复合材料工艺详解

复合材料工艺详解——热固与热塑树脂热固性树脂成型工艺手糊成型工艺（手糊类）手糊成型：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温（或加热）、无压（或低压）条件下固化，脱模制成品的工艺方法。1.原料：①树脂：不饱和聚酯树脂，环氧树脂；②纤维增强材料：玻纤制品（无捻粗纱、短切纤维毡、无捻粗纱布、玻纤细布、单向织物），碳纤维，Kevlar纤维；③辅助材料：稀释剂，填料，色料。2.工艺过程：2.1原材料准备2.1.1胶液准备胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶时间。①手糊成型的胶液粘度控制在0.2Pa·s～0.8Pa·s之间为宜。环氧树脂可加入5%～15%（质量比）的邻苯二甲酸二丁酯或环氧丙烷丁基醚等稀释剂进行调控。②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。手糊作业前必须做凝胶试验。但是胶液的凝胶时间不等于制品的凝胶时间，制品的凝胶时间不仅与引发剂、促进剂或固化剂有关，还与胶液体积、环境温度与湿度、制品厚度与表面积大小、交联剂蒸发损失、胶液中杂质的混入、填料加入量等有关。2.1.2增强材料的准备手糊成型所适用增强材料主要是布和毡。需要注意布的排向，同一铺层的拼接，布的剪裁。2.1.3胶衣糊准备胶衣树脂的性能指标：外观：颜色均匀，无杂质，粘稠状流体；酸值：10mgKOH/g～15mgKOH/g（树脂）；凝胶时间：10min～15min；触变指数：5.5～6.5；贮存时间：25℃6个月2.1.4手糊制品厚度与层数计算①手糊制品厚度t:制品（铺层）的厚度；m：材料质量，Kg/m2；k：厚度常数，mm/(Kg·m-2)材料厚度常数k表材料性能玻璃纤维E型S型C型聚酯树脂环氧树脂填料-碳酸钙密度（Kg/m3）2.56；2.49；2.451.1；1.2；1.3；1.41.1；1.32.3；2.5；2.9k[mm/(Kg·m-2)]0.391；0.402；0.4080.909；0.837；0.769；0.7140.909；0.7690.435；0.400；0.345②铺层层数计算A：手糊制品总厚度，mm；mf：增强纤维单位面积质量，Kg/m2；kf：增强纤维的厚度常数，mm/(Kg·m-2)；kr：树脂基体的厚度常数，mm/(Kg·m-2)；c：树脂与增强材料的质量比；n：增强材料铺层层数。2.2糊制2.2.1表面层（俗称胶衣层）涂刷刷两遍，方向正交；喷涂距离保持在400-600mm之间。注意杜绝胶衣层内混入气泡和带入水，喷涂过程中尽量减少苯乙烯的挥发，防止固化不良。2.2.2铺层控制原则：制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度；施工方便。拼接形式有搭接和对接两种，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好。为不致降低接缝区强度，各层的接缝必须错开，并在接缝区多加一层附加布。多层布的铺放也可以按照一个方向错开，形成“阶梯”接缝连接。将玻纤布厚度t与接缝距s之比称为铺层锥度z，即z=t/s。试验表明，z=1/100时，铺层强度与模量最高，可作为施工控制参数。2.2.3铺层二次固化拼接由于各种原因不适宜一次完成铺层固化的制品，如厚度超过7mm，需要两次拼接固化（先纵向后横向，此处不多做阐述）。2.3固化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。在室温下，引发剂不能分解出游离基（低于临界温度），故必须加促进剂。低温高湿不利于不饱和聚酯树脂的固化。制品室温固化后，有的需要再进行加热后处理。其作用为：使制品充分固化，从而提高其耐化学腐蚀、耐候等性能；缩短生产周期，提高生产率。一般环氧玻璃钢的热处理常控制在150℃以内，聚酯玻璃钢控制在50℃～80℃之间。3.手糊成型工艺流程图喷射成型工艺（手糊类）喷射成型：将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧（或是在喷枪内混合）喷出，同时将切断的玻纤无捻粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。1.工艺过程：1.1原材料准备：树脂（主要用不饱和聚酯树脂）和无捻玻纤粗纱。1.2模具准备准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。1.3喷射成型设备喷射成型机分压力罐式和泵供式两种：①泵式供胶喷射成型机，是将树脂引发剂和促进剂分别由泵输送到静态混合器中，充分混合后再由喷枪喷出，称为枪内混合型。其组成部分为气动控制系统、树脂泵、助剂泵、混合器、喷枪、纤维切割喷射器等。树脂泵和助剂泵由摇臂刚性连接，调节助剂泵在摇臂上的位置，可保证配料比例。在空压机作用下，树脂和助剂在混合器内均匀混合，经喷枪形成雾滴，与切断的纤维连续地喷射到模具表面。这种喷射机只有一个胶液喷枪，结构简单，重量轻，引发剂浪费少，但因系内混合，使完后要立即清洗，以防止喷射堵塞。②压力罐式供胶喷射机是将树脂胶液分别装在压力罐中，靠进入罐中的气体压力，使胶液进入喷枪连续喷出。主要由两个树脂罐、管道、阀门、喷枪、纤维切割喷射器、小车及支架组成。工作时，接通压缩空气气源，使压缩空气经过气水分离器进入树脂罐、玻纤切割器和喷枪，使树脂和玻璃纤维连续不断的由喷枪喷出，树脂雾化，玻纤分散，混合均匀后沉落到模具上。这种喷射机是树脂在喷枪外混合，故不易堵塞喷枪嘴。2.喷射成型工艺控制：①纤维选用已处理的专用无捻粗纱。制品纤维含量控制在28%-33%，纤维长度一般为25mm-50mm；②树脂含量喷射制品采用不饱和聚酯树脂，树脂含量控制在60%左右；③雾化压力当树脂粘度为0.2Pa·s，树脂罐压力为0.05～0.15MPa时，雾化压力为0.3～0.55MPa，方能保证组分混合均匀；④胶液粘度应控制在0.3Pa·s-0.8Pa·s，触变度以1.5-4为宜；⑤喷射量喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关，喷嘴直径在1.2mm-3.5mm之间选定，可使喷胶量在8g/s-60g/s之间调变；⑥喷枪夹角不同夹角喷出来的树脂混合交距不同，一般选用20°夹角，喷枪与模具的距离为350～400mm。改变距离，要高速喷枪夹角，保证各组分在靠近模具表面处交集混合，防止胶液飞失。3.喷射成型注意事项：①环境温度应控制在（25±5）℃，过高，易引起喷枪堵塞；过低，混合不均匀，固化慢；②喷射机系统内不允许有水分（要求独立管路供气，气体必须彻底除湿）存在，否则会影响产品质量；③成型前，模具上先喷一层树脂，然后再喷树脂纤维混合层；④喷射成型前，先调整气压，控制树脂和玻纤含量；⑤喷枪要均匀移动，防止漏喷，不能走弧线，两行之间的重叠富庶小于1/3，要保证覆盖均匀和厚度均匀；⑥喷完一层后，立即用辊轮压实，要注意棱角和凹凸表面，保证每层压平，排出气泡，防止带起纤维造成毛刺；⑦每层喷完后，要进行检查，合格后再喷下一层；⑧最后一层要喷薄些，使表面光滑；⑨特殊部位喷射：曲面时，喷射方向始终沿曲面法线方向；沟槽时，先喷四周和侧面，然后再底部补喷适量纤维；转角时，从夹角部位向外喷射；⑩喷射机用完后要立即清洗，防止树脂固化，损坏设备。4.喷射成型工艺流程图树脂传递模塑成型（RTM）（手糊类）RTM工艺：将液态热固性树脂（通常为不饱和聚酯树脂）及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻纤增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品。1.工艺过程：1.1原材料准备：不饱和聚酯树脂和玻璃纤维连续毡、复合毡及方格布；1.2填料：填料对RTM工艺很重要，它不仅能降低成本，改善性能，而且能在树脂固化放热阶段吸收热量。常用的填料有氢氧化铝、玻璃微珠、碳酸钙、云母等。其用量为20%～40%。1.3成型设备：①树脂压注机由树脂泵、注射枪组成。树脂泵是一组活塞式往复泵，最上端是一个空气动力泵。当压缩空气驱动空气泵活塞上下运动时，树脂泵将桶中树脂经过流量控制器、过滤器定量地抽入树脂贮存器，侧向杠杆使催化剂泵运动，将催化剂定量地抽至贮存器。压缩空气充入两个贮存器，产生与泵压力相反的缓冲力，保证树脂和催化剂能稳定的流向注射枪头。注射枪口后有一个静态紊流混合器，可使树脂和催化剂在无气状态下混合均匀，然后经枪口注入模具，混合器后面设计有清洗剂入口，它与一个有0.28MPa压力的溶剂罐相联，当机器使用完后，打开开关，溶剂自动喷出，将注射枪清洗干净；②模具RTM模具分玻璃钢模、玻璃钢表面镀金属模和金属模3种。玻璃钢模具容易制造，价格较低，聚酯玻璃钢模具可使用2000次，环氧玻璃钢模具可使用4000次。表面镀金属的玻璃钢模具可使用10000次以上。金属模具在RTM工艺中很少使用，一般来讲，RTM的模具费仅为SMC的2%～16%。2.RTM成型选材注意：①树脂系统粘度低：250Pa·s-300Pa·s为最佳；固化放热峰低：一般为80℃-140℃；固化时间短：一般凝胶时间控制在5min-30min之间，固化时间为凝胶时间的2倍。通用型不饱和聚酯树脂是RTM工艺中使用最广泛的树脂系统。环氧多数用于航空制品中，但其价格较高；乙烯基树脂介于聚酯和环氧之间，价格适中；其他的树脂系统，如丙烯酸树脂系统和甲基丙烯酸甲酯乙烯基树脂系统是新的树脂系统，很适合RTM工艺。②增强材料铺覆性好；质量均匀性好；容积压缩系数要大；耐冲刷性好；对树脂流动阻力小，机械强度高等。连续纤维毡是目前RTM中应用最广泛的增强材料。混合使用连续纤维毡和短切纤维毡，尤其是以短切纤维毡/连续纤维毡/短切纤维毡的排列方式可使纤维的含量提高。无捻粗纱布变形性和浸透性较差，一般不单独使用。3.RTM成型工艺流程图袋压法、热压罐法、液压釜法和热膨胀模塑法成型（低压成型/手糊类）袋压法、热压罐法、液压釜法和热膨胀模塑法统称为低压成型工艺。其成型过程是用手工铺叠方式，将增强材料和树脂（含预浸材料）按设计方向和顺序逐层铺放到模具上，达到规定厚度后，经加压、加热、固化、脱模、修整而获得制品。四种方法与手糊成型工艺的区别仅在于加压固化这道工序。因此，它们只是手糊成型工艺的改进，是为了提高制品的密实度和层间粘接强度。1.袋压成型将手糊成型的未固化制品，通过橡胶袋或其它弹性材料向其施加气体或液体压力，使制品在压力下密实，固化。2.热压釜一个卧式金属压力容器，未固化的手糊制品，加上密封胶袋，抽真空，然后连同模具用小车推进热压釜内，通入蒸汽（压力为1.5～2.5MPa），并抽真空，对制品加压、加热，排出气泡，使其在热压条件下固化。3.液压釜一个密闭的压力容器，体积比热压釜小，直立放置，生产时通入压力热水，对未固化的手糊制品加热、加压，使其固化。4.热膨胀模塑法采用不同膨胀系数的模具材料，利用其受热体积膨胀不同产生的挤压力，对制品施工压力。工艺过程：1.袋压成型分压力袋法和真空袋法2种：①压力袋法压力袋法是将手糊成型未固化的制品放入一橡胶袋，固定好盖板，然后通入压缩空气或蒸汽（0.25～0.5MPa），使制品在热压条件下固化。②真空袋法此法是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.05～0.07MPa），使制品中的气泡和挥发物排除。真空袋成型法由于真空压力较小，故此法仅用于聚酯和环氧复合材料制品的湿法成型。2.热压釜和液压釜法都是在金属容器内，通过压缩气体或液体对未固化的手糊制品加热、加压，使其固化成型的一种工艺。3.热膨胀模塑法的阳模是膨胀系数大的硅橡胶，阴模是膨胀系数小的金属材料，手糊未固化的制品放在阳模和阴模之间。加热时由于阳、阴模的膨胀系数不同，产生巨大的变形差异，使制品在热压下固化。夹层结构成型工艺（加压型）夹层结构成型：由高强度蒙皮和轻质夹芯材料所构成。有手糊法和机械法两种。大多数采用手糊法。工艺过程1.玻璃钢蜂窝夹层结构：1.1材料准备：1.1.1玻璃布分蒙皮和芯材两种。蒙皮：选用增强型浸润剂处理的玻璃布，规格通常为0.1mm-0.2mm的无碱或低碱平纹玻璃布；对曲面，通常采用斜纹玻璃布；芯材：选用未脱蜡的无碱平纹布。1.1.2绝缘纸生产纸基和蜂窝夹芯所用的绝缘纸，以木质纤维素制成的纸最好。1.1.3金属箔以铝箔使用