第11章 聚合物基复合材料成型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,11,章 聚合物基复合材料成型,10/13/2024,1,11.1,概述,1,、制造过程：,（,1,）,原辅材料准备,阶段：树脂、溶剂、固化剂、促,进剂、填料和颜料等的配制；增强材料的处理,及浸渍；模具的清理及涂覆脱模剂。,（,2,）,成型,阶段：采用某种成型方法而成型，并进行,固化定型和脱模，得到初级制件；,（,3,）制件的,后处理与机械加工,阶段：制品热处理、,加工修饰和检验。,10/13/2024,2,2,、采用的成型方法：,(1),手糊成型,(2),模压成型,(3),层压或卷制成型,(4),缠绕成型,(5),拉挤成型,(6),离心浇铸成型,(7),树脂传递成型,(8),夹层结构成型,(9),喷射成型,(10),真空浸胶成型,（,11,）挤出成型,(12),注射成型,(13),热塑性片状模塑料热冲压成型,10/13/2024,3,11.2,手糊成型,手糊成型,：用,纤维,增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型，室温,(,或加热,),、无压,(,或低压,),条件下固化，脱模成制品的工艺方法。,手糊成型工艺流程,10/13/2024,4,1,、优点,：,(1),不受产品尺寸和形状限制适宜尺寸大、批量小、形状,复杂产品的生产；,(2),设备简单、投资少、设备折旧费低；,(3),工艺简便；,(4),易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补,增强材料；,(5),制品树脂含量较高，耐腐蚀性好；,2,、缺点,：,(1),生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差,(2),产品质量不易控制，性能稳定性不高；,(3),产品力学性能偏低。,10/13/2024,5,11.2.1,原材料的选择,(,聚合物,基体,和,增强材料,),(1),产品设计的性能要求；,(2),手糊成型工艺要求；,(3),价格便宜，材料容易取得。,基体的选择,应满足：能在室温下凝胶、固化，并在固化过程中无低分子物产生；能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为,0.2Pas0.5Pas,；无毒或低毒；价格便宜。,增强材料,的选择：纤维及其织物，它赋予复合材料以优良的机械性能。,玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维,和其它纤维。,10/13/2024,6,树脂类型,:,不饱和聚酯,（,80,）,其次是,EP,树脂。,稀释剂：,调节树脂粘度分,活性稀释剂和非活性稀释剂,两类。,非活性稀释剂不参与固化反应,，仅起,降低粘度,作用，一般加入量为树脂质量的,5,15%,，在树脂固化时大部分逸出，从而增大了树脂固化收缩率，降低力学性能和热变形温度。,活性稀释剂参与树脂固化,反应，对树脂,固化后性能影响较小,。,填料：,降低成本，改善树脂基体性能,(,如低收缩性、自熄性、耐磨性等,),，（粘土、碳酸钙、白云石、滑石粉、石英砂、石墨、聚氯乙烯粉）。,触变剂：,在糊制垂直或倾斜面层时，,避免“流胶”,，可加入少量活性,SiO,2,。由于活性,SiO,2,比表面积大，树脂受到外力触动时才流动，这样在施工时既避免树脂流失，保证制品质量。,10/13/2024,7,11.2.2,手糊成型模具与脱模剂,1.,模具结构与材料,1,）模具结构,分,单模,和,对模,两类。单模又分,阳模和阴模,两种，对模由阴、阳模两部分组成。,成型模具分类,10/13/2024,8,2,）模具材料,最普遍的是,玻璃钢,。可供选用的其它模具材料：,（,1,）,木材,：要求质地均匀，不易收缩变形；常用木材有红松、杉木等。缺点是不耐久吸湿、不耐热。模具表面须进行封孔处理。适用于小批量生产的中小型制品。,（,2,）,石膏和砂,：砂：石膏,1,：,8,，加入,20%,水，混合均匀后制模。模具制造简单，造价低。但不耐用，易吸湿，模具表面也需进行封孔处理。适合量少或形状复杂制品。,（,3,）,石蜡,：适合形状复杂数量小的制品。,（,4,）,可溶性盐,：由磷酸铝,(60%70%),、碳酸钠（,30,40,),、偏硼酸钠,(5,8,),、石英粉（,2%),等组分,(,质量比,),，加工成粉料压制烧结成型。在,80,水中能迅速溶解脱模。用于形状复杂不易脱模的制品。,（,5,）,低熔点金属,：由,58,的铋与,42,的锡,(,质量比,),制成，熔点为,135,，制模周期短，可重复使用。,（,6,）,金属,：常用的有钢材、铸铝等,(,不能用铜,),。模具不变形，精度高。适用于大批量小型高精度制品，因制造周期长、成本高。,10/13/2024,9,2.,脱模剂,脱模剂的使用温度应高于固化温度。,脱模剂,分外脱模剂,和,内脱模剂,两大类。,外脱模剂,主要应用于手糊成型和冷固化系统，,内脱模剂,主要用于模压成型和热固化系统。,10/13/2024,10,11.2.3,手糊工艺过程,1.,原材料准备,1,）胶液准备,胶液的,工艺性,:,胶液,粘度,和,凝胶时间,。,粘度过高,不易涂刷和浸透增强材料；,粘度过低,，在树脂凝胶前发生胶液流失，使制品出现缺陷。在,0.2Pas0.8Pas,之间为宜。粘度可通过加入稀释剂调节。,凝胶时间,:,在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间。,2,）增强材料淮备,布和毡,。为提高同基体的粘结力，必须进行,表面处理,。,3,）胶衣糊准备,胶衣糊是用来制作表面胶衣层的。具有耐水煮、耐热、不易污染及柔韧耐磨。,10/13/2024,11,2.,糊制,1),表面层,胶衣层采用,涂刷,和,喷涂,两种方法。涂刮胶衣为两遍，第一遍胶衣基本固化后，刷第二遍。两遍涂刷方向垂直为宜。胶衣层开始凝胶时，立即铺放一层较柔软的增强材料，最理想的为玻璃纤维表面毡。既能增强胶衣层,(,防止龟裂,),，又有利于胶衣层与结构层,(,玻璃布,),的粘合。胶衣层全部凝胶后，即可开始手糊作业，否则易损伤胶衣层。但胶衣层完全固化后再进行手糊作业，又将影响胶衣层与制品间的粘结。涂刷胶衣的工具是毛刷，毛要短、质地柔软。注意防止漏刷和裹入空气。,10/13/2024,12,2,）铺层控制,对于外形要求高的受力制品，同一铺层纤维尽可能连续，切忌随意切断或拼接，否则将严重降低制品力学性能。,铺层拼接的设计原则：制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度；施工方便。拼接的形式有搭接与对接两种，以对接为宜。对接式铺层可保持纤维的平直性，产品外形不发生畸变，并且制品外形和质量分布的重复性。为不致将低接续区强度，各层的接缝必须错开，并在接缝区多加一层附加布,铺层接缝处理,10/13/2024,13,3.,固化,引发剂,是一种活性较大含有共价键的化合物,(,游离基聚合,),。,临界温度,（产生游离基的最低温度）大都在,60130,。,手糊成型大多是室温固化，应选择活化能和临界温度较低的引发剂。固化过程可分为,三个阶段,：,凝胶,阶段、,定型,阶段,(,硬化阶段,),、,热化,阶段,(,完全固化阶段,),。,固化度,：热固性树脂固化反应的程度，用百分率表示。控制固化度是,保证制品质量,的重要条件之一。固化度愈大，表明树脂的固化程度愈高。,10/13/2024,14,11.3,模压成型,11.3.1,概述,1,、,模压成型,：将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下固化成型。在模压成型过程中需加热和加压，使模压料塑化、流动充满模腔，并使树脂固化反应。在模压料充满模腔的流动过程中，不仅树脂流动，增强材料也要随之流动，所以模压成型工艺的成型压力较其它方法高，属于高压成型。,2,、,优点,：较高的生产效率、制品尺寸准确、表面光洁、结构复杂的制品可一次成型、无需有损制品性能的二次加工、制品外观及尺寸的重复性好、容易实现机械化和自动化。,3,、,缺点,：模具设计制造复杂、压机及模具投资高、制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。,10/13/2024,15,4,、按增强材料物态和模压料品种分为下列几类：,(1),纤维料模压：,将预混或者预浸的纤维模压料装在金属模具中加热加压成型制品。,(2),织物模压,：将预先织成所需形状的两向、三向以及多向织物浸渍树脂后在金属对模中加热加压成型。通过配制不同方向的纤维使制品层间剪切强度明显提高质量稳定、成本高、适用于有特殊性能要求的制品。,(3),层压模压,：将预浸胶布或毡剪成所需形状，经过叠层后放入金属对模中加热加压成型制品。它适于成型薄壁制品。,(4),碎布料模压,：将预浸胶布剪成碎布块放入模具中加热加压成型制品。,10/13/2024,16,(5),缠绕模压：,将预浸渍的玻璃纤维或布带缠绕在一定模型上，再在金属对模中加热加压定型。这种方法适用于有特殊要求的制品及管材。,(6)SMC,模压,：将,SMC,片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入模具加热加压成型制品。此法适于大面积制品成型，目前在汽车工业、浴缸制造等方面得到了迅速发展。,(7),预成型坯模压,：先将短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯，然后将其放入模具中倒入树脂混合物，在一定温度压力下成型。它适用于制造大型、高强、异形、深度较大、壁厚均一的制品。,(8),定向铺设模压,：将单向预浸料,(,纤维或无纬布,),沿制品主应力方向取向铺设，然后模压成型。制品中纤维含量可高达,70,，适用于成型单向强度要求高的制品。,10/13/2024,17,11.3.2,模压料,1.,原料,:,短纤维增强材料、树脂基体和辅助材料。,树脂,：各种类型的,酚醛,树脂和,环氧,树脂。,酚醛树脂有氨酚醛、镁酚醛、钡酚醛、硼酚醛以及由聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂等。环氧树脂有双酚,A,型、酚醛环氧型及其它改性型。,短纤维增强材料：,玫璃纤维、高硅氧纤维也使用碳纤维、尼龙纤维以及两种以上纤维混杂材料。纤维长度多为,30mm50mm,。含量一般在,50,60,范围内,(,质量比,),。,辅助材料：,使模压料具有良好的工艺性和满足制品的持殊性能要求。如改善,流动性,、,尺寸稳定性,、,阻燃性,、,耐化学腐蚀性,等。,10/13/2024,18,2.,短纤维模压料的制备与质量控制,短纤维模压料呈,散乱,状态，纤维,无一定方向,。模压时流动性好，适宜制造形状复杂的小型制品。,缺点,：制备过程中纤维强度损失较大、比容大、模压时装模困难、模具需设计较大的装料室并需采用多次预压程序合模。,10/13/2024,19,11.3.3 SMC,成型,1.,成型过程,SMC,(,片状模塑料,),：不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊，浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压成型材料。,特点,:,(1),操作处理方便,;(2),作业环境清洁,;(3),可成型带有肋条和凸部的制品。,(4),片材的质量均匀，适宜压制截面变化不大的大型薄壁制品。,(5)SMC,成型品表面光洁度高。,(6),生产率高，成型周期短，成本低，易于实现机械自动化,是重现性好。,10/13/2024,20,2.SMC,的种类,BMC,(,块状模塑料,):,与,SMC,的组成极为相似，可用于,压制,和,挤出,成型。两者的,区别,仅在于,材料形态和制作方法,。,BMC,中纤维含量较低，纤维长度较短，填料含量较大，,BMC,的强度较,SMC,低。,BMC,适用于制造,小型制品,，,SMC,则用于生产,大型薄壁,制品。,TMC,(,厚片状模塑料,):,组成与,SMC,类似。,SMC,一般厚,0.63cm,，而,TMC,厚度达,5.08cm,。由于厚度增大，纤维随机分布，增强了物料混合效果，流动性提高，改善了浸透性。,10/13/2024,21,3.,模压工艺,1,）,压制前,准备,:,模压料预热和预成型、装料量估算、选用脱模剂。,2,）,工艺过程,:,粘流,、,凝胶,和,后固化,三个阶段。由线型变成了网状体型结构。需一定的外部条件,-,温度,、,压力,