第十讲-聚合物基复合材料的成型工艺

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,复合材料,聚合物基复合材料成型工艺,聚合物基复合材料成型工艺,本章教学目的：,了解复合材料各种成型工艺,掌握常用成型方法（手糊法、层压法、喷射法等）,了解模具及辅助材料,了解复合材料固化成型过程,本章重点难点：,复合材料常用成型方法（需要的常用设备及主要工艺参数；复合材料固化成型过程）,6.1,概述,一、主要工艺过程,第,6,章 聚合物基复合材料成型工艺,生产准备,湿法,预成型,（毛坯）,固化,脱模,整修,预浸料,干法,过程,要求,纤维均匀地按设计要求分布在制品各个部分；,树脂适量、均匀地分布在制品各个部位，并适当固化；,尽量减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性；,掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。,聚合物基复合材料的制备大致可以分为,4,个步骤,聚合物基复合材料的工艺特点,（,1,）,材料的形成与制品的成型是同时完成的,该特点可实现大型制品一次整体成型，简化制品结构，并且减少组分零件和联接零件的数量，因而减轻制片质量，降低工艺消耗和提高结构件使用性能,（,2,）,复合材料的成型比较方便,复合材料基体及增强材料的特点，可使得一些复合材料用廉价简易设备和模具，不用加热和加工工艺的方法，由原材料直接成型出大尺寸的制品。,一种复合材料可以采用多种方法成型，选择成型方法可根据制品结构的特点、用途、生产量、成本以及生产条件的综合资料考虑，选择最经济和最简便的成型工艺,复合材料制件的设计过程,根据制品的要求选材（,F,、,M),根据单向性能铺层设计,根据材料的工艺性选择成型方法,工装模具设计,成型工艺实验,二、成型工艺种类,手糊成型,真空袋压法成型,压力袋成型,树脂注射和树脂传递成型,喷射成型,层压成型,模压成型,缠绕成型,热压罐成型,三、成型工艺的选择,产品外形构造和尺寸大小,材料性能和产品质量要求,生产批量大小及供应时间要求,企业可能提供的设备条件及资金,综合经济效益，保证企业盈利,6.2,各种成型工艺方法简介,一、定义,第,6,章 聚合物基复合材料成型工艺,手糊成型又称接触成型，采用手工方法将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,工艺流程,模具清理,涂脱模剂,涂胶衣,胶液配制,表面层制作,织物剪裁,增强层制作,补强层制作,固化,脱模,切边加工,产品检验,1),脱模剂、胶衣和纤维布,2),倒树脂并赶匀。,3),重复纤维布和树脂过程。,4),固化,手糊成型工艺示意图,特点,优点：,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。,设备简单，投资少，设备折旧费低。,工艺简单。,容易满足产品设计要求。,制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。,缺点：,生产效率低，劳动强度大，卫生条件差。,产品质量不易控制，性能稳定性不高。,产品力学性能较低。,二、原材料选择,1.,增强材料,无捻粗纱布（方格布）：,0.10.8mm,变形性好，易被树脂浸透，易排除气泡，增厚效率高。,加捻布（平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布）,0.050.6mm,表面平整、气密性好；价格贵、不易浸透树脂、增厚效果差,玻璃布带；,短切纤维；,表面毡；,短切毡,树脂浸透性好，气泡容易排除，变形性好，施工方便，制品含胶量高,6080%,，防渗效果好。,2.,树脂,1,）要求,粘度适宜，,0.20.8Pa.S,，对玻纤有良好浸润性；,在室温下凝胶、固化，并且无低分子物产生；,无毒或低毒；,价格便宜，来源广泛。,2,）常用树脂：,不饱和聚酯、环氧树脂,3,）辅助材料,稀释剂,填料（降低成本，提高性能）,触变剂（适用垂直面施工，活性,SiO,2,）,颜料（一般选用无机颜料，有机颜料影响固化）,1.,原材料准备,三、手糊工艺过程,1,）胶液配制,胶液工艺性：,胶液粘度、凝胶时间,手糊工艺进行前，必须进行胶液凝胶时间试验。要使凝胶时间大于或等于所配胶液施工时间，否则手糊不能顺利进行。,不饱和树脂配方（质量份）,树脂：,100,份；过氧化甲乙酮：,2,份（引发剂）；,萘酸钴苯乙烯溶液：,14,份（促进剂，加入量与环境温度有关）,2,）增强材料准备,玻纤布裁剪：,圆环形制品,玻布沿径向,45,剪裁,2,）增强材料准备,玻纤布裁剪：,圆锥形制品,玻布裁成扇形,玻纤布裁剪,圆环形制品,圆锥形制品,玻布沿径向,45,剪裁,玻布裁成扇形,布的拼接,对接（表面质量要求高的产品）,搭接,3,）胶衣糊准备,可选用专用胶衣糊制作表面层，提高表面层质量（外观、性能）,2.,糊制,1,）表面层（胶衣层、富树脂层）,厚度：,0.250.5mm,，或,300500g/m,2,涂刷（二遍，互相垂直）：喷涂,表面毡（材料）,2,）增强层,材料：玻璃布或短切毡,拼接,对接（注意对接缝错开）,搭接,二次固化拼接（,d7mm,固化发热量太大，制品易变形或分层）,特殊处理,弯角或凹凸处：玻布剪开，压平,直角：先填触变树脂，然后糊制,凸字：先用树脂浇注，然后糊制,3.,固化（凝胶,-,定型,-,熟化）,固化方式,常温固化：温度,15,（,2530,）；湿度,80%,（,1530,，,824h,）,加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外线加热 （,6080,，,12h,）,固化度,丙酮萃取法,硬度法（巴氏硬度） ,15,4.,脱模：气脱、顶脱、水脱,5.,后处理,修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔,装配：机械连接、胶接,表面涂饰,1.,胶衣起皱、龟裂、变色,四、手糊制品缺陷及原因,原因：,起皱,胶衣层太薄；,固化剂不足；,气温太低；,胶衣层厚度不均；胶衣层固化不足,龟裂,胶衣层太厚；,固化时热量过大；,固化剂用量过多；,变色,固化剂用量过多；,胶衣流挂；,颜色分离；胶衣层厚度不均,2.,制品收缩,原因：,拐角处圆弧半径过小；,脱模剂用量太多；,制品局部厚度过大；,胶衣层厚度不均，后固化加热不均,3.,制品翘曲和变形,原因：,固化剂用量过大,制品太薄；,制品厚度不均匀或不对称；,树脂集聚；,脱模太早，树脂固化度不够；,后处理过早或温度不均,符合制品尺寸、精度、外观要求,足够的刚度、强度、热稳定性,较小的热容量，有效利用热能；与制品热膨胀系数匹配,质量轻，便于搬运，维护方便,一、模具基本要求,模具与辅助材料,木材；石膏；水泥；石蜡；,泡沫塑料（不脱模内芯）；,可溶性盐（,AlPO,4,（,6070%,）,+NaCO,3,（,3040%,）,+ NaBO,2,（,58%,）,），,80,溶于水；,低熔点金属,58%Bi+42%Sn,，熔点,135 ,；,玻璃钢,金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）,二、模具材料,单模,三、模具结构形式,阴模（制品外表面光洁）,阳模（制品内表面光洁）,对合模,制品双面光洁,拼装模（组合模）,大型模具，由小块模具拼装而成,a.,阴模示意图,b.,阳模示意图,c.,对模示意图,1.,脱模剂,四、辅助材料,油脂类：硅酯、黄油、凡士林、石蜡,溶液类：聚乙烯醇（乙醇水溶液）,薄膜类：,PVC,、,PE,、,PA,脱模剂要求：,不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小；,成膜时间短，成膜均匀、光滑；,使用温度高于树脂固化温度；,操作简便，使用安全，价格便宜,2.,隔离材料（保护复合材料不受污染）：,PVC,、,PA,薄膜,3.,透气材料、吸胶材料：玻璃布、吸胶纸、吸胶毡,4.,真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜,5.,密封材料：胶条、胶带,图,4-5,手糊玻璃钢制品举例,袋压成型,优点,：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好的制件，也能制造夹层结构件,1.,过程,一、真空袋成型,制品毛坯,真空袋密封,抽真空,固化,制品,2.,特征,1,）工艺简单，不需要专用设备；,2,）压力较小，最大为,0.1MPa,，只,适用厚度,1.5mm,以下复合材料制品,制品：大尺寸产品的成型，如,船体、浴缸及小型飞机部件,X-39,机翼,低成本树脂（,LTM),基体材料,:,指在,130-150,下固化，特别是能在,0.1MPa,即真空压力下固化。,二、压力袋成型,压力为,0.250.5MPa,制品：,薄蒙皮、蜂窝夹层结构件,三、真空袋,-,热压罐成型,1.,热压罐组成,罐体、真空泵、,压气机、储气罐、,控制柜,用于先进复合材料结构,2.,工艺过程,预浸料下料、,铺叠,封装,抽真空,加热加压,固化,3.,真空封装材料铺叠顺序,构成隔离、透胶、吸胶、透气系统,真空封装材料的铺层顺序,加压作用：压实预浸料，制备结构均匀、致密复合材料,加压时机：粘流态与高弹态区间,加压太早：树脂流失过多,加压太迟：树脂已进入高弹态，树脂结构不致密,3.,真空封装材料铺叠顺序,加热,预浸料熔融,粘流态,高弹态,固化,玻璃态,流动模型：树脂流动特性,热化学模型：树脂体系吸热、放热过程,空隙模型：成型缺陷,内应力模型：收缩应力、热应力,3.,真空封装材料铺叠顺序,专家系统：控制热压罐成型工艺过程,固化模型,4.,工艺参数,固化温度、时间：取决于树脂体系和制件厚度；,升温速率,固化压力：排除过剩树脂，使制件密实；,加压时机,真空度：排除夹杂空气和挥发物,1.,定义,模压成型,将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在温度和压力作用下，材料充满模腔，固化成型，脱模制得产品的方法。,2.,特点,生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，产品无需二次加工，易于机械化、自动化；,模具设计制造复杂，压机及模具投资高，产品尺寸受设备限制，只适于大批量中小型制品。,3.,工艺流程,1,）模压料估算,模具预热,涂刷脱模剂,装模,压制,模压料称量,预热,脱模,后处理,检验,制品,r,：制品密度,V,：体积,a:,物料损失系数,(3%5%),2,）确定工艺参数,A.,温度,装模温度：,取决于模压料品种，制品结构和生产效,率（快速成型,80,以上，一般室温,90 ,）,升温速度：,10 /h 30 /h,最高模压温度,固化温度,（温度过低，固化不完全；过高，局部固化，中间固化不良）,保温时间,固化反应时间不稳定，导热时间,B.,压力,作用：克服模压料之间以及与模腔间的摩擦，物料充,满模腔；压紧制品，保证形状和尺寸,加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前,a.,凭经验（树脂拉丝）；,b.,树脂凝胶温度；,c.,气体释放量,放气充模（加压、卸压、反复几次）,3,）预热和预成型,预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固化时间，降低成型压力；,预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外,60100,，,30,min,C.,预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生产效率及制品性能,一、 工艺流程,层压成型,1,）胶布裁剪（下料）,连续切割，手工裁剪，,d9mm,厚板，胶布纬向比横板窄,510%,2,）配叠（排版或配布）,每块板料两面各放,23,张面层胶布,胶布挥发分,7%,，否则干燥处理,d9mm,厚板，中间可夹配表角料、碎布，但不超过总量,10%,确定配料量,按质量法下料,按层数下料：预先确定,1mm,板材所需胶布张数，据此估算,F-,面积；,H-,厚度；,r,：,密度；,a-,物料损失系数,H,5mm,r,=0.020.03; H,9mm,r,=0.030.08,3,）组合,叠合体,=,铁板,+,衬纸,+,单面钢板,+,板料,+,双面钢板,+,板料,+.+,双面钢板,+,板料,+,单面钢板,+,衬纸,+,铁板,一个叠合体,510,块板，一次可压制,710,个叠合体,组合原则：厚板放二侧，薄板料放中间；薄板料放二侧，后板料放中间；,H20mm,，单独压制, 衬垫材料（衬纸、石棉布）：传热、传压均匀；多次使用后变脆，应更换,4,）热压,预热预压：树脂熔化，除去挥发份；树脂浸渍玻璃布，,逐步固化至凝胶态,（板坯流胶，但不能拉丝时，预压结束）,热压：施加最高压力并保温,27min/mm,5,）冷却脱模：,通冷却水并保持，,t,50,，除去压力，取出板材,6,）后处理：,后固化，烘箱，,120130,，,120150min,二、 工艺参数,1,）成型压力：,压力大小、加压次数、加压时机,压力大小因素：胶布特性，板料厚度，升温速度,2,）成型温度,预热阶段（最高温度为凝胶温度）,中间保温阶段（初步固化），板料浸润、密度,升温阶段（最高温度为固化温度）,加压保温阶段（充分固化）,冷却阶段,（,t,50,）,3,）成型时间,（预压、热压、冷却时间之和）,因素：树脂固化速度，层压板厚度，压制温度,1.,过程,短纤维沉积预成型法,将短纤维预先制成与制品形状相似的疏松毡状毛坯，然后再浸渍胶液，经压紧固化而得到复合材料制品,短切纤维,毛坯,浸胶,固化,压紧,制品,2.,方法,纤维吸积法,纤维喷积法,1.,定义,喷射成型工艺,通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模具表面，经棍压、固化制得复合材料制件的方法。,2.,工艺示意图,3.,工艺流程,4.,工艺控制,1,）树脂凝胶时间,2,）树脂,/,玻纤,=,（,2.53.5,）,/1,（质量比）,3,）胶衣树脂凝胶,第一层,（,1mm,）,辊压,第二层,（,2mm,）,辊压,第,N,层,（,2mm,）,最后一层（先喷树脂，后铺表面毡）,4,）喷射速率：,210Kg/min,5,）树脂粘度：,0.30.8Pa.S,，含胶量约,60%,6,）玻纤为无捻粗纱，短切长度,2550mm,第,6,章 聚合物基复合材料成型工艺,6.2,各种成型工艺方法简介,5.,喷射方法,喷射成型工艺,喷射动力,气动型,液压型,胶液混合形式,先混合型,内混合型,树脂,固化剂,喷枪紊流混合器,外混合型,喷枪,树脂,固化剂,雾状相互混合,树脂,固化剂,静态混合器,喷枪,第,6,章 聚合物基复合材料成型工艺,6.2,各种成型工艺方法简介,6.,喷射成型特点,喷射成型工艺,1,）生产效率较高（手糊,35,倍），劳动强度低,2,）玻纤为无捻粗纱，材料成本低,3,）制品整体性好，无搭接缝,4,）产品形状和尺寸不受限制,5,）可调节产品厚度，纤维与树脂比例,6,）施工现场污染大，产品树脂含量高，强度小,1.,定义,树脂传递模塑（,resin transfer,moulding, RTM,）,通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润纤维织物毛坯，然后固化成型的方法。,2.,工艺流程,模具清理,预成型坯制造和安放,制品,合模,树脂注入,启模,脱模,后处理,RTM,成型工艺流程,3.RTM,模塑特点：,4.,工艺参数,1,）注胶压力（由模具材料、产品形状、树脂粘度决定）,降低压力方法：降低树脂粘度；优化模具设计；优化纤维排布设计；降低注胶速率,2,）注胶速率,（由树脂对纤维润湿性和树脂表面张力及粘度决定）,3,）注胶温度（由树脂活性期和最小粘度温度决定）,5.,对树脂工艺性要求,1,）室温或较低温度下具有低粘度（,0.11Pa.S,）及一定的适用期（,48h,）,2,）树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性、粘附性,3,）树脂不含溶剂或挥发物，固化无小分子物放出,树脂膜熔渗工艺（,resin film infusion, RFI,）,1.,工艺过程,树脂膜,/,块,加热加压,浸渍,固化,产品,预成型体,2.,工艺原理图,3.,特点,1,）设备、模具相对简单（,RTM,相比）,2,）树脂纵向（由下而上）流动浸渍纤维，时间短，速度快,3,）树脂粘度范围广（液,固均可）,注射成型,注射成型,1.,工艺过程,纤维增强粒料,加热,熔融,固化,产品,注射,脱模,模具,2.,方法,反应注射成型,组分,A,组分,B,混合,充模,产品,聚合、固化,脱模,增强反应注射成型,组分,A+,纤维,组分,B+,纤维,混合,充模,产品,聚合、固化,脱模,1.,定义,纤维缠绕成型,将浸渍树脂的纤维丝束或带，在一定张力下，按照一定规律缠绕到芯模上，然后加热或常温下固化成制品的方法。,(a),Filament Winding,2.,分类,干法缠绕：,预浸纱,加热软化,缠绕,湿法缠绕：,纤维纱,浸胶,缠绕,半干法缠绕：,纤维纱,浸胶,烘干,缠绕,3.,缠绕规律（导丝头与芯模之间相对运动的规律）,环向缠绕：芯模每转一周，丝束沿芯模轴向移动一个纱片螺距。只缠绕筒身段，承受径向载荷,3.,缠绕规律（导丝头与芯模之间相对运动的规律）,2,）纵向缠绕（平面缠绕）：导丝头绕轴转一周，芯模转动一个角度，芯模表面转动一个纱片宽度。 承受纵向载荷,r,为极孔半径；,L,0,为筒身长度；,L,1,L,2,为封头高度,：缠绕角,2,）纵向缠绕,转速比,i,：单位时间内，芯模转数与导丝头转数之比,3,）螺旋缠绕（测地线缠绕）,芯模绕轴匀速转动，导丝头沿芯模轴向往返运动。,缠绕筒身和封头,4.,工艺过程（湿法）,胶液配制,纤维烘干,浸胶,缠绕,产品,固化,修整,检验,芯模准备,1,）纤维能保持连续完整，制品强度高,2,）可连续化、机械化生产，生产周期短，劳动强度小,3,）产品尺寸、外形准确，不需机械加工,4,）设备复杂，技术难度大，工艺质量不易控制,5.,工艺特点,缠绕成型工艺制备的制品,拉挤成型,连续生产固定界面型材的成型方法,1.,工艺过程,拉挤成型,排纱,浸胶,预成型,固化成型,牵引,切割,产品,1,、纤维粗砂,2,、树脂浸渍槽,3,、预成型模,4,、固化模,5,、拉拔牵引,Figure,extra,Schematic illustration of the,pultrusion,process.,(b),(a),挤拉成型工艺特点：,树脂：不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、,ABS,、,PA,、,PC,纤维：无捻玻纤初纱、连续纤维毡、碳纤、芳纤、,双向或三向织物,2.,原材料,3.,型材类型,工字形、槽形、角形、异型截面,4.,工艺特点,连续成型，制品长度不受限制；,产品纵向力学性能突出，产品性能稳定；,制造成本低，自动化程度高，生产效率高,将纤维和树脂置于旋转模内表面，借助模具转动的离心,力将物料压紧，并排除其中的空气，固化后得到产品。,1.,工艺过程,离心浇注成型,产品厚度均匀，外表光洁。,2.,特点,复合材料固化,=,树脂固化,6.3.1,固化工艺参数对复合材料性能的影响,6.3,复合材料固化过程,凝胶：,定型：,熟化：,从粘流态到树脂凝胶态,树脂体系成为一个支化的巨大网络分子，从分子链运动到链段运动,玻璃态内部固相反应,凝胶,高弹态,玻璃态,体型结构，链段运动冻结,提高温度进行后处理，交联密度增大,树脂固化度的测定,丙酮溶剂萃取法,差热分析法,红外分析法,介电分析法,NCO-C,6,H,3,CH,3,-NCO,温度、时间、压力,1,）温度,-,台阶式固化,时间,温度,第一阶段（,预热阶段）,第二阶段（,保温阶段,）,第三阶段（,升温阶段,）,第四阶段（,热压保温阶段,）,第五阶段（,冷却阶段,）,2,）压力,-,加压时间,成型压力的作用：,克服挥发分的蒸汽压力,使粘稠的树脂有一定的流动性,使树脂与增强材料充分的接触,防止复合材料在变形过程变形,加压过早，加压过晚对复合材料制品的性能有什么影响,？,二、固化工艺参数的确定,热固性树脂在固化过程中可能经历的四种力学状态,未凝胶玻璃态、粘流态、高弹态、凝胶后的玻璃态,固化反应可分为如下四个阶段：,从未凝胶玻璃态到黏流态,从黏流态到树脂凝胶点,从凝胶点经高弹态到玻璃态,玻璃态的固相反应,确定固化过程的反应参数的方法,DDA,：,动态介电分析法,1,）从未凝胶玻璃态到粘流态,流动峰,凝胶峰,2,）从黏流态到树脂凝胶点,由不同升温速率下的,DSC,曲线的放热特征峰（峰开始的温度,T,i,、,峰顶温度,T,p,、,峰终温度,T,f,），,外推到,0,升温速率的放热峰,T,i,、,T,p,、,T,f,以此确定固化台阶温度。,固化台阶温度的确定,加压时机的确定（一般在快凝胶的时候开始加压）,SBSS,：,短梁剪切强度,3,）从凝胶点经高弹态到玻璃态,动态力学法,DMA,-,扭辫分析法,TBA,(a),扭摆仪原理图,(b),阻尼振动曲线,凝胶化作用对阻尼的贡献,玻璃化作用对阻尼做的贡献,树脂固化体系三,T,状态,时间,/,（,10Min,）,依据,TBA,分析的等温固化时间,-,力学图谱获得的不同固化温度下的凝胶化时间和玻璃化时间，可绘制出树脂固化的三,T,状态,4,）玻璃态内的固相反应,升高固化温度，进一步提高固化交联度，使树脂耐热性、模量等性能提高,1.,过程,三、固化过程收缩与内应力,X,A,C,加热,初步固化,凝胶,继续固化,B,冷却,Tg,D,室温,Y,2.,体积变化,胶化收缩（,CY,）决定内应力大小,聚合收缩（,AB,）,热收缩（,BY,）,固化收缩（,AY,） ,+ = ,热膨胀（,XA,）,实际体积收缩,3.,影响固化收缩的因素,树脂类型：,酚醛缩聚，收缩最大；聚酯分子间范德华距离（,0.32nm,）变为,C-C,共价键（,0.154nm,），收缩居中；环氧开环聚合，膨胀抵消收缩，收缩最小,固化温度,温度越高，收缩率越大，内应力也越大,固化剂种类,形成固化网络交联密度、紧密程度,4.,内应力,1,）来源,物理收缩应力、化学收缩应力,内应力,收缩不均匀,2,）减小内应力措施,慢速升温或低温固化，固化均匀、充分；,添加粉状填料或柔性树脂；,缓慢冷却，松弛热收缩；,后处理,本章习题,如何选择复合材料成型方法？,试述手糊成型过程、特点、应用？,试述喷射成型过程、特点、应用？,什么是袋压成型？它主要有哪几种形式？,什么是,RTM,工艺？它对树脂体系和纤维增强体有什么要求？,为什么复合材料固化是要分段加温？,如何有实验方法确定合理的复合材料工艺参数？,什么是三,T,状态图？它是如何通过实验测试出来的？,试分析树脂固化体积变化过程？,