复合材料成型与设备.doc

第一章绪论FRP 纤维增强塑料Fiber reinforced plasticsFRTP 纤维增强热塑性塑料Thermoplastic SMC 片状模塑料Sheet molding compound DMC 团状模塑料Dough moulding compound BMC 块状模塑料Bulk molding compound RTM 树脂传递模塑Resin Transfer Molding RIM 反应注射模塑Reaction Injection MoldingRRIM 增强反应注射模塑Reinforced Reaction Injection Molding GMT 玻璃纤维增强热塑性片状模塑料Glass fiber reinforced thermoplastic sheet molding compound)AS AS树脂，丙烯腈苯乙烯共聚物Acrylonitrile styrene copolymer 1、复合材料的定义是什么？答：CM广义的定义：是指由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多相固体材料。 狭义定义：（通常研究的内容：）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。2、按照基体不同复合材料怎么分类？答：金属基复合材料、树脂基复合材料、非金属基复合材料。3、复合材料性能的主要决定因素有哪些？答：a、增强材的性能、含量及分布情况b、基体材料的性能及含量c、界面的结合情况4、复合材料的主要性能特点有哪些？答：1、轻质高强是CM最突出、重要的特点，也是研究最多的特点。可以用比强度（强度/密度），比弹性模量（弹性模量/密度）来定量描述。2、可设计性好是复合材料区别于传统材料的根本特点之一。3、工艺性能好复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活。 以上三点是复合材料通有的特性。具体到玻璃纤维增强树脂基复合材料，还具有以下特性：4、热性能好导热系数小，是金属材料1/1001/1000；特殊类型的玻璃钢可耐瞬时高温。5、耐腐蚀性能好可以耐酸、碱、盐的腐蚀、海水、微生物腐蚀，适合于制作化工管道、储罐、船舶等。6、电性能好a、电绝缘性能好，不受电磁作用；b、微波穿透性好；c、可制作成不带静电的制品。7、其它特点：耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。5、目前在生产上经常采用的成型方法有16种：答： 1、手糊成型湿法铺层成型2、夹层结构成型（手糊法、机械法）3、模压成型4、层压成型5、缠绕成型6、拉挤成型7、注射成型8、喷射成型9、真空袋压力成型第2章手糊成型1、手糊成型工艺的优缺点有哪些？答：手糊成型工艺的优点：1、不受尺寸、形状的限制；2、设备简单、投资少；3、工艺简单；4、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要5、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。手糊成型工艺的缺点 1、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差；2、产品性能稳定性差；3、产品力学性能较低。2、简述不饱和聚酯树脂的固化原理答：固化是通过引发剂引发聚酯分子中的双键，与可聚合的乙烯类单体(如苯乙烯)进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子交联成三维网状的体形大分子结构3、不饱和聚酯树脂固化有哪几步反应形式？链引发、链增长、链终止链引发：树脂被引发后，双键打开，形成“游离基”链增长：聚酯分子双键及乙烯类单体双键被引发后，就会进行链增长反应链终止：链终止反应就是指体系反应的终止过程。4、苯乙烯交联剂的优缺点是什么？优点：粘度低；与树脂有良好的共混性，能很好的溶解引发剂、促进剂；苯乙烯双键活泼，易于进行共聚反应；价格便宜，材料来源广。缺点：沸点较低（145），易挥发，有一定毒性，对人体有害。5、过氧化物引发剂的特性指标有哪几个、具体含义是什么？以活性氧含量；临界温度；半衰期来评价 活性氧含量表明可以产生自由基量的指标。 临界温度是过氧化物具有引发活性的最低温度。因此选择引发剂时应考虑固化工艺条件的允许温度，引发剂的”临界温度”应低于固化温度。 半衰期在给定条件下，引发剂分解一半所需时间，表明了引发剂的反应速度。6、什么是促进剂？常用的引发剂其临界温度均在60以上，说明单独使用有机过氧化物，不能满足不饱和聚酯树脂室温固化的要求。实践发现，在促进剂的存在下，有机过氧化物的“分解活化能”显著下降，可以使有机过氧化物的分解温度降到室温以下。7、手糊制品为什么要在表面覆盖聚酯薄膜？自由基与苯乙烯的反应速度比自由基与O2的反应速度慢104倍，一般聚酯树脂制品固化时，表面应覆盖聚酯薄膜。若不用薄膜覆盖，也应使成型表面形成与空气隔离的物质，否则自由基与周围空气中的O2、H2O反应，耗去大部分自由基，造成表面固化不完全而发粘。8、采用伯胺类固化剂时环氧树脂的固化机理是什么？第一步：伯胺与环氧基反应生成仲胺RNH2+CH2OCHRNH-CH2-CHOH第二步：仲胺与环氧基反应生成叔胺R-NH-CH2-CHOH+CH2OCHRN CH2-CHOHCH2-CHOH若采用多元胺则可反应形成网状结构，使树脂固化。特别树脂分子链上有多个环氧基时，更容易形成网状结构。9、改性伯胺固化剂的优点是什么？提高固化剂的分子量，减少挥发性，降低毒性。使分子中带有羟基，提高了固化反应活性。10、环氧树脂的活性稀释剂和非活性稀释剂？活性稀释剂：降低树脂粘度的同时，参与固化反应的稀释剂。改善工艺性能的同时也改善材料的性能。非活性稀释剂：只起降低树脂粘度的作用，不参与固化反应的稀释剂。树脂固化时部分逸出，部分残留在制品内。11、玻纤为何比同成分的玻璃抗拉强度高出几十倍？玻璃内部及表面均存在着较多的微裂纹，在外力的作用下，微裂纹处特别是表面微裂纹处，产生应力集中，首先破坏。玻纤高温成型时，减少了玻璃内部成分的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，因此纤维的强度提高。玻纤在成型过程中由于拉丝机的牵引力作用，使玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。12、玻璃纤维的电绝缘性主要取决于什么因素？在外电场的作用下，玻璃纤维内部的离子产生迁移时会导电，玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成。碱金属离子最容易迁移，因此玻璃纤维成分中碱金属离子越多，其电绝缘性越差。13、偶联剂的作用机理是什么偶联剂是一种改善玻纤的表面性质，即能与玻纤起化学反应形成化学键结合，又能与树脂起化学反应形成化学键结合的表面处理剂。14、什么叫前处理布？把表面处理剂就加入到“浸润剂”里（这种浸润剂称为增强型浸润剂），在拉丝时表面处理剂就被覆盖在了玻璃纤维上。这种纤维所制的布称为“前处理布”。15、玻璃钢模具制作的主要原材料有哪些？（1）胶衣树脂：应具有收缩率低、延伸率高、耐磨、耐热、硬度高等优良性能。（2）玻璃纤维表面毡和玻璃纤维短切毡。（3）中碱无捻方格布（4）不饱和聚酯树脂（5）无机填料16、玻璃钢模具采用表面毡的作用是什么？增强胶衣，防止表面微裂纹；形成富树脂层以提高模具光洁度和耐腐蚀性能；消除玻纤布在表面产生的痕迹。17、手糊成型工艺的脱模剂应具备什么特点？（1）不腐蚀模具，不影响固化，与树脂粘附力小；（2）成膜迅速、均匀、光滑；（3）使用简便、安全，价格便宜。18、什么是凝胶时间？指在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态凝胶所需的时间。一般采用引发剂、促进剂用量调节19、影响不饱和聚酯树脂凝胶时间的因素有哪些？引发剂、促进剂用量。引发剂、促进剂用量大，凝胶时间缩短；胶液体积的影响。胶液体积越大，热量不易散失，凝结快；环境温度、湿度的影响：气温越高，凝结越快；湿度越小，凝结越快制品表面积影响：制品表面积大，凝结快。20、胶衣裂纹产生的主要原因有哪些？胶衣层厚薄不均，厚部牵拉21、手糊制品表面发粘的原因及解决办法是什么？.空气湿度太大，水对树脂起阻聚作用。解决：制品表面覆盖薄膜隔绝空气；在树脂中加入0.02左右的液体石蜡；在树脂中掺加5的异腈酸酯.引发剂、促进剂的比例弄错或失效，更换引发剂、促进剂。22、喷射成型工艺中的内混合型和外混合型各有什么特点？23、RTM成型工艺特点是什么？a.设备投资少，用小吨位压机生产大型制品（相对模压）。b.制品双面光滑，尺寸稳定。c.可设计性好，可局部加强，甚至生产泡沫夹层结构。d.模具制作较方便（相对模压）。e.对树脂填料的适应性广。f.劳动强度低，生产效率高。g.产品后加工量少。h.环境污染小（闭模，单体苯乙烯挥发少）。第3章夹层结构1、何为夹层结构？夹层结构为什么具有刚度大的特点？由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的一种结构材料。可以在玻璃钢板用量不变的情况下，增加梁的高度，使刚度提高。材料的挠度与其厚度的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。2、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？（1）含胶量对性能的影响：含胶量高，蜂窝强度高，容重也大（2）玻纤布对性能的影响：厚度大，强度高，容重也大。（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。第4章模压1、何为模压？加热加压的作用？将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。2、简述短纤维模压料制备工艺流程。树脂调配玻璃纤维热处理切割蓬松混合撕松烘干模压料3、简述树脂溶液粘度对短纤维模压料质量的影响。降低胶液粘度有利于树脂对纤维浸渍，并可减少捏合过程的纤维强度损失。但是，粘度过低，在预混过程中会导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘结。4、什么是模压料的收缩性？由哪几种收缩组成？模压制品从模具脱出后尺寸减小的特性称模压料的收缩性。由制品的热收缩(可逆收缩)和结构收缩(化学收缩，不可逆收缩)组成。5、简述MgO、CaO对SMC的增稠机理。第一阶段：金属氧化物或氢氧化物与聚酯端基COOH进行酸碱反应，生成碱式盐。碱式盐之间或与聚酯之间进一步脱水使分子量成倍增加第二阶段：碱式盐与聚酯分子中的酯基(氧原子)以配位键形成络合物碱式盐之间或与聚酯之间进一步脱水使分子量成倍增加6、SMC低收缩添加剂的作用机理是什么？当SMC在模具中加热固化时，随体系的温度升高，树脂发生热膨胀，聚酯与苯乙烯开始发生聚合，相当于其在热塑性聚合物的内压力下进行固化，因而在未发生收缩前就被固定下来了。即热塑性树脂热膨胀力阻止了聚酯固化时的收缩。热塑性树脂固化稍迟，虽然聚合降温时也发生收缩，但是此时周围热固性树脂已经固化，故只能形成局部微孔收缩而不能形成整体收缩。7、简述模压成型的工艺流程。模具预热脱模剂涂刷料的称量料预热成预成型装模压制脱模后处理打底及辅助加工检验成品压制前准备压制模具预热脱模剂涂刷8、模压成型中的预压有什么优点？将模压料在室温下预先压成与制品相似的形状，然后再进行压制。预成型操作可缩短成型周期，提高生产效率及制品性能。9、模压成型常用的压机和模具分别有哪些?液压机工作原理： 只要两活塞的直径比足够大，就可在小活塞上作用很小的力，而在大活塞上得到很大压力。性能参数：(1)公称压力 液压机的最大总压力或称液压机的吨位，是表示机器压制能力的主要参数，一般用它表示机器规格。例如国产SY-250液压机即表示最大总压力为250t的塑料（S)液压机（Y)。(2)最大使用压力 工作压力，即液压机实际施加于模具的压力(3)最大回程力 液压机活动横梁在回程时所需要的力 ，一般为液压机吨位的20%50% 10、如何确定模压压力、温度和时间？模压温度：根据树脂的放热曲线来确定的，看其在什么温度下基本完成固化，此温度即模压温度。保温时间：目的是使制品完全固化，并消除内应力。后固化处理 ：一般制品脱模后在烘箱内进行后固化处理，目的是提高制品的固化反应程度。后固化温度不可过高，时间不可过长，以免制品热老化，使性能下降。成型压力:克服模压料的内摩擦及物料与模腔间的外摩擦，使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗力及压紧制品以保证精确的形状和尺寸。加压时机：对普通模压，加压过早，树脂反应程度低，分子量小，容易造成树脂与纤维离析；加压过晚，树脂反应程度过高，分子量急剧增大，粘度过大，流动性差，不易充满模腔。最佳加压时机应在树脂激烈反应(放出大量气体)之前 第6章层压成型工艺及设备1、何为层压工艺？是指将浸有或涂有树脂的片材层叠，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。2、层压胶布制备的工艺参数主要有哪些？主要有：胶液粘度、浸胶时间、烘干温度与时间、牵引张力。3、层压胶布的质量指标有哪些？4、简述层压胶布流动度的测定方法。5、简述卷管成型工艺原理第7章缠绕成型工艺1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？干法缠绕:将预浸纱带（或预浸布），在缠绕机上经加热至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。特点：制品质量稳定（含胶量、尺寸等）；缠绕速度快（100200m/min）; 劳动卫生条件好；预浸设备投资大。湿法缠绕:将无捻粗纱经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。 特点：不需要预浸渍设备，设备投资少；便于选材；纱片质量及张力需严格控制，固化时易产生气泡。 2、缠绕制品的优点是什么？（可实现机械化、自动化操作）。 （玻璃纤维用量可达80）; （比强度高的原因有四点 P160）; （3）生产效率高 （2）生产成本低 （1）比强度高 3、缠绕制品比强度高的原因是什么？1) 一般材料的表面缺陷是影响其强度的主要因素，表面积越大缺陷率越高，缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率。2) 缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中3) 缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构4) 缠绕成型可使纤维含量高达80%。4、什么是螺旋缠绕？芯模绕自轴匀速转动，导丝头以特定速度沿芯模轴线方向做往复运动5、写出平面缠绕速比的表达式并加以证明。平面缠绕: 导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转，导丝头转一周，芯模转动的微小角度近似一个纱片宽度，这种缠绕方法称为平面缠绕。 速比: 单位时间内芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比6、什么是“标准线”缠绕？螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维自芯模上某点开始（空间点），导丝头经过若干次往返运动后，又缠回到原来的起始点上（空间点）。这样在芯模上所完成的一次（不重复）布线称为“标准线”。完成一个标准线缠绕称为一个完整循环。7、在螺旋缠绕中什么是切点的“时序相邻”？什么是“位置相邻”？在极孔圆周上按时间顺序相继出现的两个切点称为时序相邻的两切点。 2）、两切点之间还可以加入其他切点，称此两切点位 置不相邻。 时序相邻的切点的位置只能有两种情况： 1）、两切点紧密排布，中间不能再加入其他切点，则 称为两切点“位置相邻”。 8、螺旋缠绕中，纤维均匀布满芯模的充要条件是什么？a、 一个完整循环的诸切点均布在极孔圆周上。b、位置相邻的两切点所对应的纱片在筒身段错开的距 离等于一个纱片宽度。9、芯模转角n的公式推导。10、缠绕机床头箱的输出轴有几根？其作用是什么？床头箱有三根输出轴:主轴连接芯模，驱动其运转；第二根轴连丝杠，带动小车运动，进行环向缠绕；第三根轴连主动链轮，带动小车，进行螺旋缠绕。11、什么是线性缠绕，什么是非线性缠绕？筒身段：芯模转速与小车速度保持线性关系（导丝头匀速运动），即转速比为常数。这类缠绕称为线性缠绕封头曲面：导丝头必须变速运动,（转速比必须变化）,才能保证缠绕轨迹是测地线，这类缠绕称非线性缠绕。12、缠绕工艺参数有哪些？缠绕工艺参数：1、纤维热处理：增强型浸润剂无捻纱，6080，24h；石蜡浸润剂型纤维， 350， 57h （除去纤维表面蜡类物质）。2、浸胶方式：两种 P185，胶含量控制： 20左右 胶液粘度： 0.351.0 Pa.S 缠绕张力的影响： P185187纱线速度应小于0.9 m/s 小车速度应小于0.75 m/s张力过小，制品强度偏低，容器充压时变形大，疲劳性能差；张力过大纤维磨损大，使纤维强度损失制品强度下降。张力大小应适中、均匀。缠绕张力定义：在纤维缠绕过程中，纤维所受的紧张力称为缠绕张力。缠绕张力制度：后上去的纤维对前面的纤维产生径向压力，内外层纤维压力差异，不能同时承载，大大降低制品强度和疲劳性能。工艺上采用逐层递减的张力制度，具体说控制后一层和前一层削减后的张力相同。第10章 热塑性复合材料1、热塑性聚合物（FRTP）具有哪些流动特征？2、聚合物熔体的端末效应、熔体破碎是什么？3、热塑性树脂的成型性能表现为哪几个方面？4、温度及冷却速度对聚合物成型过程中结晶的影响。5、什么是聚合物成型过程中的定向？产生定向后对聚合物的性能如何影响？第11章 挤出成型工艺及设备1、挤出成型工艺：挤出成型工艺是生产热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics 简称FRTP)制品的主要方法之一。 工艺过程：先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。 优点： 1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固性复合材料； 2、生产过程连续，自动化程度高； 3、工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品。 应用： 广泛用于生产各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。短纤维增强FRTP是将玻璃纤维或其它纤维(长0.2 一7mm)均匀地分布在热塑性树脂基体中的一种复合材料，其生产工艺一般都要经过造粒和成型两个过程。长纤维粒料生产的制品其力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品2、长纤维的造粒工艺；长纤维粒料是将玻璃纤维束包覆在树脂中间，纤维长度等于粒料长度。根据纤维在粒料断面的分布情况，分为三种形式:3、挤出机螺杆压缩段的功用；松散的粒料被压实、软化，同时把夹带的空气压回到加料口排出。至压缩段末端，全部物料已转变为粘流态。注：挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断面形状制品粒料从料斗进入到挤出机的机筒，在热压作用下发生物理变化，（非化学变化），并向前推进。由于滤板、机头和机筒的阻力，使粒料压实，排气；与此同时外部热源与和物料摩擦热使粒料受热塑化，变成熔融粘流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出，挤出过程中的压力和温度变化为料温/TfTg料温/MPa机头加料段压缩段均化段4、纤维质量对FRTP性能的影响(1)纤维直径对性能的影响 一般来讲，纤维直径越细，强度越高，但有时相差不大，可能是因为纤维细强度高，但同样含量纤维用在CM中，弱