复合材料制备与加工PPT医学课件.ppt

复合材料制备与加工,.,第五章纤维增强高分子复合材料的制备与加工,5.1概述聚合物基复合材料成形通常有一步法与二步法之分。一步法是由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍，一步固化成形形成复合材料。二步法则是预先对纤维树脂进行混合浸渍加工，使之形成半成品，再由半成品成形出复合材料制品。一步法（又称“湿法”）工艺简便，设备简单。但溶剂、水分等挥发物不易去除，裹入制品形成孔洞；树脂不易分布均匀，在制品中形成富胶区和贫胶区，严重时会因纤维浸渍不好而出现“白丝”现象；生产效率低，环境恶劣。二步法将浸渍过程提前，可很好地控制含胶量和解决纤维树脂均匀分布问题；在半成品制备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分，降低了制品的空隙率，也改善了复合材料成形作业的环境。因此二步法又称“干法”。通过半成品的质量控制，确保复合材料制品的质量。,复合材料制品的生产流程图,5.2高分子复合材料成形用半成品的制备,高分子复合材料常常是预先将纤维等添加剂与树脂混合制成成形用材料（半成品），然后再经压制，注射等成形操作获得。对热塑性塑料，习惯上把这种成形用材料叫做粒料；对热固性塑料而言，则叫做模塑料；对连续纤维增强塑料即复合材料，则称为预浸料。,5.2.1纤维增强热塑性塑料粒料的制造方法（1）长纤维型粒料的制造工艺一般采用电缆包覆法制造：玻纤粗纱通过十字形挤出机头，被熔融树脂包覆，经冷却、牵引、切粒而成。长纤维粒料，由于树脂包覆差，纤维分布不均匀，粒料硬度不高，仅适宜于螺杆式注射机成形。在成形时依靠螺杆的混合作用，使纤维均匀地分散于树脂之中。,（2）短纤维型粒料的制造工艺先将短切纤维和树脂初混合，再经螺杆挤出机混炼，纤维被折断，以长度约为0.250.5mm的短纤维形式，均匀地分散于树脂中。短纤维型粒料具有较好的成形加工性和表面平滑性，用柱塞式和螺杆式注射成形机均可成形。但由于纤维在造粒时磨损严重、长度短，制品强度不高。它适合于制造壁薄和形状复杂的制品。,5.2.2短纤维增强热固性模塑料的制造方法纤维模塑料即短纤维预浸料，它是由树脂渍短纤维经过烘干制成，因通常用于模压工艺，故称之为模塑料。所用树脂主要是酚醛树脂，还有氨基树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、环氧树脂等。所用纤维主要是玻璃纤维，还有棉纤维、石棉、有机纤维、碳纤维等。（1）预混法制造短纤维模塑料将短纤维（如棉纤维、石棉纤维等）或切成1050mm长的纤维（如玻纤、合成纤维等）与一定量的胶液混合均匀，再经撕松、烘干而制成模塑料。,（2）预浸法制造短纤维模塑料将连续纤维束整束通过胶槽、浸渍，再经刮胶辊后，在烘箱中烘干，切割成所需长度单向纤维模塑料。（3）挤出法制造短纤维模塑料采用螺杆挤出机生产，克服上述预浸、预混方法采用胶液浸渍使用大量有机溶剂的缺点，改善了劳动卫生条件，降低了成本。产品质量均匀稳定，生产可以连续化自动化。缺点是玻璃纤维在螺杆中被磨损、被剪断的情况较严重，从而降低了塑料的强度。适用于在生产过程无需排除低分子物的玻璃纤维模塑料，,5.2.3片状模塑料SMC的制造方法片状模塑料（SheetMouldingCompound）是六十年代发展起来的一种干法制造聚酯玻璃钢的新型模塑料。它是用多组分的不饱和聚酯树脂糊充分浸渍短切玻璃纤维（或毡）并在上下面覆盖聚乙烯薄膜而获得的片状夹芯形成的模塑料。使用SMC时，只需撕掉两面的聚乙烯薄膜，按制品相应尺寸载切、叠层，然后放入模具中加温加压固化即得到所需要的制品。,制备SMC设备示意图,5.2.4复合材料成形用连续纤维预浸料的制造方法纤维预浸料是将树脂体系浸涂到连续纤维或纤维织物上，通过一定的处理过程所形成的一种贮存备用的半成品，是制造连续纤维增强复合材料制品重要中间材料。按纤维排布形式不同有织物预浸料（预浸胶布、预浸纱带），单向纤维预浸料无纬布、预浸纱等，广泛用于层压、卷制、缠绕、裱糊、真空袋、热固罐、模压和拉挤等各种成形工艺。按树脂类型分为热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料。按纤维种类不同有碳纤维预浸料、芳纤预浸料、玻璃纤维预浸料和棉布预浸料等。,（1）溶液浸渍法与预浸法制备短纤维模塑料一样，将构成树脂的各组分按预定的固体含量溶解到溶剂中去，然后纤维（纱或织物）通过树脂溶液，粘着一定量的树脂，经烘干除去溶剂即得预浸料。用于层压、卷制、布带缠绕成形的预浸胶布多采用溶液法浸渍纤维织物获得，其制备在卧式或立式浸胶机上连续进行。纤维织物（布）以一定速度均匀移动，首先通过热处理炉除去水份或石蜡浸润剂，然后经过浸胶槽浸渍一定量的树脂溶液，再经过烘干炉除去大部分溶剂和挥发份，并使树脂预固化到一定程度，最后收卷贮存。预浸布经剪裁成窄带后用于缠绕成形。单向纤维预浸料，根据制备设备的不同，分辊筒缠绕和阵列式连续排铺法。辊筒缠绕法多采用湿法工艺，阵列式连续排铺法逐渐由湿法向干法发展。,辊筒缠绕法工艺连续纤维束从纱团引出，进入胶槽浸渍树脂，经挤胶器除去多余树脂后，靠喂纱导器纤维纱依次整齐地环向缠绕在贴有隔离膜的辊筒上，最后沿辊筒母线切断展开即成单向纤维预浸料。因其纬向没有纤维，经纱是靠树脂将其粘在一起的，所以也常叫无纬布。该法设备简单，操作方便，但制备的无纬布长度受辊筒直径限制，生产速度较低，一般适用于实验室或小批量生产。,阵列式连续排铺法许多平行的纤维束（或织物）同时连续浸涂树脂，经辊压等工序后，即成连续预浸料。该法生产效率高，适于大量生产。一定数量的纱束从纱架引出径整径，平行整齐地进入装有树脂溶液的浸渍胶槽，经挤胶、烘干、垫铺隔离纸和压实，即可收卷，获得成卷的连续预浸料。为获得质量合格的预浸料，必须严格控制环境温度、胶液浓度、辊筒缝隙和纤维的行进速度等。,（2）热熔浸渍法和胶膜辗压法,干法制造预浸料有熔融法和胶膜法两种。由于不使用溶剂，生产现场和环境无污染，也不易引起火灾；节约溶剂；预浸料和挥发份含量低，制备复合材料的孔隙小。,熔融法的基本工艺：借助加热从漏槽中流出的熔融树脂体系刮涂于隔离纸裁体上，随后转移到经整经、排列整齐的平行纤维纱上，同时，纤维的另一面贴附上一层隔离纸，然后三者成一夹芯经热辊后，使树脂浸润纤维，最后压实收卷。,胶膜法制造预浸料的工艺过程图：与熔融法相似，一定数量的纱束经整齐排铺后，夹于胶膜之间，成夹芯状，再通过加热辊挤压，使纤维浸嵌于树脂膜，最后加附隔离纸裁体压实，即可分切收卷。,（3）粉末法制备预浸料用于制备热塑性树脂和高熔点难溶解树脂的预浸料。又分为粉末静电法和粉末悬浮法。粉末静电法是在连续纤维表面沉积带电树脂粉末，用辐射加热的方法使聚合物粉末永久性地粘附在纤维表面上。,不会引起纤维/树脂界面应力，也不会因聚合物在高温下持续时间过长而导致性能退化。粉末静电法需事先将高聚物研磨成非常细微的颗粒，其典型的粒子大小是240um，110um和80um。采用超细颗粒的粉末，可获得柔软的预浸料。,粉末悬浮法通常又分为水悬浮和气悬浮两种。前者是在水中悬浮的树脂颗粒粘附到连续运动的纤维上，后者是细度为10-20um的聚合物颗粒在硫化床中悬浮，聚合物颗粒附着在连续的纤维上，随即套上护管，使粉末不再脱离纤维表面。,5.3高分子复合材料的成形工艺,5.3.1概述（一）纤维增强高分子基复合材料成形方法分类(1)闭模成形模压成形、树脂传递模塑(RTM)、注射成形、增强反应性注射(RRIM)(2)开模成形手糊成形、喷射成形、真空袋成形、压力袋成形、热压釜成形、纤维缠绕成形、拉挤成形、离心浇铸成形(3)其它编织、吸积（吸胶）成形,（二）高分子复合材料成形三要素(1)赋形赋形在于增强材料如何达到均匀或保证在特定的方向上排列。将增强材料“预成形”是先行的赋形过程，使毛坯与制品最终形状接近，而最终形状的赋形则在压力下靠成形模具完成。(2)浸渍浸渍意味着将增强材料间的空气置换为基体树脂形成良好的界面粘接和复合材料的低空隙率，浸渍机理分脱泡和浸润两部分。浸渍好坏受树脂粘度、种类、配比和增强材料的品种、形态影响。预浸料半成品制备，已将主要浸渍过程提前，但在加热成形过程还需进一步完善树脂对纤维的浸渍。(3)固化热固性树脂发生交联的化学反应，形成三向网络基体材料。热塑性树脂则是冷却硬化定型的过程。,各种工艺方法在工艺过程中必须共同遵守的要点：(1)要使纤维均匀地按设计要求分布有制品的各个部分(2)要使树脂适量地均匀地分布在制品的各个部位，并适当地固化(3)工艺过程中要尽最大的努力减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性(4)充分掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。在整个工艺过程，纤维是没有什么变化，起变化的是树脂。在初期，树脂一般是粘度较低的液体，充分浸渍纤维，排除气泡，在工艺过程中粘度逐渐增加，凝胶，直至固化。只有充分掌握所用树脂配方的工艺性能，才能制订出合理的固化工艺规范，制造出质量优良的制品。,（三）复合材料制品的成形特点与其它材料不同，复合材料的材料和制品是在同一个成形工艺过程中一次形成的。各种工艺方法除模压和注射外，都采用低压成形，压力一般在1020kg/cm2以下。这给制造大型制品带来方便，对成形设备和工艺装备的要求降低。,5.3.2各种成形工艺方法简介（一）手糊成形工艺先在模具上涂一层脱模剂，然后将加入固化剂的树脂混合料均匀涂刷一层，再将纤维增强织物（按要求形状尺寸裁剪好）直接铺设在胶层上，用刮刀、毛刷或压辊迫使树脂胶液均匀地浸入织物，并排除气泡，待增强材料被树脂胶液完全浸透之后，再涂刷树脂混合液，再铺贴纤维织物，重复以上步骤直至完成制件糊制，然后再固化，脱模、修整打磨飞边毛刷。,干法手糊成形是采用预浸料按铺层序列层贴，获预成形毛坯后，再用模压或真空袋热压罐成形方法固化成形。,（二）喷射成形工艺通过喷射的树脂流与短切纤维混匀，沉积在开模上，压实固化成制件。将装有引发剂的树脂和装有促进剂的树脂分装于两个罐中，由液压泵或压缩空气按比例输送到喷枪内雾化，同时与短切纤维混合并喷射到模具上，沉积到一定厚度时，用压辊排气压实，再继续喷射，直到完成坯件制作，然后固化成形。,特点是生产效率高，劳动强度低，节省原材料，制品无搭接缝，整体性好，制件的形状和尺寸不受限制；但场地污染大，制件的承载能力低。适于制造船体、浴盆、汽车车身、容器及板材等大型部件。,（三）纤维缠绕成形纤维缠绕成形是将浸渍树脂的纤维丝束或带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化成为制品的方法。该方法适于制造复合材料旋转体。缠绕工艺可分为干法、湿法及半干法三种。（四）袋压成形袋压成形包括压力袋、真空袋和真空袋-热压罐成形法。是借助成形袋与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使复合材料坯料紧贴模具，经固化成形的方法。最大优点是，仅用一个模具（阳模或阴模），就可以得到形状复杂，尺寸较大、质量较好的制件，也能制造夹层结构件。,真空袋成形在固化时利用抽真空产生的大气负压对制品施加压力而成形。工艺过程：将铺叠好的制件毛坯密闭在真空袋与模具之间，然后抽真空形成负压，大气压通过真空袋对毛坯加压，固化完全后卸模取出制件。,该法工艺简单，不需要专用设备，常用来制造室温固化的制件，也可在固化炉内成形高、中温固化的制件。适用于大尺寸产品的成形，如船体、浴缸及小型的飞机部件。,真空袋成形,压力袋成形借助于橡皮囊构成的气压室（压力袋），通过向气压室通入压缩空气实现毛坯加压，所以也叫气压室成形。压力可达0.25MPa0.5MPa，由于压力较高，对模具强度和刚度的要求也较高，还需考虑热效率，故一般采用轻金属模具，加热方式通常用模具内加热的方式。,真空袋-热压罐成形利用热压罐内部的程控温度的静态气体压力，使复合材料叠层坯料在一定的温度和压力下完成固化过程。,可以制得高质量的复合材料制品，制件密实，厚度公差范围小，空隙含量低，许多大型和复杂的部件，如机翼、卫星天线反射器、导弹再入体等制品成形都采用此方法，缺点是能源利用率低，设备复杂、成本较高。,（五）模压成形将一定量的模塑料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔成形固化而获得制品。预浸胶布层贴预成形后，再经多层平板压机模压（层压）成形，用以制备复合材料层压板和覆铜板。（六）拉挤成形是一种连续生产固定截面型材的成形方法。主要过程是将浸有树脂的纤维连续通过一定型面的加热口模，挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。增强体可有多种形式，如单向纤维、编织套或整体的三维编织物。模腔的口型按型材横截面形式设计成多种多样，如工字形、槽形等。,（七）树脂传递模塑(RTM)也称压注成形，通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润其中的纤维织物坯件然后固化成形。特点是：制件尺寸精度高，有精确的内外表面，不需再加工，但工艺难度大，注胶周期长，注胶质量不易控制。适用于具有一定厚度和尺寸要求的制件如飞机雷达罩的成形。（八）注射成形将纤维增强的粒料，从料斗加入注射成形机的料筒受热熔化至流动状态，以很高的压力和较快的速度注入温度较低的闭合模具内，在模具内固化，脱模即得制品。该工艺主要是热塑性塑料的注塑成形。近来又发展出：反应注射成形和增强反应注射成形（RRIM）。,反应注射成形使两种高活性的液状单体在高压下碰撞混合，并在模具中迅速发生聚合反应。由于原料是液态，注射压力低，从而降低了机器合模力和模具造价。可以成形壁厚变化