设备管理_复合材料成型工艺

第6章复合材料成型工艺 6 1概述制品成型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型工艺过程中一次形成的 生产中建立起来的成型方法有 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真空辅助树脂注射成型夹层结构成型 生产中建立起来的成型方法有 8 模压成型9 注射成型10 挤出成型11 纤维缠绕成型12 拉挤成型13 连续板材成型14 层压或卷制成型15 热塑性片状模塑料热冲压成型16 离心浇铸成型其中 9 10 15为热塑性树脂基复合材料成型工艺 选择成型工艺方法的原则 选择成型方法时 必须同时满足材料性能 产品质量和经济效益等多种因素 具体包括 1 产品的外形构造和尺寸大小2 产品性能和质量要求 如材料的物化性能 产品的强度及表面粗糙度等 3 生产批量的大小及供应时间 允许的生产周期 4 企业可提供的设备条件及资金5 综合经济效益 6 2手糊成型工艺及设备 手糊成型又称接触成型 是用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型 在室温或加热无压 或低压 条件下固化 脱模成制品的工艺方法 工艺 手糊成型法分类 手糊成型按成型固化压力可分为两类 接触压和低压 接触压以上 接触压为手糊成型 喷射成型 低压成型包括对模成型 真空成型 袋压成型以及树脂传递模塑 RTM 和反应注射模塑 RIM 成型等 手糊成型特点 优点 1 适宜尺寸大 批量小 形状复杂产品2 设备简单 投资少3 工艺简便4 可以在产品不同部位任意增补增强材料5 树脂含量较高缺点是 1 效率低 劳动强度大2 产品质量不易控制3 力学性能较低 6 2 1原材料选择 1 聚合物基体的选择要求 能在室温下凝胶 固化 胶液粘度适当0 2 0 5Pa s 无毒或低毒 价格便宜不饱和聚酯树脂 用量约占各类树脂的80 主要牌号196 191 189 198 其次是环氧树脂15 主要牌号E 51 E 44 E 42 航空结构制品采用高性能树脂 须高温高压固化成型 2 辅助材料 稀释剂 调整树脂黏度 有活性和非活性两种 非活性加入量为5 15 填料 降低成本 改善树脂性能 减小收缩率 自熄性 耐磨性等 有粘土 碳酸钙 白云石 滑石粉 石英砂 石墨 聚氯乙烯粉等 糊制垂直或倾斜面时 可加少量活性SiO2 色料 改变制品外观 一般不使用有机颜料和碳黑 3 增强材料 1 玻璃纤维A一玻璃纤维E一玻璃纤维 无碱 S一高强玻璃纤维M一高弹玻璃纤维和L一防辐射玻璃纤维 c 中碱玻璃纤维玻璃纤维制品无捻粗纱 短切纤维毡 无捻粗纱布 玻璃纤维细布 单向织物2 碳纤维聚丙烯睛 PAN 纤维 沥青纤维和粘胶纤3 Kevlar纤维 6 2 2手糊成型模具与脱模剂 6 2 2 1模具结构与材料模具结构 单模和对模两类成整体式或拼装式 6 2 2 2 模具材料 木材石膏石蜡可溶性盐低熔点金属金属 6 2 2 3模具设计要则 根据制品的数量 确定模具材料与结构刚度和强度光洁度拐角曲率半径应大于2mm拔模斜度 一般为2 耐热性造价 6 2 2 4模具设计程序 分析原始资料选定原材料及制造方法确定模具结构及脱模方法编制模具制造工艺技术规程绘制模具图纸 6 2 2 5其他 胶衣树脂应具有收缩率低 延伸率高 耐磨耐热等优良性能脱模剂脱模剂分外脱模剂和内脱模剂两大类 外脱模剂主要应用于手糊成型和冷固化系统 内脱模剂主要用于模压成型和热固化系统 薄膜型脱模剂 聚酯薄膜 聚乙烯醇薄膜 玻璃纸 混合溶液型脱模剂 聚乙烯醇溶液 蜡型脱模剂 6 2 3手糊工艺过程 6 2 3 1原材料准备 1 胶液准备 根据产品的使用要求确定树脂种类 并配制树脂胶液 主要考虑的工艺因素1 胶液粘度0 2 0 8Pa s2 凝胶时间 手糊作业结束后树脂应及时凝胶 一定温度下 主要受引发剂 促进剂或固化剂量的影响 手糊前应做凝胶试验 3 其它影响因素 胶液体积 环境温度与湿度 制品厚度与表面积大小 交联剂蒸发损失 抑制聚合反应的助剂 填料加入量 4 配制方法按配方比例先将引发剂等助剂和树脂混合均匀备用 操作前再加入促进剂搅拌均匀 加入引发剂的树脂胶液 贮存期不能过长 一次配胶量不要过多 促进剂用量 聚脂配方 环氧配方 2 增强材料准备 1 表面处理2 布的下料注意下列各点 1 布的方向性 2 同一铺层搭接 3 剪裁布的大小 3 胶衣糊准备 胶衣糊用来制作表面胶衣层33号胶衣树脂 是有良好耐水性的间苯二甲酸型胶衣树脂 36号胶衣树脂 是制造不透明制品用的自熄性胶衣树脂 39号胶衣树脂 是氯代间苯二甲酸型耐热自熄性胶衣树脂 21号胶衣树脂 是异戊二醇型胶衣树脂 具有耐水煮 耐热 不易污染及柔韧耐磨的特性 胶衣层树脂胶液配制 33号胶衣树脂100 质量 引发剂H4促进剂E2 4胶衣树脂技术指标 外观 颜色均匀 无杂质 粘稠状流体酸值 10 15mgKOH g 树脂 凝胶时间 10 15min触变指数 5 5 6 5贮存时间 25 6个月 4 手糊制品厚度与层数计算 1 制品厚度的预测t mXkt 制品 铺层 厚度 mm m 材料质量 kg m2 k 厚度常数 mm kg m 2 即每1kg m2材料的厚度 例1一手糊玻璃钢制品 壁由5层800g m2E玻璃布糊制 玻璃纤维含量为55 质量比 树脂密度为1 3 求该制品壁厚 树脂与玻璃布质量比 100 55 55 0 818树脂质量 0 818x5x0 8 3 27 kg m2 玻璃布厚度 5x0 8x0 391 1 564 mm 树脂厚度 3 27x0 769 2 514 mm 总厚度 1 564 2 514 4 078 mm 2 铺层层数计算 n A mf kf ckr 式中 A 手糊制品总厚度 mm mf 增强纤维单位面积质量 kg m2 kf 增强纤维的厚度常数 mm kg m 2 kr 树脂基体的厚度常数 mm kg m 2 C 树脂与增强材料的质量比 n 增强材料铺层层数 例2玻璃钢制品由0 4中碱方格布和不饱和聚酯树脂 密度1 3g cm3 糊制 含胶量为55 壁厚10mm 求布层数 查表 kf 增强纤维的厚度常数 0 408mm kg m 2 kr 树脂基体的厚度常数 0 769mm kg m 2 0 4中碱方格布mf 340g m2树脂与玻璃纤维质量比c 55 100 55 1 222n A mf kf ckr 10 0 34 0 408 1 222X0 769 22层 6 2 3 2糊制 l 表面层1 胶衣层厚度控制在0 25 0 5mm 或用单位面积用胶量控制 300 500g m22 胶衣层通常采用涂刷和喷涂两种方法 涂刷胶衣一般为两遍 必须待第一遍胶衣基本固化后再涂刷第二遍 3 表面毡 胶衣层开始凝胶时 应立即铺放一层较柔软的增强材料 最理想的是玻璃纤维表面毡 既能增强胶衣层 防止龟裂 又有利于胶衣层与结构层 玻璃布 的粘合 胶衣层全部凝胶后 可开始手糊作业 涂刷胶衣的工具是毛刷 毛要短 质地柔软 注意防止漏刷和裹入空气喷涂是采用喷枪进行的 喷枪口径为2 5mm时 适宜的喷涂压力为0 4 0 5MPa 枪口压力 4 影响胶衣喷涂的因素 a 触变指数对喷涂雾化程度有影响 b 温度温度低时雾化不好 c 严防在胶衣层内混入气泡 d 喷涂过程中因苯乙烯挥发而造成固化不良 质量下降 e 不能在胶衣层内带入水 2 铺层控制 尽可能连续 切忌随意切断或拼接拼接的形式有搭接与对接两种多次固化拼接 6 2 3 3固化 1 不饱和聚酯树脂的固化不饱和聚酯树脂的线型分子与交联剂变成体型结构 必须加入引发剂 促进剂不饱和聚酯树脂的固化是放热反应 聚酯树脂从粘流态转为不能流动的凝胶 最后转变为不溶不熔的坚硬固体的固化过程可分为三个阶段 凝胶阶段 定型阶段 硬化阶段 熟化阶段 完全固化阶段 2 不饱和聚酯树脂固化工艺控制 固化度表明热固性树脂固化反应的程度 通常用百分率表示 常用判断固化度的方法是测定制品的巴柯硬度值 一般巴柯硬度达到15 时便可脱模 精度高的制品 应达到30 手糊制品通常采用常温固化 糊制操作的环境温度应高于15 湿度低于80 脱模后继续在高于15 的环境温度下固化或加热处理 制品室温固化后 有的须在进行加热后处理 环氧玻璃钢一般控制在150 以内 聚酯玻璃钢一般在50 80 之间 6 2 3 4手糊工艺质量控制 1 影响手糊制品质量的因素概括为三方面 组分质量 组分复合过程的成型与固化 制品的辅助加工 手糊制品质量缺陷的主要表现为 胶衣层质量不佳 纤维浸胶未浸透 纤维与基体粘结不良 存在气泡 分层 股纱扭结与皱折 断股纱与纤维端部松散 纤维方向偏离 纤维铺层顺序错位 固化不充分 翘曲开裂 局部富树脂区 纤维体积含量不当 接缝拼接不良等 产生上述缺陷的原因 纤维方面 纤维 或织物 质量不均树脂基体 粘度不适宜 挥发分含量等不合要求 含有杂质等 施工作业 不按工艺规程操作 固化工艺 固化剂的质量 用量不合要求 常温固化的环境温度 湿度不合要求 热固化的温度制度及加压时机等不合要求 脱模存放 机械加工与连接等不当 2 质量控制 产品质量控制包括三方面 原材料的质量控制 按标准检查树脂基体 固化剂 增强材料 溶剂等的常规指标和特征指标成型工艺过程 工装 工序 操作 固化过程成品质量检验 表观质量 尺寸 重量 固化度 含胶量及机械性能 制品功能 如冷却塔的热力性能 浴缸的耐热水性等 3 手糊成型易发生的缺陷及防治措施 1 胶衣的缺陷 起皱 龟裂 变色 2 制品皱缩 变形 3 翘曲和变形 制模 涂蜡 喷胶衣 皱缩 设计糊的方案 裁布 裁结构材料 设计方案 配胶 搅拌 糊制工具 滚涂 刷涂 骨架 安置骨架 安置骨架方案 开模 6 2 4喷射成型工艺及设备 喷射成型一般是将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧 或在喷枪内混合 喷出 同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出 与树脂一起均匀沉积到模具上 待沉积到一定厚度 用手辊滚压 使纤维浸透树脂 压实并除去气泡 最后固化成制品 6 2 4 1喷射成型方法 按胶液喷射动力可分为 气动型气动型靠压缩空气的喷射将胶液雾化并喷涂到芯模上 部分树脂和引发剂烟雾被压缩空气扩散到周围空气中 如图所示 因此这种形式已很少使用了 液压型液压型是无空气的液压喷涂系统 靠液压将胶液挤成滴状并喷涂到模具上 因没有压缩空气造成的扰动 所以没有烟雾 材料浪费少 如图所示 按胶液混合形式可分为 内混合型内混合型是将树脂与引发剂分别送到喷枪头部的紊流混合器充分混合 因为引发剂不与压缩空气接触 就不产生引发剂蒸汽 见图 但缺点是喷枪易堵 必须用溶剂及时清洗 外混合型是引发剂和树脂在喷枪外的空中相互混合 由于引发剂在同树脂混合前必须与空气接触 而引发剂又容易挥发 因此既浪费材料又引起环境污染 如图所示 先混合型是将树脂 引发剂和促进剂先分别送至静态混合器充分混合 然后再送至喷枪喷出 喷射成型的应用及优缺点 应用用以制造汽车车身 船身 浴缸 异型板 机罩 容器 管道与储罐的过度层等 喷射成型的优点 生产效率比手糊成型提高2 4倍 生产效率可达15kg min 可用较少设备投资实现中批量生产 且用玻璃纤维无捻粗纱代替织物 材料成本低 产品整体性好 无接缝 可自由调变产品厚度 纤维与树脂的比例 主要缺点 现场污染大 树脂含量高 制品强度较低 6 2 4 2喷射成型工艺过程控制 1 喷射工艺参数1 制品纤维含量控制在28 33 纤维长度一般为25 50mm 2 喷射制品采用不饱和聚酯树脂 含胶量约为60 左右 3 胶液粘度应在0 3 0 8Pa s 触变度以1 5 4为宜 4 喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关 控制喷胶量在8 60g s之间调变 5 喷枪夹角20 为宜 6 喷雾压力要能保证两组分树脂均匀混合 2 喷射成型工艺要点 1 成型环境温度以25 5 为宜 2 成型工序应标准化 3 喷射机应由独立管路供气4 树脂胶液应根据需要进行加温或保温 以维持胶液粘度适宜 5 喷枪移动速度均匀 相邻两个行程间重叠宽度应为前一行程宽度的1 3 6 每个喷射面喷完后 立即用压辊压 7 特殊部位的喷射 喷射成型机 6 2 5树脂传递模塑 树脂传递模塑为ResinTransferMolding 简称RTM RTM是一种闭模成型工艺方法 其基本工艺过程为 将液态热固性树脂 通常为不饱和聚酯 及固化剂 由计量设备分别从储桶内抽出 经静态混合器混合均匀 注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内 经固化 脱模 后加工而成制品 RTM工艺可以生产高性能 尺寸较大 高综合度 数量中等到大量的产品 所以说RTM工艺也是一种很有前途的工艺方法 长4m高1m的福特车顶构件 RTM成型用设备 RTM成型用设备通常可分为三大部分 即控制树脂部分或称RTM成型机 压机和模具 RTM成型机 RTM模具 RTM模具是RTM成型技术的关键 在性能上应满足 有良好的保温性 在注入压力下不变形 树脂流失小 容易修正 价格低廉 使用寿命长 合模 启模容易等 RTM原材料 1 树脂系统1 粘度低 一般在 25 Pa s为最佳 2 固化放热峰低 一般为80 140 3 固化时间短 一般凝胶时间控制在5 30min之间 2 增强材料一般以玻璃纤维为主 含量为25 40 质量比 3 填料通常为树脂用量的20 40 质量比 RTM工艺特点 1 主要设备 如模具和模压设备等 投资少2 生产的制品两面光滑 尺寸稳定 容易组合3 允许制品带有加强筋 镶嵌件和附加物 设计灵活 从而获得最佳结构4 对树脂和填料的适用性广泛5 生产周期短 劳动强度低 原材料损耗少6 产品后加工量少7 RTM是闭模成型工艺 因而单体 苯乙烯 挥发少 环境污染小 RTM成型制品的性能 RTM成型的玻