复合材料的成型工艺

1、聚合物复合材料的成型工艺鞠金星（ 大连工业大学 纺织轻工学院，辽宁 大连 116034）摘要：复合材料由于重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等优良的特点近几年得到飞速发展，本文就复合材料的成型工艺做了简要的介绍。本文主要通过对复合材料成型工艺的原料准备、设备、工艺过程、工艺控制、优缺点及其各种方法的应用，对10种成型工艺做了简要的介绍。随着科技的发展，复合材料的应用会越来越广泛。关键词：成型工艺；分类；工艺控制；优缺点；应用Polymer composites molding processJu Jinxing(School of Textile and Light

2、Industry，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China,)Abstract: Composite materials due to light weight, high strength, processing and forming convenient, flexible good resistance to chemical corrosion and weathering characteristics of excellent and good in recent years been rapid development

3、of this paper, the composite molding process gives a brief introduction. This primarily through the composite molding process to prepare the raw materials, equipment, process, process control, advantages and disadvantages of various methods and their applications, on the 10 kinds of molding process

4、gives a brief introduction. With the development of technology, composite materials, the application will be more extensive.Keywords: molding; classify; process control; merits; apply1 引言复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材

5、及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。2 复合材料的成型方法2.1 手糊成型工艺手糊成型工艺是以手工作用形式把玻璃纤维和树脂交互地层铺起来，以往和现在都没有什么大的变化。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1535之间，后加工整修段，要设有抽风除尘和喷水装置。模具准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。树脂胶液配制时，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。增强材料的种类和规格按设计要求选择。手糊成型法分为干法和湿法两种：制品固化分硬

6、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12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。脱模和修整脱模方法有如下几种：顶出脱模压力脱模大型制品（如船）脱模复杂制品可采用手工脱模方法修整分两种：一种是尺寸修整，另一种缺陷修补。优点是成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂的产品的生产。设备简单、投资少、见效

7、快。缺点是生产效率低、速度慢、生产周期长、不宜大批量生产。且产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。生产环境差、气味大、加工时粉尘多，易对施工人员造成伤害。22 喷射成型工艺喷射成形技术是在快速凝固粉末冶金工艺基础上发展起来的直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进材料制备技术。喷射成型场地除满足手糊工艺要求外，还特别注意环境排风，根据产品尺寸大小，操作间可为密闭式，以节省能源。原材料主要是树脂和无捻玻纤粗纱，模具准备包括清理、组装及涂脱模剂等。喷射成型机分压力罐式和泵供式两种：1泵供式是将树脂引发剂和促进剂分别有泵输送到静态混合器中，充分混合后再由喷枪喷出。2压力罐式是将树脂胶液分

8、别装在压力罐中，靠进入罐中的气体压力，使胶液进入喷枪连续喷出。喷射成型应注意事项：（1）环境温度应控制在（25±5），过高，易引起喷枪堵塞；过低，混合不均匀，固化慢；（2）喷射机系统内不允许有水分存在，否则会影响产品质量；（3）成型前，模具上先喷一层树脂，然后再喷树脂纤维混合层；（4）喷射成型前，先调整气压，控制树脂和玻纤含量；（5）喷枪要均匀移动，防止漏喷，不能走弧线，两行之间的重叠富庶小于1/3，要保证覆盖均匀和厚度均匀；（6）喷完一层后，立即用辊轮压实，要注意棱角和凹凸表面，保证每层压平，排除气泡，防止带起纤维造成毛刺；（7）每层喷完后，要进行检查，合格后再喷下一层；（8）最后

9、一层要喷薄些，使表面光滑；（9）喷射机用完后要立即清洗，防止树脂固化，损害设备。优点：1用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本；2生产效率比手糊的高24倍；3产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好；4可减少飞边，裁布屑及剩余胶液的消耗；5产品尺寸、形状不受限制。缺点：1树脂含量高，制品强度低；2产品只能做到单面光滑；3环境污染，有害工人健康。2.3 袋压成型工艺袋压成型是将手糊成型的未固化制品，通过橡胶袋或其他弹性材料向其施加气体或液体压力，是制品在压力下密实，固化。袋压成型分类袋压成型分为压力袋法和真空袋法：1、压力袋法：压力袋法是将手糊成型未固化的制品放入橡胶袋，

10、固定好盖板，然后通入压缩空气或蒸汽（0.250.5MPa），使制品在热压下固化。2、真空袋法：此法是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.050.07MPa），使制品中的气泡和挥发物排除。由于真空压力较小，故此法仅用于聚酯和环氧复合材料制品的湿法成型。优点是：产品两面光滑；能适应聚酯、环氧和酚醛树脂；产品质量比手糊高。2.4 模压成型工艺一般是将粉状、粒状、团粒状、片状，甚至先作成和制品相似形状的料坯，放在加热的模具的型腔中，然后闭模加压,使其成型并固化或硫化,再经脱模得制品,该法特别适用于热固性塑料的成型加工。主要设备有压机和模具。工艺过程分

11、为加料、闭模、排气、固化、脱模和模具清理等，若制品有嵌件需要在模压时封入，则在加料前应将嵌件安放好。主要控制的工艺条件是压力、模具温度和模压时间。优点：生产效率高，尺寸精确，表面光洁，易实现机械化和自动化，制品外观尺寸的重复性好等；缺点：工艺复杂，投资高，制品的尺寸受设备条件的限制。2.5 缠绕成型工艺纤维缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定的规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模、获得产品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态的不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。优点：易实现

12、机械化和自动化生产，产品质量稳定，精确；生产效率高，成本低，缺点：缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品，特别是表面有凹陷的制品，投资大，技术要求高。2.6 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑成型简称RTM（Resin Transfer Molding）。是手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，可以生产出两面光的制品。在国外属于这一工艺范畴的还有树脂注射工艺（Resin Injection）和压力注射工艺(Pressure Infection)。RTM成型设备主要是树脂压注机和模具。树脂压注机由树脂泵、注射枪组成。RTM模具分玻璃钢模、玻璃钢表面镀金属模和金属模3种。RTM用的原材料有树脂体

13、系、增强材料和填料。RTM工艺用的树脂主要是不饱和聚酯树脂。增强材料主要是玻璃纤维。特点：可以制造两面光的制品；成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料；原材料及能源消耗少；建厂投资少，上马快。2.7 真空辅助树脂传递模塑成型工艺VARTM成型法是指在成形模具上首先铺设强化纤维基材，用塑料薄膜封闭后再抽成真空，然后将液状树脂注入，由负压原理使其完全浸入纤维基材各处并使其固化。VARTM成型法是在RTM基础上进行部分改进，其原理相同。特点是：不需要诸如压力釜等

14、那样庞大且复杂的设备，大型结构部件可简单地一次成型以及有机溶剂的挥发量少，作业环境较好。与过去FRP结构件常用的手工铺层法相比，能够实现纤维含量高、气孔率低，所以VARTM的成型高质量等等。2.8 拉挤成型工艺拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。生产原料与设备树脂基体：不饱和聚酯树脂，乙烯基树脂，环氧树脂，酚醛树脂增强材料：玻璃纤维，碳纤维辅助材料：引发剂，环氧树脂固化剂，着色剂，填料，脱模剂等工艺设备：送纱

15、及送毡装置，浸胶装置，预成型装置，成型模具，牵引设备，切割设备辅助设备：配料工具，搅拌设备，切毡机拉挤工艺流程玻璃纤维粗纱排布 > 浸胶 > 预成型 > 挤压模塑及固化 > 牵引 > 切割 > 制品工艺控制的参数主要包括成型温度、固化时间、牵引张力及牵引速度2.9 挤出成型挤出成型是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。料自料斗进入料筒，在螺杆旋转作用下，通过料筒内壁和螺杆表面摩擦剪切作用向前输送到加料段，在此松散固体向前输送同时被压实；在压缩段，螺槽深度变浅，进一步压实，同时

16、在料筒外加热和螺杆与料筒内壁摩擦剪切作用，料温升高开始熔融，压缩段结束；均化段使物料均匀，定温、定量、定压挤出熔体，到机头后成型，经定型得到制品。按塑化方式：干法挤出与湿法挤出；按加压方式：连续挤出与间歇挤出（1）温度温度由加热冷却系统控制，由于螺杆结构、加热冷却系统不稳定、螺杆转速变化等原因使挤出物料温度在径向和轴向都存在波动，从而影响制品质量，制品各点强度不一样，产生残余应力，表面灰暗无光泽。为保证制品质量，温度应稳定。（2）压力由于螺杆和料筒结构，机头、过滤网、过滤板的阻力，使塑料内部存在压力。压力变化如图，压力同样存在波动。（3）挤出速率当产品已定，挤出速率仅与螺杆转速有关。挤出速率也

17、存在波动，影响制品几何形状和尺寸。2.10 注射成型简称注塑。塑料在注塑机加热料筒中塑化后，由柱塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的塑料加工方法。2.10.1 设备及注塑过程注塑机由注射装置、合模装置和注塑模具三部分组成。热塑性塑料的注射成型包括加料、塑化、注射、保压、冷却、脱模等过程。2.10.2 热固性与热塑性塑料注射成型条件的比较热固性塑料料筒温度 塑化温度低，料筒温度在95以下，温度控制要求严格热塑性塑料塑化温度高，料筒温度在150以上，温度控制不严格热固性塑料在料筒中的时间 短 较 长，料筒加热方式 液体介质(水、油) 电加热，模具温度 150一200 100以下，注射压力

18、100-200MPa 35-140MPa，注射量 注射量较小，料筒前部余料很小 注射量较大，料筒前部余料较多。2.10.3 特点生产连续、效率高、操作简单、应用范围广3 各种方法的应用手糊成型工艺适宜我国乡镇企业的发展。且工艺简单、生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产。易于满足产品设计需要，可在产品不同部位任意增补增强材料；制品的树脂含量高，耐腐蚀性能好。喷射成型工艺的喷射成型效率达15/min，故适合大型船体的制造，已广泛用于加工浴盆、机器外罩、整体卫生间、汽车车身构件及大型浮雕制品等。袋压成型工艺广泛应用于飞机、导弹、卫星和航天飞机。如飞机仓门、整流罩、机载雷达罩、支架、机翼、尾翼

19、、隔板、壁板及隐形飞机等。模压成型工艺应用主要用于热固性塑料（见热固性树脂）成型，如酚醛、三聚氰胺甲醛、脲甲醛等塑料，也用于制造不饱和聚酯和环氧树脂加玻璃纤维的增强塑料制品。缠绕成型工艺主要用于制作管材树脂传递模塑成型工艺适用范围很广，目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。已开发的产品有：汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、8.5m长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等。拉挤成型工艺在电气市场，化工、防腐市场，消费娱乐市场，建筑市场，道路交通市场，农村市场等行业都有应用注射成型工艺能加工外形复杂、尺寸精确或带嵌件的

20、制品，生产效率高。大多数热塑性塑料和某些热固性塑料（如酚醛塑料）均可用此法进行加工。用于注塑的物料须有良好流动性，才能充满模腔以得到制品。4 结语随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。参考文献：1 Srivastava A K, Anandani R C, Dhar A , et al. Effect of thermal con2 ditions on microstructural features during spray forming J.Materials Science and Engineering A, 200