复合材料的制备方法.ppt

复合材料的制备方法 张强 2009034031 复合材料制备工艺特点 （1）材料制造与制品成型同时完成 一般情况下 ，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过 程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此 在制造材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都 必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。 （2）制品成型比较简便 一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增 强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材料生产复合材 料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某 些制品仅需一套模具便能生产。 复合材料的制备方法 模具的制作工艺 复合材料成型工艺 模具的制作工艺 主模制作 主模修整 主模表面处理 生产模的翻制 主模制作 制作主模的材料有很多，一般要求作主模 的材料易成形，易休整，且有稳定性好等 特点。如木材，石膏，蜡等。我们通常用 的都是木材。根据模具图纸，由木工做出 木制主模。 主模修整 主模必须经过修理后方能进行生产模的翻 制。修整包括打腻子，整形，尺寸的较正 ，加固。这一过程主要是对木模表面及整 体做基本的处理，以保证木模在尺寸及形 式上与图纸相吻合。 主模表面处理 这一工序中有喷胶衣，胶衣固化，打磨，抛光 ，打脱模蜡等。在前面工序中处理好的主模上喷 上胶衣，然后等胶衣固化，胶衣固化后就用砂纸 打磨胶衣面。一般从几十号的粗砂纸一直打到一 千号左右的细砂纸。打完砂纸后，开始抛光模具 ，最后打上脱模产品。直到此时，主模生产就结 束了。接下就可以用主模来制作生产模。 这一过程中要用到许多材料及工器具。木材 及相应的木工器具是必须的。此外还有：腻子（ 也称原子灰），砂纸，从几十号的粗砂纸到一千 多号的细砂纸，胶衣（一般使用产品胶衣就可以 ），模具清洁剂，封孔剂，抛光膏，脱模蜡等。 此外还要用到一些小的工器具，如打磨器，抛光 轮，胶衣喷枪，气泵（或别的气源）。 生产模的翻制 喷模具胶衣 由于开始制作生产模，所以必须使用性能较好的模具胶 衣，以保证模具的最终效果。并要求喷射达到一定的厚度 模具铺层 铺层工序不能过快,一般情况下模具的厚度要达到产 品厚度的3-5倍。所以铺层的时间一般也较长，可 持续6-7天 模具固化加固 模具可自然固化，也可加温固化，但一般最好有 一段自然固化期。自然固化期后，要给模具加固 ，使模具在生产过程中不致于损坏。 生产模的表面处理 打砂纸，抛光，划工艺线，打脱模产品 几个磨具的辨析 生产模 主模 胎模 过渡模 生产模 用来生产产品的模具 ,从形状上来说与产品 的形状正好相反 ;一般是玻璃钢（FRP）的; 主模 主模或者说母模: 用来制造生产模的模具;从形状上来说与生 产模相反,与产品相同,但决不是产品,厚度绝 对大于产品 ;一般是玻璃钢的,可以用来生产 很多的生产模 胎模 胎模或者说原始模: 指按产品图纸或者模具图纸生产出的第一件模具, 一般来说 都不是玻璃钢的,很多是木头,各种板材 的拼合体,或者是用CNC（数控机床）雕出来的, 一般只能生产一件生产模或者主模,很难重复利用, 或者说一般不重复利用;从形状上来说主要是方便 制造;而不一定是产品形状; 过渡模 过渡模一般说来很少用到: 指生产量很大时,要生产很多的主模所产生 的过渡性模具;形状与产品相反,与生产模的 形状相同,一般是玻璃钢的,主要是由于尺寸 要求较严,且要经过多次翻转,必须提前对尺 寸进行一定的放大,所以不能直接用来做生 产模; 复合材料成型工艺 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展 基础和条件。随着复合材料应用领域的拓 宽，复合材料工业得到迅速发展，其老的 成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌 现，目前聚合物基符合材料的成型方法已 有20多种 复合材料成型工艺 生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺 (1)(1)手糊成型工艺手糊成型工艺 (2)(2)喷射成型工艺喷射成型工艺 (3) RTM(3) RTM技术技术 (4)(4)袋压法袋压法 (5)(5)热压罐成型技术热压罐成型技术 (6)(6)液压釜法成型技术液压釜法成型技术 (7)(7)热膨胀模塑法成型技术热膨胀模塑法成型技术 (8)(8)夹层结构成型技术夹层结构成型技术 (9)(9)模压料生产工艺模压料生产工艺 (10) ZMC(10) ZMC模压料注射技术 模压料注射技术 (11)(11)模压成型工艺模压成型工艺 (12)(12)层压成型工艺 (13)(13)卷制管成型技术卷制管成型技术 (14)(14)纤维缠绕制品成型技术纤维缠绕制品成型技术 (15)(15)连续制板生产工艺连续制板生产工艺 (16)(16)浇铸成型技术浇铸成型技术 (17)(17)拉挤拉挤成型工艺成型工艺 (18)(18)连续缠绕制管工艺连续缠绕制管工艺 (19)(19)注射成型工艺注射成型工艺 (20)(20)挤压成型工艺挤压成型工艺 (21)(21)离心浇铸制管成型工艺离心浇铸制管成型工艺 (22)(22)其它成型技术其它成型技术 模具模具 准备准备 涂脱模剂涂脱模剂 手糊成型手糊成型 树脂胶树脂胶 液配制液配制 增强材增强材 料准备料准备 固化固化脱模脱模后处理后处理 检验检验 制品制品 手糊成型工艺手糊成型工艺- -湿法铺层成型法湿法铺层成型法 手糊成型工艺手糊成型工艺- -湿法铺层成型法湿法铺层成型法 层压成型工艺 层压成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠 加后，放入两个抛光的金属模具之间，加温加压形成复合 材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早 、也较成熟的一种成型方法。 层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材，具有机 械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点，但一次性投 资较大，适用于批量生产，并且只能生产板材，且规格受 到设备的限制。 层压工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、 热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序 增强材料增强材料 热固性树脂热固性树脂 浸 胶浸 胶胶 布胶 布 裁裁 剪剪 叠叠 合合 热热 压压 脱脱 模模 切切 边边 产产 品品 层压成型工艺流工艺流 复合材料的层压工艺的热压过程， 一般分5个阶段 第一阶段-预热预压阶段 此阶段的主要目的是使树脂熔化，去除挥 发物、浸渍纤维，并且使树脂逐步固化至 凝胶状态。此阶段的成型压力为全压的1/3- 1/2。2种配方体系的预热预压工艺参数见表 第二阶段-中间保温阶段 这一阶段的作用是使胶布在较低的反应速 度下进行固化。保温过程中应密切注意树 脂的流胶情况。当流出的树脂已经凝胶， 不能拉成细丝时，应立即加全压。 第三阶段-升温阶段 目的在于提高反应温度，加快固化速度 。此时，升温速度不能过快，否则会引 起暴聚，使固化反应放热过于集中，导 致材料层间分层。 第四阶段-热压保温阶段 目的在于使树脂能够充分固化。从加全压到整个热压结束，称为热压阶 段。而从达到指定的热压温度到热压结束的时间，称为恒温时间。热压 阶段的温度、压力和恒温时间，也是由配方决定。几种配方体系的加压 工艺参数见表 第五阶段-冷却阶段 在保压的情况下，采取自然冷却或者强制 冷却到室温，然后卸压，取出产品。冷却 时间过短，容易使产品产生翘曲、开裂等 现象。冷却时间过长，对制品质量无明显 帮助，但是使生产效率明显降低。 RTM-树脂传递模塑成型 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具内， 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 树脂浸透纤维的能力，可选择真空辅助注射（VARI- vacuum assisted resin injection）。 注意 树脂一经纤维材料浸透，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制作。若采用加热工艺，宜用钢模。 树脂传递模塑成型 树脂传递模塑成型-原材 树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基酯及 酚醛；当加温时，高温树脂如双马来酰亚胺树脂 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 维间的缝隙利于树脂传递）、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 、CLVC等。 树脂传递模塑成型优缺点 优点 1） 制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少； 2） 闭模成型，生产环境好； 3） 劳动强度较低，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） 可与芯材、嵌件一体成型 9） 相对注射设备与模具成本较低。 缺点 1） 不宜制作较小产品 2） 因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价 位也高一些； 喷射成型技术 喷射成型技术 喷射成型工艺是将混有引发剂和促 进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷 出，同时将切断的玻纤粗纱，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gun轮压实，使纤维浸透 树脂，排除气泡，固化后成制品。 玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱 聚酯树脂聚酯树脂加热加热 引发剂引发剂 促进剂促进剂 静态混合静态混合 切切 割割 喷喷 枪枪 模模 具具 喷喷 射射 成成 型型 辊压辊压 固化固化 脱模脱模 喷射成型工艺流程图喷射成型工艺流程图 喷射工艺参数选择 树脂含量 喷射成型的制品中，树脂含量 控制在60%左右。 喷雾压力当树脂粘度为0.2Pas，树脂罐 压力为0.050.15MPa时，雾化压力为0.3 0.55MPa，方能保证组分混合均匀 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350400mm。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。 喷射成型的优缺点 喷射成型的优点：用玻纤粗纱代替织物 ，可降低材料成本；生产效率比手糊的 高24倍；产品整体性好，无接缝，层 间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐 渗漏性好；可减少飞边，裁布屑及剩余 胶液的消耗；产品尺寸、形状不受限制 。 其缺点为：树脂含量高，制品强度低； 产品只能做到单面光滑；污染环境， 有害工人健康。 纤维缠绕工艺 纤维缠绕工艺是树脂基复合材料的主要制造工艺 之一。是一种在控制张力和预定线型的条件下， 应用专门的缠绕设备将连续纤维或布带浸渍树脂 胶液后连续、均匀且有规律地缠绕在芯模或内衬 上，然后在一定温度环境下使之固化，成为一定 形状制品的复合材料成型方法。 根据缠绕时树脂基体所处的化学、物理状态不同 ，缠绕工艺可分为干法、湿法及半干法三种。 缠绕工艺流程图 纱团纱团 集束集束 胶液配制胶液配制 浸 胶浸 胶烘干烘干 络纱络纱 胶纱纱绽胶纱纱绽 张力控制张力控制 纵、环向缠绕纵、环向缠绕 芯模芯模纵、环向缠绕纵、环向缠绕 张力控制张力控制 加热粘流加热粘流 固化固化脱模脱模打模喷漆打模喷漆成品成品 湿法缠绕成型工艺湿法缠绕成型工艺 干法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺 纤维缠绕成型工艺示意 纤维缠绕工艺 缠绕的主要形式有三种:环向缠绕、平面缠 绕及螺旋缠绕。环向缠绕的增强材料与芯 模轴线以接近90度角（通常为85-89度）的 方向连续缠绕在芯模上，平面缠绕的增强 材料以与芯模两端极孔相切并在平面内的 方向连续缠绕在芯模上，螺旋缠绕的增强 材料也与芯模两端相切，但是在芯模上呈 螺旋状态连续缠绕在芯模上。 三种缠绕方法 三种缠绕方法 纤维缠绕工艺-干法 干法缠绕采用经过事先浸胶而处于B阶段的预浸 纱带。预浸纱带是在专门的工厂或车间制造与提 供的。干法缠绕时，在缠绕机上需先对预浸纱带 进行加热软化处理后再缠绕到芯模上。由于可以 在缠绕前对预浸纱带的含胶量、胶带尺寸及质量 进行检测和筛选，因而可以较准确地控制制品质 量。干法缠绕的生产效率较高，缠绕速度可达 100-200m/min,工作环境也较清洁。但干法缠绕 设备比较复杂且造价很高，缠绕制品的层间剪切 强度也较低。 纤维缠绕工艺-湿法 湿法缠绕是将纤维经集束、浸胶后，在张 力控制下直接缠绕在芯模上，然后再固化 成型。湿法缠绕的设备比较简单，但由于 纱带浸胶后立即缠绕，在缠绕过程中对制 品含胶量不易控制和检验，同时胶液中的 溶剂固化时易在制品中形成气泡、孔隙等 缺陷，缠绕时张力也不易控制。同时，工 人在溶剂挥发气氛和纤维短毛飞扬的环境 中操作，劳动条件较差。 纤维缠绕工艺-半干法 与湿法工艺相比，半干法是在纤维浸胶到 缠绕至芯模的途中增加一套烘干设备，将 纱带胶液中的溶剂基本上驱赶掉。与干法 相比较，半干法不依赖一整套复杂的预浸 渍工艺设备。虽然制品的含胶量在工艺过 程中与湿法一样不易精确控制且比湿法多 一套中间烘干设备，工人的劳动强度更大 ，但制品中的气泡、孔隙等缺陷大为降低 。 三种缠绕工艺方法的优缺点比较见 表 拉挤成型d 拉挤成型于1951年首次在美国注册专利，60年代发展很 慢，7080年代进入快速发展阶段。我国起步则较晚，直 到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发 展时期。目前，引进及国产拉挤生产线已超过200条。我 国发展拉挤与欧美形式相似：先开发形状简单的棒材，然 后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求，开发 了型材制品，目前这些技术已经比较成熟。 拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱 架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面 毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模 具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制 品的一种自动化生产工艺。利用拉挤工艺生产的产品其拉 伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的