纤维增强聚酯制品设计的原则

　　纤维增强聚酯制品的设计是一个复杂的问题，因为制品的应用范围广，制品形态与性能要求各不相同。例如造船，做汽车外壳、飞机部件，做化工容器、管道，做建筑构件、空调设备，做电气绝缘、机械零、部件，以致日常生活及办公用品等，制品的设计涉及各应用部门的专业设计。
　　玻璃纤维增强聚酯的各种产品都是用不饱和聚酯树脂、玻璃纤维以及填料、颜料与各种添加剂等，经过不同的加工过程，一次固化而成终产品的，有一定的共同的规律性。本节将介绍材料的选择、工艺方法的选择、设计中的注意事项以及强度计算基础等方面的问题。

　　1　材料选择

　　为满足制品的性能要求，需要选择合用的原材料，包括聚酯树脂、玻璃纤维或其他纤维以及填料、颜料和其他添加材料。在选用这些材料时应考虑的因素很多，以下加以说明。
　　(1)制品的力学性能　例如强度与质量比(即比强度)的高低，相对密度大小；对强度、刚度、冲击性的要求，谁为主要对疲劳寿命的要求，先看其是否是承重构件等。据此可选择树脂和纤维并考虑纤维用量及分布方案。
　　(2)制品的热性能　例如使用温度、热变形温度、膨胀系数等。据此可选择耐温性不同的树脂。
　　(3)阻燃性能　是否要求阻燃自熄？阻燃等级？据此选用不同等级的阻燃树脂。
　　(4)耐化学性　接触何种液体或气体？是水溶液还是溶剂？是单一组分还是混合组分？使用的温度条件、接触介质的酸碱度及浓度等如何？据此可选用不同的耐化学性树脂。
　　(5)生物学要求　制品是否接触食物？是否有细菌、微生物繁殖？是否有白蚁为害？据此选用特定的树脂和后固化工艺。
　　(6)电性能　包括击穿电压、电弧、电阻、表面电阻与体积电阻率、介电常数、介质损耗(tgδ)等。
　　(7)室外耐候性　是否长期暴露于紫外线照射下？制品是否要经受热带、寒带或海洋、高山等气候条件？
　　(8)清晰度与颜色　制品要求透明、半透明或不透明？有无具体的透光度、颜色、要抗黄变要求？对表面形态有何要求?
　　(9)使用标准　在国际上各国对玻璃钢制品规定了不少质量标准，我国也制订了一系列玻璃钢制品标准。在这些制品性能标准中，有些是特殊性的，例如美国食品药物管理局F.D.A．标准，规定了不饱和聚酯允许采用的原材料范围以符合食品容器的要求；又如英国劳埃德船舶年鉴规定了玻璃钢船艇可用的树脂，玻璃纤维及制品性能等。
　　在选择原材料时，可以参照以上所列各种使用性能要求，先选出适用的树脂。一般来说，复合材料中的树脂基体决定了制品的耐化学性、耐水性、热稳定性、电绝缘性、耐候性、隔热性、颜色、表面状态以及是否满足接触食品要求等性能。玻璃纤维增强材料则主要决定复合材料的力学性能，同时对其他如电性能、耐化学性能等也有重要影响。
　　在选择好树脂的品种、规格，井弄清其工艺性能与固化条件后，要选用合适的玻璃纤维或其他纤维增强材料。不同的增强材料对复合材料产生不同的增强效果。表12-11为通用聚酯树脂采用不同的玻璃纤维增强材料所制得的层合板的性能对比。表12-11中同时列出了对各种层合板性能测定所用的德国标准。可供选用的玻璃纤维品种是多样的，11.1节中介绍了各种品种规格的使用情况。为了满足使用性能要求并降低成本，有时可加入填料。

　　2　工艺方法选择

　　在选择合适的原材料时，必然会涉及玻璃钢制品的成型方法。玻璃钢制品的成型方法有20多种，第14章将逐一介绍。各种成型方法都是为适应制品性能、规格以及批量规模等要求而设计的。在选择适用的工艺方法时，一般要考虑以下几个因素。
　　①制品的尺寸大小，是属于小件制品、还是中型制品或大型制品？
　　②设备允许一次投资多少？生产经营成本条件怎样？
　　③生产批量数。大批量生产(如一次性生产量在1万件以上)与中等批量或小批量生产，其生产工艺不同，模具类型不同，生产设备不同，而且产品质量、性能标准也不同。
　　④对表面粗糙度要求。要求单面光滑还是双面光滑?
　　⑤制品厚度大小及变化情况。
　　⑥制品构形复杂程度。是否有反折边、咬边等?据此考虑模具形式。
　　⑦表面构形为平面、曲面或双重曲面？对光滑度、平整度要求？如要求高时，需要低收缩、低轮廓树脂和热固化成型。
　　⑧制品对棱角、直角、边缘等的要求。允许小圆角半径是多少？如要求高时要用模压工艺。
　　⑨制品是否要胶衣？是否要求特定的辅层工艺或夹层结构？
　　⑩是否要求纤维准确排列以获得特定的强度？
    　11 是否要求热固化或后固化工艺。
　　在考虑了上述各种因素以后，可能选出一种或几种可用的生产方法。反过来再考虑所选用的树脂、玻璃纤维等原材料是否与这种工艺相适应，并作相应调整。
　　表12-12对10种常用生产方法的选择性作了对比。表中按1～10顺序表明性能由低到高的顺序。同时注明了各种不同玻璃纤维增强材料所产生的复合材料中的玻璃纤维含量。
　　在制品的各部件设计中可能遇到的各种尺寸、外形、断面、开孔、加筋、表面光洁、夹芯等方面的要求，对几种成型工艺的适用情况列于表12-13。表12-13中所列为参考数据，有关各种生产方法的特点将在下面章节介绍。

　3　设计中应注意的几个问题

　　在实际制品的每个部件的设计中应注意以下一些问题。
　　(1)玻璃纤维的排布   玻璃纤维在复合材料中的方向性决定了制品强度的方向性。在实际使用中部件的受力很少是单方向的。由试样测定所得的强度值有较大的分散性，而且往往是按纵向取样测定的，这种实测数据不能直接用来进行设计计算。设计时必须考虑部件可能承受多方向的应力以及材料应有的构形和截面。图12-19～图12-23为不同玻璃纤维排布所产生的层合板实际强度方向性变化情况。图中各同心圆代表不同的弯曲强度与冲击强度的等值圆。圆半径大小与强度值大小成正比。0℃方向为层合板纵向，90℃方向为其横向，由此可得360℃各方向应力分布曲线。图中所示仅为象限应力分析，其他象限为对称图形。

　　由图12-19可见，用短切玻璃纤维毡增强时，复合材料在各层平面内接近于各向同性。从图12-20～图12-22可见，由双向正交纤维分布所得的复合材料在0°与90°方向有大拉伸强度，但冲击强度低，后者在45°与135°方向有大值。如将玻璃布按0°、45°、90°、135°方向依次叠合，则在平面方向上接近于各向同性复合材料(图12-23)。

　　(2)确定合理的安全系数安全系数为极限强度与许用应力的比值。因纤维增强聚酯树脂缺乏标准的强度值，而且实测分散性较大，故在确定安全系数时要仔细分析，并考虑以下一些因素。
　　①对负荷分析计算得准确时，可以采用较低的安全系数。
　　②对应力的分析与计算精确时，可适当降低安全系数。
　　③纤维增强聚酯材料的质地与尺寸均匀(如模压成型比手糊成型或喷射成型均匀性好)，可选用较低的安全系数。
　　④如为长时间负载、冲击负载、反复换向负载等，就要降低许用应力，提高安全系数。
　　⑤如可能造成人身伤亡或贵重仪器设备损坏时，要适当提高安全系数。
　　一般设计用玻璃钢板限强度值可取实测平均值的70％左右。在取许用应力耐，应考虑构件的安全载荷，并采用适当的安全系数。

　　式中

　　(3)部件的厚度、转角、边缘、镶嵌、加筋等处理  部件设计中要处理好这些细节，否则将为生产操作造成困难，以致无法生产。
　　①部件厚度会影响制品的力学性能、材料成本、生产效率，也会因放热温度变化而影响产品质量。在生产厚壁部件时，必须小心不因反应放热积聚而使制件变色、变形或产生收缩波纹。
　　②边缘、法兰要有足够的刚度，尺寸大时法兰边缘要另外加强，以保证刚度。部件各处转角要有小半径，如：
　　手糊成型与喷射成型 6mm
　　压力成型与真空袋压成型 12mm
　　预混与对模成型 3mm
　　SMC与BMC产品  0.5mm
　　③镶嵌件装配时往往需要有金属镶嵌件预埋在玻璃钢部件中。这种镶嵌对于手糊成型与喷射成型制品一般要在镶嵌件周围增大厚度，使之稳固。同时镶嵌件本身要有较大的“生根”面积。例如螺栓的预埋，螺栓根部应做成类似图12-24所示的构形，以改善金属与树脂的粘接，并防止被拉松。

　　④加强筋。在平板型部件上如需用加强筋以提高部件刚度时，应在平板已层合好，并已完成固化收缩后再做上去，以免因加强筋收缩而造成背面沉陷痕迹。加强筋应预成型好放在层合板表面，再铺上浸足树脂的玻璃毡或布，每铺一层后，下一层要比前一层宽些，以确保良好的粘接与负荷分布。加强筋可用空心的或实心的预成型玻璃钢或其他材料制作，也可用刚性泡沫塑料以致硬纸板、纸绳等制作，只要能满足使用性能要求即可。加强筋铺层示意于图12-25。

　　(4)模具的复杂程度以及铺层、脱模等操作和部件组装的难易程度不论采取哪些材料、选用何种工艺，都要使模具易于加工制造、铺层与脱模操作简便。例如部件要有足够的锥度，应尽量不设咬边或减少咬边等；制品的零部件应尽量地减，结构应尽量简化，减少装配工作量。还要考虑终产品运输到使用地点的方法，如果产品体积庞大、难以运输，可以考虑到现场进行加工与装配。