复合材料成型工艺与特点

精品文档 1欢迎下载 第五章第五章 复合材料成型工艺与特点复合材料成型工艺与特点 5 15 1 手糊 喷射成型技术与特点手糊 喷射成型技术与特点 5 1 15 1 1 手糊成型技术与特点手糊成型技术与特点 1 手糊成型原理 手糊成型工艺是树脂基复合材料生产中最早使用和应用普遍的一种成型方法 它是指 将纤维浸渍树脂后手工地铺层在模具上 黏结在一起然后固化的成型工艺 手糊成型技术 很少受制品形状及大小的限制 模具费用低 对于那些品种多 生产量小的大型制品 手 糊成型技术是非常适合的 2 手糊成型工艺的原材料 手糊成型工艺所用的原材料包括 增强材料 树脂和辅助材料 1 增强材料 手糊成型对增强材料的要求 增强材料易于被树脂浸透 有足够的形变性 能满 足制品复杂形状的成型要求 气泡容易扣除 能够满足制品使用条件的物理和化学性 能要求 价格合理 尽可能便宜 来源丰富 用于接触成型的增强材料有玻璃纤维及其织物 碳纤维及其织物 芳纶纤维及其织物 等 其中常用的玻璃纤维增强材料有以下几种 无捻粗纱 无捻粗纱布 加捻布 短切玻 璃纤维毡 玻璃纤维织物 2 基体材料 手糊成型工艺对基体材料的要求 在手糊条件下易浸透纤维增强材料 易排除气泡 与纤维粘接力强 在室温条件下能凝胶 固化 而且要求收缩小 挥发物少 粘度适 宜 一般为 0 2 0 5Pa s 不能产生流胶现象 无毒或低毒 价格合理 来源有保 证 在手糊成型技术中 最常用的是不饱和聚酯树脂 其次是环氧树脂 酚醛树脂和呋喃 树脂 乙烯基树脂等也有少数应用 3 辅助材料 接触成型工艺中的辅助材料 主要是指填料和色料两类 而固化剂 稀释剂 增韧剂 精品文档 2欢迎下载 等 归属于树脂基体体系 3 模具及脱模剂 1 模具 模具是各种接触成型工艺中的主要设备 模具的好坏 直接影响产品的质量和成本 必须精心设计制造 设计模具时 必须综合考虑以下要求 满足产品设计的精度要求 模具尺寸精确 表面光滑 要有足够的强度和刚度 脱模方便 有足够的热稳定性 重量轻 材 料来源充分及造价低 模具材料应满足以下要求 能够满足制品的尺寸精度 外观质量及使用寿命要求 模具材料要有足够的强度和刚度 保证模具在使用过程中不易变形和损坏 不受树脂 侵蚀 不影响树脂固化 耐热性好 制品固化和加热固化时 模具不变形 容易制造 容易脱模 昼减轻模具重量 方便生产 价格便宜 材料容易获得 能用作手糊成型 模具的材料有 木材 金属 石膏 水泥 低熔点金属 硬质泡沫塑料及玻璃钢等 脱模剂基本要求 不腐蚀模具 不影响树脂固化 对树脂粘接力小于 0 01MPa 成膜时间短 厚度均匀 表面光滑 使用安全 无毒害作用 耐热 能以受加热固化 的温度作用 操作方便 价格便宜 手糊成型工艺的脱模剂主要有薄膜型脱模剂 液体脱模剂和油膏 蜡类脱模剂 4 手糊成型的工艺流程 1 生产准备 场地 手糊成型工作场地的大小 要根据产品大小和日产量决定 场地要求清洁 干 燥 通风良好 空气温度应保持在 15 35 之间 后加工整修段 要设有抽风除尘和喷水 装置 模具准备 准备工作包括清理 组装及涂脱模剂等 树脂胶液配制 配制时 要注意两个问题 防止胶液中混入气泡 配胶量不能过 多 每次配量要保证在树脂凝胶前用完 精品文档 3欢迎下载 增强材料准备 增强材料的种类和规格按设计要求选择 2 糊制与固化 铺层糊制 手工铺层糊制分湿法和干法两种 干法铺层 用预浸布为原料 先将预学 好料 布 按样板裁剪成坏料 铺层时加热软化 然后再一层一层地紧贴在模具上 并注 意排除层间气泡 使密实 此法多用于热压罐和袋压成型 湿法铺层 直接在模具上将增 强材料浸胶 一层一层地紧贴在模具上 扣除气泡 使之密实 一般手糊工艺多用此法铺 层 湿法铺层又分为胶衣层糊制和结构层糊制 固化 制品固化分硬化和熟化两个阶段 从凝胶到三角化一般要 24h 此时固化度达 50 70 巴柯尔硬性度为 15 可以脱模 脱后在自然环境条件下固化 1 2 周才能使制 品具有力学强度 称熟化 其固化度达 85 以上 加热可促进熟化过程 对聚酯玻璃钢 80 加热 3h 对环氧玻璃钢 后固化温度可控制在 150 以内 加热固化方法很多 中小 型制品可在固化炉内加热固化 大型制品可采用模内加热或红外线加热 3 脱模和修整 脱模 脱模要保证制品不受损伤 脱模方法有如下几种 顶出脱模 在模具上预埋顶 出装置 脱模时转动螺杆 将制品顶出 压力脱模 模具上留有压缩空气或水入口 脱模 时将压缩空气或水 0 2MPa 压入模具和制品之间 同时用木锤和橡胶锤敲打 使制品和 模具分离 大型制品 如船 脱模 可借助千斤顶 吊车和硬木楔等工具 复杂制品可 采用手工脱模方法 先在模具上糊制二三层玻璃钢 待其固化后从模具上剥离 然后再放在 模具上继续糊制到设计厚度 固化后很容易从模具上脱下来 修整 修整分两种 一种是尺寸修整 另一种缺陷修补 尺寸修整 成型后的制品 按设计尺寸切去超出多余部分 缺陷修补 包括穿孔修补 气泡 裂缝修补 破孔补强等 5 手糊成型工艺的优缺点 手糊成型工艺有以下优点 1 不需要复杂的设备 只需要简单的模具 工具 固定 投资少 见效快 比较适合我国乡镇企业的发展 2 生产技术易掌握 只需要经过短期 的培训即可进行生产 3 所制作的复合材料产品不受尺寸 形状限制 如大型游船 圆 屋顶 水槽等均可 4 可与其他材料 如金属 木材 泡沫等 同时复合成一体 5 对一些不宜运输的大型制品 如大罐 大型屋面 均可现场制作 精品文档 4欢迎下载 但是手糊成型也存在许多缺点 1 生产效率低 速度慢 生产周期长 对于批量大 的产品不太适合 2 产品质量不够稳定 由于操作人员的技能水平不同及制作环境条件 的影响 产品的质量稳定性较差 3 生产环境差 气味大 加工时粉尘多 故需从劳动 保护上加以解决 6 手糊成型的应用 由于手糊工艺设计自由 因此可根据产品的技术要求设计出理想的外观 造型及多种 多样的复合材料制品 手糊成型工艺制作的复合材料产品的用途比较广泛 主要有以下几 个方面 1 建筑制品 波形瓦 采光罩 风机 浴盆 组合式卫生间 冷却塔 活动房屋 玻璃钢大棚等 2 造船业 渔船 游船 游艇 交通艇 救生艇 灯塔 水中浮标 养殖船等 3 机械电器设备 机器罩 配电箱 医疗器械外罩 电池箱 开关盒等 4 体育游乐设备 赛艇 舢板 滑板 各种球杆 人造攀岩墙 冰车 风帆车 海 底游乐设备等 5 1 25 1 2 喷射成型技术与特点喷射成型技术与特点 喷射成型是利用喷枪将玻璃纤维及树脂同时喷到模具上而制得复合材料的工艺方法 具体作法是 加了引发剂的树脂和加了促进剂的树脂分别由喷枪上的两个喷嘴喷出 同时 切割器将连续玻璃纤维切割成短切纤维 由喷枪的第三个喷嘴均匀地喷到模具表面上 用 小辊压实 经固化而成制品 喷射成型也称半机械化手糊法 在国外 喷射成型的发展方向是代替手糊 喷射成型 的优点是 利用粗纱代替玻璃布 可降低材料费用 半机械操作 生产效率比手糊法高 2 4 倍 尤其对大型制品 这种优点更为突出 喷射成型无搭缝 制品整体性好 减少 飞边 裁屑和胶液剩余损耗 喷射成型的缺点是树脂含量高 制品强度低 现场粉尘大 工作 环境差 喷射成型机按喷射方式分类 可分为 1 高压型 用泵把树脂送入喷枪 借泵压进行 喷射 用空压机将树脂罐和固化剂罐加压 在该压力下 将树脂和固化剂压入喷枪进行喷 射 2 气动型 树脂 固化剂或它们的混合物借压缩空气喷出的力与空气雾化 喷出 按混合形式分类 可分为 1 内部混合型 在喷枪内部混入引发剂后进行喷射 2 外 精品文档 5欢迎下载 部混合型 分别含有促进剂和引发剂的树脂由喷枪喷出呈雾状相互混合 有单独喷射引发剂 和喷射含引发剂树脂的两种类型 3 已混合型 事先调配好含促进剂和引发剂的树脂 由 喷枪喷出 1 喷射成型工艺 在喷射成型开始以前 应该先检查树脂的凝胶时间 测定方法是将少量的树脂喷入小 罐中 测定其凝胶时间 还必须检查树脂对玻璃纤维的比例 一般树脂对玻璃纤维的比例在 2 5 比 1 到 3 5 比 1 之间 待胶衣树脂凝胶后 发软而不粘手 就可以开始喷射成型操作 如果没有胶衣树脂 应先在模具上喷一层树脂 然后开动切割器 开始喷射树脂和纤维的混合物 第一层应该 喷射得薄一些 约 1mm 厚 并且仔细滚压 首先用短的马海毛滚 然后用螺旋滚 以确保树 脂和固化剂混合均匀以及玻璃纤维被完全浸润 仔细操作 确保在这一层中没有气泡 而 且这一层必须完全润湿胶衣树脂 待这一层凝胶后再喷下一层 接下来的每一层约喷射 2mm 厚 如果太厚 则气泡难以除去 制品质量不能保证 每喷射一层都要仔细滚压除去 气泡 如此重复 直至达到设计厚度 要获得较高强度的制品 则必须与粗纱布并用 在使用粗纱布时 应先在模具上喷射 足够量的树脂 再铺上粗纱布 仔细滚压 这样有利于除去气泡 对大多数喷射设备 其 喷射速率一般是 2 10kg min 与手糊成型一样 最后一层可以使用表面毡 再涂上外涂层 固化 修整 后固化及 脱模等工序与手糊成型法相同 2 喷射成型常见的缺陷分析 1 浸渍不良 产生的原因及对策 若因树脂含量低所致 则可适当增加树脂含量 若因树脂黏度过大 所致 则应调节树脂黏度 若因树脂的触变度不够而造成树脂流失所致 则应选择有适宜 触变度的树脂 或加触变剂 若因粗纱质量不好 不易被树脂浸透所致 则应更换粗纱 因固化时间过短 在喷射操作中就凝胶 应调节树脂的凝胶时间 如减少促进剂量 加人 阻聚剂 调节环境温度 2 脱落 产生的原因及对策 若因树脂含量多所致 则应减少树脂喷出量 若因树脂的黏度 触 精品文档 6欢迎下载 变度低所致 则应提高树脂的黏度和触变度 若因喷枪与成型模面距离小所致 则应控制 喷射的距离和方向 若因粗纱的切割长度不合适所致 则应按制品的大小和形状 改变纤维 的切割长度 3 固化不足及固化不均 产生的原因及对策 若因各喷嘴的喷吐量不稳定 而造成配比失调 则要确定各喷嘴的 喷吐量 必要时作相应的调整 若因喷出的树脂不能形成适当的雾状 则应调整雾化 使 树脂呈雾状 若因树脂和短切粗纱喷射形状不一致 则模面与喷枪之间的距离及方向要保 持适当 若由于喷枪型号的原因 初始时喷出的固化剂量不足 则可用空吹法调节固化剂 达到一定喷出量后 再喷出树脂和纤维 若因空压机内混入冷凝水 则将空压机内的冷凝 水排放掉 并定期排放 4 粗纱切割不良 产生的原因及对策 若因切割刀片磨损所致 则应更换 一般应按刀片的材质 在使用 一定时间后主动更换 若是支持辊磨损所致 则应视磨损程度及时更换 若因粗纱根数太 多所致 则应减少粗纱根数 通常以切割 2 根粗纱为宜 若因切割器的空气压低所致 则 应提高空气压 增大空压机容量 5 空洞 气泡 产生的原因及对策 若是脱泡不充分所致 则应按操作规范仔细操作 若是树脂浸渍不 良所致 则应加些消泡剂 再次检查树脂和纤维的质量 若脱泡程度难以判断 可将模具 做成黑色 以便观察脱泡和浸渍情况 若是在凝胶前就送入高温的后固化炉所致 则应该 在室温下固化后再送入炉内固化 6 厚度不匀 产生的原因及对策 由于未掌握好喷射操作所致 则应通过训练以提高熟练程度 由 于脱泡操作不熟练所致 则应选用合适的脱泡工具 熟练掌握脱泡操作 若因纤维的切割 性不好所致 则应调整或更换切割器 若因纤维的分散性不好所致 则应检查粗纱的质量 7 白化及龟裂 产生的原因及对策 由于树脂的反应活性高 在短时间内固化 固化时发热量大 而引 起树脂和纤维的界面剥离 则应选择反应活性适宜的树脂 检查引发剂和促进剂的种类和 用量以及固化条件 由丁纤维表面附有妨碍树脂浸润的物质 如水 油 润滑脂等 所致 精品文档 7欢迎下载 则应作适当处理 平时要注意粗纱的保管和使用 若因一次喷射太厚所致 则可采用分次 喷射 边控制固化发热量边喷射 若是喷枪中各喷嘴的喷出量不匀所致 则应调整树脂的 喷出量 若是树脂中混有水所致 则应改善树脂的保管 操作方法 使用条件 空压机的 冷凝水管要经常放水 5 25 2 树脂传递模塑成型技术与特点树脂传递模塑成型技术与特点 随着复合材料应用领域的不断拓宽 复合材料工业得到迅速发展 成型技术日益完善 新的成型方法不断涌现 目前树脂基复合材料的成型技术主要有手糊成型 喷射成型 树 脂传递模塑成型 Resin Transfer Molding RTM 模压成型 注射成型 结构反应注射 成型 SRIM 真空袋成型 压力袋成型 高压釜成型 纤维缠绕法 拉挤成型法以及其它 成型方法 1 2 早期 复合材料部件的生产多采用手糊工艺 但手糊制品质量稳定性差 劳动强度大 不能满足工业化生产的要求 后来发展起来的喷射法 生产质量和效率有所提高 应用于 较大 简单形状部件的生产 20 世纪 60 年代 SMC 和 BMC 工艺的出现 为工业化生产大型 部件提供了可行性 在随后的 20 年里 SMC 和 BMC 技术迅速发展成熟 并得到了广泛应用 3 4 20 世纪 80 年代 由于市场需要的多样性 以 RTM 工艺为代表的先进液体模塑技术 迅速发展 这类技术属于高性能低成本制造技术 工艺方法灵活 能够一次成型带有夹芯 加筋 预埋的大型结构件 比其它任何工艺更具有竞争力 5 5 2 15 2 1 RTMRTM 树脂基体及增强材料树脂基体及增强材料 5 2 1 15 2 1 1 RTMRTM 树脂基体的要求树脂基体的要求 RTM 成型制品质量好坏 性能高低及工艺上的可操作性如何与 RTM 所选树脂有密切关系 因此 研究 RTM 适用的树脂基体便显得尤为重要 RTM 用树脂体系应满足 1 粘度低 浸润性好 便于树脂在模腔内顺利均匀地通过并浸渍纤维 2 固化放热峰低 以 100 180 为宜 3 活性高 凝胶时间和固化时间短 但在注射时又要有较长的适用期 4 树脂系统不含溶剂 固化时无低分子物析出 同时又适宜增加填料 尤其是树脂消 泡性要好 5 收缩率低 以保证制品尺寸准确 且所需的树脂应为预促进型 精品文档 8欢迎下载 RTM 使用的高性能树脂基体包括 不饱和聚酯树脂 乙烯基酯树脂 环氧树酯 双马 来酰亚胺树脂 热塑性树脂 目前主要为环氧树脂 5 2 1 25 2 1 2 RTMRTM 增强材料的要求增强材料的要求 在 RTM 工艺中 对增强材料的限制很小 玻璃纤维 包括 E 和 S 玻璃纤维 芳纶纤维 和碳纤维都可以使用 根据不同的要求 天然纤维和一些有机纤维 如聚醋纤维 也可在 RTM 中使用 有时也使用金属作结构的局部增强 在这种情况下应考虑使用环境条件对所 选择的金属的腐蚀和采用相应防护措施 增强体预制件可根据应用采用不同的工艺制备 RTM 成型对增强材料的要求是 1 增强材料的分布应符合制品结构设计的要求 要注意方向性 2 增强材料铺好后其位置和状态应固定 不动不应因合模和注射树脂而动 3 对树脂的浸润性要好 4 利于树脂的流动并能经受树脂的冲击 5 2 25 2 2 RTMRTM 成型工艺成型工艺 5 2 2 15 2 2 1 RTMRTM 成型工艺的原理成型工艺的原理 复合材料树脂传递模塑 Resin Transfer Molding RTM 法是从湿法铺层和注塑工艺 中演变而来的一种新的复合材料成型工艺 6 所谓树脂传递模塑 一般是指在闭合模腔中 预先铺覆好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体 包括螺栓 螺帽 聚氨酯泡沫塑 料等嵌件 夹紧后 从置于适当位置的注入孔在一定温度及压力下将配好的树脂注入模具 中 在室温或升温条件使之与增强材料一起固化 最后启模 脱模而得到成型制品 图 1 为 RTM 成型工艺示意图 精品文档 9欢迎下载 图 1 RTMRTM 成型工艺示意图 RTM 工艺通常包括以下四个步骤 一 从卷材上裁剪增强材料并铺叠在一起 二 使 增强材料具有一定的形状 按照制品的形状修剪预成型体 三 充模 包括预成型体的铺放 树脂的注射以及固化 四 脱模及加工 5 2 2 25 2 2 2 RTMRTM 成型工艺的优势成型工艺的优势 与手糊成型 喷射成型 缠绕成型 模压成型等传统工艺的纤维 树脂浸润过程相比 RTM 成型工艺的优势主要表现在 1 RTM 工艺分增强材料预成型体加工和树脂注射固化两个步骤 具有高度灵活性和组 合性 7 2 采用了与制品形状相近的增强材料预成型技术 纤维树脂的浸润一经完成即可固化 因此可用低粘度快速固化的树脂 并可对模具加热而进一步提高生产效率和产品质量 3 增强材料预成型体可以是短切毡 连续纤维毡 纤维布 无皱折织物 三维针织物 以及三维编织物 并可根据性能要求进行选择向增强 局部增强 混杂增强以及采用预埋 和夹芯结构 可充分发挥复合材料性能的可设计性 8 9 4 封闭模树脂注入方式可极大减少树脂有害成分对人体和环境的毒害 5 RTM 一般采用低压注射技术 注射压力 4kg cm2 有利于制备大尺寸 外形复杂 两面光洁的整体结构 及不需后处理制品 10 6 加工中仅需用树脂进行冷却 7 模具可根据生产规模的要求选择不同的材料 以降低成本 精品文档 10欢迎下载 5 2 2 35 2 2 3 RTMRTM 成型工艺存在的不足成型工艺存在的不足 目前 RTM 成型工艺其自身还存在一些问题 主要表现在 11 1 树脂对纤维的浸渍不够理想 制品里存在空隙率较高 干纤维的现象 2 制品的纤维含量较低 一般为 50 3 大面积 结构复杂的模具型腔内 模塑过程中树脂的流动不均衡 不能进行预测和 控制 对于制造大尺寸复合材料来说 模具成本高 脱模困难等 5 2 35 2 3 RTMRTM 成型工艺改进成型工艺改进 RTM 已经成为一种主要的复合材料低成本制造工艺 近些年获得了很大的发展 针对 传统 RTM 工艺制件纤维体积含量低 不能整体成型复杂构件等不足 衍生出很多新的 RTM 工艺 主要有柔性辅助 RTM 真空辅助 RTM SCRIMP 成型技术 共注射 RTM 技术等 5 2 3 15 2 3 1 柔性辅助柔性辅助 RTMRTM 此工艺主要用来制造空心结构 通过柔性模对预成型体的压实作用 制件的纤维体积 含量较传统 RTM 工艺得到了提高 由于构件套合在柔性模上 脱模更为容易 12 此工艺的原理为 在柔性模上铺放好干态的预成型体 置入刚性的阴模中 把树脂注 入模腔中并控制柔性模膨胀 或先使柔性模膨胀 然后注射树脂 固化成型 脱模 为了 控制柔性模的膨胀 可采取加热柔性模或向密闭的柔性模中充气的方法 前者可称为热膨 胀软模辅助 RTM 工艺 后者为气囊辅助 RTM 工艺 13 1 1 热膨胀软模辅助热膨胀软模辅助 RTMRTM 工艺工艺 将预成型体铺放在聚氨酯泡沫 硅橡胶等软质材料上 然后将其置入刚性阴模内 利 用软模材料与阴模材料热膨胀系数的差异 在模具加热过程中 软模受热膨胀 对预成型 体起到挤压作用 从而提高构件的致密性 该工艺由于能够以较低成本整体成型大尺寸复杂结构的复合材料构件 因此受到人们 的关注 如 Bender 等 14 利用热膨胀软模辅助 RTM 工艺成功成型了内部结构复杂的复合材 料舱段构件 通过静载性能研究表明 舱段整体力学性能优异 可满足航天主承力结构件 的使用要求 国内学者采用热膨胀成型工艺 一次性固化成型制成复合材料背架构件 其 工艺过程为先在钢质阴模内铺放预浸料 然后在模腔内放置膨胀芯模 模具组装后进行加 热固化 鞠金山 16 17 利用软模成型技术制备了高精度天线测量杆 芯模采用热膨胀硅橡 胶 将碳纤维单向布铺贴于热膨胀芯模上进行加热加压成型 最终成型制品为规则杆状构 精品文档 11欢迎下载 件 2 2 气囊辅助气囊辅助 RTMRTM 工艺工艺 气囊辅助 RTM 工艺是将预成型体铺放在密封的气囊上 置入模腔内 通过气囊充压压 实预成型体 使预成型体贴附在模腔内表面赋形 气囊辅助 RTM 工艺预成型体铺放方便快 捷 气囊压力容易控制 对预成型体压实效果显著 国外在该方面有较多的研究工作 U Lehmann 等 18 利用气囊辅助 RTM 工艺成型了某个空心构件 图 2 为其原理图 由 图可见 预成型体的外形与最终构件的外形并不一样 预成型体铺放在气囊上 置入模腔 后即充压使得预成型体贴附在模腔内壁上 空心构件的外形是靠模腔的内壁形状保证的 图2 气囊辅助RTMRTM工艺制造空心结构原理图 5 2 3 25 2 3 2 真空辅助真空辅助 RTMRTM 1 1 真空辅助真空辅助 RTMRTM 工艺原理工艺原理 真空辅助 RTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding 其基本方法是使用敞开 模具成型制品 19 这里所说的敞开模具 是相对传统的 RTM 的双层硬质闭合模具而 言的 VARTM 模具只有一层硬质模板 纤维 增强材料按规定的尺寸及厚度铺放在模板 上 用真空袋包覆 并密封四周 真空袋 采用尼龙或硅树脂制成 注射口设在模具 的一端 而出口则设在另一端 注射口与 RTM 喷枪相连 出口与真空泵相连 当模具 密封完好 确认无空气泄漏后 开动真空泵抽真空 达到一定真空度后 开始注入树脂 固化成型 2 2 真空辅助模塑工艺特点真空辅助模塑工艺特点 图 3 真空辅助模塑工艺工作原理 精品文档 12欢迎下载 与 RTM 相比 VARTM 的优点有 1 模腔内抽真空使压力减小 增加了使用更轻型模具 的可能性 从而使模具的使用寿命更长 可设计性更好 2 真空袋材料取代了在 RTM 中的 需相配对的金属模具 3 真空也可提高玻璃纤维与树脂的比率 使玻璃纤维的含量更高 增加制品的强度 20 4 无论增强材料是编织的还是非编织的 无论树脂类型及粘度如何 VARTM 都能大大改善模塑过程中纤维的浸润性 使树脂和纤维的结合界面更完美 提高制品 的质量 5 用 VARTM 工艺可使直径 38 11 mm 的致密预成型坯的纤维体积含量为 16 68 累计孔隙率为 1 7 而普通的预浸料的孔隙率为 5 7 21 虽然 VARTM 工艺以上的优点可提高制品的成品率和力学性能 但是 VARTM 的缺点是 与高压成型相比 纤维含量低 随着科学技术的发展和国内外各科研单位和生产厂家对真 空辅助 RTM 工艺的重视程度及认识程度不断加深 近十几年来 国内外许多学者对真空辅 助 RTM 成型工艺中缺陷的形成及消除进行了深入细致的研究 5 2 3 35 2 3 3 SCRIMPSCRIMP 成型技术成型技术 SCRIMP Seeman Composites Resin Infusion Molding Process 是一种比较新颖的 复合材料成型工艺 以既经济又安全的方法生产高品质的大型制品见长 近年来在国外有 关资料中时有报道 SCRIMP 成型技术是一种新型的真空辅助注射技术 VARTM 是一种低成 本制造技术 复合材料制造成本占总成本的 60 70 自 80 年代末开发出来 在航空 航 天 船舶 基础结构工程 交通 防御工程等应用领域得到了人们的普遍关注 经过多年 的发展 目前该工艺已由研究开发阶段逐步进入规模化的工程应用 22 23 1 1 SCRIMPSCRIMP 成型技术原理成型技术原理 SCRIMP 工艺同 RTM 类似 也是采用干织物或芯层材料作预成型 与 RTM 不同之处在于 它只需一半模具和一个弹性真空袋 事先将一层或几层纤维织物或芯层辅放在模具里面 真空袋一般采用尼龙或抗撕裂 延伸性能好的硅橡胶材料 在模具上形成封闭的腔 真空 袋上有一个或几个真空出口 模具上有一个或几个树脂注入口 树脂通过注入口注入到增 强材料中 在高真空度下 增强材料被压实同时吸入树脂 SCRIMP 的专利关键在于真空袋 下面的分散介质层 它是一种针织网状织物 含有互相交错的树脂分布通道 小于大气压 的压力通过弹性真空袋作用在铺层材料上 在树脂注入前将玻纤压实 降低空隙率 纤维 树脂重量比可达 70 30 在 Seeman 工艺中还有一可透过树脂的剥离层 铺在分散介质层和 制品之间 在制品固化成型后 剥离层连同多余的树脂一起揭掉 在靠近模具面 得到表 面效果理想的大型制品 SCRIMP 复合材料生产工艺步骤 1 单面模具表面涂脱模剂 2 铺放干织物和芯层 3 铺放分散介质层 4 用真空袋密封 5 注入树脂同时抽真空 6 室 温固化或放入烘房 精品文档 13欢迎下载 2 2 SCRIMPSCRIMP 成型技术特点成型技术特点 24 24 a SCRIMP 是一闭合式系统 操作人员同苯乙烯隔离并且也不需要接触其它有机材料 b 纤维层在高真空度下被压实 孔隙率极低 纤维与树脂重量比可达 70 30 又加上 有分散介质层的存在 使树脂快速而均匀地渗透到纤维层 控制手段比手糊更为严密 从 而使质品满足强度要求 重复性好 质量可靠 c 一般来说 SCRIMP 制品越大 经济性越可观 生产大型 RTM 制品 模具费用及注 射设备费用相当高 而同样尺寸的 SCRIMP 模具费用却与手糊相当 而且不需要注射设备 同时劳动力费用比手糊法降低 50 d 由于精心设置的树脂分配系统 使树脂胶液先迅速在长度方向上充分流动填充 然 后在真空压力驱动下在厚度方向缓慢浸润 改善了浸渍效果 减少了缺陷发生 5 2 3 45 2 3 4 共注射共注射 RTMRTM 技术技术 美国特拉华大学复合材料中心的 John W Gillespie Jr 等 25 人提出了一种改进型 的 RTM 工艺 共注射 RTM Co injection Resin Transfer Molding 简称 CIRTM 可 以让两种以上的树脂能同时注入模具中以浸渍纤维预成型体 用于制备多功能层复合材料 结构 1 1 共注射共注射 RTMRTM 工艺原理工艺原理 图 4 4 共注射 RTMRTM 成型工艺示意图 如上图 4 所示为共注射 RTM 制备一体化复合材料的工艺示意图 与普通 RTM 不同的是 共注射 RTM 工艺是由两套 RTM 注射系统分别将两种不同种类的树脂同时注入预先铺设好预 成型体并抽真空的模具中 26 可通过调节两套注射系统的注射压力来实现两种胶液在模 精品文档 14欢迎下载 腔中同步浸润各自不同的纤维增强体 充模完成后进行共固化操作 2 2 共注射共注射 RTMRTM 工艺特点工艺特点 共注射 RTM 在制备不同树脂体系的多层复合材料结构上具有显著优势 但是当两种树 脂注射条件和固化条件相差较大时 共注射及共固化条件的确定仍是难题 John W Gillespie Jr 的研究小组首先通过数值分析和有限元模拟的方法对共注射工艺过程中两种 树脂横向流动机理进行了研究 27 并且对树脂在浸渍过程中的横向流动进行了定量分析 研究结果表明 如果采用 CIRTM 工艺制备大尺寸构件或树脂的粘度相差很大时 两种功能 层预成型体之间应该需要一个完全不可渗透的隔层 5 2 45 2 4 影响影响 RTMRTM 成型工艺的因素成型工艺的因素 RTM 成功的关键是正确地分析 确定和控制工艺参数 主要工艺参数有注胶压力 注 胶温度 注胶速度等 这些参数是相互关联 相互影响的 5 2 4 15 2 4 1 注胶压力的影响注胶压力的影响 压力是影响 RTM 工艺过程的主要参数之一 28 压力的高低决定模具的材料要求和结 构设计 高的压力需要高强度 高刚度的模具和大的合模力 如果高的注胶压力与低的模 具刚度结合 制造出的制件就要超差 RTM 工艺希望的是在较低压力下完成树脂压注 为降低压力 可采取以下措施 降低 树脂粘度 适当的模具注胶口和排气口设计 适当的纤维排布设计 降低注胶速度 5 2 4 25 2 4 2 注胶速度的影响注胶速度的影响 注胶速度同样也是一个重要的工艺参数 注胶速度取决于树脂对纤维的润湿性和树脂 的表面张力及粘度 受树脂的活性期 压注设备的能力 模具刚度 制件的尺寸和纤维含 量的制约 人们希望获得高的注胶速度 以提高生产效率 从气泡排出的角度 也希望提 高树脂的流动速度 但不希望速度的提高会伴随压力的升高 另外 充模的快慢与 RTM 的质量影响也是不可忽略的重要因素 纤维与树脂的结合除 了需要用偶联剂预处理以加强树脂与纤维的化学结合力外 还需要有良好的树脂与纤维结 合紧密性 29 这通常与充模时树脂的微观流动有关 现在 有关研究人员用充模时的宏 观流动来预测允模时产生夹杂气泡 熔接痕甚至充不满模等缺陷 用微观流动来估计树脂 与纤维之间的浸渍和存在于微观纤维之间的微量气体的排除量 通常用电子显微镜才能检测 由于树脂对纤维的完全浸渍需要一定的时间和压力 较慢的充模压力和一定的充模反压有 助于改善 RTM 的微观流动状况 但是 充模时间增加降低了 RTM 的效率 所以 这一对矛 盾也是目前的研究热点 精品文档 15欢迎下载 5 2 4 35 2 4 3 注胶温度的影响注胶温度的影响 注胶温度取决于树脂体系的活性期和最小粘度的温度 在不至太大缩短树脂凝胶时间 的前提下 为了使树脂在最小的压力下使纤维获得充足的浸润 注胶温度应尽量接近最小 树脂粘度的温度 过高的温度会缩短树脂的工作期 过低的温度会使树脂粘度增大 而使 压力升高 也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力 较高的温度会使树脂表而张力降低 使纤 维床中的空气受热上升 因而有利于气泡的排出 5 2 55 2 5 RTMRTM 成型工艺的应用成型工艺的应用 目前RTM的应用已覆盖了建筑 交通 电讯 卫生 航空航天等各领域 5 2 5 15 2 5 1 航空航天领域航空航天领域 航空航天领域对树脂基复合材料的要求较高 如 耐热性高 力学性能优异 制件精度 高 性能分散性小 要达到如此高的要求用传统的成型工艺虽能实现 但制品的成本较高 生产效率低 而RTM技术制造高性能复合材料的方面具有明显的优越性 Dauglas公司在NASA ACT 美国国家航空与航天局咨询中心 合同的资助下 开展了使用 RTM制造机身与机翼结构的研究工作 制造出了1 2m 1 8m 并带有6根50mm高 6mm厚的增 强筋壁板 同时Douglas公可已用RTM 增强材料缝合物研制了大型运输机机身蒙皮 30 RTM的另一个重要的应用是制造高性能雷达罩 31 它具有结构均匀 致密 空隙率低 表面光滑 尺寸精度及准确度高的特点 从而为雷达罩具有优良的介电性能提供了可靠的 保证 航空工业总公司637研究所用RTM工艺已制成了几种战斗机雷达罩 主要有 歼 10战 斗机 米格 21战斗机 歼 8战斗机雷达罩等 5 2 5 25 2 5 2 汽车与卫生用品汽车与卫生用品 RTM工艺在汽车制造业中的应用是非常广泛 Tooling化学公司制造的汽车底盘保护板 丰田新4WD雪暴车的车顶和后侧部 每台采用了37kg的RTM成型件 大和运输的宅急便用厢式 货车的前箱盖 宽1 7m 约10kg 和头灯罩 3 5kg 北关工业使用CF AF混织布成型汽车用的 后稳定气翼和后支柱 卡车用导风板 日本的中国工业公司 整体成型安装用筋和凸台的汽 车用前档泥板 英国的Plaxton汽车厂 Excaliburh和Premiere两种新型汽车的下侧面板 前后盖以及储物箱门 都是用RTM工艺制造的 32 5 2 5 35 2 5 3 其他方面其他方面 RTM工艺制造的复合材料的应用覆盖了许多领域 美国Addax利用碳纤维和环氧树脂制 造了工业水冷却塔驱动轴的旋翼叶和CAT扫描仪底盘板 Poiycycle公司将环氧树脂用于与 精品文档 16欢迎下载 单向S 2G玻璃纤维复合的碳纤维编织管和芳纶纤维编织的套管 从而制成了0 56m的自行 车手柄 大荣产业的NTT的共用电话亭的屋顶 地下探查机机壳和蓄电池壳体 电杆上变压器的 壳体 三菱电机用VARI法成型微波中继补偿天线的开口直径3m的主反射镜 稚马哈发动机 公司成型了高尔夫手推车车体 20kg 采用加热电铸模具的快速成型法 一件的周期为 30min 北关工业使用CF AF混织布成型的风力发电Wells涡轮叶片 5 2 65 2 6 前景展望前景展望 近些年来RTM技术得到长足发展 TRM技术主要涉及材料学 流体力学 化学流变学 计算机仿真模拟及实时监控技术等诸多交叉学科 是当前国际复合材料最活跃的研究领域 之一 纵观国内外RTM的研究发展动态 RTM技术的研究方向主要包括 低粘度高性能树脂体 系的制备及其化学动力学和流变特性 纤维预成型体的制备及渗透特性 成型过程的计算 机仿真模拟技术 成型过程的在线监控 模具的优化设计 33 新型工艺设备的开发等 5 35 3 缠绕成型技术与特点缠绕成型技术与特点 缠绕成型是在控制纤维张力和预定线型的条件下 将连续的纤维粗纱或布带浸渍树脂 胶液后连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上 然后在室温或加热的条件下使 之固化成型制成一定形状制品的方法 缠绕成型工艺 缠绕的工艺过程一般包括芯模和内衬的制造 树脂胶液的配制 纤维热处理和烘干 浸胶 胶纱烘干 在一定张力下进行缠绕 固化 检验 加工成制品等工序 影响缠绕制品性能的主要工艺参数有纤维的浸胶 胶液含量及分布 胶纱烘干 缠绕 张力 纱片缠绕位置 固化制度 缠绕速度 环境温度等 这些因素多半紧密地联系在一 起 合理的选择工艺参数是充分发挥原料的特性 制造高质量的缠绕制品的重要环节 纤维浸胶 含胶量高低直接关系到制品的重量和厚度 含胶量过高 制品的强度降低 成型和固化时流胶严重 含胶量过低 制品孔隙率增加 气密性 耐老化性 剪切强度均 下降 缠绕张力 张力的大小 各纤维束之间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均 匀性 对制品的质量影响极大 合适的缠绕张力可以使树脂产生预应力 从而提高树脂抵 抗开裂的能力 各纤维束之间如果张力不匀 当承受载荷时 纤维会被各个击破 使总体 强度的发挥大受影响 为使制品各缠绕层在张力作用下不出现内松外紧现象 应使缠绕张 精品文档 17欢迎下载 力有规律的递减 以保证各层都有相同的初始应力 缠绕张力将直接影响制品的密实程度 和空隙率 且对纤维浸渍质量和制品的含胶量影响很大 缠绕速度 缠绕速度是指纱线速度应控制在一定的范围之内 速度过小则生产效率低 速度过快则树脂容易溅洒 胶液浸不透或杂质易吸入 固化制度 固化制度是指保证树脂充分固化的重要条件 直接影响制品的物理力学性 能 固化制度包括加热的温度范围 升温速度 恒温温度及时间 降温冷却等 要根据制 品的不同性能要求采用不同的固化制度 且不同的树脂系统 固化制度也不相同 一般都 要根据树脂的配方 制品性能要求以及制品的形状 尺寸及构造情况 通过实验来确定合 理的固化制度 根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同 分为干法缠绕 湿法缠绕和半干 法缠绕三种 1 干法缠绕 干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带 在缠绕机上经加热软 化至粘流态后缠绕到芯模上 由于预浸纱 或带 是专业生产 能严格控制树脂含量 精 确到 2 以内 和预浸纱质量 因此 干法缠绕能够准确地控制产品质量 干法缠绕工艺的 最大特点是生产效率高 缠绕速度可达 100 200m min 缠绕机清洁 劳动卫生条件好 产品质量高 其缺点是缠绕设备贵 需要增加预浸纱制造设备 故投资较大此外 干法缠 绕制品的层间剪切强度较低 2 湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束 纱式带 浸胶后 在张力控制下直接缠绕到 芯模上 湿法缠绕的优点为 成本比干法缠绕低 40 产品气密性好 因为缠绕张力 使多余的树脂胶液将气泡挤出 并填满空隙 纤维排列平行度好 湿法缠绕时 纤维 上的树脂胶液 可减少纤维磨损 生产效率高 达 200m min 湿法缠绕的缺点为 树脂浪费大 操作环境差 含胶量及成品质量不易控制 可供湿法缠绕的树脂品种较 少 3 半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后 到缠绕至芯模的途中 增加一套烘干设 备 将浸胶纱中的溶剂除去 与干法相比 省却了预浸胶工序和设备 与湿法相比 可使 制品中的气泡含量降低 三种缠绕方法中 以湿法缠绕应用最为普遍 干法缠绕仅用于高性能 高精度的尖端 技术领域 精品文档 18欢迎下载 缠绕成型的优缺点 纤维缠绕成型制品除了具有一般复合材料制品的优点之外 还有其他成型工艺所没有 的特点 1 比强度高 缠绕成型玻璃纤维增强复合材料的比强度比刚高三倍 比钛高四倍 这是由于缠绕制品所采用的增强材料是连续玻璃纤维 其拉伸强度很高 甚至高于合金钢 同时纤维的直径很细 因此使得连续纤维表面上的微裂纹的尺寸和数量较少 从而减少了 应力集中 使得连续纤维具有较高的强度 此外 连续纤维特别是无捻粗纱 3 由于没有经 过纺织工序 其强度损失大大减少 2 避免了布纹交织点与短切纤维末端的应力集中 复合材料顺纤维方向的拉伸强度 的大小主要由纤维的含量和纤维的强度来决定的 在复合材料制品中 增强纤维是主要的 承载物 而树脂是支撑和保护纤维 并在纤维间起着分布和传递载荷的作用 据实验测得 在玻璃纤维两端产生的拉应力为零 向纤维内部则逐渐增加 应力曲线平滑连续 就纤维 与树脂之间的剪切应力而言 纤维的两端最大 中间区域为零 因此 采用短切纤维做增 强材料的复合材料制品强度 均低于纤维缠绕成型复合材料制品 3 可使产品实现等强度结构 纤维缠绕成型可使产品结构在不同方向的强度比最佳 也就是说 在纤维缠绕结构的任何方向上 均可使设计的制品的材料强度与该制品材料实 际承受的强度基本一致 使产品实现等强度结构 目前 缠绕成型工艺是各种复合材料成型方法中机械化和自动化程度较高的一种 该 工艺采用的增强材料大多是连续纤维 无捻粗纱和无纬带材料 减少了纤维布 毡等的 纺织及加工费用 因此相对降低了复合材料的成本 但是缠绕成型存在以下缺点 1 在缠绕特别是湿法缠绕过程中易形成气泡 造成制品内空隙过多 从而会降低层 间剪切强度并降低压缩强度和抗失稳能力 因此 要求在生产过程中 尽量采用活性较强 的稀释剂 控制胶液黏度 改善纤维的浸润性及适当增大纤维张力等措施 以便减少气孔 和空隙率 2 缠绕复合材料制品开孔周围应力集中程度高 作为一个缠绕制品 为了连接配件 而开口进行的切割 钻孔或开槽等都会降低缠绕结构的强度 因此 这就要求设计合理 制品完全固化后尽量避免切割 钻孔等破坏性的加工 精品文档 19欢迎下载 3 缠绕过程中纤维的张力控制要适度 纱带宽及搭接尺寸要严格控制 且必须排布 均匀 否则会造成复合材料制品中纤维的初始应力不匀 内外松紧不等 产品强度受到影 响 4 制品形状有局限性 缠绕制品多为圆柱体 球体及某些正曲率回旋体 如管 罐 椭圆运输罐等 1 原材料 缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料 树脂和填料 1 增强材料 缠绕成型用的增强材料 主要是各种纤维纱 如无碱玻璃纤维纱 中 碱玻璃纤维纱 碳纤维纱 高强玻璃纤维纱 芳纶纤维纱及表面毡等 2 树脂基体 树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系 缠绕制品的耐热性 耐 化学腐蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能 同时对工艺性 力学性能也有很大影响 缠绕成型常用树脂主要是不饱和聚酯树脂 也有时用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂等 对 于一般民用制品如管 罐等 多采用不饱和聚酯树脂 对力学性能的压缩强度和层间剪切 强度要求高的缠绕制品 则可选用环氧树脂 航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿 性能好的双马来酰亚胺树脂 3 填料 填料种类很多 加入后能改善树脂基体的某些功能 如提高耐磨性 增加 阻燃性和降低收缩率等 在胶液中加入空心玻璃微珠 可提高制品的刚性 减小密度降低 成本等 在生产大口径地埋管道时 常加入 30 石英砂 借以提高产品的刚性和降低成本 为了提高填料和树脂之间的粘接强度 填料要保证清洁和表面活性处理 2 芯模 成型中空制品的内模称芯模 一般情况下 缠绕制品固化后 芯模要从制品内脱出 芯模设计的基本要求 要有足够的强度和刚度 能够承受制品成型加工过程中施加于芯模 的各种载荷 如自重 制品重 缠绕张力 固化应力 二次加工时的切削力等 能满足 制品形状和尺寸精度要求 如形状尺寸 同心度 椭圆度 锥度 脱模 表面光洁度和平 整度等 保证产品固化后 能顺利从制品中脱出 制造简单 造价便宜 取材方便 芯模材料 缠绕成型芯模材料分两类 熔 溶性材料和组装式材料 熔 溶性材料是指 石蜡 水溶性聚乙烯醇型砂 低熔点金属等 这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模 精品文档 20欢迎下载 制品缠绕成型后 从开口处通入热水或高压蒸汽 使其溶 熔 从制品中流出 流出的溶 体 冷却后重复使用 组装式芯模材料常用的有铝 钢 夹层结构 木材及石膏等 另外 还有内衬材料 内衬材料是制品的组成部分 固化后不从制品中取出 内衬材料的作用主 要是防腐和密封 当然也可以起到芯模作用 属于这类材料的有橡胶 塑料 不锈钢和铝 合金等 3 缠绕机 缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备 对缠绕机的要求是 能够实现制品设计的 缠绕规律和排纱准确 操作简便 生产效率高 设备成本低 缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成 为了消除绕丝嘴反向运动时纤维 松线 保持张力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确 实现小缠绕角 0 15 缠绕 在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给 伸臂 机构 为防止绕丝嘴反向运动 时纱带转拧 伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构 我国 60 年代研制成功链条式缠绕机 70 年代引进德国 WE 250 数控缠绕机 改进后实 现国产化生产 80 年代后我国引进了各种型式缠绕机 40 多台 经过改进后 自己设计制 造成功微机控制缠绕机 并进入国际市场 机械式缠绕机类型 1 绕臂式平面缠绕机 其特点是绕臂 装有绕丝嘴 围绕芯模做均匀旋转运动 芯 模绕自身轴线作均匀慢速转动 绕臂 即绕丝嘴 每转一周 芯模转过一个小角度 此小 角度对应缠绕容器上一个纱片宽度 保证纱片在芯模上一个紧挨一个地布满容器表面 芯 模快速旋转时 绕丝嘴沿垂直地面方向缓慢地上下移动 此时可实现环向缠绕 使用这种 缠绕机的优点是 芯模受力均匀 机构运行平稳 排线均匀 适用于干法缠绕中小型短粗 筒形容器 2 滚翻式缠绕机 这种缠绕机的芯模由两个摇支承 缠绕时芯模自身轴旋转 两臂 同步旋转使芯模翻滚一周 芯模自转一个与纱片宽相适应的角度 而纤维纱由固定的伸臂 供给 实现平面缠绕 环向缠绕由附加装置来实现 由于滚翻动作机构不宜过大 故此类 缠绕机只适用于小型制品 且使用不广泛 精品文档 21欢迎下载 3 卧式缠绕机 这种缠绕机是由链条带动小车 绕丝嘴 作往复运动 并在封头端 有瞬时停歇 芯模绕自身轴作等速旋转 调整两者速度可以实现平面缠绕 环向缠绕和螺 旋缠绕 这种缠绕机构造简单 用途广泛 适宜于缠绕细长的管和容器 4 轨道式缠绕机 轨道式缠绕机分立式和卧式两种 纱团 胶槽和绕丝嘴均装在小 车上 当小车沿环形轨道绕芯模一周时 芯模自身转动一个纱片宽度 芯模轴线和水平面 的夹角为平面缠绕角 从而形成平面缠绕型 调整芯模和小车的速度可以实现环向缠绕 和螺旋缠绕 轨道式缠绕机适合于生产大型制品 5 行星式缠绕机 芯轴和水平面倾斜成 角 即缠绕角 缠绕成型时 芯模作自 转和公转两个运动 绕丝嘴固定不动 调整芯模自转和公转速度可以完成平面缠绕 环向 缠绕和螺旋缠绕 芯模公转是主运动 自转为进给运动 这种缠绕机适合于生产小型制品 6 球形缠绕机 球形缠绕机有 4 个运动轴 球形缠绕机的