預制件固化過程中的殘余應力的發展具有重要意義。
早期的研究主要集中于彈性理論來研究復材的固化成型，現今，越來越多的文獻考慮了樹脂的固化放熱以及材料的各向異性等因素的影響，發展了基于粘彈性模型的數值仿真計算方法，證明了粘彈性的結果固化變形量小于線彈性的結果，且樹脂含量越高的復材，其粘彈性效果越明顯。
RTM成型工藝示意圖
二。粘彈性模型在Abaqus中的實現
本文作者在參考文獻【1】的基礎上，使用廣義Maxwell粘彈性本構模型，聯合編寫了HETVAL、USDFLD、DISP、UMAT及UEXPAN子程序，在abaqus軟件平臺中實現了復材固化成型的仿真模擬，其基本編程思路如下圖所示：
其中，最關鍵的粘彈性本構公式為：
參考上述公式和子程序的編寫流程，可以完成上述模型。最后得到仿真Mises應力云圖和S33云圖如下：
得到的S33關于時間的曲線趨勢如下所示：
該曲線結果和文獻有出入，但是榮的文獻中關于底數的取值有錯誤，亦即下列公式的底數應以e為底數，而不是10
【1】
基于黏彈性本構模型的熱固性樹脂基復合材料固化變形數值仿真模型.pdf
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展開 碳纖維材料是在上世紀六十年代末才首次投入市場，我國掌握碳纖維材料生產技術也是近十年的事情，但碳纖維材料憑借其獨特的性能優勢——高比強度、高比模量、耐磨、導電性、長期受力不發生蠕變和疲勞、X射線透過性好、尺寸穩定、熱膨脹系數小、耐腐蝕、耐高溫等等特點，成為性能廣、用途多的增強纖維之一，廣泛用于宇航、衛星、精密儀器、民用、火箭、飛機、X射線裝置、醫學等各個領域。
迄今為止，國內正在應用的碳纖維增強復合材料還是以環氧樹脂為基體的熱固性復合材料為主，然而，由于基體樹脂本身所具有的缺陷，直接影響到這類碳纖維增強熱固性復合材料在高溫濕態環境中的力學性能表現，在滿足高端應用需求時存在障礙。
熱塑性復合材料自上世紀70年代初被開發以來，越來越受到各國重視，相關的研究及應用都十分活躍。航天、航空、汽車、化工、電子電器等領域均是熱塑性復合材料應用和發展速度較快的領域。特別是近10年來，每年的消費量均以25%的速度增長，發展速度比熱固性復合材料高數倍。
與熱固性碳纖維復合材料相比，熱塑性碳纖維復合材料具有以下的應用優勢：韌性比較高、損傷容限大、介電常數比較好、維修方便、有類似于金屬的加工特性、成本低等優點。從制作工藝角度看，熱塑性碳纖維復合材料的原材料儲存期不受限制、不需低溫貯存、成型加工周期比較短、成型不需要熱壓罐等大型專用設備，尤其是它所具有的良好的可循環性、可回收、可重復利用和不污染環境等特性很好地適應了當今世界對材料產業所提出的環保要求。
因此，過去以熱固性碳纖維復合材料制品為主要方向的下游廠商開始轉變目光，把更多的資源傾向于發展熱塑性碳纖維復合材料制品方面。
展開 我國復合材料行業于20世紀50年代末期開始起步，80年代以來產業鏈不斷完善，行業迅速壯大。據中國復合材料工業協會統計，2017年全行業復合材料制品總產量約為444萬噸，同比降低3.9%。
環保壓力增大，產量持續減少，企業淘汰大半
2015年1月1日起被稱為“史上最嚴”的新《環保法》施行，2017環保督察及政策持續加碼，2018年1月1日起我國第一部專門體現“綠色稅制”的單行稅法——《中華人民共和國環境保護稅法》施行，工業領域環保壓力驟增，一大批中小型復合材料企業因環保不達標被停產甚至關閉。
玻璃纖維格柵https://www.hongyantu.com/goodlist/zq/16012.html
據統計，2015年之前全國5000余家復合材料生產企業中，至2017年已有約3000家生產技術落后、環保意識落后的作坊式小企業實現轉產或關停。此外，纖維、樹脂等原材料價格自2017年一路上漲，對復合材料企業的生產和經營造成不小影響。預測，2018年行業產量將會進一步縮小至萬噸。
產品結構逐步優化，向綠色需求轉型
在熱固性復合材料方面，隨著全社會對于環保問題的日益關注，企業在生產和經營過程中均遇到前所未有的壓力，產品市場需求有逐步萎縮之勢。
在熱塑性復合材料方面，受惠于綠色經濟發展，包括工程塑料、長纖維增強熱塑性復合材料、連續纖維增強熱塑性復合材料在內的各類熱塑性復合材料在汽車輕量化、家電、建筑等領域得到越來越廣泛的應用，中國熱塑性復合材料制品產量穩步增長。
據中國復合材料工業協會統計，2017年國內熱塑性復合材料制品產量約為209.1萬噸，在復合材料總產量中的比例已從2013年33.4%上升至2017年47.1%，預測2018年其產量將超過熱固性復合材料產量。
展開 纖維增強復合材料由于其獨特的優勢，如高比強度和剛度，在各種工業中的應用越來越多。盡管如此，由于其易碎的性質，當受到低速沖擊(LVI)作用時，很容易分層。低速沖擊損傷會顯著降低復合材料結構的結構完整性和剩余機械性能，可導致層壓板的各種損壞，如基體開裂、脫粘、分層和纖維斷裂/失效。因此，在設計和制造這種結構時，應考慮纖維增強塑料的面外響應。關于纖維增強復合材料的制造，通常使用各種纖維/織物，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等，樹脂又分為熱固性或熱塑性。
碳纖維由于其優異的面內機械性能，如高剛度和強度，已被普遍用于制造航空航天結構。然而，由于碳纖維的低韌性，它們在低速沖擊中表現出脆性行為，顯著降低了碳纖維復合材料的剩余壓縮性能，并威脅結構的完整性。為了緩解這一問題，通常將采用與玻璃纖維等其他纖維混合，這可以增加柔韌性，從而提高沖擊性能。此外，還可以降低成本。
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目前文獻中關于低速沖擊的研究大多數都是針對熱固性復合材料。熱固性樹脂在中高固化溫度范圍內具有優異的面內機械性能，但它們的抗沖擊性能很差。熱塑性復合材料是未來的整體發展趨勢，還可以回收利用，與熱固性復合材料層壓板相比，熱塑性復合材料層壓板具有良好的損傷容限和抗沖擊性能。
然而，由于傳統熱塑性樹脂(如PEEK聚醚醚酮)常溫下呈現固態，玻璃化轉變溫度高，不能使用真空輔助樹脂浸漬(VARI)工藝，因為這些樹脂需要達到高溫才能流動，因此只能通過使用昂貴的設備和高加工溫度來實現熱塑性復合材料的制造。
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熱固性復合材料的最新內容
塑料材料被廣泛的應用，各種合成或半合成的產品被轉化及成型為我們日常的一部份。這些產品含概了消費電子、家庭用品、玩具、各種外包裝、個人護理用具以及汽車零件等等。因為塑料低成本、易于生產且原物料充足等因素，其大部份的用途，用以替代各種傳統材料應用，包含金屬、玻璃、木材以及紙類材料。然而，隨著塑料的應用越來越多樣化，加工的復雜度及多樣性也持續上升，也因此供貨商必須持續優化其制程，以迎合市場所需的產品性能
按照基體樹脂的種類，可以將樹脂基復合材料分為熱固性和熱塑性兩大類。由于熱塑性復合材料預浸料制備及成型加工困難大，限制了其在飛機及發動機結構的廣泛應用。以往針對熱固性復合材料的研究較多，應用也較為成熟。然而熱固性復合材料的韌性不足，受低速沖擊載荷存在敏感的分層問題，限制了其在航空結構上的進一步應用。
來源 | Advanced Materials Technology
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背景介紹
隨著電子器件的廣泛使用和集成電路的精細化和小型化，電子器件功率密度的不斷提高，單位時間內產生的大量廢熱將積聚在電子器件內部。大多數高精度電子器件對溫度波動極為敏感，因此對穩定的工作溫度有很高的要求。此外電子設備在運行過程中不可避免地會產生高頻電磁波的危害
? 3D科學谷白皮書
技術特征
NASA的這項技術是首個成功實現高溫碳纖維填充熱固性聚酰亞胺復合材料的3D打印技術。對碳纖維填充的RTM370進行選擇性激光燒結后進行后固化，以實現更高的溫度性能，從而獲得玻璃化轉變溫度為370℃的復合材料部件。
▲NASA 通過SLS 工藝3D打印的熱固性聚酰亞胺復合材料，打印完成后需進行后固化。
碳纖維熱固性復合材料材料的應用越來越多，從次級結構、控制面開始，到后來的機翼和主機身結構，這已經證明幾乎所有的結構型飛機部件都可以用這些材料制造，并且可以實現預期的效益。
現代飛機結構是由薄層預浸漬纖維堆疊成層壓板構成。薄層中的纖維通常是單向（UD）碳纖維或預浸有聚合物樹脂的機織織物。機織物和UD帶都用于飛機結構的制造業。由于自動化的機會和成本，通常選擇UD預浸料。
熱固性樹脂基復合材料固化變形研究進展[J]. 宇航材料工藝，2006，36(S1)：7-11.
10. 張鋮. 大型復合材料結構熱壓罐工藝溫度場權衡設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.
本文來自：索系統
對比傳統的鈦合金材料，密度低，可以實現明顯減重；對比傳統熱固性復合材料，韌性好，耐疲勞、耐濕熱穩定性好、可回收，迎合了航空航天、軍工、醫療、以及特殊行業的需求。
▲朱姝博士，東華大學，航空熱塑性復合材料基體凝聚態結構調控及其工程應用
研討會中匯報了不少針對熱塑性研究的典型案例。
圖2 柔性驅動器通過電、光、電磁波、溶劑、熱愈合劃痕和針孔（a），且愈合后沒有明顯的機械性能下降（b, c）
此外，該復合材料還有其他優點，例如碳化蠶絲嵌入類玻璃高分子表層可避免多層結構的分層現象，基于環氧樹脂熱固性材料的復合材料具有很好的力學性能，類玻璃高分子的網絡流動特性使復合材料可再加工、可回收、可持續利用等。
基于君華特塑多年來在聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亞胺（PI）樹脂、型材及制品的應用開發經驗，未來在高性能熱塑性CF/PEEK復合材料板材產品的結構、外觀、工藝及選材設計方面會加速發展，并且通過向市場及潛在客戶宣傳CF/PEEK熱塑性復合材料相比于傳統熱固性復合材料以及合金的特性優點來拓寬應用市場，占據更多的市場份額，同時需要調研鋪絲鋪帶、連續纖維纏繞成型及預浸料連續成型等工藝設備，建立更加完善的復合材料品質檢測控制手段
原油與石化資源的枯竭，使聚合物產業綠色化愈發重要。當今，生物基化學品及其平臺化合物是合成各種可再生聚合物的重要原料。熱固性樹脂作為一種高綜合性能且應用廣泛的材料，其合成嚴重依賴石化資源。而近年來研發的生物基熱固性樹脂具有良好的熱性能和機械性能，可與傳統數值相媲美。因此，總結生物基化學品的平臺化策略、建立原料和樹脂性能的構效關系并探索各類功能化應用對于生物基熱固性樹脂的發展
