纖維增強聚酯制品設計的原則

　　纖維增強聚酯制品的設計是一個復雜的問題，因為制品的應用范圍廣，制品形態與性能要求各不相同。例如造船，做汽車外殼、飛機部件，做化工容器、管道，做建筑構件、空調設備，做電氣絕緣、機械零、部件，以致日常生活及辦公用品等，制品的設計涉及各應用部門的專業設計。
　　玻璃纖維增強聚酯的各種產品都是用不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維以及填料、顏料與各種添加劑等，經過不同的加工過程，一次固化而成終產品的，有一定的共同的規律性。本節將介紹材料的選擇、工藝方法的選擇、設計中的注意事項以及強度計算基礎等方面的問題。

　　1　材料選擇

　　為滿足制品的性能要求，需要選擇合用的原材料，包括聚酯樹脂、玻璃纖維或其他纖維以及填料、顏料和其他添加材料。在選用這些材料時應考慮的因素很多，以下加以說明。
　　(1)制品的力學性能　例如強度與質量比(即比強度)的高低，相對密度大小；對強度、剛度、沖擊性的要求，誰為主要對疲勞壽命的要求，先看其是否是承重構件等。據此可選擇樹脂和纖維并考慮纖維用量及分布方案。
　　(2)制品的熱性能　例如使用溫度、熱變形溫度、膨脹系數等。據此可選擇耐溫性不同的樹脂。
　　(3)阻燃性能　是否要求阻燃自熄？阻燃等級？據此選用不同等級的阻燃樹脂。
　　(4)耐化學性　接觸何種液體或氣體？是水溶液還是溶劑？是單一組分還是混合組分？使用的溫度條件、接觸介質的酸堿度及濃度等如何？據此可選用不同的耐化學性樹脂。
　　(5)生物學要求　制品是否接觸食物？是否有細菌、微生物繁殖？是否有白蟻為害？據此選用特定的樹脂和后固化工藝。
　　(6)電性能　包括擊穿電壓、電弧、電阻、表面電阻與體積電阻率、介電常數、介質損耗(tgδ)等。
　　(7)室外耐候性　是否長期暴露于紫外線照射下？制品是否要經受熱帶、寒帶或海洋、高山等氣候條件？
　　(8)清晰度與顏色　制品要求透明、半透明或不透明？有無具體的透光度、顏色、要抗黃變要求？對表面形態有何要求?
　　(9)使用標準　在國際上各國對玻璃鋼制品規定了不少質量標準，我國也制訂了一系列玻璃鋼制品標準。在這些制品性能標準中，有些是特殊性的，例如美國食品藥物管理局F.D.A．標準，規定了不飽和聚酯允許采用的原材料范圍以符合食品容器的要求；又如英國勞埃德船舶年鑒規定了玻璃鋼船艇可用的樹脂，玻璃纖維及制品性能等。
　　在選擇原材料時，可以參照以上所列各種使用性能要求，先選出適用的樹脂。一般來說，復合材料中的樹脂基體決定了制品的耐化學性、耐水性、熱穩定性、電絕緣性、耐候性、隔熱性、顏色、表面狀態以及是否滿足接觸食品要求等性能。玻璃纖維增強材料則主要決定復合材料的力學性能，同時對其他如電性能、耐化學性能等也有重要影響。
　　在選擇好樹脂的品種、規格，井弄清其工藝性能與固化條件后，要選用合適的玻璃纖維或其他纖維增強材料。不同的增強材料對復合材料產生不同的增強效果。表12-11為通用聚酯樹脂采用不同的玻璃纖維增強材料所制得的層合板的性能對比。表12-11中同時列出了對各種層合板性能測定所用的德國標準?？晒┻x用的玻璃纖維品種是多樣的，11.1節中介紹了各種品種規格的使用情況。為了滿足使用性能要求并降低成本，有時可加入填料。

　　2　工藝方法選擇

　　在選擇合適的原材料時，必然會涉及玻璃鋼制品的成型方法。玻璃鋼制品的成型方法有20多種，第14章將逐一介紹。各種成型方法都是為適應制品性能、規格以及批量規模等要求而設計的。在選擇適用的工藝方法時，一般要考慮以下幾個因素。
　　①制品的尺寸大小，是屬于小件制品、還是中型制品或大型制品？
　?、谠O備允許一次投資多少？生產經營成本條件怎樣？
　　③生產批量數。大批量生產(如一次性生產量在1萬件以上)與中等批量或小批量生產，其生產工藝不同，模具類型不同，生產設備不同，而且產品質量、性能標準也不同。
　?、軐Ρ砻娲植诙纫蟆Ｒ髥蚊婀饣€是雙面光滑?
　?、葜破泛穸却笮〖白兓闆r。
　?、拗破窐嬓螐碗s程度。是否有反折邊、咬邊等?據此考慮模具形式。
　　⑦表面構形為平面、曲面或雙重曲面？對光滑度、平整度要求？如要求高時，需要低收縮、低輪廓樹脂和熱固化成型。
　?、嘀破穼饨?、直角、邊緣等的要求。允許小圓角半徑是多少？如要求高時要用模壓工藝。
　　⑨制品是否要膠衣？是否要求特定的輔層工藝或夾層結構？
　?、馐欠褚罄w維準確排列以獲得特定的強度？
    　11 是否要求熱固化或后固化工藝。
　　在考慮了上述各種因素以后，可能選出一種或幾種可用的生產方法。反過來再考慮所選用的樹脂、玻璃纖維等原材料是否與這種工藝相適應，并作相應調整。
　　表12-12對10種常用生產方法的選擇性作了對比。表中按1～10順序表明性能由低到高的順序。同時注明了各種不同玻璃纖維增強材料所產生的復合材料中的玻璃纖維含量。
　　在制品的各部件設計中可能遇到的各種尺寸、外形、斷面、開孔、加筋、表面光潔、夾芯等方面的要求，對幾種成型工藝的適用情況列于表12-13。表12-13中所列為參考數據，有關各種生產方法的特點將在下面章節介紹。

　3　設計中應注意的幾個問題

　　在實際制品的每個部件的設計中應注意以下一些問題。
　　(1)玻璃纖維的排布   玻璃纖維在復合材料中的方向性決定了制品強度的方向性。在實際使用中部件的受力很少是單方向的。由試樣測定所得的強度值有較大的分散性，而且往往是按縱向取樣測定的，這種實測數據不能直接用來進行設計計算。設計時必須考慮部件可能承受多方向的應力以及材料應有的構形和截面。圖12-19～圖12-23為不同玻璃纖維排布所產生的層合板實際強度方向性變化情況。圖中各同心圓代表不同的彎曲強度與沖擊強度的等值圓。圓半徑大小與強度值大小成正比。0℃方向為層合板縱向，90℃方向為其橫向，由此可得360℃各方向應力分布曲線。圖中所示僅為象限應力分析，其他象限為對稱圖形。

　　由圖12-19可見，用短切玻璃纖維氈增強時，復合材料在各層平面內接近于各向同性。從圖12-20～圖12-22可見，由雙向正交纖維分布所得的復合材料在0°與90°方向有大拉伸強度，但沖擊強度低，后者在45°與135°方向有大值。如將玻璃布按0°、45°、90°、135°方向依次疊合，則在平面方向上接近于各向同性復合材料(圖12-23)。

　　(2)確定合理的安全系數安全系數為極限強度與許用應力的比值。因纖維增強聚酯樹脂缺乏標準的強度值，而且實測分散性較大，故在確定安全系數時要仔細分析，并考慮以下一些因素。
　?、賹ω摵煞治鲇嬎愕脺蚀_時，可以采用較低的安全系數。
　　②對應力的分析與計算精確時，可適當降低安全系數。
　?、劾w維增強聚酯材料的質地與尺寸均勻(如模壓成型比手糊成型或噴射成型均勻性好)，可選用較低的安全系數。
　?、苋鐬殚L時間負載、沖擊負載、反復換向負載等，就要降低許用應力，提高安全系數。
　?、萑缈赡茉斐扇松韨龌蛸F重儀器設備損壞時，要適當提高安全系數。
　　一般設計用玻璃鋼板限強度值可取實測平均值的70％左右。在取許用應力耐，應考慮構件的安全載荷，并采用適當的安全系數。

　　式中

　　(3)部件的厚度、轉角、邊緣、鑲嵌、加筋等處理  部件設計中要處理好這些細節，否則將為生產操作造成困難，以致無法生產。
　?、俨考穸葧绊懼破返牧W性能、材料成本、生產效率，也會因放熱溫度變化而影響產品質量。在生產厚壁部件時，必須小心不因反應放熱積聚而使制件變色、變形或產生收縮波紋。
　?、谶吘墶⒎ㄌm要有足夠的剛度，尺寸大時法蘭邊緣要另外加強，以保證剛度。部件各處轉角要有小半徑，如：
　　手糊成型與噴射成型 6mm
　　壓力成型與真空袋壓成型 12mm
　　預混與對模成型 3mm
　　SMC與BMC產品  0.5mm
　　③鑲嵌件裝配時往往需要有金屬鑲嵌件預埋在玻璃鋼部件中。這種鑲嵌對于手糊成型與噴射成型制品一般要在鑲嵌件周圍增大厚度，使之穩固。同時鑲嵌件本身要有較大的“生根”面積。例如螺栓的預埋，螺栓根部應做成類似圖12-24所示的構形，以改善金屬與樹脂的粘接，并防止被拉松。

　　④加強筋。在平板型部件上如需用加強筋以提高部件剛度時，應在平板已層合好，并已完成固化收縮后再做上去，以免因加強筋收縮而造成背面沉陷痕跡。加強筋應預成型好放在層合板表面，再鋪上浸足樹脂的玻璃氈或布，每鋪一層后，下一層要比前一層寬些，以確保良好的粘接與負荷分布。加強筋可用空心的或實心的預成型玻璃鋼或其他材料制作，也可用剛性泡沫塑料以致硬紙板、紙繩等制作，只要能滿足使用性能要求即可。加強筋鋪層示意于圖12-25。

　　(4)模具的復雜程度以及鋪層、脫模等操作和部件組裝的難易程度不論采取哪些材料、選用何種工藝，都要使模具易于加工制造、鋪層與脫模操作簡便。例如部件要有足夠的錐度，應盡量不設咬邊或減少咬邊等；制品的零部件應盡量地減，結構應盡量簡化，減少裝配工作量。還要考慮終產品運輸到使用地點的方法，如果產品體積龐大、難以運輸，可以考慮到現場進行加工與裝配。