4_成型工艺特点.ppt

复合材料的材料工艺性概念复合材料制件的固化特性复合材料的质量控制和检测复合材料制品成型方法的选择依据复合材料制品作为飞机构件时的协调互换性要求复合材料制品工艺设计内容 复合材料的材料工艺性 工艺性概念了解工艺性的意义改善材料工艺性的途径评定材料工艺性的主要依据工艺性指标及测定 任何一种材料必须被加工成制品后才能发挥其特殊性 聚合物基复合材料种类繁多 性能各异 其材料的制造过程就是制品的制造过程 这使得对复合材料工艺性的了解和掌握显得特别重要 工艺性概念 聚合物复合材料的工艺性 指复合材料或其各组成部分 在通过特定的工艺方法制造成特定制品的工艺过程中 操作的难易程度及制品质量保证的难易程度 成型工艺 成形工艺 固化工艺 成型工艺包含两个过程 成形与固化 成形赋予构件形状form 原材料如何制成所需结构形状 成形方法 固化固定构件形状cure 赋予复合材料结构件力学性能 固化方法 成形固化 化学变化 固化反应 化学 物理耦合变化 粘流 密实 物理变化 流动浸润 成型工艺Processing 工艺性概念 这是由于不同的材料在工艺过程中表现出不同的物理化学行为 而这种行为取决于材料的组分和各组分的结构 同一制品可采用不同的材料 以及由材料决定的不同的工艺过程 具体的制件结构和制造工艺方法 是表现材料工艺性的条件 如PI高温性能好 但固化温度高 Kevlar纤维韧性好 但不易剪断 CF力学性能好 但操作难 脆 不同材料表现出不同的工艺性 使用性与工艺性不同 赋予制品的最终形状和大小 主要保证增强纤维的均匀分布以及在设定方向的高度排列通过增强材料首先赋予制品以外形 并在固化过程通过模具和压力完成 成型工艺三要素 赋形 浸渍 固化 赋形 复合材料成型工艺的基本内涵 浸渍 目的 排除气体和浸润 以形成良好界面粘结和控制孔隙率分为两类 先将原材料复合浸渍形成半成品 预浸料 再固化成型 或复合浸渍与固化成型一次完成 复合材料成型工艺的基本内涵 热固性树脂的固化 树脂由齐聚物 可溶可熔 反应形成线性高分子 再交联形成三维网络结构 不溶不熔 热固性树脂的固化通常需要 固化剂 促进剂 以及加热除热引发外 还有辐射固化工艺 如紫外光 电子束等 适应外场修补 固化 复合材料成型工艺的基本内涵 浸润impregnation 密实compaction 渗透流动infiltrationflow 纤维在成型工艺中发生的物理变化 树脂基体在固化过程中的两个变化过程线型结构体型结构 化学变化过程 粘流态玻璃态 物理变化过程 化学变化的结构往往是通过物理变化现象表现出来对于化学变化过程而言 需要一定条件 促使反应的环境如何实现 固化工艺解决的问题对于物理变化过程而言 要得到一定形状的产品 是用什么样手段 成形工艺解决的问题 赋形 固化 成型工艺 浸渍 成形方法 固化方法 热固化 电子束 微波 热压罐 手糊 袋压 RTM 模压 缠绕 拉挤 喷射 光固化 复合材料成型工艺的分类 常温固化热压机固化热压罐固化干燥箱加热红外灯加热 短切纤维4 76mm 长纤维12 7mm 连续纤维 SMC喷射 短切毡连续毡 织物缠绕预浸料 容易加工的程度 材料性能 赋形 浸渍环节主要与增强纤维的预成型方法密切相关 1 按赋形方法分为 层贴法 采用预浸料在模具上铺覆成型的方法 如热压罐成型采用连续纤维的增强材料 布 带 毡 和低粘度胶液在模具上铺覆成型的方法 如手糊成型 沉积法 利用压缩空气或抽空气方法使短切纤维沉积到模具表面上的方法 如喷射成型 将增强材料编织成与产品形状尺寸基本一致的三维立体编织物 称为纤维预成型体用于RTM RFI等各种液体成型 LCM 工艺中厚度方向有增强纤维 可以获得较高的层间强度 缠绕法 将浸胶后的连续长纤维增强材料 纱 布 带 连续缠绕到芯模或内衬上的方法 如缠绕成型适于成型回转体制件 如压力容器 管道等特点 自动化程度高 制品纤维含量高 强度高 编织法 1 按赋形方法分为 2 按成型压力大小分为 将压缩空气通入橡皮囊 借助橡皮囊对制品均匀加压 0 25 0 5MPa 真空袋成型 用真空袋密封坯料和模具 通过抽去真空袋内的空气和挥发分对制品施加压力 0 1MPa 气压室成型 热压罐成型 通过热压罐内的压缩气体对真空袋中复合材料坯料进行加压 0 5 2 5MPa 接触成型 固化时不外加压力 如手糊成型 喷射成型 也成为低压成型 2 按成型压力大小分为 树脂传递模塑成型 RTM 利用压力使低粘度树脂在闭合模具内流动 浸润增强材料 注射成型压力0 1 0 6MPa 模压成型 通过加热使模压料塑化 并加压使树脂粘裹纤维一起流动充满模腔批量大 数量多及外形复杂的小产品 拉挤成型 将连续性增强材料经树脂浸润后 在牵引力作用下通过具有截面形状的成型模具 在模腔内固化成型或在模腔内凝胶出模后加热固化 3 按开 闭模方式分为 闭模成型 包括模压成型 树脂传递模塑 注射成型 增强反应注射成型 开模成型 包括手糊成型 喷射成型 真空袋成型 压力袋成型 热压罐成型 缠绕成型 拉挤成型 离心浇注成型 闭模 复合材料成型工艺的分类 了解工艺性的意义 确定最适宜的工艺参数 制定工艺规范 指导实际生产 控制生产过程 保证产品质量 创造和发现新的 先进的工艺方法 原材料与模具准备 成形固化 机加与装配 密封与喷漆 复合材料结构制造基本流程 检测 检测 其他缺陷固化不均匀夹杂脱粘 孔隙 固化变形 分层 常见的复合材料制造缺陷 设计要求可靠度0 99999若材料强度离散系数0 15设计许用值为平均强度34 分散性许用值减重效率 复合材料成型工艺的重要性 固化成型成本分解 制造成本分解 复合材料结构制造成本高 比重大 复合材料成型工艺的重要性 材料和制造 固化和装配 可靠性 低成本 成型工艺直接相关 制造是关键 结构效率 高性能化 产品合格率 性能稳定分散性小 成本效益 复合材料成型工艺的重要性 改善材料工艺性的途径 改进现有工艺方法 使其与材料已知的物理 化学 力学性能相适应 改善现有材料 使其具有与现行的工艺方法相适应的性能 挖掘材料的新性能 同时创造新工艺与新性能相适应 三条途径彼此不孤立 相互渗透 互相补充 评定材料工艺性的主要依据 产品质量 性能的波动程度 经济性 包括制件制造工艺过程中全部费用多少 工艺装备和设备的复杂昂贵程度 工艺路线长短 工人技术水平 能源消耗等 和必要材料耗费的多少 对人体的危害程度 具体材料在制件制造工艺过程中所表现出的工艺性 如热固性树脂的浸润性 粘结性 流动性 固化性 预浸料挥发物含量 含胶量 模压料收缩率 压缩比等等 工艺性指标及测定 热固性树脂工艺指标的测定与控制 为了利于纤维被树脂浸润 要求树脂有较低的初始粘度 如果室温下粘度过大 可采用提高树脂温度 加入溶剂或控制胶液粘度等措施调节 粘度计法针入度法浓度 比重法 测定 树脂粘度 液流粘度计法落球粘度计法旋转粘度计法 从配胶到粘度增至一定值而在工艺上失去使用价值的这一段时间 称树脂的使用期 也称适用期 树脂适用期 定义 测定 室温下测时间 粘度曲线确定树脂胶液的适用期通过测固化度 放热曲线等对凝胶点做出判断 从而确定树脂的适用期 意义 避免成型时因树脂凝胶 失去使用价值 而影响制件成型 树脂的放热曲线 硬度法丙酮溶剂萃取法DSC法 固化度的测定 三个特征温度点 即峰始温度Ti 峰顶温度Tp和峰终温度Tf DSC曲线分析 t 已固化树脂的比重 液 温度t C时的浸渍液比重 G 试样和金属丝在空气中的重量 克 g 金属丝在空气中的比重 G1 试样和金属丝在浸渍液中的重量 克 树脂比重的测定 通常在一定温度下用比重瓶称量试样的重量与同体积水的重量 其比值即树脂的比重 液体树脂 已固化树脂 根据阿基米德原理 树脂收缩率的测定 根据树脂固化前后的比重 可由下式计算树脂在固化过程中的收缩率 预浸料质量控制的关键指标决定了预浸料的使用期测定有三种方法 贴粘法 粘性 树脂含量 挥发分含量 空气灼烧法计算法溶剂法 沸腾分离法 抽提法 预浸料中适量的挥发分 可使树脂在成型时具有一定的流动性 挥发分含量太大 会在复合材料中形成很多孔隙 因而应严格控制和测定 单层试样于恒温箱中挥发的方法测挥发分含量 2 预浸料性能指标的测定 用以表征成型时树脂的流动性流动性小 树脂渗透纤维难 层间接触不良 流动性大 工艺不便 严重流胶 会使复合材料贫胶 适当的流动性 可以在成型时驱除层间空气 降低空隙率 保证树脂均匀性 提高复合材料层间剪切强度 将正方形预浸料正交铺层在一定温度压力下加热 以挤出树脂的重量百分数作为树脂流量 或用预浸料固化后的试样对角线方向增加的长度 mm 作为树脂流出量 树脂流出量 凝胶 微观上 聚合物分子链间的交联点迅速增加的现象 宏观上 胶液粘度开始迅速增大的现象 凝胶时间 在一定的温度条件下 树脂胶液从反应开始至凝胶的时间间隔 凝胶时间的测定直接法 将预浸料放在两块玻璃片间 施压 挤出树脂测定 以开始加压到树脂不再拉成丝作为凝胶时间 间接法 用溶剂抽提出预浸料中的树脂 蒸发掉溶剂 再测定 因需要去除溶剂 会容易使树脂部分固化 凝胶化时间与凝胶化温度的关系 高温区 温度变化对凝胶化时间影响不大 低温区 温度降低 凝胶化时间大大延长 凝胶时间 T固化 Tgg 仅有玻璃化作用Tgg T固化 Tg 有凝胶作用和玻璃化作用Tg T固化 仅有凝胶化作用 热固化体系的三T状态图 三类固化行为 3 复合材料工艺确定及固化过程的监测与监控 由自动扭辫分析仪测得一系列温度的等温时间 力学谱图 可绘制出上图 由该图可以确定凝胶时间 成型加压时间以及预浸带库存温度和复合材料后固化温度 燃烧法测树脂重量含量 基体的重量含量 W1坩埚重量 克 W2坩埚加试样总重量 克 W3灼烧后坩埚和余渣的总重量 克 4 复合材料基本指标确定 测定方法随复合材料中纤维及树脂的性质而异 有燃烧法 酸蚀法 比重法 显微镜法 工艺估算法 导电法及射线法 基体的体积含量 测定基体体积含量 有助于了解复合材料的强度和模量 酸蚀 浓酸消溶树脂 法 Vr树脂体积含量 Wc复合材料重量 Wf复合材料中纤维重量 c复合材料比重 f纤维比重 显微镜法 纤维的体积含量 N 给定面积S内的纤维根数S 给定面积Sf 纤维平均截面积 孔隙含量 孔隙含量是鉴定复合材料质量好坏的一个重要指标 孔隙含量高 抗疲劳能力低 对水的渗透和大气作用比较敏感 强度波动大 对层间剪切强度的影响尤为显著 吸水法 超声波C扫描法 射线照相法密度法 显微镜法 制品从热模中取出后 因冷却而引起尺寸缩小的现象称为收缩 收缩的表示 以标准试件的收缩尺寸与试件冷却后尺寸的比值表示 该值对设计模具有重要意义 两种表示法 收缩率 复合材料制品在成型固化过程中 增强材料不发生什么变化 树脂胶液由可溶性树脂变为不溶不熔树脂 即由线型结构变为立体网状结构 固化特性 研究制件在工艺过程中内在的能量变化与物质变化 如 固化过程中化学反应的规律 流动规律 粘度的变化规律 温度分布 压力的变化及其相互关系 固化工艺理论 固化过程 是指刚配完胶 树脂呈无定形的线型或带有支链型的分子结构 它的流动是整个分子的相对位移 流动的难易与分子的链长有关 固化过程的三个阶段 随时间变化 树脂由流动阶段向凝胶阶段转移 在凝胶阶段 分子量增大及分子间部分交联 表现为粘度增大 使树脂变为凝胶状态 由于反应放热 这个转变过程一旦开始 则进行的非常快 决定于树脂胶液的性质及组分 流动阶段 凝胶阶段 硬固阶段 此阶段是树脂的最后定型阶段 在这个阶段保持时间越长 树脂固化的越充分 物理机械性能越好 为促进这一过程加快 往往采用加温后处理 后处理温度高低决定于树脂性能 固化工艺参数 胶液的固化 除与树脂本身的结构 固化剂交联剂等其他组分有关外 外界条件对复合材料制品的质量也起到很重要的作用 即工艺参数的三要素 温度 压力 时间 温度 温度高低 升温速率 C 分 保温时间长短压力 压力大小 加压时机 保压时间 固化工艺参数是根据工艺理论得出的对外在过程的描述 固化工艺参数的研究就是根据复合材料各组分的本质与相互关系 找出复合材料最佳性能所需要的温度 压力和时间以及相互变化的制约关系 含义 研究手段 长期以来工艺参数的研究采用经验法 通过大量树脂基体体系的浇注料及制成复合材料试件的破坏性试验 根据性能统计数据决定工艺参数 这种方法一般效果不好 随着热分析技术以及计算机技术的发展 应用 大大推动 简化了工艺参数 且明显提高了质量的可靠性 固化工艺参数的确定 固化温度与保温时间 温度 压力的大小除与树脂胶液的工艺性如胶液的凝胶时间 固化反应速度 放热峰值温度等有关 还与制品的厚度 大小及性能要求 设备条件等其他因素有关 保持时间主要与材料的固化速度 制品形状和厚度有关 温度的影响更大 控温曲线 对于加热固化的树脂 通常固化温度分为五个阶段 图中实线部分 目的 使胶液在较低温度下进行凝胶 一般选取开始反应的温度范围或略高一些 厚制品导热慢 保温温度应偏低一点 薄制品略高 保温温度要根据配方特性和制品的厚度决定 保温时间长短取决于胶液在保温温度下 在制品中的凝胶时间 一旦凝胶便可继续升温 凝胶前瞬时加全压 中间保温阶段 预热阶段 目的是使制品内外均匀的升温 进一步使溶剂挥发 降低树脂粘度 以便对增强纤维再作深度浸渍 促进树脂流动 以使含胶量均匀 一般取从室温到开始显著反应的温度 反应不剧烈 因而升温速度较快 时间较短 压力为全压的1 3 1 2 降温要缓慢均匀 一般至50 C以下才允许脱模 防止制品变形和树脂开裂 目的 使树脂充分固化 保温温度取在放热峰和反应终了之间的范围内 保温时间取决于树脂配方的特性 制件厚度及性能要求 保温温度等 目的 使凝胶的树脂在压力下加快反应速度 升温速度对制品质量影响极大 要根据配方 厚度及质量要求等因素决定 升温速率降低 制品的强度提高 但升温速度太慢会影响生产效率 一般厚制品升温速率比薄制品慢 酚醛树脂基胶液比环氧 酚醛树脂胶液慢 升温阶段 最后保温阶段 冷却阶段 b 固化压力 压力的控制包括压力大小 加压时机 加压次数 这取决于树脂的特性 酚醛树脂的成型压力比环氧及不饱和聚酯树脂的成型压力大 干法成型的成型压力比湿法成型大 加压次数 加压大小与树脂胶液的初始粘度 制品厚度有关 有资料表明 16层环氧树脂基单向纤维层压板需0 34 0 59MPa 32层的需1 18 1 37MPa 64层的需1 37 3 43MPa 作用 使制品密实 防止气泡 分层 控制含胶量 大小 均匀程度 原则 加压曲线 将T t与P t绘图 以便更好的操作 加压时机 预加压 保证成型 使贴合模腔加全压 凝胶化转变点附近 与加压带宽度有关加压过早 凝胶流失 贫胶 加压过晚 制件疏松 富胶 压力大小 根据基体品种 有无低分子无析出 是否使用溶剂等 制件要求 密实性 厚度 及工艺方法 加压方式 来确定 复合材料的质量控制和检测 复合材料制品固化过程的内应力问题质量控制成型工艺过程中的问题 复合材料制品固化过程的内应力问题 制品的收缩问题 由于基体固化收缩 使制品在固化过程中产生内应力 引起产品变形 产生裂纹 降低寿命等 内应力的种类 收缩应力 热应力 结构内应力 胶液固化时的收缩所引起的内应力 纤维和基体的线膨胀系数不同及温度梯度引起的应力 指制品在成型过程中所形成的内应力 例 缠绕制品在成型过程中施加了工艺张力 使制品固化后 保留在制品中形成了结构内应力 2 内应力对制品性能的影响 收缩应力 固化时化学键交联 键长缩短 r1 基体线收缩系数基体收缩受拉 纤维受压 但基体承受拉力有限 超过极限时 产生裂纹 所以收缩率过大的胶粘剂 导致内聚破坏或界面破坏 因基体有松弛特性 基体收缩需要很长时间 可以用加热的方法加速制品内的应力松弛 使制品尺寸稳定 提高固化度 从而提高制品性能 r1 Er r1 影响 形成 后处理 热应力 影响 制品变形 出现微裂纹 界面脱粘等 缓和办法 r2 Er r2 r2 基体热应变 结构内应力 形成 主要是对纤维加有张力的成型方法有影响 采用冷却后脱模 否则 趁热脱模后的制品 由于失去了模具的限制 在热应力作用下变形随意性大 质量控制 低压成型制件的主要缺陷 2 制件缺陷的修补 3 影响产品质量的因素 气泡 分层 皱褶 变形 表面缺陷 凹坑 表面分层 注胶内部缺陷 加贴增强材料 纤维表面处理质量 基体浸润性与粘附性 基体含量及分布的均匀性工艺规程的执行及工艺条件的控制 准确性成型及固化过程产品的内应力 4 产品质量检验 5 辅助检验 外观质量检验 检验内容 外形 尺寸 表面质量 变形 皱褶检验方法 目测 量具 检验工装 夹具内部缺陷的检验 检验内容 气泡 分层检验方法 a 非破坏性 超声波 X ray 红外 微波b 破坏性 抽样破坏性试验物理机械性能检验 检验内容 热物理性能 介电性能 力学性能检验方法 平行试验件 抽样 选材 材料检验配胶 工艺条件检验工艺条件控制检验 成型工艺过程中的问题 环境和模具的的温度与湿度 2 表面发粘现象 温度 影响树脂体系粘度 使用等 影响固化 对室温固化体系而言 所以 环境温度与模具温度最好一致 湿度 水分有阻聚作用 影响固化 形成内部缺陷 空气 水分的阻聚作用仍有未挥发的低分子物固化不完全 3 制品内气泡多 基体粘度大选材不当 如玻璃布密度大溶剂分子未挥发完全铺层不紧密 如室温固化手糊成型 固化制度不当 如加压小或加压迟等 4 固化不完全 5 分层现象 树脂配方计算有误 或配制时工艺不当工艺过程吸水严重固化制度不当 纤维表面未处理树脂配方有误铺层不当 不紧 或加压过小 过迟贫胶固化度低 采用可低压成型的树脂配方 固化时不放出挥发性产物 或者单位时间内放出的挥发性副产物量较少 使填料预成型 即预先将浸渍填料配制成接近制品形状的坯料 或将填料预成型再浸渍胶液 这样成型时不需很大的相对流动 减小了材料内摩擦和材料与模具的摩擦力 也就节省了克服这些摩擦力的一部分压力 利用弹性介质 气体或液体 来传递压力 使压力垂直于制品表面 最大的发挥了加压作用 如后图示 纤维复合材料制品可采用低压成型的原因 复合材料制品成型方法的选择 产品的外形构造和尺寸大小