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》

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感悟復合材料之魅力
——復合材料制品創新探討

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，在發揮各自特性和優點的基礎上，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。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、生產的從業人員，提供了一個創新的平臺，這種自由和變化正是復合材料的魅力所在。

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一、復合材料的理解與創新
1.1創新的起點
復合材料是以實踐為基礎的學科和行業，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，從而達到創新的目的，“感悟”是復合材料創新的起點。

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1.2創新的原則
與傳統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，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新必須遵守的原則。

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1.3創新的基礎
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、工藝參數及控制等；
結構方面主要包括結構設計、結構校核及優化等；
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，才能有所創新。因此創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。

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圖1 復合材料制品與各要素關系圖

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1.4創新的方法
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。創新就是解決共性中的個性問題，只有充分發揮可設計性，表現出個性，就能夠實現創新。
發揮可設計性的方法——“合”與“變”。
“合”——集合、組合；
“變”——變化。
    材料方面——可以通過對樹脂、纖維種類進行優選、改性、組合、混合發揮材料的可選擇性，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復合材料制品的創新。

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二、創新實例分析
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。我們根據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。當加入引發劑、促進劑使兩個組分混合時，混合樹脂中發生兩類反應，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，第二類反應使低分子不飽和聚酯擴鏈。由于擴鏈反應的發生，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：

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擴鏈反應

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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。

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圖3、圖4為擴鏈前、后，樹脂交聯結構示意圖，從圖中可以看出未經過擴鏈的交聯網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。