纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺

一、前言相比传统材料，复合材料具有一系列不行替代的特性，自二次大占以来进展很快。尽管产量小〔据法国Vetrotex公司统计，2023年全球复合材料达700万吨经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%32%，以中国〔含台湾省、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2023年玻班纤维增加塑料〔玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”〕90万吨，已居世界其次位〔202316970万吨。复合材料主要由增加材料与基体材料两大局部组成：纤维增加塑料〕中的碳纤维素就是增加材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢〔GRP〕中的树脂〔本文谈到的环氧树脂〕就是基体。y树脂复合材料金属基复合材料本文争论环氧树脂基复合材料。1、为什么承受环氧树脂做基体？1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；粘结力强；B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低；固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。后一般较脆，韧性较差。2、环氧玻璃钢性能〔ASTM〕FW〔纤维缠绕〕法制造的玻纤增加环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。1GF/EPR与钢的性能比较玻璃含量GF/EPR〔80wt%)AISI1008冷轧钢相对密度2.087.86V拉伸强度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸长率1.6%37.0%弯曲强度689.5MPa弯曲模量34.48GPa压缩强度310.3MPa331.0MPa悬臂冲击强度2385J/m燃烧性〔UL-94〕V-O比热容535J/kg?k233J/kg?k4.0×10-6k-16.7×10-6k-1热变形温度204oC(1.82MPa)热导率1.85W/m?k33.7W/m?k11.8×106V/m吸水率0.5%(24h)2几种常用材料与复合材料的比强度和比模量材料名称密度g/cm3拉伸强度×104MPa弹性模量×106MPa比强度×106cm比模量×109cm7.810.1020.590.130.272.84.617.350.170.264.59.4111.180.210.25玻璃钢2.010.403.920.530.21碳纤维/环氧树脂1.4514.7113.73碳纤维/环氧树脂1.6104923.54芳纶纤维/环氧树脂1.413.737.85硼纤维/环氧树脂2.113.5320.59硼纤维/铝2.659.8119.610.75c2二、纤维增加环氧树脂复合材料成型工艺简介1〔handlayup)脱模剂胶衣一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂〔须待胶衣分散后〕一层纤维增加材料〔玻纤、芳纶、碳纤维 ，纤维增加材料有外表毡、无捻粗纱布〔方格布〕等几种。的设计厚度。树脂因聚合反响，常温固化。可加热加速固化。FgbNG^树脂不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。芯材任意。优点适合少量生产；可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；可制造大型制品和型状简单产品；树脂和增加材料可自由组合，易进展材料设计；可承受加强筋局部增加，可嵌入金属件；可用胶衣层获得具有自由颜色和光泽的外表〔如开模成型则一面不平滑；无捻粗纱布50%左右织物35%-45%短切原丝毡30%-40%缺点属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度打算；;玻纤含量不行能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限制；手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的安康和安全。典型产品舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。2、树脂传递成型〔RTM〕概要RTM是一种闭模低压成型的方法。品。树脂胶凝过程开头前，必需让树脂布满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量〔50%〕的制品，如航0.7MPa。纤维增加材料有时可预先在一个模具内预成型大致外形〔带粘结剂提高树脂浸透纤维力量，可选择真空关心注射〔VARI-vacuumsaaistedrsininjection)。模具可以复合材料与钢材料制作。假设承受加热工艺。宜用钢模。原材料VetrotexRTM。〔其纤维间的缝隙得于树脂传递、无捻粗纱布；玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材〔VetrotexTWINTEX。芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC等。优点制品纤维含量可较高，未被树脂浸得局部格外少；闭模成型，生产环境好；劳动强度低，对工人技术娴熟程度的要求也比手糊与喷射成型低；制品两面光，可作有外表胶衣的制品，精度也比较高；成型周期较短；产品可大型化；强度可按设计要求具有方向性；可与芯村、嵌件一体成型；相对注射设备与模具本钱较低。缺点不易制作较小产品；因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和简单，价位也高一些；能有未被浸渍的材料，导致边角料铺张。典型产品小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳3、纤维缠绕〔FW〕概要〔模〕上。纤维缠绕角度与纤维排列密度依据强度设计，并由芯轴〔模〕转速与小车往复速度之比，准确地掌握。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。原材料树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体，一般不用。优点由于纤维迳直以合理的线形铺设，担当负荷，故复合材料制品的构造特性可格外高；由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品；可制造两端封闭的制品；铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低；可承受树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，掌握树脂含量；可大理生产和自动化；机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。缺点制品外形限于圆柱形或其它回转体；纤维不易沿制品长度方向准确排列；对于大型制品，芯模本钱高；“模制”的，不尽人意；对于承受压力的制品，如选择树脂不适宜或无内衬，就易发生渗漏。”管道、贮罐、气瓶〔消防呼吸气瓶、压缩自然气瓶等、固体火箭发动机壳体。4、RIM(ReactionInjectionMolding一反响注射成型〕〔1〕概要将两种或两种以上的组分在混合区低压〔0.5MPa〕混合后，即在低压〔0.5-1.5MPa〕下注射到闭模中反响一种组分内行参加磨碎玻纤原丝和〔或〕填料。弈可承受长纤维〔如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原〕增加，在注射前，将长纤维增加材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。SRIM〔StructuralReactionInjectionMolding-构造反响注射成型。(2)原材料树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系；亦可承受环氧、尼龙、聚酯等根本；0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维；芯材：不用。优点制造本钱比热塑性塑料注射工艺低；可制造大尺寸、开头简单的产品；固化快，适于快速生产。缺点承受磨碎玻璃纤维增加原料费用高，荐用矿物复合材料取代之。主要产品汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。5、拉挤成型〔Pultrusion)(1)概要主要承受玻璃纤维无捻粗纱〔使用前预先放置在纱架上，它供给纵向〔沿生产线方向〕增加。参加填料，改进型材料性能〔如阻燃，并降低本钱。拉挤成型的程序是使玻璃纤维增加材料浸渍树脂；玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍〔挤胶、根本树脂固化、复合材料定型；材料浸渍树脂有两种方式：于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。注入浸渍法〔6高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。原材料树脂：常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂；PU发泡材料为芯材，外为连续拉挤框型型材，作为保温墙板的。优点0.5-2m/min，效率较高，适于大批量生产，制造长尺寸制品；树脂含量可准确掌握；由于纤维呈纵向，且体种比可较高〔40%-80%，因而型材轴向构造特性可格外好；主要用无捻粗纱增加，原材料本钱低，多种增加材料组合使用，可调整制品力学性能；制品质量稳定，外观平滑。缺点模具费用较高；一般限于生产恒定横截面的制品。典型产品站罩壳、汽车板簧、传动轴、电缆管、光纤光缆芯、钓鱼竿、隔栅、汽车空调器罩、扩轨罩。0}1xp*V6、真空袋法法成型〔Vacuumbagprocess)概要:此法是手糊法与喷射法的延长。将手糊或喷射好的积层在树脂的A阶段与模具在一起，在积层上覆以橡1个气压的压力，而被压实、成型。原材料〔交联剂〕过度抽出，可能会造成问题，故一般不用；芯材：任意。优点承受一般的湿法铺层技术，通常可获得高纤维含量的制品；可制造大尺寸产品；产品两面光；较湿法铺层浸胶孔隙率低；由于压力，树脂流经构造纤维，纤维得以较好地浸渍树脂；有利于操作人员安康和安全；真空袋削减了固化时逸出的挥发性物质。缺点额外的工艺过程增加了劳动力和袋材本钱；要求操作人员有较高的技术娴熟水平；树脂混合和含量掌握根本上仍旧取决于操作人员的技术；生产效率不高。典型产品艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、方向舵。7、树脂膜熔浸成型〔RFI-ResinFilmInfusion)概要〔树脂片系放在一层脱模纸上供给〕交替铺放在模具内。铺层被真空袋包覆，藉真空泵即固化。原材料树脂：一般仅用环氧树脂；?纤维：任意；PVC泡沫需要特地处理，以免泡沫损坏。优点空隙率低，可准确获得高的纤维含量；铺层清洁，有利于安康和安全〔似预浸；可较预浸法本钱低，此为主要的优点；由于树脂仅能过织物厚度方向传递，故树脂未浸到白斑区可较SCRIMP〔西曼复合材料公司树脂参入成型法—SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess〕少。缺点目前仅用于宇航工业，还未推广；虽然宇航工业用高压釜系统产非总是需要，但加热室和真空袋系统对于复合材料固化，总是不行少的；模具要求能经受树脂膜片的工艺温度〔60-100oC；要求所用芯材能经受工艺温度和压力；典型产品飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩。8、预浸料〔高压釜〕成型概要预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和〔或〕纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有稍微的黏附感，象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺于模具外表，通过真空袋抽真空，并通常加热到120-180oC。使树脂重流淌，并最终固化。盛开附加压力通常藉助高压釜〔实际上是一座压力加热罐〕5个大气压的压力。原材料脂等；纤维：任意。虽然由于在工艺过程中，高温分对芯材有些影响，需要承受某些特地的泡沫芯材。优点预浸材料制造人员可准确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量；可以牢靠地得到高纤维含量。材料于操作人员格外安全，无碍安康，操作清洁；单向带纤维本钱最低，由于毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程；由于制造过程承受可渗透的高粘度树脂，树脂化学性力量学和热性能可以是最适宜的；材料有效时间长〔室温下可保质数月，这意味着可优化构造、复合材料易铺层；可能实现自动化和节约劳动力。缺点对于预浸织物，材料本钱高；通常要对高压釜固化复合材料制品，消耗大、作业慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作业温度；芯材需要承受作业温度和压力。典型产品〔如机翼和尾翼、卫星与运载火箭构造件〔太阳能电池基板、夹层构造板、卫星接口支架、火箭整流罩等、赛车、运动器材〔如网球拍、滑雪板等。9、低温固化预浸料成型概要低温固化预浸料完全按通常的预浸料方法制备，但树脂的化学性质使其得以在60-100oC温度下固化。在60oC1个星期，但亦可延长到几个月。树脂系统的流淌截面适于承受真空袋压力，避开承受高压釜。|树脂：一般仅承受环氧树脂；芯材：任意，虽然一般的PVC泡沫需要特别留意。优点具有传统预浸料法所具备的〔1〕-〔6〕条优点；模具材料较廉价，如木材亦可用，因其固化温度较低故；〔常常就地建筑大于制品的加热室〕PVC泡沫芯材，略作处理即可；能耗低。缺点材料本钱仍高于预浸织物；需加热室和真空袋系统，以固化制品；模具需能经受高于环境温度的温度〔60-100oC；仍有能耗，因需高于环境温度固化。典型产品高性能风力发电机叶片、赛艇、救生艇、火车用零部件。10、SCRIMP,RIFT,VARTM11SCRIMP,RIFT,VARTM示意图概要SCRIMP〔SeemanCompositeInfusionMoldingProcess—西曼复合材料公司树脂渗透成型法〕,RIFT〔ResinInfusionumderFlexibeTooling—柔性模具树脂渗透法〕,VARTM〔VscuumAssistedTransferMolding—真空关心树脂传递成型〕这三种工艺原理相像。将织物作为干铺层材料入模内，如同RTM。然后覆以剥离保护层和缝编非构造织物。整个铺层用真空袋覆罩好。袋无渗漏后，