纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、前言相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成：增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y按基体材料不同，复合材料可分为三大类：树脂复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。本文讨论环氧树脂基复合材料。1、为什么采用环氧树脂做基体？固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；粘结力强；有B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低；固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。2、环氧玻璃钢性能（按ASTM）以FW（纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。表1GF/EPR与钢的性能比较玻璃含量GF/EPR（玻纤含量80wt%)AISI1008冷轧钢相对密度2.087.86V拉伸强度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸长率1.6%37.0%弯曲强度689.5MPa弯曲模量34.48GPa压缩强度310.3MPa331.0MPa悬臂冲击强度2385J/m燃烧性（UL-94）V-O比热容535J/kg•k233J/kg•k膨胀系数4.0×10-6k-16.7×10-6k-1热变形温度204ºC(1.82MPa)热导率1.85W/m•k33.7W/m•k介电强度11.8×106V/m吸水率0.5%(24h)表2几种常用材料与复合材料的比强度和比模量材料名称密度g/cm3拉伸强度×104MPa弹性模量×106MPa比强度×106cm比模量×109cm钢7.810.1020.590.130.27铝2.84.617.350.170.26钛4.59.4111.180.210.25玻璃钢2.010.403.920.530.21碳纤维/环氧树脂1.4514.7113.73碳纤维/环氧树脂1.6104923.54芳纶纤维/环氧树脂1.413.737.85硼纤维/环氧树脂2.113.5320.59硼纤维/铝2.659.8119.610.75c2二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介1、手糊成型（handlayup)（1）概要依次在模具表面上施加脱模剂胶衣一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂（须待胶衣凝结后）一层纤维增强材料（玻纤、芳纶、碳纤维......），纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布（方格布）等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。（2）原材料FgbNG^树脂不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。纤维玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透，亦可用。芯材任意。（3）优点1）适合少量生产；2）可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；3）可制造大型制品和型状复杂产品；4）树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计；5）可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；6）可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面（如开模成型则一面不平滑）；7）玻纤含量较喷射成型高。无捻粗纱布50%左右织物35%-45%短切原丝毡30%-40%（4）缺点1）属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；;2）玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限制；3）手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。（5）典型产品舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。2、树脂传递成型（RTM）（1）概要RTM是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过50%）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助注射（VARI-vacuumsaaistedrsininjection)。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺。宜用钢模。（2）原材料树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。法国Vetrotex公司开发了热塑性树脂RTM。纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤维间的缝隙得于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材（法国Vetrotex商品名TWINTEX）。芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC等。（3）优点1）制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；2）闭模成型，生产环境好；3）劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；4）制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高；5）成型周期较短；6）产品可大型化；7）强度可按设计要求具有方向性；8）可与芯村、嵌件一体成型；9）相对注射设备与模具成本较低。（4）缺点1）不易制作较小产品；2）因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些；3）能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。（5）典型产品小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳3、纤维缠绕（FW）（1）概要通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴（模）上。纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计，并由芯轴（模）转速与小车往复速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。（2）原材料树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。纤维：任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时，常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体，一般不用。（3）优点1）因为纤维迳直以合理的线形铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可非常高；2）由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品；3）可制造两端封闭的制品；4）铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低；5）可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，控制树脂含量；6）可大理生产和自动化；7）机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。（4）缺点1）制品形状限于圆柱形或其它回转体；2）纤维不易沿制品长度方向精确排列；3）对于大型制品，芯模成本高；4）成品外表不是“模制”的，不尽人意；5）对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或无内衬，就易发生渗漏。（5）典型产品'管道、贮罐、气瓶（消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等）、固体火箭发动机壳体。4、RIM(ReactionInjectionMolding一反应注射成型）（1）概要将两种或两种以上的组分在混合区低压（0.5MPa）混合后，即在低压（0.5-1.5MPa）下注射到闭模中反应成型，此即为工艺过程。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚氨酯。为增加强度，可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和（或）填料。弈可采用长纤维（如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等）增强，在注射前，将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。这种工艺称为SRIM（StructuralReactionInjectionMolding-结构反应注射成型）。(2)原材料树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系；亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本；纤维：常用长0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维；芯材：不用。（3）优点1）制造成本比热塑性塑料注射工艺低；2）可制造大尺寸、开头复杂的产品；3）固化快，适于快速生产。（4）缺点采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高，荐用矿物复合材料取代之。（5）主要产品汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。5、拉挤成型（Pultrusion)(1)概要主要采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。其它类型的增强有连续原丝毡、织物等，它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料，改进型材料性能（如阻燃），并降低成本。拉挤成型的程序是1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；2）玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍（挤胶）、基本树脂固化、复合材料定型；3）将型材按要求长度切断。现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：胶槽浸渍法：通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业性好，适于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。注入浸渍法（图6）：玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。（2）原材料树脂：常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂；纤维：拉挤用玻璃纤维无捻粗纱、连续毡、缝编毡、缝编复合毡、织物、玻纤表面毡、聚酯纤维表面毡等；芯材：一般不用，现有以PU发泡材料为芯材，外为连续拉挤框型型材，作为保温墙板的。（3）优点1）典型拉挤速度0.5-2m/min，效率较高，适于大批量生产，制造长尺寸制品；2）树脂含量可精确控制；3）由于纤维呈纵向，且体种比可较高（40%-80%），因而型材轴向结构特性可非常好；4）主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品力学性能；5）制品质量稳定，外观平滑。（4）缺点1）模具费用较高；2）一般限于生产恒定横截面的制品。（5）典型产品建筑屋顶横梁、椽子、门窗框架型材、墙板、石油开采抽油杆、帐篷竿、梯子、桥梁、工具把、手机微波站罩壳、汽车板簧、传动轴、电缆管、光纤光缆芯、钓鱼竿、隔栅、汽车空调器罩、扩轨罩。0}1xp*V6、真空袋法法成型（Vacuumbagprocess)（1）概要:此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在树脂的A阶段与模具在一起，在积层上覆以橡胶袋，周边密封，在后用真空泵抽真空，积层从而受到不大于1个气压的压力，而被压实、成型。（2）原材料树脂：主要采用环氧树脂、酚醛树脂。不饱和聚酯树脂与乙烯基酯树脂则因真空泵将树脂中的苯乙烯（交联剂）过度抽出，可能会造成问题，故一般不用；纤维：同手糊法；芯材：任意。（3）优点1）采用普通的湿法铺层技术，通常可获得高纤维含量的制品；2）可制造大尺寸产品；3）产品两面光；4）较湿法铺层浸胶孔隙率低；5）由于压力，树脂流经结构纤维，纤维得以较好地浸渍树脂；6）有利于操作人员健康和安全；真空袋减少了固化时逸出的挥发性物质。（4）缺点1）额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本；2）要求操作人员有较高的技术熟练水平；3）树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技