復(fù)合材料的成型工藝

1、聚合物復(fù)合材料的成型工藝鞠金星（ 大連工業(yè)大學(xué) 紡織輕工學(xué)院，遼寧 大連 116034）摘要：復(fù)合材料由于重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等優(yōu)良的特點(diǎn)近幾年得到飛速發(fā)展，本文就復(fù)合材料的成型工藝做了簡(jiǎn)要的介紹。本文主要通過對(duì)復(fù)合材料成型工藝的原料準(zhǔn)備、設(shè)備、工藝過程、工藝控制、優(yōu)缺點(diǎn)及其各種方法的應(yīng)用，對(duì)10種成型工藝做了簡(jiǎn)要的介紹。隨著科技的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。關(guān)鍵詞：成型工藝；分類；工藝控制；優(yōu)缺點(diǎn)；應(yīng)用Polymer composites molding processJu Jinxing(School of Textile and Light

2、Industry，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China,)Abstract: Composite materials due to light weight, high strength, processing and forming convenient, flexible good resistance to chemical corrosion and weathering characteristics of excellent and good in recent years been rapid development

3、of this paper, the composite molding process gives a brief introduction. This primarily through the composite molding process to prepare the raw materials, equipment, process, process control, advantages and disadvantages of various methods and their applications, on the 10 kinds of molding process

4、gives a brief introduction. With the development of technology, composite materials, the application will be more extensive.Keywords: molding; classify; process control; merits; apply1 引言復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材

5、及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。2 復(fù)合材料的成型方法2.1 手糊成型工藝手糊成型工藝是以手工作用形式把玻璃纖維和樹脂交互地層鋪起來，以往和現(xiàn)在都沒有什么大的變化。手糊成型工作場(chǎng)地的大小，要根據(jù)產(chǎn)品大小和日產(chǎn)量決定，場(chǎng)地要求清潔、干燥、通風(fēng)良好，空氣溫度應(yīng)保持在1535之間，后加工整修段，要設(shè)有抽風(fēng)除塵和噴水裝置。模具準(zhǔn)備工作包括清理、組裝及涂脫模劑等。樹脂膠液配制時(shí)，要注意兩個(gè)問題：防止膠液中混入氣泡；配膠量不能過多，每次配量要保證在樹脂凝膠前用完。增強(qiáng)材料的種類和規(guī)格按設(shè)計(jì)要求選擇。手糊成型法分為干法和濕法兩種：制品固化分硬

6、化和熟化兩個(gè)階段：從凝膠到三角化一般要24h，此時(shí)固化度達(dá)50%70%（巴柯爾硬性度為15），可以脫模，脫后在自然環(huán)境條件下固化12周才能使制品具有力學(xué)強(qiáng)度，稱熟化，其固化度達(dá)85%以上。加熱可促進(jìn)熟化過程，對(duì)聚酯玻璃鋼，80加熱3h，對(duì)環(huán)氧玻璃鋼，后固化溫度可控制在150以內(nèi)。加熱固化方法很多，中小型制品可在固化爐內(nèi)加熱固化，大型制品可采用模內(nèi)加熱或紅外線加熱。脫模和修整脫模方法有如下幾種：頂出脫模壓力脫模大型制品（如船）脫模復(fù)雜制品可采用手工脫模方法修整分兩種：一種是尺寸修整，另一種缺陷修補(bǔ)。優(yōu)點(diǎn)是成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)。設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、見效

7、快。缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、不宜大批量生產(chǎn)。且產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。產(chǎn)品力學(xué)性能較低。生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工時(shí)粉塵多，易對(duì)施工人員造成傷害。22 噴射成型工藝噴射成形技術(shù)是在快速凝固粉末冶金工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的直接制備金屬材料坯料或半成品的一種先進(jìn)材料制備技術(shù)。噴射成型場(chǎng)地除滿足手糊工藝要求外，還特別注意環(huán)境排風(fēng)，根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小，操作間可為密閉式，以節(jié)省能源。原材料主要是樹脂和無捻玻纖粗紗，模具準(zhǔn)備包括清理、組裝及涂脫模劑等。噴射成型機(jī)分壓力罐式和泵供式兩種：1泵供式是將樹脂引發(fā)劑和促進(jìn)劑分別有泵輸送到靜態(tài)混合器中，充分混合后再由噴槍噴出。2壓力罐式是將樹脂膠液分

8、別裝在壓力罐中，靠進(jìn)入罐中的氣體壓力，使膠液進(jìn)入噴槍連續(xù)噴出。噴射成型應(yīng)注意事項(xiàng)：（1）環(huán)境溫度應(yīng)控制在（25±5），過高，易引起噴槍堵塞；過低，混合不均勻，固化慢；（2）噴射機(jī)系統(tǒng)內(nèi)不允許有水分存在，否則會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量；（3）成型前，模具上先噴一層樹脂，然后再噴樹脂纖維混合層；（4）噴射成型前，先調(diào)整氣壓，控制樹脂和玻纖含量；（5）噴槍要均勻移動(dòng)，防止漏噴，不能走弧線，兩行之間的重疊富庶小于1/3，要保證覆蓋均勻和厚度均勻；（6）噴完一層后，立即用輥輪壓實(shí)，要注意棱角和凹凸表面，保證每層壓平，排除氣泡，防止帶起纖維造成毛刺；（7）每層噴完后，要進(jìn)行檢查，合格后再噴下一層；（8）最后

9、一層要噴薄些，使表面光滑；（9）噴射機(jī)用完后要立即清洗，防止樹脂固化，損害設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)：1用玻纖粗紗代替織物，可降低材料成本；2生產(chǎn)效率比手糊的高24倍；3產(chǎn)品整體性好，無接縫，層間剪切強(qiáng)度高，樹脂含量高，抗腐蝕、耐滲漏性好；4可減少飛邊，裁布屑及剩余膠液的消耗；5產(chǎn)品尺寸、形狀不受限制。缺點(diǎn)：1樹脂含量高，制品強(qiáng)度低；2產(chǎn)品只能做到單面光滑；3環(huán)境污染，有害工人健康。2.3 袋壓成型工藝袋壓成型是將手糊成型的未固化制品，通過橡膠袋或其他彈性材料向其施加氣體或液體壓力，是制品在壓力下密實(shí)，固化。袋壓成型分類袋壓成型分為壓力袋法和真空袋法：1、壓力袋法：壓力袋法是將手糊成型未固化的制品放入橡膠袋，

10、固定好蓋板，然后通入壓縮空氣或蒸汽（0.250.5MPa），使制品在熱壓下固化。2、真空袋法：此法是將手糊成型未固化的制品，加蓋一層橡膠膜，制品處于橡膠膜和模具之間，密封周邊，抽真空（0.050.07MPa），使制品中的氣泡和揮發(fā)物排除。由于真空壓力較小，故此法僅用于聚酯和環(huán)氧復(fù)合材料制品的濕法成型。優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品兩面光滑；能適應(yīng)聚酯、環(huán)氧和酚醛樹脂；產(chǎn)品質(zhì)量比手糊高。2.4 模壓成型工藝一般是將粉狀、粒狀、團(tuán)粒狀、片狀，甚至先作成和制品相似形狀的料坯，放在加熱的模具的型腔中，然后閉模加壓,使其成型并固化或硫化,再經(jīng)脫模得制品,該法特別適用于熱固性塑料的成型加工。主要設(shè)備有壓機(jī)和模具。工藝過程分

11、為加料、閉模、排氣、固化、脫模和模具清理等，若制品有嵌件需要在模壓時(shí)封入，則在加料前應(yīng)將嵌件安放好。主要控制的工藝條件是壓力、模具溫度和模壓時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，尺寸精確，表面光潔，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，制品外觀尺寸的重復(fù)性好等；缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，投資高，制品的尺寸受設(shè)備條件的限制。2.5 纏繞成型工藝?yán)w維纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化、脫模、獲得產(chǎn)品。根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)的不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：易實(shí)現(xiàn)

12、機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確；生產(chǎn)效率高，成本低，缺點(diǎn)：纏繞成型適應(yīng)性小，不能纏繞任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹陷的制品，投資大，技術(shù)要求高。2.6 樹脂傳遞模塑成型工藝樹脂傳遞模塑成型簡(jiǎn)稱RTM（Resin Transfer Molding）。是手糊成型工藝改進(jìn)的一種閉模成型技術(shù)，可以生產(chǎn)出兩面光的制品。在國(guó)外屬于這一工藝范疇的還有樹脂注射工藝（Resin Injection）和壓力注射工藝(Pressure Infection)。RTM成型設(shè)備主要是樹脂壓注機(jī)和模具。樹脂壓注機(jī)由樹脂泵、注射槍組成。RTM模具分玻璃鋼模、玻璃鋼表面鍍金屬模和金屬模3種。RTM用的原材料有樹脂體

13、系、增強(qiáng)材料和填料。RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂。增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維。特點(diǎn)：可以制造兩面光的制品；成型效率高，適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；RTM為閉模操作，不污染環(huán)境，不損害工人健康；增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放，容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料；原材料及能源消耗少；建廠投資少，上馬快。2.7 真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝VARTM成型法是指在成形模具上首先鋪設(shè)強(qiáng)化纖維基材，用塑料薄膜封閉后再抽成真空，然后將液狀樹脂注入，由負(fù)壓原理使其完全浸入纖維基材各處并使其固化。VARTM成型法是在RTM基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改進(jìn)，其原理相同。特點(diǎn)是：不需要諸如壓力釜等

14、那樣龐大且復(fù)雜的設(shè)備，大型結(jié)構(gòu)部件可簡(jiǎn)單地一次成型以及有機(jī)溶劑的揮發(fā)量少，作業(yè)環(huán)境較好。與過去FRP結(jié)構(gòu)件常用的手工鋪層法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)纖維含量高、氣孔率低，所以VARTM的成型高質(zhì)量等等。2.8 拉擠成型工藝?yán)瓟D工藝是一種連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料型材的方法，它是將紗架上的無捻玻璃纖維粗紗和其他連續(xù)增強(qiáng)材料、聚脂表面氈等進(jìn)行樹脂浸漬，然后通過保持一定截面形狀的成型模具，并使其在模內(nèi)固化成型后連續(xù)出模，由此形成拉擠制品的一種自動(dòng)化生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)原料與設(shè)備樹脂基體：不飽和聚酯樹脂，乙烯基樹脂，環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂增強(qiáng)材料：玻璃纖維，碳纖維輔助材料：引發(fā)劑，環(huán)氧樹脂固化劑，著色劑，填料，脫模劑等工藝設(shè)備：送紗

15、及送氈裝置，浸膠裝置，預(yù)成型裝置，成型模具，牽引設(shè)備，切割設(shè)備輔助設(shè)備：配料工具，攪拌設(shè)備，切氈機(jī)拉擠工藝流程玻璃纖維粗紗排布 > 浸膠 > 預(yù)成型 > 擠壓模塑及固化 > 牽引 > 切割 > 制品工藝控制的參數(shù)主要包括成型溫度、固化時(shí)間、牽引張力及牽引速度2.9 擠出成型擠出成型是指物料通過擠出機(jī)料筒和螺桿間的作用，邊受熱塑化，邊被螺桿向前推送，連續(xù)通過機(jī)頭而制成各種截面制品或半制品的一種加工方法。料自料斗進(jìn)入料筒，在螺桿旋轉(zhuǎn)作用下，通過料筒內(nèi)壁和螺桿表面摩擦剪切作用向前輸送到加料段，在此松散固體向前輸送同時(shí)被壓實(shí)；在壓縮段，螺槽深度變淺，進(jìn)一步壓實(shí)，同時(shí)

16、在料筒外加熱和螺桿與料筒內(nèi)壁摩擦剪切作用，料溫升高開始熔融，壓縮段結(jié)束；均化段使物料均勻，定溫、定量、定壓擠出熔體，到機(jī)頭后成型，經(jīng)定型得到制品。按塑化方式：干法擠出與濕法擠出；按加壓方式：連續(xù)擠出與間歇擠出（1）溫度溫度由加熱冷卻系統(tǒng)控制，由于螺桿結(jié)構(gòu)、加熱冷卻系統(tǒng)不穩(wěn)定、螺桿轉(zhuǎn)速變化等原因使擠出物料溫度在徑向和軸向都存在波動(dòng)，從而影響制品質(zhì)量，制品各點(diǎn)強(qiáng)度不一樣，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，表面灰暗無光澤。為保證制品質(zhì)量，溫度應(yīng)穩(wěn)定。（2）壓力由于螺桿和料筒結(jié)構(gòu)，機(jī)頭、過濾網(wǎng)、過濾板的阻力，使塑料內(nèi)部存在壓力。壓力變化如圖，壓力同樣存在波動(dòng)。（3）擠出速率當(dāng)產(chǎn)品已定，擠出速率僅與螺桿轉(zhuǎn)速有關(guān)。擠出速率也

17、存在波動(dòng)，影響制品幾何形狀和尺寸。2.10 注射成型簡(jiǎn)稱注塑。塑料在注塑機(jī)加熱料筒中塑化后，由柱塞或往復(fù)螺桿注射到閉合模具的模腔中形成制品的塑料加工方法。2.10.1 設(shè)備及注塑過程注塑機(jī)由注射裝置、合模裝置和注塑模具三部分組成。熱塑性塑料的注射成型包括加料、塑化、注射、保壓、冷卻、脫模等過程。2.10.2 熱固性與熱塑性塑料注射成型條件的比較熱固性塑料料筒溫度 塑化溫度低，料筒溫度在95以下，溫度控制要求嚴(yán)格熱塑性塑料塑化溫度高，料筒溫度在150以上，溫度控制不嚴(yán)格熱固性塑料在料筒中的時(shí)間 短 較 長(zhǎng)，料筒加熱方式 液體介質(zhì)(水、油) 電加熱，模具溫度 150一200 100以下，注射壓力

18、100-200MPa 35-140MPa，注射量 注射量較小，料筒前部余料很小 注射量較大，料筒前部余料較多。2.10.3 特點(diǎn)生產(chǎn)連續(xù)、效率高、操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣3 各種方法的應(yīng)用手糊成型工藝適宜我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展。且工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)技術(shù)易掌握，只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進(jìn)行生產(chǎn)。易于滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，可在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料；制品的樹脂含量高，耐腐蝕性能好。噴射成型工藝的噴射成型效率達(dá)15/min，故適合大型船體的制造，已廣泛用于加工浴盆、機(jī)器外罩、整體衛(wèi)生間、汽車車身構(gòu)件及大型浮雕制品等。袋壓成型工藝廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天飛機(jī)。如飛機(jī)倉(cāng)門、整流罩、機(jī)載雷達(dá)罩、支架、機(jī)翼、尾翼

19、、隔板、壁板及隱形飛機(jī)等。模壓成型工藝應(yīng)用主要用于熱固性塑料（見熱固性樹脂）成型，如酚醛、三聚氰胺甲醛、脲甲醛等塑料，也用于制造不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂加玻璃纖維的增強(qiáng)塑料制品。纏繞成型工藝主要用于制作管材樹脂傳遞模塑成型工藝適用范圍很廣，目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。已開發(fā)的產(chǎn)品有：汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、螺旋漿、8.5m長(zhǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、天線罩、機(jī)器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、電線桿、小型游艇等。拉擠成型工藝在電氣市場(chǎng)，化工、防腐市場(chǎng)，消費(fèi)娛樂市場(chǎng)，建筑市場(chǎng)，道路交通市場(chǎng)，農(nóng)村市場(chǎng)等行業(yè)都有應(yīng)用注射成型工藝能加工外形復(fù)雜、尺寸精確或帶嵌件的

20、制品，生產(chǎn)效率高。大多數(shù)熱塑性塑料和某些熱固性塑料（如酚醛塑料）均可用此法進(jìn)行加工。用于注塑的物料須有良好流動(dòng)性，才能充滿模腔以得到制品。4 結(jié)語(yǔ)隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。參考文獻(xiàn)：1 Srivastava A K, Anandani R C, Dhar A , et al. Effect of thermal con2 ditions on microstructural features during spray forming J.Materials Science and Engineering A, 200