复合材料工艺学-夹层结构成型工艺.ppt

课件,3.1 概述,第三章 夹层结构,3、夹层结构成型工艺及设备,3.1 概述,由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的一种结构材料。,玻璃钢夹层结构,蒙皮为玻璃钢、芯材为玻璃布蜂窝或泡沫塑料等组成的结构材料。,加入芯材的目的：维持两面板之间的距离，使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。,课件,3.1 概述,第三章 夹层结构,f简支梁的弯曲扰度；P载荷；l梁的跨距；E弹性模量；J惯性矩；h梁的高度；EJ梁的刚度,可以在玻璃钢板用量不变的情况下，使刚度提高。这种结构可有效的弥补玻璃钢弹性模量低、刚度差的不足。由于芯材的容重小，用它制成的夹层结构，能在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。,课件,3.1.1 发展概况,第三章 夹层结构,3.1.1发展概况,第二次世界大战以来，在军事、航空工业中得到发展。目前已在飞机，船舶，车辆，建筑，轻工，交通运输等多个领域广泛应用。,飞机头部的雷达罩、机翼、尾锥、地板、炸弹舱门等。,围护墙扳、屋面板、隔墙板，透明的夹层结构板在国外已广泛用于工业厂房的屋顶采光。,玻璃钢潜水艇、玻璃钢扫雷艇、玻璃钢游艇等。,航空工业,建筑工业,造船工业,课件,第三章 夹层结构,3.1.2 类型、特点及应用,类型：,按芯层分类,泡沫夹层结构,按面层分类,波板夹层结构,蜂窝夹层结构,玻璃钢,金属,绝缘纸,胶合板,3.1.2 类型、特点及应用,夹层结构中的主要受力部分,塑料板,夹层结构中起连接和支撑面层板的作用，承受的是剪切应力。,课件,第三章 夹层结构,3.1.2.1 泡沫夹层结构 泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料 特点：质量轻、刚度大、保温隔热性能好、强度不高,3.1.2 类型、特点及应用,1-玻璃钢面层 2-泡沫塑料,课件,第三章 夹层结构,3.1.2 类型、特点及应用,泡沫塑料的构造,由气体填充的轻质高分子合成材料，是一种气固两相体材料。,泡沫塑料结构,开孔泡沫塑料,闭孔泡沫塑料,气体充填在由聚合物构成的互不相通的格子中。,气体充填在聚合物构成的互相连通的格子内。,课件,第三章 夹层结构,3.1.2 类型、特点及应用,开孔泡沫塑料,闭孔泡沫塑料,闭孔结构的吸水性、透气件、导热性均较开孔结构小，强度和刚度比开孔结构高。,课件,第三章 夹层结构,3.1.2.2 蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等) 特点：质量轻、强度大、刚度大 应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件,3.1.2 类型、特点及应用,1-玻璃钢面层 3-蜂窝玻璃布夹芯,3.1.2 类型、特点及应用,按平面投影形状分类,课件,第三章 夹层结构,正六边形,菱形,矩形,正弦曲线形,有加强带的六边形,有加强带六边形蜂窝的强度为最高，其次是正六边形蜂窝。但正六边形蜂窝用料省、制造简单。结构效率最高，所以应用最广。,课件,第三章 夹层结构,3.1.2 类型、特点及应用,T-蜂窝高度；L-纵向长度；W-横向宽度；c-蜂窝芯子的斜边长度；d-蜂窝芯子的节线长度；t-蜂窝芯子的斜边壁厚；-蜂窝芯子斜边与节线间的夹角,蜂窝芯子,课件,第三章 夹层结构,3.1.2.3 波板夹层结构 波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。 特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。,3.1.2 类型、特点及应用,1-玻璃钢面层 4-玻璃钢波纹板,课件,第三章 夹层结构,夹层结构的共有特点：,质轻、刚度大。,应用范围,多用于尺寸较大，刚度要求高，强度要求不高的场合,3.1.2 类型、特点及应用,原因,材料的绕度与其厚度的3次方成正比，如果把厚度为h的玻璃钢从中间等分，夹上2h 的芯材，厚度变为3h，则其刚度增加到原来刚度的27倍。,作业：夹层结构为什么具有刚度大的特点？,课件,第三章 夹层结构,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,3.2.1.1 玻璃布,蒙皮布：增强型浸润剂处理的玻璃布。一般用无碱或低碱平纹布，0.10.2mm厚。对曲面制品用斜纹布(属于加捻布)，变形性较好，有利于制品的成型加工。,用于制作蒙皮和蜂窝芯材,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,3.2 蜂窝夹层结构制造工艺,不易变形，不脱蜡可以防止树脂胶液渗到玻璃布的背面，产生粘连现象。,课件,第三章 夹层结构,芯材布：未脱蜡的无碱平纹布。,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,有蜡玻璃布可防止树脂渗透到玻璃布的背面，减少层间粘接，有利于蜂窝格子孔的拉伸。无碱平纹布不易变形，可提高芯材的挤压强度。,课件,第三章 夹层结构,3.2.1.2 绝缘纸,可以用于制作蒙皮和蜂窝，要求具有良好的被浸润性和足够的拉伸强度，一般采用木质纤维素纸或棉纤维纸。要求纸中不含有金属和其它杂质。,3.2.1.3 金属箔,制作蜂窝可用铝箔、不锈钢箔和钛合金箔等,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,课件,第三章 夹层结构,3.2.1.4 粘结剂 蒙皮浸胶、芯材浸胶、蒙皮芯材结合用胶。,环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、有机硅树脂和DAP树脂等,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,蜂窝夹芯制做过程中的胶条,聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛胶和环氧树脂等,课件,第三章 夹层结构,(1) 聚醋酸乙烯酯,无毒，价格便宜，可在室温下固化。 此种胶易溶于苯乙烯，故用此胶制作的蜂窝不能浸聚酯树脂。它既可用机械涂胶，也适用于手工涂胶。,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,课件,第三章 夹层结构,(2) 聚乙烯醇缩丁醛胶,需加热，加压固化。120， 0.20.3MPa ， 固化时间24h 。它只适用于机械制造蜂窝芯子,(3) 环氧树脂,6101（E-44），618#(E-51)， 634#(E-42) 等。 室温固化，可用氨类固化剂固化。,3.2.1 蜂窝夹层结构用原材料,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 各种材质蜂窝夹芯的制造,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,密度,低密度夹芯,高密度夹芯,芯材：纸、棉布、玻璃布浸渍树脂，泡沫塑料、铝蜂窝夹芯； 蒙皮：胶合板、玻璃钢、薄铝板 芯材与蒙面胶结而成,芯材与蒙皮材料都采用不锈钢或钛合金，芯材制造及芯材与蒙皮的联接多采用焊接的方法。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2.1 布蜂窝夹芯的制造（包括纸，棉布，玻璃布等）,制作方法：,胶接拉伸法 (手工涂胶法，机械涂胶法)、塑性胶接法、模压法。,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,首先在模具上糊制半六边形蜂窝，再粘结成蜂窝。优点：蜂窝尺寸稳定，可成型任何形状和规格的蜂窝夹芯，但需要大量模具，生产效率低。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,胶接拉伸法,将粘接剂通过不同的方式涂在玻璃布上形成胶条，相邻两层涂有胶条的玻璃布应使胶条错开，形成一块蜂窝芯子板。粘接剂充分固化，将蜂窝芯子板放在切纸机上切成一条条具有所要求高度的蜂窝芯子条，然后将蜂窝芯子展开，即成蜂窝。,课件,第三章 夹层结构,蜂窝芯子条,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,展开的蜂窝,课件,第三章 夹层结构,（1）手工涂胶法,只需将胶涂成一条、一条的形状，将布粘接在一起，胶液固化后，将两面层布拉开就可形成蜂窝。涂胶条的位置不同，形成不同形状的蜂窝。,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,a. 涂胶装置,由上下两块板构成，上板为涂胶板，可打开，铺放胶条纸；下板为平板，可向左右移动2a的距离。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,b. 涂胶板制作 设正六边形的边长为a，则两相邻胶条的距离为4a。,由于粘接剂的胶液会沿着涂胶纸上胶缝的边沿向两边渗透，使蜂窝格子的胶接宽度大于a，所以为了确保蜂窝格子正六边形，在涂胶纸上刻的胶条宽度要稍小于a。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,胶条纸板的刻制,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,c. 涂胶工序,下板上铺第一层布，盖上上板(涂胶板)，刷胶；打开上板，铺第二层布并使下板移动2a位置，刷胶；。因此；两层布间每隔2a距离就有一个胶条黏结。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,（2）机械涂胶法,印胶法、漏胶法、带条式胶涂法、波纹式涂胶法,生产效率较高，但漏胶嘴不易加工，胶条宽度不易控制，涂腔质量较差，设备清洗也不方便，故很少用。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,印胶式自动涂胶机工艺示意图 1-放布筒；2-张紧辊；3-印胶辊；4-递胶辊；5-带胶辊；6-导向辊；7-加热器；8-收布卷筒；9-胶槽；10-调压辊,工作原理：玻璃布从放布筒1引出后，经过张紧辊2到第一道印胶辊，在布正面涂胶，然后经过导向辊到第2道印胶辊，并在布的反面涂胶。涂胶后的玻璃布经过加热器加热，在水平导向辊6处与末涂胶的玻璃布迭合，一起卷绕到收布卷筒8上。收卷到设计厚度时，从收布卷筒上将蜂窝芯子板取下，加热固化后，切成蜂窝条备用。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,印胶辊示意图,印胶凸环,胶液通过带胶辊和递胶辊传到印胶辊的凸环上，当玻璃布和印胶辊接触时，胶液便被涂到玻璃布上去。第一道印胶辊和第二道印胶辊的凸环错位2a。,课件,第三章 夹层结构,3.2.2.3 蜂窝的拼接,制造大面积的制品及异形制品时，加工的蜂窝块尺寸往往不能满足要求，因此需要拼接。拼接时取少许粘结剂，涂在拼接处，搭接长度为正六边形的边长，将搭接处用曲别针或夹具固定、加压、固化。,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,蜂窝接长,蜂窝接宽,课件,第三章 夹层结构,3.2.2.4 影响蜂窝夹层性能的因素,（1）含胶量对性能的影响 含胶量高，蜂窝强度高，容重也大。,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,课件,第三章 夹层结构,（2）玻纤布对性能的影响 厚度大，强度高，容重也大。,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,课件,第三章 夹层结构,（3）蜂窝尺寸的影响 蜂窝尺寸大，容重小，强度也小。,（4）蜂窝高度的影响 蜂窝高度大，制品刚度提高，弯曲强度提高； 压缩强度降低。,作业：影响蜂窝夹层性能的主要因素有哪些？，如何影响？原因是什么？,3.2.2 蜂窝夹芯的制造,课件,第三章 夹层结构,3.2.4.蜂窝夹层结构的制造,（1）一次成型法,将内、外蒙皮和浸渍好树脂的蜂窝芯材按顺序放在模具上，一次胶合固化成型。成型压力0.010.08MPa。 优点：生产周期短，成型方便，蜂窝芯材与内外蒙皮胶接强度高。 缺点：成型技术要求较高。,3.2.4 蜂窝夹芯结构的制造,课件,第三章 夹层结构,（2）二次成型法,将内、外蒙皮分别成型，然后与芯材胶结在一起固化成型。(芯材可以是先固化好的，也可是没有固化的) 优点：制件表面光滑，易于保证质量,（3）三次成型法,外蒙皮预先固化好；与芯材胶合进行二次固化；最后在芯材上胶合内蒙皮进行三次固化。 优点：表面光滑，成型过程中可进行质量检查，发现问题及时排除。 缺点：生产周期长,3.2.4 蜂窝夹芯结构的制造,课件,第三章 夹层结构,3.2.5 常见问题及解决措施,（1）分层，起泡及折皱,原因：成型压力不足，产生分层起泡现象；玻璃布铺放不平整造成折皱现象。 解决措施：提高成型压力，加工时将玻璃布拉平。,（2）蜂窝压瘪现象,原因：蜂窝厚度不均匀，接触处压力集中；蜂窝端面刚性较差；湿法成型时，芯材尚未固化完全就加较大压力。 解决措施：注意受力部位的平整度，减少应力集中，适当降低成型压力。,3.2.5 常见问题及解决措施,课件,第三章 夹层结构,（3）胶结不良,注意树脂配方，提高成型压力，可在蒙皮上加一层树脂含量高的表面纤维毡。,3.2.5 常见问题及解决措施,课件,第三章 夹层结构,3.3泡沫塑料夹层结构制造工艺及设备,3.3.1 各种泡沫夹层结构的基本性能,突出特点,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺及设备,常用泡沫塑料的性能见表34。,隔热，隔音性能优良(优于蜂窝结构)，质量轻，具有均匀传递外部载荷的性能。 泡沫塑料夹层结构的性能主要取决于泡沫塑料类型与性能。,课件,第三章 夹层结构,3.3.2 泡沫塑料夹芯构造、种类、制作工艺,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,构造,1-玻璃钢面层 2-泡沫塑料,课件,第三章 夹层结构,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,第三章 夹层结构,泡沫塑料的构造,由气体填充的轻质高分子合成材料，是一种气固两相体材料。,泡沫塑料结构,开孔泡沫塑料,闭孔泡沫塑料,气体充填在由聚合物构成的互不相通的格子中。,气体充填在聚合物构成的互相连通的格子内。,课件,第三章 夹层结构,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,第三章 夹层结构,开孔泡沫塑料,闭孔泡沫塑料,闭孔结构的吸水性、透气件、导热性均较开孔结构小，强度和刚度比开孔结构高。,课件,第三章 夹层结构,(1) 按树脂基体分类：,(2) 按泡沫塑料硬度分类：,硬质、半硬质、软质,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛、环氧、有机硅等,区别方法：将泡沫塑料压缩，使其变形达到50%时，减压后视其残余变形： 大于10%称为硬质泡沫塑料； 在2%10%之间称为半硬质泡沫塑料；小于2%时称为软质泡沫塑料。,分类,课件,第三章 夹层结构,(3) 按泡沫塑料密度分类：,低密度(高发泡)泡沫塑料，小于0.1kg/m3； 中密度(中发泡)泡沫塑料，0.1-0.4 kg/m3； 高密度(低发泡)泡沫塑料，大于0.4kg/m3。,(4) 按燃烧性能分类：,可燃型、自熄型,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,课件,第三章 夹层结构,3.3.2.2 泡沫塑料的发泡方法,化学发泡法,机械发泡法,物理发泡法,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,用机械方法将气体混入聚合物形成泡沫，然后通过凝固获得泡沫塑料,通过化学反应产生气体形成泡沫结构,课件,第三章 夹层结构,（1）物理发泡法,惰性气体法,低沸点溶液法,分为三种,高压下使惰性气体压入熔融聚合物或糊状复合物，升温减压，气体膨胀发泡,掺加中空微球,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,优点：发泡后没有发泡剂留下的残渣，不会对制成的泡沫塑料的物理和化学性能有不利影响。缺点：此法需要比较复杂的高压设备。,聚氯乙烯和聚乙烯泡沫塑料,课件,第三章 夹层结构,（1）物理发泡法,惰性气体法,低沸点溶液法,分为三种,掺加中空微球,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,把低沸点液体溶于聚合物颗粒中，然后升高温度，当树脂软化，液体蒸发时，形成泡沫塑料。,塑料中加入中空微球，经固化制得泡沫塑料,聚苯乙烯泡沫塑料,课件,第三章 夹层结构,（2）机械发泡法,用机械方法将气体混入聚合物形成泡沫，然后通过凝固获得泡沫塑料,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,特点：,需选用合适的表面活性剂，以降低表面张力，使气体分散均匀；要求搅拌形成的泡沫能够稳定一段时间，使泡壁内的聚合物得以固定。,脲醛泡沫塑料,课件,第三章 夹层结构,（3）化学发泡法,a. 利用原料组分相互反应产生气体，形成泡沫结构。,例：组合聚醚与异氰酸酯,b. 借助于化学发泡剂分解产生气体，形成发泡结构。,例：双氧水(菱苦土发泡) 铝粉(水泥发泡)等,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,特点,设备简单，质量容易控制,课件,第三章 夹层结构,3.3 泡沫塑料夹层结构制造工艺,热塑性泡沫塑料的发泡工艺,第一步：将原料放入模内压制成坯料,一定温度压力下树脂软化，发泡剂开始分解，树脂达到粘流态时气体形成微小的气泡，均匀地分布在液体树脂中，冷却至玻璃化温度即得坯料。,将坯料放在限制模内，重新加热，等物料处于高