复合材料制备技术讲义(6)－软模成型实例

1、复 合 材 料成 型 与 加 工 技 术曾竟成 教授杜 刚 讲师第6章 软模制备技术及实例阴模阴模芯模芯模6.1 软模成型流程示意图6.2 6.2 软模成型复合材料制品优点软模成型复合材料制品优点柔性成型面，能够成型型面相对复杂的大中小型制品；柔性成型面，能够成型型面相对复杂的大中小型制品；采用预浸料或树脂注射成型；采用预浸料或树脂注射成型；加热阶段有加压、挤胶作用，制品比较致密；加热阶段有加压、挤胶作用，制品比较致密；6.3 6.3 目前国内采用软模成型复合材料制品目前国内采用软模成型复合材料制品复合材料管件国防科大复合材料管件国防科大502502教研室；教研室；复合材料背架构件信息产业部电

2、子第三十九研究所；复合材料背架构件信息产业部电子第三十九研究所；雷达天线测量杆电子工业部第三十八研究所；雷达天线测量杆电子工业部第三十八研究所；复合材料波纹夹层结构北京卫星制造厂；复合材料波纹夹层结构北京卫星制造厂；发动机燃烧室壳体上海航天局发动机燃烧室壳体上海航天局810810研究所；研究所；其它如：机翼加强肋，机身壁板等其它如：机翼加强肋，机身壁板等实例1 碳纤维/环氧复合材料管软模成型工艺 1、复合材料管件外形尺寸60880542、复合材料管件原材料增强材料：T300碳纤维及其织物树脂基体：环氧648固 化 剂：三氟化硼乙胺稀 释 剂：丙酮T300-3000-40B碳纤维复丝的基本性能

3、单丝直径单丝直径（mm）密度密度(g/cm(g/cm3 3) )拉伸强度拉伸强度(MPa(MPa) )拉伸模量拉伸模量(GPa(GPa) )断裂伸长率断裂伸长率（% %）T300-3000-40BT300-3000-40B7 71.761.76353035302302301.51.5环氧环氧648/BF3648/BF3MEAMEA浇铸体基本性能浇铸体基本性能 拉伸强度拉伸强度(MPa(MPa) )35.235.2拉伸模量拉伸模量(GPa(GPa) )3.23.2泊泊 松松 比比0.280.283、复合材料管模具制备 设定工艺间隙的原因设定工艺间隙的原因 方便金属阴模的合模固紧；方便金属阴模的合

4、模固紧； 控制芯模在树脂凝胶温度前的膨胀压力，尽量使其处于自控制芯模在树脂凝胶温度前的膨胀压力，尽量使其处于自由状态；由状态； 复合材料管件的实际铺层厚度比理论计算的铺层厚度大。复合材料管件的实际铺层厚度比理论计算的铺层厚度大。材质材质 厂商厂商制备方式制备方式尺寸尺寸金属阴模金属阴模 4545碳钢碳钢 市售市售机加机加内腔尺寸内腔尺寸6060960mm960mm2 2硅橡胶芯模硅橡胶芯模 模具硅橡胶模具硅橡胶 深圳固加实业深圳固加实业发展有限公司发展有限公司真空脱气，真空脱气，浇注成型浇注成型 52 52940mm940mm2 2紧固螺栓紧固螺栓阴模阴模工艺间隙工艺间隙芯模芯模预浸料预浸料4

5、 4、预浸料制备、预浸料制备E648E648树脂树脂固化剂固化剂稀释剂稀释剂配配 比比1001003 3120120（1 1） 预浸料树脂胶液配方预浸料树脂胶液配方排布间距排布间距（mmmm）单位面积中单位面积中纤维质量纤维质量 （g/mg/m2 2）纤维体积含量纤维体积含量（）（）预浸料厚度预浸料厚度（mmmm）T300T300纤维纤维1.251.2532332355550.330.33T300T300平纹布平纹布 / /20020052520.220.22（2 2） 预浸料单层厚度估算预浸料单层厚度估算1-纱架；2-集束器；3-导向辊；4-胶槽；5-张紧辊；6-滚筒；7-压辊；8-动力机构

6、；9-床身；10-调速器；11-溜板（可前后移动）；12-小车（可左右运动）滚筒式排布机示意图123457681211 109复合材料复合材料力学性能力学性能T300T300碳纤维碳纤维/ /环氧板环氧板T300T300碳纤维织物碳纤维织物/ /环氧板环氧板拉伸强度拉伸强度(MPa(MPa) )纵向纵向11001100横向横向102102拉伸模量拉伸模量(GPa(GPa) )纵向纵向135.0135.060.560.5横向横向9.49.460.560.5压缩强度压缩强度(MPa(MPa) )纵向纵向750750横向横向100100压缩模量压缩模量(GPa(GPa) )纵向纵向95.295.2横

7、向横向9.49.4面内剪切强度面内剪切强度(MPa(MPa) )48.848.8面内剪切模量面内剪切模量(GPa(GPa) )4.764.764.54.5泊泊 松松 比比0.280.280.070.07预浸料（层压板）性能预浸料（层压板）性能5 5、复合材料管的铺层方式、复合材料管的铺层方式 复合材料管的铺层采用碳纤维与碳纤维织物预浸料混合铺复合材料管的铺层采用碳纤维与碳纤维织物预浸料混合铺排方式，碳纤维预浸料为轴向铺层，碳纤维织物预浸料为环排方式，碳纤维预浸料为轴向铺层，碳纤维织物预浸料为环向铺层。向铺层。.复合材料管承载形式主要是轴向承载。因此在设计时应将纤复合材料管承载形式主要是轴向承载

8、。因此在设计时应将纤维尽量铺放于管的轴向，即纤维在轴向的比例应尽量高，但管维尽量铺放于管的轴向，即纤维在轴向的比例应尽量高，但管的环向铺层也十分重要，因为若管的环向铺层过少，则复合材的环向铺层也十分重要，因为若管的环向铺层过少，则复合材料管在压缩过程容易发生层间屈曲与环向开裂。料管在压缩过程容易发生层间屈曲与环向开裂。 .制备的碳纤维制备的碳纤维/ /环氧复合材料管应满足厂家提出的指标要环氧复合材料管应满足厂家提出的指标要求，即复合材料管的尺寸要求和纤维的体积分数（求，即复合材料管的尺寸要求和纤维的体积分数（57.5%57.5%）要求。）要求。.在成型过程中硅橡胶的加热膨胀，对复合材料预浸料有

9、在成型过程中硅橡胶的加热膨胀，对复合材料预浸料有压缩挤胶作用，树脂将有一部分被挤出，其管件的实际尺寸压缩挤胶作用，树脂将有一部分被挤出，其管件的实际尺寸可能比设计的铺层厚度要小一些，因此实际铺层厚度比理论可能比设计的铺层厚度要小一些，因此实际铺层厚度比理论计算的厚度要大一些。计算的厚度要大一些。碳纤维织物碳纤维织物碳纤维无纬布碳纤维无纬布成型芯模成型芯模6 6、复合材料管固化工艺、复合材料管固化工艺6.1 E51/BF36.1 E51/BF3MEAMEA放热曲线放热曲线固化温度（固化温度（）303060609090120120 150150180180 210210放热放热 吸热吸热 峰始温度

10、峰始温度峰顶温度峰顶温度 167167峰终温度峰终温度 6.2 复合材料管固化制度复合材料管固化制度 模具放入烘箱的初始温度定为模具放入烘箱的初始温度定为7580之间，并在此之间，并在此温度下保持温度温度下保持温度40min，以利于模具在此时间的均匀传热，以利于模具在此时间的均匀传热，同时硅橡胶的膨胀量很小，然后升温至同时硅橡胶的膨胀量很小，然后升温至130，保持，保持3h，使复合材料预浸料固化，再升温至使复合材料预浸料固化，再升温至170，保持，保持2h，使复，使复合材料预浸料能够充分固化。合材料预浸料能够充分固化。硅橡胶芯模准备硅橡胶芯模准备碳纤维预浸料准备碳纤维预浸料准备钢质阴模准备钢质

11、阴模准备预浸料按照铺层预浸料按照铺层顺序铺于芯模上顺序铺于芯模上模具清理模具清理涂刷脱模剂涂刷脱模剂将芯模置于钢质阴模中，合模固紧将芯模置于钢质阴模中，合模固紧放入已预热的烘箱（放入已预热的烘箱（7580）开始升温开始升温130升温升温170停止加热停止加热自然冷却至室温脱模自然冷却至室温脱模保持保持40min保持保持3h对管件进行后处理对管件进行后处理保持保持2h6.3 复合材料管固化工艺流程热传导热传导电阻丝电阻丝钢模钢模电热烘箱电热烘箱硅橡胶芯模硅橡胶芯模金属挡板金属挡板复合材料预浸料复合材料预浸料热传导热传导电阻丝电阻丝复合材料预浸料复合材料预浸料硅橡胶芯模硅橡胶芯模钢模钢模电热烘箱电

12、热烘箱7、复合材料管性能测试变形传感器1变形传感器2变形传感器固定装置连接装置压力载荷P变形传感器1变形传感器2压力传感器变形传感器固定装置压力载荷P三点接触试样扭角传感器夹具扭力传感器管试样扭转角装置扭转角传感器 软模成型软模成型T300/碳布碳布/环氧管环氧管M40/碳布碳布/环氧管环氧管123123外径外径D平均平均(mm)60.1561.1060.060.060.160.05内径内径d平均平均(mm)53.9053.9553.9553.954.153.85试样长试样长(mm)450450450400400400标距标距L0(mm)120120120115115115弹性模量弹性模量E(

13、Gpa)105.0104.8107.2120.6114.8118.6弹性模量弹性模量E平均（平均（GPa)105.7118碳纤维/环氧复合材料管件拉伸弹性模量 内软模成型内软模成型T300/碳布碳布/环氧管环氧管M40/碳布碳布/环氧管环氧管123123外 径外 径 D平 均平 均(mm)60.060.060.160.160.160.0内 径内 径 d平 均平 均(mm)53.9553.9554.154.054.253.9试样长试样长(mm)450450450400400400标距标距L0(mm)100100100100100100剪 切 模 量剪 切 模 量E(GPa)4.274.184.254.104.264.19剪切模量剪切模量E(GPa)4.234.18碳纤维/环氧复合材料管件扭转剪切弹性模量 软模成型T300/碳布/环氧管M40/碳布/环氧管123123外径D (mm)60.1560.060.060.060.160.1内径d (mm)53.954.153.953.9053.9554.2试样长(mm)404040404040压 缩 强 度b(GPa)401.4487.7420.5400.2425.3398.8压缩强度b平均(GPa)403.2408碳纤维/环氧复合材料管件压缩强度 内软模成型T300/碳布/环氧管M40/碳