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第二章复合材料的制备工艺§2-1概述固态半干态流态§2-1-1总过程模具：开模，闭模，热模，冷模。根据效率，成本的要求，以及性能的要求选择可能的方式完成。一、树脂基复合材料§2-1-2成型方法1、接触成型：手糊成型；喷射成型。2、压力成型：模压、袋压或层压成型。3、缠绕成型：生产PMC回转体结构。4、编织成型：制备多向、三维复合材料。6、其他成型：注射、拉挤或树脂传递成型。5、夹层结构制造成型二、金属基复合材料1、固态成型：扩散结合或粉末冶金成型。2、液态成型：压铸、半固态复合铸造或无压渗透成型。3、喷涂和喷射沉积成型4、原位复合成型：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法和反应生成法。§2-2聚合物基复合材料的制备工艺§2-2-1预浸料和预混料的制备工艺预浸料和预混料是复合材料生产过程中由增强纤维与树脂系统、填料混合或浸渍而成的半成品形式，可由它们直接通过各种成型工艺制成最终构件或产品。预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单向、织物)等浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后形成的较厚的片状、团状或粒状半成品，包括片状模塑料、团状模塑料和注射模塑料。主要采用两种工艺方法：溶液浸渍法和热熔法。1、预浸料的制备A、热固性预浸料的制备溶液浸渍法：溶液浸渍法是将树脂基体各组分按规定比例溶入低沸点溶液中，使其成为一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以一定速度通过树脂基体溶液，使其浸渍上定量的树脂基体，并通过加热除去溶剂，使树脂得到合适的粘性。是在热熔预浸机上进行的，其工艺原理是熔融态树脂从漏槽流到隔离纸上，通过刮刀在隔离纸上形成一层厚度均匀的胶膜，经导向辊与经过整经后平行排列的纤维或织物叠合，通过热鼓时树脂熔融并浸渍纤维，再经辊压使树脂充分浸渍纤维，冷却后收卷。热熔法：预浸渍技术包括溶液浸渍法和熔融浸渍法两种，其特点是：预浸渍料中树脂完全浸渍纤维。溶液浸渍法：与热固性预浸料的类似，但需要增加熔炉，使树脂熔融并粘附在增强材料上。熔融浸渍法：是将熔融态树脂由挤出机挤到专用模具中，树脂呈流态，再将增强材料从熔融树脂中连续通过，随后经辊压，形成预浸料。主要采用两种工艺方法：预浸渍技术和后浸渍技术。B、热塑性预浸料的制备预浸渍技术：后浸渍技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混杂、纤维混编等方法，其特点是：预浸渍料中树脂是以粉末、纤维或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。薄膜层叠法：是将增强剂与树脂薄膜交替铺层，在高温高压下使树脂熔融并浸渍纤维。纤维混编法：是将基体先纺成纤维，再使其与增强纤维共同纺成适当形式的织物，然后在成型过程中树脂纤维熔融并浸渍增强纤维。后浸渍技术：2、预混料的制备A、片状模塑料（SMC）的制备SMC是一类可以直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其他工序的一类纤维增强热固性塑料(通常为不饱和聚酯树脂)。其组成包括短切玻璃纤维(3.2—32mm)、树脂(常用聚酯树脂)、引发剂、固化剂或催化剂、填料(常用碳酸钙)、内脱模剂(常用硬脂酸锌)、颜料、增稠剂及具有热塑性低收缩率填加剂。SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产上，一般先把除纤维以外的其他组分配成树脂糊，再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。B、玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材（GMT）的制备GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品，它除了具有与热固性SMC相似甚至更好的力学性能外，还具有生产过程无污染、成型周期短，废品可回收利用等优点。GMT所采用的增强剂是无碱玻璃纤维无纺毡或连续纤维。其玻璃纤维含量一般在20％~45％。最常用的热塑性树脂是聚丙烯，其次为热塑性聚酯PET及PET和聚碳酸酯PC，其他如聚氯乙烯等也有使用。制造GMT的工艺有两类，即熔融浸渍法和悬浮浸渍法。熔融浸渍法是最普通的GMT制造工艺，其工艺原理如图所示。两层玻璃毡与三层树脂膜叠合在一起，在高温(树脂熔点以上)、高压下使树脂熔化并浸渍纤维，冷却后即得GMT。熔触浸渍可采用不连续的层压方法，也可采用连续的双带碾压机碾压的方法悬浮浸渍法也称造纸法，它是利用造纸机，采用类似于造纸的工艺。将玻纤切成长6~25mm的短切纤维，分散在含树脂粉、乳胶的水中，添加絮凝剂后，各原材料呈悬浮状态，在筛网上凝聚，与水分离、烘干后，于高温、高压下使树脂熔融并浸渍纤维，冷却后即为GMT。手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图§2-2-2手糊成型工艺手糊工艺：在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。手糊成型工艺优点：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工艺简单；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。手糊成型工艺缺点：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产品力学性能较低。将手糊法成型的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到模具内，并在制品上覆盖橡胶袋或塑料袋，将气体压力施加到尚未固化的制品表面使其成型的工艺方法。(1)真空袋压法1—真空泵2、8—坯件3—柔性膜4、5—模具6—压力袋7—空气压缩机(2)压力袋压法制品两面都比较平滑，质量好；成型周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸受设备的限制。§2-2-3袋压成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。§2-2-4连续缠绕成型工艺缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。连续纤维缠绕技术的优点:纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点。用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。连续纤维缠绕技术的缺点：设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形、方形以及不规则形状容器的成型。拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。§2-2-5拉挤成型工艺一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进展。其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法。热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂，浸渍树脂后在成型模中冷却定型。混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形状的织物；然后，利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后成为产品。拉挤成型的优点：①生产效率高，易于实现自动化；②制品中增强材料的含量一般为40％~80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。拉挤制品的主要应用领域：(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零部件等。(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。(5)运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)能源开发领域。主要用于太阳能收集器、支架、风力发电机叶片和抽油杆等。(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件等。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。模压成型工艺过程：将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。§2-2-6模压成型工艺金属对模准备涂脱模剂膜压成型模塑料、颗粒树脂短纤维固化脱模后处理检验制品加热、加压加热冷却模压成型工艺流程图模压成型工艺优点：模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。模压成型工艺缺点：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。模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。RTM是将增强剂置于模具中形成一定的形状，再将树脂注射进入模具、浸渍纤维并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP的主要成型工艺之一。RTM工艺过程：预成型增强材料制备→树脂注入→固化→脱模。§2-2-7树脂传递模塑成型RTM工艺RTM成型工艺优点：所需操作空间小，原材料利用率高；制品表面光洁度好，尺寸精确，空隙率低（0.5%）；可使用多种形式的增强材料，特别合适厚度较大的三维织物增强的聚合物基复合材料成型；制品设计自由度大，可采用计算机辅助设计，大大缩短制造周期；成型过程在密闭条件下进行，可减少有害挥发物的排放。注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。§2-2-8注射成型工艺注射成型工艺原理:注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模