复合材料工艺及设备最新

1、 复合材料成型工艺及设备0.复合材料设计概述0.1 复合材料的结构设计0.1.1 概述1、复合材料结构设计过程o 复合材料的结构设计是选用不同材料综合各种设计（如层合板设计、典型结构件设计、连接设计等）的反复过程。o 在设计过程中必须考虑的主要因素有：o 结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。o 大致分为三个步骤：1）明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材料层合板的设计等。3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如衍梁、刚架、硬壳式结构等

2、）的设计。o 在上述材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度和刚度。复合材料结构设计系统流程图性能要求载荷情况环境条件形状限制原材料选择铺层性能确定应力与变形分析失效分析层合板设计典型构件设计结构设计2、复合材料结构设计条件o 结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出性能要求，搞清载荷情况、环境条件以及受几何形状和尺寸大小的限制等。1）结构性能要求1.结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；2.提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形状和尺寸有一定的限制；3.隔绝外界的环境状态而保护内部物体。o 结构性能与结构质量有密切关系。减轻重

3、量可提高效率、减少应力腐蚀、提高效益。o 此外，对于某些结构物，在结构性能上还须满足一些特殊的性能要求。2）载荷情况o 结构承载分为静载荷和动载荷。o 静载荷是指缓慢地由零增加到某一定值后就保持不变或变动的不显著的载荷。o 此时构件的质量加速度及其响应的惯性力可以忽略不计。例如，固定结构物的自重载荷一般为静载荷。o 动载荷是指使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由此产生的惯性力的载荷。o 在动载荷作用下，构件内所产生的应力称为动应力。o 动载荷又可分为瞬时作用载荷、冲击载荷和交变载荷。 不同载荷下的设计要求 1.在静载荷作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力，即具有足够的强度和刚度

4、. 2.在冲击载荷作用下应使结构具有足够抵抗冲击载荷的能力.3.在交变载荷作用下的结构疲劳问题较为突出。应按疲劳强度和疲劳寿命来设计结构。3）环境条件o 在结构设计中，应明确结构的使用目的，要求完成的使命，而且还要明确它在保管、包装、运输等整个使用期间的环境条件，以及这些过程的时间和往返次数等，以确保在这些环境条件下结构的正常使用。1.力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；2.物理条件：压力、温度、湿度等；3.气象条件：风雨、冰雪、日光等；4.大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。o 前两个条件主要影响结构的强度和刚度，是与材料的力学性能有关的条件；后两个条件主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等，

5、是与材料的理化性能有关的条件。o 要注意积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。4）结构的可靠性和经济性o 结构的可靠性是指结构在规定的使用寿命内，在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现预期的性能时结构正常工作的能力，这种能力用一种概率来度量，称为结构的可靠度。o 由于结构破坏主要为静载荷破坏和疲劳断裂破坏，所以结构可靠性分析的主要方面也分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。o 结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。o 一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，o 而维修成本是随可靠性增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。0.1.2 材料设计o

6、 材料设计是指选用几种原材料组合制成具有所有要求性能的材料的过程。o 材料设计包括原材料的选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计。1、原材料的选择1）原料选择的原则1.比强度大、比刚度高.2.材料与结构的使用环境相适应, 通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅值不大于10%。3.满足结构特殊性能要求.4.满足工艺要求，包括预浸料工艺、固化成型工艺、机加工装配工艺和修补工艺四个方面。5.成本低、效率高，成本包括初期成本和维修成本，初期成本包括材料成本和制造成本。2）纤维选择o 选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性能价格比选取的。选择纤维时首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的

7、品种规格。1.若要求有良好的透波、吸波性能，可选用E或S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维等。2.若要求高刚度，可选用高模量的碳纤维或硼纤维。3.若要求有高的抗冲击性能，可选用玻璃纤维、开芙拉纤维。4.若要求有很好的低温工作性能，可选用低温下不脆化的碳纤维。5.若要求尺寸不随温度变化,可选用开芙拉纤维或碳纤维,可设计成零膨胀的复合材料.6.若要求既有较大强度又有较大刚度，可选用碳纤维或硼纤维。7.还可由多种纤维混合构成混杂复合材料。3) 树脂的选择o 目前可供选择的树脂主要有两类：热固性树脂和热塑性树脂。o 用的最多的是热固性树脂，尤其是环氧树脂和聚酯树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度较低，

8、只能在-40-130范围内长期工作，某些可以短期内达到150，由其构成的复合材料基本上能满足结构材料的要求，工艺性能好，成本低。o 需耐高温时可用聚酰亚胺，可在200-259长期工作，短期可达350-409。o 玻璃纤维复合材料基体一般选用不饱和聚酯树脂和环氧树脂；o 开芙拉复合材料基体一般选用环氧树脂；o 内部装饰件采用酚醛树脂，因它具有良好的耐火性、自熄性、低烟性和低毒性。o 树脂选择的要求：1.要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作。2.要求基体材料具有一定的力学性能。3.要求基体的断裂延伸率大于或者接近纤维的断裂延伸率。4.要求基体材料具有满足使用要求的理化性能。主要指吸湿性、耐介

9、质、耐候性、阻燃性、低烟性和低毒性。5.要求具有一定的工艺性。主要指黏性、凝胶时间、挥发份含量、预浸带的保存期和工艺期、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。2、单层性能的确定o 单层性能不容易由所组成的材料性能来简单推定。o 设计的初步阶段，通常是利用力学分析方法推得的预测公式确定的，在最终设计阶段，需用试验的方法直接测定。3、复合材料层合板设计o 复合材料的层合板设计，是根据单层的性能确定层合板中各铺层的取向、铺设顺序、各定向层相对于总层数的百分比和总层数（或总厚度）。o 又称为铺层设计。1）层合板设计的一般原则1.铺层定向原则：由于层合板铺层取向过多会造成设计工作的复杂化，目前多选择

10、0o，45o，90o和45o四种方向。2.均衡对称铺设原则：除特殊需要外，一般均设计成均衡对称层合板，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲等变形。3.铺层取向按承载选取原则.4.铺层最小比例原则：为避免基体承载，减少湿热应力，使复合材料与其相连接的金属泊松比相协调，以减少连接诱导应力，对于0o，90o和45o铺层，其任一方向铺层的最小比例应大于6%10%。5.铺层顺序原则:尽量使各定向层沿板厚度均匀分布；不同铺向层尽量隔开。6.冲击载荷区设计原则：冲击载荷区层合板应有足够多的0度层，以承受局部冲击载荷；也要有一定量的45度层以使载荷扩散；需要时还需局部加强以确保足够强度。7.防边缘分层破

11、坏设计原则：沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分层破坏。8.抗局部屈曲设计原则：对于有可能形成局部屈曲的区域，将45o铺层尽量铺设在层合板的表面，可以提高局部屈曲强度。9.连接区设计原则：沿载荷方向的铺层比例应大于30%，以保证足够的挤压强度；与载荷方向成45o铺层比例应大于40%，以增加剪切强度，同时有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。10.变厚度设计原则：变厚度零件的铺层阶差、各层台阶设计宽度应相等，其台阶宽度应等于或大于2.5mm。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖。o 各定向层百分比和总层数的确定，也即各定向层层数的确定，是根据对层合板设计的要求综合考虑确定的。0.1.3 结构设计

12、1、结构设计的一般原则1）复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。2）按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。3）复合材料失效准则只适用于复合材料单层。在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡-胡失效准则，且正则化，相互作用系数未规定时也采用-0.5。4）没有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值，有要求的选取B基准值。 2、结构设计时应考虑的工艺性要求3、许用值和安全系数的确定4、结构设计时应考虑的其他因素o 除了要考虑强度和刚度、稳定性、连接接头设计外，还应考虑应力、防腐

13、蚀、防雷击、抗冲击等。0.2 复合材料界面优化设计o 复合材料界面优化设计对复合材料界面进行设计和控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。o 这也是目前复合材料界面研究的重要课题。需要考虑以下主要问题：o 1 复合材料界面应该起到传递应力、粘接与脱粘的双重功能。粘接强度应当处于一个适宜的状态。o 2 界面相的模量如果大于基体和增强体是很不利的，因为承受载荷时，高模量的界面首先破坏，不仅起不到传递应力的作用，还会造成裂纹源。同时高模量的脆性界面对外来的冲击也有较高的敏感性，易造成脆性破坏。o 3 复合材料界面设计中，不应忽视界面残余应力的问题。应考虑好如何减弱界面残余应力及利用残余应力的问题。

14、o 4 另外，还应注意提高界面相容性，保证充分地接触。这也是复合的先决条件，需要优先考虑。o 对于聚合物基复合材料，化学粘接是在部分活性界面区产生的，其余很大部分的区域仍以其他方式结合。因此，应首先考虑的是相间浸润的特性.再考虑化学特性。o 对于金属基复合材料，往往形成脆性界面层或产生界面上某元素的富集，对此，可以从增强体的表面处理或借助基体合金元素的选择来考虑。1 复合材料成型工艺概述o 1.1 复合材料工艺发展概况o 1.1.1国外发展概况o 1.1.2 我国复合材料工艺发展概况o 1.4 选择成型工艺的原则o 选择合适的成型工艺方法，是组织生产时的首要问题。复合材料生产时，经常是材料的制

15、备和产品成型同时完成，因此成型工艺的选择尤为重要.o 选择成型工艺的原则如下：o 1 要考虑满足材料性能和产品质量要求，如内在性能和表面质量等。o 2 要考虑产品的形状和尺寸，选择合适的工艺。o 3 考虑满足生产批量大小及供应时间的要求。o 4 根据现有的设备及资金状况选择合适工艺。o 5 保证效益，符合环保要求，减少劳动强度。2 手糊 喷射及模塑成型工艺o 手糊成型工艺又称接触成型工艺。是用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型、室温或加热、无压或低压条件下固化，然后脱模成制品的成型工艺.其基本工艺流程如下图示：模具准备胶液配制增强体准备涂脱模剂 手糊成型固化脱模后处理检验出品o 手糊成型是

16、复合材料最早的一种成型方法，也是目前一种基本的成型方法，手糊成型具有以下优缺点：o 优点：1 不受产品尺寸和形状限制，适宜大尺寸、 小批量、形状复杂的制品生产；o 2 设备简单，投资少；o 3 工艺简便；o 4 易于满足产品设计要求，可局部增强；o 5 树脂含量高，耐腐蚀性好。o 缺点：1 效率低，劳动强度大，卫生条件差；o 2 产品质量不易控制，性能稳定性不高；o 3 产品力学性能较低。2.1 原材料选择o 合理选择原材料时满足产品设计要求，保证产品质量，降低成本的重要前提。o 原材料的选择必须满足以下基本要求：o 1 产品设计的性能要求；o 2 成型工艺的要求；o 3 价格便宜，材料容易获

17、得；o 4 环保要求。o 2.1.1 聚合物基体的选择o 手糊成型的树脂基体应满足以下要求：o 1 能在室温下凝胶、固化，固化过程中无低分子物产生；o 2 能配制成黏度适当的胶液，适宜于手糊成型的胶液黏度为0.2-0.5Pa·S ；o 3 无毒或低毒；o 4 价格便宜，保证供应。o 目前手糊成型所用树脂主要是不饱和聚酯树脂，其次是环氧树脂，在航空结构制件上可以使用湿热性能和断裂韧性优良的双鸟来酰亚胺树脂，以及耐高温、耐辐射并具有良好电性能的聚酰亚胺树脂等，但它们需要在较高压力和温度下固化成型。o 不同成型工艺对树脂性能的要求有所不同，参见下表：o 2.1.1.1 不饱和聚酯树脂o 是

18、玻璃纤维增强塑料中应用最普遍、用量最大的一类树脂。主要特性如下：o 优点： 1 固化快，常温固化，无挥发性副产物； 2 黏度低，浸渍性好； 3 可用多种手段实现固化，如引发剂、紫外线 等； 4 可低压成型； 5 机械与电性能优良； 6 耐药品性好； 7 能赋予耐候、耐热、阻燃、触变等特性 8 可着色、透明； 9 可实现兼具保护与涂装的作用.o 缺点： 1 空气中氧阻碍固化；o 2 固化收缩大；o 3 固化收缩可能导致裂纹；o 4 固化易受温度和湿度影响；o 5 通用聚酯有可燃性；o 6 硫磺、酚类化合物或碳混入时固化困难o 7 特殊金属或化合物对固化影响较大。o 聚酯树脂按用途可分为通用型和专

19、用型两类。o 通用型固化后性能可适用于一般用途要求；o 专用型有耐腐蚀聚酯、阻燃聚酯、低收缩聚酯、耐候性聚酯等。o 2.1.1.2 环氧树脂o 受力结构、耐碱等制品多用环氧树脂作基体。主要有双酚A 型和脂环族环氧树脂两类。特性如下:o 优点： 1 粘接力强；o 2 固化收缩小（1%-4%），尺寸稳定；o 3 绝缘性、耐腐蚀性尤其是耐碱性好；o 4 机械强度高；o 5 树脂保存期长，可制作预浸渍制品。o 缺点： 1 价格高；o 2 黏度大（双酚A 型），不适于喷射成型o 3 固化时间较长，完全固化需要加热；o 4 固化剂毒性较大。o 手糊成型选用双酚A 型低分子质量环氧树脂；o 脂环族环氧树脂结

20、构紧密，耐热性和耐紫外性较好；o 溴化环氧有自熄性，但黏度大，不适于手糊工艺，需加入稀释或与其他环氧树脂混用，加入三水合氧化铝有抑烟效果，再配合使用三氧化二锑可达到离火即熄的效果。 2.1.1.3 辅助材料o 1）稀释剂 可调节黏度，同时也增加填料用量。o 分为活性与非活性两类.o 非活性稀释剂不参与固化反应，加入量为环氧树脂质量的5%-15%，在固化时大部分逸出，增大了固化收缩，降低了力学性能和热变形温度；o 活性稀释剂参与固化反应，对固化后的性能影响小，但一般有毒，须慎用。o 2）填料 可降低成本，改善树脂性能（如低收缩、自熄性、耐磨性、触变性等）。o 3）色料 一般使用无机颜料，有机颜料

21、会使色泽变化。 2.1.2 增强材料选择 2.2 手糊成型模具与脱模剂o 合理设计制造和使用模具是保证产品质量和降低成本的关键之一。 2.2.2 模具结构与材料 2.2.1.1 模具结构o 分为单模和对模。单模又分为阳模和阴模。各有特点，根据需要确定。 2.2.1.2 模具材料o 1）玻璃钢：应用普遍，制造方便，精度较高，寿命长，适于加热加压，制品表面质量好，可作复杂形状.o 2）木材：成本低，易加工，不耐久，吸湿，不耐热，适于小批量.o 3）石膏：造价低，易成型，不耐用，吸湿，适于小批量或形状复杂制品.o 4）石蜡： 可回收，强度低，易变形，适于量少复杂形状制品.o 5）金属：不易变形，精度

22、高，寿命长，制造周期长，成本高，适于大批量高精度制品。 2.2.2 模具设计要则 2.2.2.1 设计要点o 1）根据制品数量、形状尺寸、精度要求、脱模难易、 成型工艺条件等确定模具的材料和结构；o 2）模具应有足够的强度和刚度；o 3）模具型面光洁度应比制品表面光洁度高出2级上；o 4) 模具拐角处曲率半径应尽量加大；o 5）整体式模具应设计气孔，或扒模斜度；o 6）分模面不要开在表面质量要求高或受力大的部位；o 7）有一定的耐热性，热变形小；o 8) 质量轻，材料易得，造价便宜。 2.2.2.2 设计程序o 1）准备o 分析原始资料，包括产品图纸、工艺资料及工厂实际条件。全面掌握产品功用、

23、技术要求、成型方法、设备特性、材料规格等。o 2）设计内容o 1 选定原材料及制造方法；o 2 确定模具结构及脱模方法；o 3 编制模具制造工艺技术规程；o 4 绘制模具图纸。 2.2.3 玻璃钢高级模具o 玻璃钢高级模具是指用玻璃钢制作的，可获得“镜面”效果的，高光泽度、高平整度的模具。 2.2.3.1 要求o 1）有足够强度和刚度；o 2）表面胶衣有一定硬度和耐热性；o 3）外形尺寸准确、表面平顺、无气泡和针孔；o 4）表面光泽度为80-90光泽单位，或目测有清晰镜面反光；o 5）表面残留划痕度小于0.1m 。 2.2.3.2 材料1）胶衣树脂 应具有收缩率低、延伸率高、耐磨耐热等性能。o

24、 最理想的是专用模具胶衣树脂。o 使用环氧树脂加填料也比较好，调料可加入高硬度瓷粉或石英粉。2）玻璃纤维毡 表面毡、短切毡等。 2.2.3.3 制造工艺 1）过度模（母模）制造o 材料主要有两类：o 一是砖砌外敷石膏；二是木制。o 制造过程须经造型和加工两大步。 2）玻璃钢模具翻制o 胶衣层制作糊制 3）表面处理o 粗磨精磨研磨抛光 4）质量检验o 用电光光泽计测量，测试角度45度，要求光泽度达到90以上。 2.2.4 脱模剂o 为使制品与模具分离而附于模具成型面的物质称为脱模剂。 对脱模剂的要求o 1) 不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小；o 2） 成膜时间短，均匀、光滑；o 3）操

25、作简便，使用安全，价格便宜；o 4）使用温度应高于固化温度。 2.2.4.1 薄膜型脱模剂 o 主要有聚酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、玻璃纸等。o 聚酯薄膜用量较大。o 聚酯薄膜：制得的制品平整光滑，但价格高，不能做曲面复杂的产品。o 聚乙烯醇薄膜：柔韧性好，用于不规则形状制品。o 玻璃纸：强度稍低于聚酯薄膜，也能获得光洁的制品。 2.2.4.2 混合溶液型脱模剂 o 聚乙烯醇应用最多。o 它是采用低聚合度聚乙烯醇与水、酒精按一定比例配制的粘性透明液体。 o 特点是：1.使用方便，成膜光亮；2.脱模性好，容易清洗；3.无腐蚀，无毒；4.配制简单，价格低；5.缺点是湿度大时成膜时间长。 2.2.4.3

26、蜡型脱模剂 o 蜡型脱模剂应用最广泛，目前有专门生产的。o 特点： 1.使用方便； 2.省工省时省料； 3.脱模效果好； 4.成本低； 5.使用温度在80以下。 2.3 手糊工艺过程 2.3.1 原材料准备 2.3.1.1 胶液准备o 应根据产品使用要求确定树脂种类并配制胶液。o 胶液的工艺性主要是指黏度和凝胶时间。1）胶液黏度过高不易涂刷和浸透；过低易流失。 手糊树脂黏度控制在0.2-0.8PaS 之间。 *可加入稀释剂调节黏度。2）凝胶时间是指在一定温度条件下，树脂中加入引发剂、促进剂、固化剂等，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间。 *手糊结束后树脂应能及时凝胶。o 凝胶时

27、间短，不易浸透，导致局部固化；o 凝胶时间过长，增长了生产周期，导致胶液流失，交联剂挥发，造成制品局部贫胶或不能完全固化。o 胶液凝胶时间不等于制品凝胶时间， 影响制品凝胶时间的因素1）基体和固化剂种类和用量；2）胶液体积：体积越大，热量不易散失，凝胶时间越短；3）环境温度与湿度 ： 气温越高，湿度越小，凝胶时间越短；4）制品厚度与表面积：制品较薄，表面积很大，凝胶时间则较长；5）交联剂蒸发损失：导致凝胶时间增长，固化不完全；6）添加剂：硫、碳等抑制聚合反应，凝胶时间增长；7）填料加入量：一般是加入量增大则延长凝胶时间。 胶液配制配制方法：1.按配方比例先将引发剂和树脂混合均匀；2.操作前再加

28、入促进剂搅拌均匀。 2.3.1.2 增强材料的准备o 手糊成型所用的增强材料主要是玻璃布或毡，为提高与基体的粘结力，需要进行表面处理。包括热处理或化学处理。o 布的下料可按样板裁剪，注意考虑制品设计的要求。 2.3.1.3 胶衣糊准备o 胶衣树脂种类很多，应根据使用条件进行选择。 2.3.1.4 制品厚度和层数计算1）制品厚度计算手糊工艺制品厚度可用下式计算： t = m×k 式中：t-制品（铺层）厚度，mm； m-材料单位面积质量，kg/m2 ; k-厚度常数，mm/(kg·m-2)。2）铺层层数计算:n=t/(mfkf+ mfckr)式中：mf-纤维单位面积质量， kg

29、/m2 ; kf-纤维厚度常数， mm/(kg·m-2)； kr-基体厚度常数， mm/(kg·m-2)； c-树脂与增强材料质量比。 2.3.2 糊制 2.3.2.1 表面层o 涂刷胶衣一般为两遍，必须等第一遍胶衣基本固化后，方能刷第二遍，两遍涂刷方向垂直。o 第二层胶衣开始凝胶时，应立即铺放一层表面毡。o 胶衣层全部凝胶后，即可开始手糊作业。 2.3.2.2 铺层控制o 糊制时应注意进行合理的铺层控制，以保证制品质量。o 铺层锥度z=t/s,z=1/100时，强度与模量最高。*对于大表面制品，在铺糊最外一层表面上覆盖玻璃纸或聚氯乙烯薄膜，使制品表面与空气隔绝，从而避免氧

30、对树脂的阻聚作用。 2.3.3 固化 2.3.3.1 不饱和聚酯树脂的固化o 手糊成型大多是室温固化，应选择活化能和临界温度较低的引发剂，并注意引发剂的用量要适当. 不饱和聚酯树脂固化分为三个阶段： 凝胶-定型（硬化）-熟化（完全固化） 2.3.3.2 不饱和聚酯树脂固化工艺控制o 一般通过调控固化剂含量、固化温度及固化时间来控制固化程度。o 手糊产品常采用室温固化，环境温度应保证15以上，湿度不高于80%.o 制品凝胶后，需要固化到一定程度才能脱模。o 脱模后继续在高于15 下固化或处理.一般在成型24小时后可达到脱模强度，脱模后放置一周左右即可使用。但要达到最高强度，则需要较长时间。一年后

31、才稳定.o 室温固化后，为使制品更充分固化，提高性能，提高生产率，可以进行加热处理，聚酯树脂型在50-80，环氧树脂型在150.应注意的是，在加热固化之前，应将制品在室温下放置24小时。 2.3.4 手糊工艺质量控制 2.3.4.1 影响手糊制品质量的主要因素1.组分质量；2.成型工艺；3.辅助加工。 2.3.4.2 质量控制o 首先是保证产品设计、模具设计、原材料选择、结构设计、工艺设计等必须合理。在此前提下，产品质量控制包括以下三大方面：1） 原材料质量控制：包括基体、添加剂、增强材料的质量控制。2）成型工艺质量控制：包括设备控制、供需检查、施工操作控制等。3）成品质量检验：包括表观质量和

32、性能的检测。o 手糊成型易产生的缺陷有三类：1.胶衣缺陷（起皱、龟裂、变色）；2.制品皱缩；3.翘曲变形. 2.4. 喷射成型 2.4.1 概述o 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。待到一定厚度时用辊滚压，使浸透并去除气泡，最后固化成制品。玻纤粗纱树脂引发剂促进剂加热混合切割喷枪喷射成型模具辊压固化脱模o 喷射成型的优点：1）生产效率较手糊高2-4倍；2）可用较少设备实现中批量生产；3）用无捻粗纱代替织物，成本降低；4）产品整体性好，无接缝；5）可自由调变产品壁

33、厚及纤维树脂比。o 喷射成型的缺点：1）现场污染大，操作环境差；2）制品强度较低。o 喷射成型按动力形式和混合方式不同可以有不同的成型工艺。 2.4.2 喷射成型工艺控制 喷射工艺参数及要求1）纤维 一般选用前处理的专用无捻粗纱。制品纤维含量控制在28%-33%.纤维长度一般为25mm-50mm.2）树脂含量 约为60%左右。3）胶液黏度 控制使之既易于喷射、浸渍、排气，又不易流失。在0.3-0.8PaS.4）喷射量 保持胶液喷射量与纤维切割量的比例适宜且稳定。5）喷枪夹角与操作距离 夹角对树脂与引发剂在枪外混合均匀度影响极大。选用20度为宜。操作距离350-400mm.6）喷雾压力 要能保证

34、两组分与树脂均匀混合。 2.4.3 喷射成型制品缺陷及防治o 要根据缺陷情况采取适宜的工艺调节手段加以防治。 2.5 树脂传递模塑与反应注射模塑 2.5.1 树脂传递模塑（Resin Transfer Molding)o 简称RTM.是一种闭模成型工艺方法，基本工艺过程为：将液态热固性树脂（通常为不饱和聚酯树脂）及固化剂，由计量设备分别从桶内抽出，经静态混合器均匀混合，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，固化、脱模、加工成制品。 2.5.1.1 RTM原材料1）树脂系统要求1.黏度低，一般在250-300PaS.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5-3

35、0min.固化时间为凝胶时间的2倍.o 使用最广的是通用型不饱和聚酯树脂，其价格低、常温下固化快；o 环氧树脂性能更高，但价格也较高；o 乙烯基酯树脂介于以上两种之间。2）增强材料o 选择原则：1 铺覆性好；2 质量均匀性好；3 容积压缩系数大；4 耐冲刷性好；5 对树脂流动阻力小；6 机械强度高。o 一般以玻璃纤维为主,含量为25%-40%(质量比）.o 常用有毡、布等，连续表面毡应用最多。o 3）填料o 加入填料可以降低成本，吸收固化放热，赋予新的性能。o 常用的填料有碳酸钙、氢氧化铝、云母、粘土、玻璃微珠等。o 填料用量一般为树脂用量的20%-40%（质量比）. 2.5.1.2 RTM的

36、特点和基本性能1）RTM 特点1 主要设备投资少，用低吨位压机能生产较大制品；2 制品可以两面光滑、尺寸稳定、容易组合。3 制品可带有加强筋、镶嵌件和附着物，结构设计和制备灵活；4 模具制备时间短，投产快；5 对树脂和填料的应用性广泛；6 生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少；7 产品后加工量少；8 闭模成型单体挥发少、污染少。2）RTM制品的基本性能o 其性能与其它方法成型的制品性能基本一致，并可根据用户的要求在一定范围内调节。2.6.2 反应注射模塑与增强型反应注射模塑o 反应注射模塑 (Reaction Injection Molding ）简称RIM。o 增强型反应注射模塑是在其前面加

37、上Reinforced则为RRIM。o RIM是利用高压冲击，混合两种单体物料，工艺中既控制反应温度，又控制物料的注射率，是在模具内直接成型制品的较为先进的注射模塑工艺.o 物料中不含增强材料或填料，若含则是增强型反应注射模塑（RRIM）.o RIM与RRIM的树脂可以使用聚氨酯、聚酯、环氧、尼龙等，用的较多的是聚氨酯。 o 增强材料可以使用磨碎纤维、短切纤维、玻璃微珠等。o RIM的特点1）生产设备费用低，投资少；2）设计自由；3）压力低（0.35-0.7MPa），制品无模压应力；4）制品里镶嵌件工艺简便；5）模内物料流动性好；6）能耗低；7）可以加工大型部件。o RRIM的特点1）模具费用

38、低，生产成本低；2）制品在模内发热少；3）制品收缩率低；4）制品表面性能好，表面硬度高；5）耐热性好；6）尺寸稳定性好；7）抗压强度高；8）耐化学侵蚀性好。 3 模压成型工艺 3.1 概述o 模压工艺是将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，固化成型制品的一种方法。o 在成型中，需要加热和加压，使模压料塑化、流动充满模腔，并使树脂发生固化反应。o 需要高压可控的液压机，也需要高强度、高精度、耐高温的金属模具。o 模压成型工艺最早出现于20世纪初。是目前主流的机械成型工艺。模压成型工艺的分类o 1.纤维料模压 预混（预浸）纤维料模压o 2.织物模压 预织形状织物浸渍后模压o 3

39、.层压模压 预浸布叠层后模压o 4.碎布料模压 预浸布碎块模压o 5.缠绕模压 预浸纤维或布缠绕后模压o 6.SMC模压 SMC片材模压o 7.预成型坯模压 短纤制成预成型坯后装模，注入 树脂，再模压o 8.定向铺设模压 单向预浸料定向铺设后模压o 模压成型工艺的优点：1）生产效率高；2）制品尺寸准确；3）表面光洁；4）复杂结构的制品可以一次成型；5）外观及尺寸重复性好；6）容易实现机械化、自动化。o 模压成型工艺的缺点：1）模具设计制造复杂；2）压机及模具投资高；3）制品尺寸受设备限制。 3.2 模压料o 应用最广泛的是高强度短纤维模压料。 3.2.1 原料o 短纤维模压料的基本组分为：短纤

40、维增强材料、树脂基体和辅助材料。o 基体中应用最广泛的是酚醛树脂和环氧树脂。o 短纤维中多为玻璃纤维、高硅氧纤维，也使用碳纤维、尼龙纤维以及混杂纤维。纤维长度多为3050mm.含量为50%60%（质量比）. o 辅助材料是为了使模压料具有良好的工艺性和满足制品特殊性能要求而加入的。如阻燃剂、稳定剂等. 3.2.2 短纤维模压料的制备与质量控制o 短纤维模压料呈散乱状态，优点是模压时流动性好，适宜制造形状复杂的小型产品。o 缺点是制备过程中纤维强度损失较大；比容大，模压时装模困难 ，劳动条件欠佳。玻纤热处理切割混合撕松烘干模压料树脂调配 3.2.2.1 短纤维模压料制备 机械预混法步骤o 1.玻

41、璃纤维在180干燥处理40min-60min;o 2.将烘干后纤维切成30mm-50mm长度并使之疏松;o 3.按配方配制树脂胶液; o 4.按比例将胶液与纤维混合;o 5.加入撕松机撕松;o 6.撕松后均匀铺放在网格上晾置;o 7.在80 烘干20min-30min;o 8.烘干后的预混料装入塑料袋封闭待用.捏合机结构示意图撕松机结构示意图 3.2.2.2 短纤维模压料的质量控制o 模压料的质量指标有三项：1.树脂含量2.挥发物含量3.不溶性树脂含量o 这些指标对模压工艺和产品质量有极大影响，应严格控制。o 机械法镁酚醛/玻璃纤维模压料质量指标：1.树脂含量：40 % -50%2.挥发物含量

42、：2%-3.5%3.不溶性树脂含量：5%-10% 短纤维模压料工艺控制要点1.树脂溶液黏度：要适当。降低黏度有利于浸透和减少纤维强度损失。但黏度过低会导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘附。 通常用密度作为黏度的控制指标。2.纤维长度：过长易导致纤维相互缠绕产生料团. 长度控制在20-50mm。3.浸渍时间：确保均匀浸透的情况下尽可能缩短时间。4.烘干条件：温度和时间是控制挥发物含量与不溶性树脂含量的主要因素。此外还应注意料层的厚度和均匀性。5.其他：合理的设备设计和使用也是影响模压料质量的重要因素。 3.2.3 模压料的工艺性及其影响因素o 模压料的工艺性主要为模压料的流动性、收缩率和压缩性。

43、3.2.3.1 流动性及其影响因素o 在确定模压工艺条件和模具设计中必须充分注意模压料的流动性。 流动性的工艺意义：1.流动性好，则可选定较低的成型温度和压力，也比较容易压制复杂制品； 流动性差，则必须相应提高温度和压力，成型也难。2.但流动性过大容易导致合模时溢料和离析。模压料流动性的影响因素：1）温度：对于热固性聚合物，加热一方面使黏度降低，另一方面促进交联反应，使黏度增大。在模压工艺中物料充满模腔的适宜温度，应该在黏度最低点附近区域而又不引起迅速交联反应的温度。2）压力增大，黏度下降，流动性增加。3）高聚物结构对流动性有影响，分子质量越大，链段越多，黏度越大。4）模压料质量指标与组分对流

44、动性有重大影响。含胶量或可溶性树脂含量大，则流动性大。挥发分含量过高，易使树脂流失，流动性下降。5）模压料增强材料的形态、含量对流动性有影响.6）模压工艺制度和模具对流动性有影响。要求有合理的制度和良好的模具。 3.2.3.2 收缩性o 模压制品从模具中脱出后尺寸减小是模压料的固有特性，即收缩性。用收缩率Q表示。o 实际收缩率 表示模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下尺寸之间的差值。o 计算收缩率 表示在室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。o 实际收缩率 Q实=（a-b)/b ×100%o 计算收缩率 Q计=（c-b)/b ×100%o 式中：a-模具空腔或制

45、品在压制温度下尺寸mm.o b-制品在室温下的尺寸，mmo C-模具空腔在室温下的尺寸,mmo 模压过程中发生的收缩应当用实际收缩率表示，o 计算收缩率是设计模具（模腔尺寸）的重要依据.o 模压制品发生收缩的主要原因是热收缩和结构收缩。 影响收缩的主要因素1）原材料 树脂和添加物的种类和含量直接影响收缩率的大小。o 常用树脂中，环氧树脂收缩率最小，酚醛树脂和聚酯树脂收缩率较大；o 增强纤维可以降低收缩率；o 加入球形粉状填料可以降低收缩率；o 挥发物含量高，收缩率大。2）模具结构与制品形状 o 不溢式模具比溢式模具制品受缩小；o 若模具刚度不足，压制时导致制品比相应模具尺寸还大。3）成型工艺条

46、件 主要指温度制度（装模温度、升温速度、保温温度、保温时间）和压力制度（成型压力、加压时机、放气操作）。o 随着模压温度提高，收缩率增加；o 增长保温保压时间使交联密度增大，膨胀系数减小，收缩率降低；o 提高成型压力可减小收缩率；o 热脱模收缩率大于冷脱模。 3.2.3.3 压缩性o 压缩性用压缩比表示，是指模压料和模压制品二者比容的比值，即：o 压缩比=模压料（或坯料）比容/制品比容o 模压料的压缩比主要取决于模压料的特性和成型工艺过程，并与制品结构有关。o 片状模塑料SMC和团状模塑料BMC的压缩比较小.o 纤维状模压料的压缩比可达6-10，形态蓬松，给装模带来困难。o 使用压缩比大的模压

47、料需要设计大的装料室，增加了模具质量和热耗。o 可以采用预成型工艺使其成为坯料来减小压缩比。o 在定向铺设模压中，由于坯料具有十分紧密的堆积，压缩比仅为1.3左右。 3.3 SMC成型工艺o SMC即片状模压料(Sheet Molding Compound).o SMC是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊，浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来，形成的片状模压成型材料。o 使用时，将两面的薄膜撕去，按产品的尺寸裁切、叠层、放入模具中加温加压，即可制得所需复合材料制品。o SMC是干法生产FRP制品的一种中

48、间材料。它与其它成型材料的根本区别在于其增稠作用。在浸渍纤维时体系黏度较低，浸渍后黏度迅速上升，达到可以模压的程度。树脂固化剂增稠剂填料低收缩剂其它树脂糊制备薄膜粗纱切割沉降浸渍收卷稠化包装SMC成型机 3.3.1 SMC的特点与种类 3.3.1.1 SMC特点1）重现性好，生产稳定，不易受操作和外界干扰.2）操作处理方便，不粘手；3）作业环境清洁；4）片材质量均匀，适宜压制截面变化不大的大型薄壁制品；5）树脂和纤维一起流动，所以容易制成带有肋条和凸部的制品；6）表面光洁度高；7）生产率高，成型周期短，成本较低；8）易于实现机械化自动化生产。 3.3.1.2 SMC的种类1）BMC（块状模压料

49、），与SMC的组成极为相似，是一种改良了的预混块状成型材料，可用于压制和挤压成型。两者的区别仅在于材料形态和制作方法上。o BMC中纤维含量较低，填料含量较大，因而BMC的强度较SMC低。BMC适用于制造小型产品，SMC用于生产大型薄壁制品。2）TMC（厚片状模压料），其组成和制作与SMC类似。SMC一般厚0.63cm，TMC厚度达5.08cm.由于厚度增大，纤维随机分布，从而增强了物料混合效果，流动性也提高了，改善了浸透性。由于塑料薄膜用量少，降低了成本，应用很广。3）结构SMC，按纤维形态与分布不同，可分为SMC-R（纤维不规则分布)、SMC-C（连续纤维单向分布）、SMC-D（不连续纤维

50、定向分布）等类别。它们的纤维含量较高（30%-70%）.树脂采用高反应性聚酯树脂，加入低收缩添加剂.由于纤维含量增加及纤维定向分布，使强度大为提高。4）高强SMC，分为HMC和XMC，是高强度膜塑料。HMC是少加或不加填料，短切纤维含量达60%-80% ，玻璃纤维定向分布，树脂含量在35%以下的片状膜塑料。具有极好的流动性和成型表面，强度是普通SMC制品的3倍。XMC是一种含有70%-80%定向连续玻璃纤维，20%-30%的聚酯树脂，加适量或不加填料的片状膜塑料。o 玻璃纤维以一定角度交叉布置。在缠绕机上进行。制品在一定方向上的强度为钢材的4倍，质量仅为钢材的1/2。o 结构SMC和高强SMC

51、不仅因其强度高可取代钢材作结构件，而且成本低。5）LS-SMC（低收缩SMC）。采用低收缩树脂或加入热塑性低收缩添加剂，成品收缩可趋于零。适于制造尺寸精度高和表面光洁度高的制品。6）ITP-SMC（渗透增稠片状膜塑料）。它不需要普通SMC所需的专门熟化室，因而具有在室温下24小时达到不粘手的特点。制品具有高刚性、高耐冲击性、尺寸稳定等特点。此外，还有高弹SMC、低密度SMC、耐热SMC和耐燃SMC等品种。 3.3.2 SMC的组分及其性能o SMC由树脂糊和玻璃纤维组成。树脂糊由不饱和聚酯树脂及辅助剂（引发剂、交联剂及阻聚剂）和增稠剂、低收缩添加剂、填料、颜料、内脱模剂等构成。 3.3.2.1 不饱和聚酯树脂o 适宜SMC的不饱和聚酯树脂应满足以下要求：1) 低黏度，便于浸渍；2）易同增稠剂反应，满足增稠要求；3）固