復(fù)合材料成型工藝以及設(shè)備要求

1、復(fù)合材料成型工藝以及設(shè)備要求6.1 概述制品成型特點(diǎn) 與其它材料不同，復(fù)合材料的材料和制品是在同一個(gè)成型工藝過(guò)程中一次形成的。生產(chǎn)中建立起來(lái)的成型方法有：手糊成型真空袋壓法成型壓力袋成型樹(shù)脂注射和樹(shù)脂傳遞成型噴射成型真空輔助樹(shù)脂注射成型夾層結(jié)構(gòu)成型生產(chǎn)中建立起來(lái)的成型方法有： 8. 模壓成型 9. 注射成型10. 擠出成型11. 纖維纏繞成型12. 拉擠成型13. 連續(xù)板材成型14. 層壓或卷制成型15. 熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型16. 離心澆鑄成型其中，9，10，15為熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝選擇成型工藝方法的原則 選擇成型方法時(shí)，必須同時(shí)滿(mǎn)足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等多種因素，具

2、體包括： 1.產(chǎn)品的外形構(gòu)造和尺寸大小 2.產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求（如材料的物化性能、 產(chǎn)品的強(qiáng)度及表面粗糙度等） 3.生產(chǎn)批量的大小及供應(yīng)時(shí)間（允許的生產(chǎn)周期） 4.企業(yè)可提供的設(shè)備條件及資金 5.綜合經(jīng)濟(jì)效益6.2 手糊成型工藝及設(shè)備 手糊成型又稱(chēng)接觸成型。是用纖維增強(qiáng)材料和樹(shù)脂膠液在模具上鋪敷成型，在室溫或加熱無(wú)壓（或低壓）條件下固化，脫模成制品的工藝方法。 工藝手糊成型法分類(lèi)： 手糊成型按成型固化壓力可分為兩類(lèi)；接觸壓和低壓（接觸壓以上）接觸壓為手糊成型、噴射成型。低壓成型包括對(duì)模成型、真空成型、袋壓成型以及樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）和反應(yīng)注射模塑（RIM）成型等。 手糊成型特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：1.適

3、宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品2.設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少 3.工藝簡(jiǎn)便 4.可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料 缺點(diǎn)是： 1.效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大 2.產(chǎn)品質(zhì)量不易控制 3.力學(xué)性能較低 6.2.1 原材料選擇 1).聚合物基體的選擇要求 能在室溫下凝膠、固化 膠液粘度適當(dāng) 無(wú)毒或低毒 價(jià)格便宜 不飽和聚酯樹(shù)脂，用量約占各類(lèi)樹(shù)脂的 80主要牌號(hào) 196#、191、189、198；其次是環(huán)氧樹(shù)脂15%，主要牌號(hào)E-51、E-44、E-42。航空結(jié)構(gòu)制品采用高性能樹(shù)脂，須高溫高壓固化成型 2)輔助材料 稀釋劑 :調(diào)整樹(shù)脂黏度。有活性和非活性?xún)煞N。非活性加入量為5%-15%。填料 :降低成本，改善樹(shù)脂性能（

4、減小收縮率、自熄性、耐磨性等）。有粘土、碳酸鈣、白云石、滑石粉、石英砂、石墨、聚氯乙烯粉等。 糊制垂直或傾斜面時(shí)，可加少量活性SiO2 。色料：改變制品外觀。一般不使用有機(jī)顏料和碳黑 3) 增強(qiáng)材料1）.玻璃纖維 A一玻璃纖維 E一玻璃纖維（無(wú)堿） S一高強(qiáng)玻璃纖維 M一高彈玻璃纖維和L一防輻射玻璃纖維 ，c-中堿玻璃纖維 玻璃纖維制品 無(wú)捻粗紗、短切纖維氈 、無(wú)捻粗紗布 、 玻璃纖維細(xì)布 、 單向織物 2）. 碳纖維聚丙烯睛（PAN）纖維、瀝青纖維和粘膠纖 3）. Kevlar纖維 6.2.2 手糊成型模具與脫模劑 6.2.2.1 模具結(jié)構(gòu)與材料模具結(jié)構(gòu) -單模和對(duì)模兩類(lèi) 成整體式或拼裝式

5、6.2.2.2. 模具材料 木材石膏 石蠟 可溶性鹽 低熔點(diǎn)金屬 金屬 6.2.2.3 模具設(shè)計(jì)要?jiǎng)t 根據(jù)制品的數(shù)量、確定模具材料與結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度 光潔度 拐角曲率半徑應(yīng)大于2mm拔模斜度，一般為2耐熱性 造價(jià) 6.2.2.4 模具設(shè)計(jì)程序 分析原始資料選定原材料及制造方法 確定模具結(jié)構(gòu)及脫模方法 編制模具制造工藝技術(shù)規(guī)程 繪制模具圖紙 6.2.2.5 其他膠衣樹(shù)脂 應(yīng)具有收縮率低、延伸率高、耐磨耐熱等優(yōu)良性能 脫模劑 脫模劑分外脫模劑和內(nèi)脫模劑兩大類(lèi)。外脫模劑主要應(yīng)用于手糊成型和冷固化系統(tǒng)，內(nèi)脫模劑主要用于模壓成型和熱固化系統(tǒng) 薄膜型脫模劑-聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃紙混合溶液型脫模劑 -

6、聚乙烯醇溶液 蠟型脫模劑 6.2.3 手糊工藝過(guò)程 6.2.3.1 原材料準(zhǔn)備 （1) 膠液準(zhǔn)備 1） 2）凝膠時(shí)間 手糊作業(yè)結(jié)束后樹(shù)脂應(yīng)及時(shí)凝膠。一定溫度下，主要受引發(fā)劑、促進(jìn)劑或固化劑量的影響。手糊前應(yīng)做凝膠試驗(yàn)3) 其它影響因素 ： 膠液體積 、環(huán)境溫度與濕度 、制品厚度與表面積大小 、交聯(lián)劑蒸發(fā)損失 、抑制聚合反應(yīng)的助劑、填料加入量。4) 配制方法 按配方比例先將引發(fā)劑等助劑和樹(shù)脂混合均勻備用，操作前再加入促進(jìn)劑攪拌均勻。加入引發(fā)劑的樹(shù)脂膠液，貯存期不能過(guò)長(zhǎng)。一次配膠量不要過(guò)多。 促進(jìn)劑用量聚脂配方環(huán)氧配方（2） 增強(qiáng)材料準(zhǔn)備 1.表面處理 2.布的下料 注意下列各點(diǎn)：（1）布的方向性

7、 （2）同一鋪層搭接 （3）剪裁布的大小 （3） 膠衣糊準(zhǔn)備 膠衣糊用來(lái)制作表面膠衣層 33號(hào)膠衣樹(shù)脂，是有良好耐水性的間苯二甲酸型膠衣樹(shù)脂。 36號(hào)膠衣樹(shù)脂，是制造不透明制品用的自熄性膠衣樹(shù)脂。 39號(hào)膠衣樹(shù)脂，是氯代間苯二甲酸型耐熱自熄性膠衣樹(shù)脂。 21號(hào)膠衣樹(shù)脂，是異戊二醇型膠衣樹(shù)脂。具有耐水煮、耐熱、不易污染及柔韌耐磨的特性。膠衣層樹(shù)脂膠液配制 33號(hào)膠衣樹(shù)脂100（質(zhì)量） 引發(fā)劑H 4 促進(jìn)劑E 2-4 膠衣樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)： 外觀：顏色均勻，無(wú)雜質(zhì)，粘稠狀流體 酸值：1015mgKOH/g（樹(shù)脂） 凝膠時(shí)間：1015min 觸變指數(shù)：5.5 貯存時(shí)間25 6個(gè)月（4） 手糊制品厚度與層

8、數(shù)計(jì)算 1）制品厚度的預(yù)測(cè) t = m X k t 制品（鋪層）厚度，mm； m 材料質(zhì)量，kgm2； k 厚度常數(shù)，mm（kgm-2） （即每1kgm2材料的厚度）。 例1 一手糊玻璃鋼制品，壁由 5層 800gm2E玻璃布糊制，玻璃纖維含量為 55質(zhì)量比），樹(shù)脂密度為13，求該制品壁厚？樹(shù)脂與玻璃布質(zhì)量比 ：樹(shù)脂質(zhì)量：0.818 x 5 x 0.83.27（kgm2）玻璃布厚度：5x 0.8 x0.3911.564（mm） 樹(shù)脂厚度： 3.27 x 0.7692.514（mm） 總 厚 度 ：1.5642.514=4.078（mm） 2）鋪層層數(shù)計(jì)算 n = A /mf（kf+ckr）式中

9、: A手糊制品總厚度，mm； mf增強(qiáng)纖維單位面積質(zhì)量，kgm2； kf增強(qiáng)纖維的厚度常數(shù),mm（kgm-2）； kr樹(shù)脂基體的厚度常數(shù),mm(kgm-2） ； C樹(shù)脂與增強(qiáng)材料的質(zhì)量比； n增強(qiáng)材料鋪層層數(shù) 例2 玻璃鋼制品由04中堿方格布和不飽和聚酯樹(shù)脂（密度13gcm3）糊制，含膠量為55，壁厚10mm，求布層數(shù)？ 查表: kf增強(qiáng)纖維的厚度常數(shù)=0.408 mm（kgm-2） kr樹(shù)脂基體的厚度常數(shù)=0.769 mm（kgm-2）04中堿方格布mf= 340gm 2樹(shù)脂與玻璃纖維質(zhì)量比 cn = A / mf（kf+ckr）X0.769）=22層6.2.3.2 糊制 (l) 表面層1)

10、膠衣層 厚度控制在0.25 ,或用單位面積用膠量控制，300 500g/m22)膠衣層通常采用涂刷和噴涂?jī)煞N方法。涂刷膠衣一般為兩遍，必須待第一遍膠衣基本固化后再涂刷第二遍 3）表面氈膠衣層開(kāi)始凝膠時(shí)，應(yīng)立即鋪放一層較柔軟的增強(qiáng)材料，最理想的是玻璃纖維表面氈。既能增強(qiáng)膠衣層（防止龜裂），又有利于膠衣層與結(jié)構(gòu)層（玻璃布）的粘合。膠衣層全部凝膠后，可開(kāi)始手糊作業(yè)。涂刷膠衣的工具是毛刷，毛要短、質(zhì)地柔軟。注意防止漏刷和裹入空氣 噴涂是采用噴槍進(jìn)行的，噴槍口徑為25mm時(shí)，適宜的噴涂壓力為 0.4 - 0.5MPa （槍口壓力） 4)影響膠衣噴涂的因素： （a）觸變指數(shù) 對(duì)噴涂霧化程度有 影響 （b）

11、溫度 溫度低時(shí)霧化不好（c）嚴(yán)防在膠衣層內(nèi)混入氣泡。（d）噴涂過(guò)程中因苯乙烯揮發(fā)而造成固化不良，質(zhì)量下降。（e）不能在膠衣層內(nèi)帶入水。 (2)鋪層控制 盡可能連續(xù)，切忌隨意切斷或拼接 拼接的形式有搭接與對(duì)接兩種多次固化拼接6.2.3.3 固化 (1) 不飽和聚酯樹(shù)脂的固化不飽和聚酯樹(shù)脂的線型分子與交聯(lián)劑變成體型結(jié)構(gòu)，必須加入引發(fā)劑、促進(jìn)劑不飽和聚酯樹(shù)脂的固化是放熱反應(yīng)。聚酯樹(shù)脂從粘流態(tài)轉(zhuǎn)為不能流動(dòng)的凝膠，最后轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗懿蝗鄣膱?jiān)硬固體的固化過(guò)程可分為三個(gè)階段：凝膠階段、定型階段（硬化階段）、熟化階段（完全固化階段）（2） 不飽和聚酯樹(shù)脂固化工藝控制固化度表明熱固性樹(shù)脂固化反應(yīng)的程度，通常用百分率

12、表示。常用判斷固化度的方法是測(cè)定制品的巴柯硬度值。一般巴柯硬度達(dá)到15%時(shí)便可脫模，精度高的制品，應(yīng)達(dá)到30%。手糊制品通常采用常溫固化。糊制操作的環(huán)境溫度應(yīng)高于15，濕度低于80%。脫模后繼續(xù)在高于15的環(huán)境溫度下固化或加熱處理。制品室溫固化后，有的須在進(jìn)行加熱后處理。環(huán)氧玻璃鋼一般控制在150 以?xún)?nèi)，聚酯玻璃鋼一般在5080 之間。6.2.3.4 手糊工藝質(zhì)量控制(1) 影響手糊制品質(zhì)量的因素 概括為三方面：組分質(zhì)量；組分復(fù)合過(guò)程的成型與固化；制品的輔助加工 。手糊制品質(zhì)量缺陷的主要表現(xiàn)為：膠衣層質(zhì)量不佳；纖維浸膠未浸透；纖維與基體粘結(jié)不良；存在氣泡、分層；股紗扭結(jié)與皺折、斷股紗與纖維端部

13、松散；纖維方向偏離；纖維鋪層順序錯(cuò)位；固化不充分；翹曲開(kāi)裂；局部富樹(shù)脂區(qū)；纖維體積含量不當(dāng)；接縫拼接不良等 產(chǎn)生上述缺陷的原因 纖維方面：纖維（或織物）質(zhì)量不均樹(shù)脂基體:粘度不適宜、揮發(fā)分含量等不 合要求,含有雜質(zhì)等。施工作業(yè)：不按工藝規(guī)程操作。固化工藝：固化劑的質(zhì)量、用量不合要求；常溫固化的環(huán)境溫度、濕度不合要求；熱固化的溫度制度及加壓時(shí)機(jī)等不合要求。脫模存放、機(jī)械加工與連接等不當(dāng)。 (2) 質(zhì)量控制 產(chǎn)品質(zhì)量控制包括三方面：原材料的質(zhì)量控制；按標(biāo)準(zhǔn)檢查樹(shù)脂基體、固化劑、增強(qiáng)材料、溶劑等的常規(guī)指標(biāo)和特征指標(biāo)成型工藝過(guò)程：工裝、工序、操作、固化過(guò)程成品質(zhì)量檢驗(yàn) ：表觀質(zhì)量、尺寸、重量、固化度、

14、含膠量及機(jī)械性能。制品功能。如冷卻塔的熱力性能，浴缸的耐熱水性等 。 （3）手糊成型易發(fā)生的缺陷及防治措施 （1）膠衣的缺陷：起皺 、龜裂 、變 色 （2）制品皺縮、變形（3）翹曲和變形制模涂蠟噴膠衣皺縮設(shè)計(jì)糊的方案裁 布裁結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)方案配膠攪拌糊制工具滾涂刷涂骨架安置骨架安置骨架方案開(kāi)模6.2.4 噴射成型工藝及設(shè)備噴射成型 一般是將分別混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹(shù)脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時(shí)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹(shù)脂一起均勻沉積到模具上。待沉積到一定厚度，用手輥滾壓，使纖維浸透樹(shù)脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品 6.2.4.1 噴射成型方法

15、按膠液噴射動(dòng)力可分為：氣動(dòng)型 氣動(dòng)型靠壓縮空氣的噴射將膠液霧化并噴涂到芯模上。部分樹(shù)脂和引發(fā)劑煙霧被壓縮空氣擴(kuò)散到周?chē)諝庵校ㄈ鐖D所示），因此這種形式已很少使用了。液壓型 液壓型是無(wú)空氣的液壓噴涂系統(tǒng)?？恳簤簩⒛z液擠成滴狀并噴涂到模具上。因沒(méi)有壓縮空氣造成的擾動(dòng)，所以沒(méi)有煙霧，材料浪費(fèi)少，如圖所示。 按膠液混合形式可分為：內(nèi)混合型內(nèi)混合型是將樹(shù)脂與引發(fā)劑分別送到噴槍頭部的紊流混合器充分混合，因?yàn)橐l(fā)劑不與壓縮空氣接觸，就不產(chǎn)生引發(fā)劑蒸汽，見(jiàn)圖。但缺點(diǎn)是噴槍易堵，必須用溶劑及時(shí)清洗。外混合型 是引發(fā)劑和樹(shù)脂在噴槍外的空中相互混合。由于引發(fā)劑在同樹(shù)脂混合前必須與空氣接觸，而引發(fā)劑又容易揮發(fā)，因此既

16、浪費(fèi)材料又引起環(huán)境污染，如圖所示。先混合型 是將樹(shù)脂、引發(fā)劑和促進(jìn)劑先分別送至靜態(tài)混合器充分混合，然后再送至噴槍噴出。 噴射成型的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用 用以制造汽車(chē)車(chē)身、船身、浴缸、異型板、機(jī)罩、容器、管道與儲(chǔ)罐的過(guò)度層等。噴射成型的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率比手糊成型提高24倍，生產(chǎn)效率可達(dá)15kg/min，可用較少設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)中批量生產(chǎn)。且用玻璃纖維無(wú)捻粗紗代替織物，材料成本低；產(chǎn)品整體性好，無(wú)接縫；可自由調(diào)變產(chǎn)品厚度、纖維與樹(shù)脂的比例。主要缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)污染大，樹(shù)脂含量高。制品強(qiáng)度較低。 6.2.4.2 噴射成型工藝過(guò)程控制（1）噴射工藝參數(shù)1）制品纖維含量控制在2833%。纖維長(zhǎng)度一般為2550mm。 2

17、）噴射制品采用不飽和聚酯樹(shù)脂，含膠量約為60%左右。 3）膠液粘度應(yīng)在0.30.8Pa.s。觸變度以1.54為宜。4）噴射量與噴射壓力和噴嘴直徑有關(guān)，控制噴膠量在860g/s之間調(diào)變。 5）噴槍夾角 20為宜。6）噴霧壓力 要能保證兩組分樹(shù)脂均勻混合。 （2） 噴射成型工藝要點(diǎn) 1）成型環(huán)境溫度 以255為宜。2）成型工序應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化， 3）噴射機(jī)應(yīng)由獨(dú)立管路供氣 4）樹(shù)脂膠液應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行加溫或保溫，以維持膠液粘度適宜。5）噴槍移動(dòng)速度均勻，相鄰兩個(gè)行程間重疊寬度應(yīng)為前一行程寬度的1/3，6）每個(gè)噴射面噴完后，立即用壓輥壓， 7）特殊部位的噴射 噴射成型機(jī) 6.2.5 樹(shù)脂傳遞模塑樹(shù)脂傳遞模塑為

18、Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)RTM. RTM是一種閉模成型工藝方法，其基本工藝過(guò)程為：將液態(tài)熱固性樹(shù)脂（通常為不飽和聚酯）及固化劑，由計(jì)量設(shè)備分別從儲(chǔ)桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻，注入事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料的密封模內(nèi)，經(jīng)固化、脫模、后加工而成制品。RTM工藝可以生產(chǎn)高性能、尺寸較大、高綜合度、數(shù)量中等到大量的產(chǎn)品，所以說(shuō)RTM工藝也是一種很有前途的工藝方法。 長(zhǎng)4m 高1m的福特車(chē)頂構(gòu)件RTM成型用設(shè)備 RTM成型用設(shè)備通?？煞譃槿蟛糠?，即控制樹(shù)脂部分或稱(chēng)RTM成型機(jī)、壓機(jī)和模具。RTM成型機(jī) RTM模具RTM模具是RTM成型技術(shù)的關(guān)鍵，在性能上應(yīng)滿(mǎn)足：有良好的保溫性；在注入壓力下不變形；樹(shù)脂流失??；容易修正；價(jià)格低廉；使用壽命長(zhǎng)；合模、啟模容易等。RTM原材料（1）樹(shù)脂系統(tǒng) 1）粘度低。一般在.25. Pas為最 佳。 2）固化放熱峰低。一般為80140。 3）固化時(shí)間短。一般凝膠時(shí)間控制在 530min之間。（2）增強(qiáng)材料 一般以玻璃纖維為主，含量為25%40%（質(zhì)量比）。（3）填料 通常為樹(shù)脂用量的20%40%（質(zhì)量比）。 RTM工藝特點(diǎn)1）主要設(shè)備（如模具和模壓設(shè)備等）投資少2）生產(chǎn)的制品兩面光滑、尺寸穩(wěn)定、容易組合3）允許制品帶有加強(qiáng)筋、鑲嵌件和附加物，設(shè)計(jì)靈活，從而獲得最佳結(jié)構(gòu)4） 對(duì)樹(shù)脂和填料的適用性廣泛5）生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度低