武汉理工大学材料学院复合材料系系主任王钧教授最新力作——《感悟复合材料之魅力》

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感悟复合材料之魅力
——复合材料制品创新探讨

王 钧
武汉理工大学材料学院复合材料系

        摘要：作者总结了其从事复合材料工作二十多年来的部分实践及感想，重点对复合材料的特点、组成与创新之间的关系提出了自己的一些想法和见解，并结合工程实践的应用进行了分析。
   
        复合材料是由两种或两种以上不同材料或物质，在发挥各自特性和优点的基础上，按照相应的复合原理，通过一定的工艺方法，制备出的一类具有新特性、新功能的结构与材料。与传统材料相比，复合材料可以通过材料、结构、工艺之间的组合来灵活实现。这种组合充满着自由与变化，就给从事复合材料理论与工程技术研究、生产的从业人员，提供了一个创新的平台，这种自由和变化正是复合材料的魅力所在。

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一、复合材料的理解与创新
1.1创新的起点
复合材料是以实践为基础的学科和行业，决定了认识复合材料，必须通过实践才能获得真知，实践是一个感知的过程；在实践的基础上，实现由实践到认识的跨越，还必须通过思考这一领悟的过程。
只有对复合材料有所感知、有所领悟，才能深入的理解复合材料的本质，才能更好的运用复合材料的特点，从而达到创新的目的，“感悟”是复合材料创新的起点。

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1.2创新的原则
与传统材料相比复合材料既是一种材料，也是一种结构，而且材料、结构、功能具有一致性。这种材料和结构特性，只能通过具体的制品才能得以体现，因此无论是从事复合材料理论研究，还是工程技术研究的目标都是研制出更能发挥材料特性、效率的制品及制备方法。在这个过程中任何材料、工艺和结构没有优劣之分，只有使用是否科学、合理、有效之别，科学、合理、效率是复合材料制品创新必须遵守的原则。

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1.3创新的基础
复合材料涉及材料、力学、化学、机械、电子等多个学科的知识，是一个跨多个学科、交叉性很强的新学科方向。从图1我们可以直观的看出，决定复合材料制品性能的要素有材料、工艺、结构和测试。其中材料是基础、制品是目的、工艺、结构、测试是手段、桥梁和保障。
各要素所涉及的内容：
材料方面有基体材料、增强材料及其它辅助、功能材料等；
工艺方面主要有工艺方法、成型设备、工艺参数及控制等；
结构方面主要包括结构设计、结构校核及优化等；
测试方面有测试方法、测试设备、材料测试、制品检测等。
在材料向复合材料制品转换中，各要素既相互联系，又相互制约、相互作用。只有把材料、结构、工艺有机的结合为一个整体，才能有所创新。因此创新的基础是知识的积累、吸收、思考、运用，其中最为关键是思考和运用。

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图1 复合材料制品与各要素关系图

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1.4创新的方法
复合材料最大的特点——可设计性，即使同一种制品，都会随材料、工艺和结构的不同选择，而表现出不同的性能，因此复合材料制品都既有共性，但又有个性。创新就是解决共性中的个性问题，只有充分发挥可设计性，表现出个性，就能够实现创新。
发挥可设计性的方法——“合”与“变”。
“合”——集合、组合；
“变”——变化。
    材料方面——可以通过对树脂、纤维种类进行优选、改性、组合、混合发挥材料的可选择性，从而获得具有不同特性的制品；
    工艺方面——可以通过不同工艺的组合、集成、改进等发挥工艺的可利用性；
    结构方面——可以通过结构之间的组合、构成优化的可设计性
    同时还可以通过材料－材料、工艺－工艺、结构－结构、材料－工艺－结构之间的重新设计和组合来实现复合材料制品的创新。

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二、创新实例分析
2.1 低粘度不饱和聚酯树脂研制
在制备纤维增强树脂基复合材料时，树脂对纤维的浸渍过程，可以简化为树脂替换纤维中空气的过程，树脂的粘度是影响这一过程的重要因素，通过降低树脂的粘度可以提高浸渍的效率和效果，同时还可以降低闭模成型时树脂的注射压力等。
以不饱和聚酯树脂为例，降低粘度最常用的方法有三种：
（1）多加交联剂单体
（2）降低不饱和聚酯的分子量
（3）重新设计配方
1、2两种方式是以牺牲树脂固化物的物理、机械性能为代价。
如何在保持性能不变的前提下降低粘度，只能通过新的树脂配方设计来实现。我们根据官能团之间反应的原理，设计并研究了一类共混树脂体系。
该树脂体系包含如下两组分：
第一部分为低分子量、高端羟基含量不饱和聚酯树脂，低分子量保证树脂体系低粘度；第二部分为二异氰酸酯及其低分子量预聚物。在这两个组分中含有三种官能团：不饱和聚酯树脂中双键和羟基及二异氰酸酯预聚物中的二异氰酸基。当加入引发剂、促进剂使两个组分混合时，混合树脂中发生两类反应，一类是双键的自由基加成反应；另一类是羟基与异氰酸基之间的加成反应。第一类反应是使树脂进行交联，第二类反应使低分子不饱和聚酯扩链。由于扩链反应的发生，通过扩链增大了线型分子的链长，保证了树脂的性能，扩链反应式如下：

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扩链反应

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图2 扩链反应、固化反应示意

图2为经过扩链后固化反应示意图，其中“○”代表交联单体，“PU”代表二异氰酸酯预聚物，分子链代表低分子量不饱和聚酯。

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图3、图4为扩链前、后，树脂交联结构示意图，从图中可以看出未经过扩链的交联网络结构中有很多由低分子量不饱和聚酯形成的断点，这些断点会降低树脂固化物的物理机械性能，特别是模量和热变形性能。