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第6章聚合物基复合材料成型工艺教师：杜江华第6章聚合物基复合材料成型工艺本章教学目的：1.了解复合材料各种成型工艺2.掌握常用成型方法（手糊法、层压法、喷射法等）3.了解模具及辅助材料4.了解复合材料固化成型过程5.本章重点难点：6.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①产品外形构造和尺寸大小②材料性能和产品质量要求③生产批量大小及供应时间要求④企业可能提供的设备条件及资金⑤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：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容易满足产品设计要求。⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。缺点：①生产效率低，劳动强度大，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。二、原材料选择1.增强材料①无捻粗纱布（方格布）：0.1~0.8mm变形性好，易被树脂浸透，易排除气泡，增厚效率高。②加捻布（平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布）0.05~0.6mm表面平整、气密性好；价格贵、不易浸透树脂、增厚效果差③玻璃布带；④短切纤维；⑤表面毡；⑥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60~80%，防渗效果好。2.树脂1）要求①粘度适宜，0.2~0.8Pa.S，对玻纤有良好浸润性；②在室温下凝胶、固化，并且无低分子物产生；③无毒或低毒；④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①稀释剂②填料（降低成本，提高性能）③触变剂（适用垂直面施工，活性SiO2）④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：1~4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：0.25~0.5mm，或300~500g/m2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（d≥7mm,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℃（25~30℃）；湿度≤80%（15~30℃，8~24h）加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外线加热（60~80℃，1~2h）固化度丙酮萃取法硬度法（巴氏硬度）＞154.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①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低；④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足龟裂①胶衣层太厚；②固化时热量过大；③固化剂用量过多；变色①固化剂用量过多；②胶衣流挂；③颜色分离；④胶衣层厚度不均2.制品收缩原因：①拐角处圆弧半径过小；②脱模剂用量太多；③制品局部厚度过大；④胶衣层厚度不均，后固化加热不均3.制品翘曲和变形原因：①固化剂用量过大②制品太薄；③制品厚度不均匀或不对称；④树脂集聚；⑤脱模太早，树脂固化度不够；⑥后处理过早或温度不均1.符合制品尺寸、精度、外观要求2.足够的刚度、强度、热稳定性3.较小的热容量，有效利用热能；与制品热膨胀系数匹配4.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①木材；②石膏；③水泥；④石蜡；⑤泡沫塑料（不脱模内芯）；⑥可溶性盐（AlPO4（60~70%）+NaCO3（30~40%）+NaBO2（5~8%）），80℃溶于水；⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135℃；⑧玻璃钢⑨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0.25~0.5MPa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①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；②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)1(VW：制品密度V：体积: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A.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；B.预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外60~100，30minC.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，d≥9mm厚板，胶布纬向比横板窄5~10%2）配叠（排版或配布）①每块板料两面各放2~3张面层胶布②胶布挥发分＜7%，否则干燥处理③d≥9mm厚板，中间可夹配表角料、碎布，但不超过总量10%④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)1(HFGF-面积；H-厚度；：密度；-物料损失系数H＜5mm,=0.02~0.03;H＞9mm,=0.03~0.083）组合①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5~10块板，一次可压制7~10个叠合体②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；H≥20mm，单独压制③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2~7min/mm5）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，120~130℃，120~150min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①预热阶段（最高温度为凝胶温度）②中间保温阶段（初步固化），板料浸润、密度③升温阶段（最高温度为固化温度）④加压保温阶段（充分固化）⑤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=（2.5~3.5）/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：2~1