复合材料工艺及设备

第一章1.复合材料定义：是指两种或两种以上不同材料，用适当的方法复合成一种新材料，其性能比单一材料性能优越。根据基体材料不同，分为金属基复合材料，非金属基复合材料，树脂基复合材料2.复合材料最大特点，是性能具有可设计性。影响复合材料性能的因素很多，主要取决于增强材料的性能，含量及分布情况，基体材料的性能和含量，以及它们之间的界面结合情况。3.树脂基复合材料的使用温度一般为60摄氏度到250摄氏度；金属基复合材料为400摄氏度到600摄氏度；陶瓷基复合材料为1000摄氏度到1500摄氏度。复合材料硬度主要取决于基体材料的性能，一般硬度为陶瓷基复合材料大于金属基复合材料大于树脂基复合材料4.就力学性能而言，复合材料的力学性能取决于增强材料的性能，含量和分布，以及基体材料的性能和含量。复合材料的耐自然老化性能，取决于基体材料的性能和与增强材料的界面粘结。一般优劣次序为，陶瓷基复合材料大于金属基复合材料大于树脂基复合材料。导热性能的优劣比拟为：金属基复合材料大于陶瓷基复合材料大于树脂基复合材料。5.选择成型方法时应考虑：①产品外形构造和尺寸大小

②材料性能和产品质量要求

③生产批量大小及供给时间〔允许的生产周期〕要求

④企业可能提供的设备条件及资金

⑤综合经济效益，保证企业盈利

第二章1.手糊成型：又称接触成型。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，脱模成制品的工艺方法。手糊成型按成型固化压力可分为两类：接触压和低压〔接触压以上〕。前者为手糊成型，喷射成型。后者包括对模成型，真空成型，袋压成型，热压釜成型，树脂传递模塑〔RTM〕和反响注射模塑〔RIM〕成型。2.聚合物基体的选择：能配置成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为200-500厘泊聚合物集体包括不饱和聚酯树脂，环氧树脂和辅助材料。其中，辅助材料包括稀释剂〔分为活性稀释剂和非活性稀释剂〕，填料〔在糊制垂直或倾斜面层时，为防止“流胶〞，可在树脂中参加少量活性SiO2处变剂〕，色料。3.增强材料包括玻璃纤维〔E-玻璃纤维，也称无碱纤维；C-玻璃纤维；A-玻璃纤维，有碱纤维；S-玻璃纤维，高强纤维；M-高弹玻璃纤维；L-防辐射玻璃纤维〕，碳纤维〔聚丙烯腈纤维，沥青纤维，粘胶纤维〕，Kevlar纤维。玻璃纤维制品：玻璃纤维无捻粗纱，短切纤维毡，无捻粗砂布，玻璃纤维细布，单向织物4.手糊成型模具分为单模和对模。单模分为阳模和阴模。玻璃钢高级模具：用玻璃钢制作，可获得“镜面效果〞的，高光泽度，高平整度手糊制品的模具。高级模具的要求：〔1〕具有足够的强度、刚度。

〔2〕具有一定硬度、耐热性能承受树脂固化放热的收缩作用。

〔3〕工作面外形尺寸精确，外表平顺，无潜藏气泡和针孔。〔4〕光泽度到达80-90光泽单位或者目测有清晰的镜面反光。〔5〕抛光后模具外表残留划痕度小于0.1μm。5.材料选择：〔1〕胶衣树脂：应具有收缩率低，延伸率高，耐磨耐热等优良性能。最理想的是专用模具胶衣树脂。〔2〕玻璃纤维外表毡和玻璃纤维短切毡：毡用来增强胶衣防止微裂纹；形成富树脂层，提高模具外表光洁度和耐腐蚀性能；消除玻璃布在模具外表产生的布纹痕迹。制造工艺：〔1〕过渡模〔母模〕制造〔2〕GFRP模具翻制〔3〕模具外表处理〔4〕模具外表质量检测6.脱模剂：为了使制品与模具别离而附于模具成型面的物质。主要分为：薄膜型脱模剂，混合溶液型脱模剂，蜡型脱模剂。脱模蜡的使用温度在80摄氏度以下，使用方法：〔1〕将模具清洗干净〔2〕在模具外表均匀的涂一薄层脱模蜡，停2-3分钟后，用干净毛巾用力擦至照出人影，停2小时，让蜡层中的溶剂挥发掉，并使蜡模硬化，在模具外表形成一层坚硬光亮的模层。然后再用相同的方法继续涂脱模蜡，直到模具外表上形成的蜡模厚度足够反复屡次使用。〔3〕制品脱模后，只需把模具外表揩干净，即可重复使用。7.外表层：制品外表需要特制的面层，称为外表层。一般采用加了颜料的胶衣树脂〔俗称胶衣层〕制作，也可用参加粉末填料的普通树脂制作，或直接用玻璃纤维外表毡。外表层树脂含量高，故也称富树脂层。

外表层的作用：不仅可以美化制品，而且可以保护制品不受周围介质侵蚀，提高耐侵蚀、耐水、耐酸碱、耐候等性能，具有延长制品使用寿命的功能。8.铺层拼接的设计原那么：制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度，施工方便。拼接的形式有搭接和对接两种，以对接为宜。对接式铺层可保持纤维的平直性，产品外形不发生畸变，并且制品外观和质量分布的重要性好。为不致降低接缝区强度，各层的接缝必须错开，并在接缝区多加一层附加布。9.欲使不饱和聚酯树脂的线性分子与交联剂变成体型结构，必须参加引发剂。引发剂指活性较大含有共价键的化合物。在一定条件下，可以受热分解产生游离基。游离基是一种能量很高的活性物质，它能把双键翻开，以游离基的聚合方式进行聚合，到达交联固化的目的。引发剂开始产生游离基的最低温度为临界温度，大多在60-130摄氏度。在室温下引发剂不能别离出游离基〔低于临界温度〕，故必须参加促进剂。促进剂实为活性剂，它能促使引发剂在较低温度下分解产生大量游离基，降低固化温度，加快固化度和减少引发剂用量。10.固化度：说明热固性树脂固化反响的程度，通常用百分率表示。固化度越大，树脂的固化程度越高。一般通过调控树脂胶液中固化剂的含量和固化温度来实现。对于室温固化的制品，都必须有一段适当的固化时期，才能充分发挥玻璃钢制品的应用性能。判断玻璃钢固化度的方法：除采用丙酮萃取测定树脂不可溶分含量方法之外，常用的简单方法是测定制品巴氏硬度。一般到达15时便可脱模，尺寸精度要求高的制品，到达30方可脱模。11.喷射成型：通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模具外表，经棍压、固化制得复合材料制件的方法。分为压力罐供胶试喷射成型机和泵供胶试喷射成型机。喷射成型设备：玻璃纤维切割喷射器，树脂胶液喷枪，静态混合器12.热压釜：能够对复合材料手糊制品或胶接结构同时进行加热和加压的专用设备。热压釜分三大局部：机械局部，功能局部，控制局部。13.树脂传递模塑〔RTM〕：是一种闭模成型工艺方法，根本工艺过程为：将液态热固性树脂〔不饱和聚酯〕及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化，脱模，后加工而成制品。用于RTM工艺的树脂系统应满足以下要求：粘度低。一般在250厘泊到300厘泊为最正确。固化放热峰低。一般为80-140摄氏度。固化时间短。一般凝胶时间控制在5-30分钟。RTM工艺特点：生产的制品两面光滑，尺寸稳定，容易组合第三章1.玻璃钢夹层结构按夹芯材料分为：泡沫夹层结构，玻璃夹层结构，蜂窝夹层结构。泡沫夹层结构特点：泡沫夹层结构的两蒙皮采用玻璃钢板材，夹芯材料用泡沫塑料。常用于强度要求不高，质量轻，绝热好的情况下。泡沫夹层结构的最大特点是质量轻，刚度大，保温隔热性能好。按泡沫塑料硬度分类：硬度泡沫塑料，半硬质泡沫塑料和软质泡沫塑料三种。区别方法是将泡沫塑料压缩，使其变形到达50%时，减压后视其剩余变形，假设大于10%者称为硬直泡沫塑料，当剩余变形在2%—10%者称为半硬质泡沫塑料，剩余变形小于2%时，称其为软质泡沫塑料。2.泡沫塑料的发泡方法：〔1〕物理发泡法〔2〕机械发泡法〔3〕化学发泡法3.聚氨酯泡沫塑料用原材料(1〕异氰酸酯类(2)聚酯或聚醚(3)催化剂(4)发泡剂(5)外表活性剂(6)其它助剂3.硬质聚氨酯泡沫塑料的制造分一步法和两步法〔1〕硬质聚氨酯灌注发泡法〔一步法〕〔2〕硬质聚氨酯泡沫塑料喷涂法〔二步法〕4.泡沫夹层结构的制造预制粘接法整体浇注成型法机械连续成型法第四章模压成型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。片状模塑料〔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。SMC的组分及其性能不饱和聚酯树脂交联剂，引发剂，阻聚剂增稠剂：所谓增稠剂是SMC的粘度由很低迅速增高，最终到达满足工艺要求的熟化粘度并能相对长期稳定大多数SMC制造都采用ⅡA族金属氧化物或氢氧化物。例如氧化镁，氢氧化镁，氧化钙，氢氧化钙。增稠机理第一阶段：是金属氧化物或氢氧化物与聚酯端基—COOH进行酸碱反响，生成碱式盐第二阶段：是由生成的碱式盐〔金属原子〕同聚酯分子中的酯基〔氧原子〕以配位键形成络合物低收缩机理在SMC中，它们有与聚酯相容的组分，有溶于树脂单体中而分散开来的组分，还有以原固态分散开来的组分。当SMC在模具中加热固化时，随体系温度升高，热塑性树脂与聚酯树脂都发生热膨胀，随即聚酯与苯乙烯开始交联聚合。因此，聚酯是在热塑性聚合物施加的内压下固化的，因而就在未能引起整体收缩时被固定下来，这相当于热塑性聚合物产生的热膨胀力阻止了聚酯固化时的收缩。填料的性能及选择：包括填料细度，油吸附量及触变性三项触变性：是一种物理现象，当物料受到外力作用〔如剪切力，震荡等〕时，粘度显著下降，而当除此外力时，物料又逐渐恢复到原来的粘度。内脱模剂：各种SMC都必须采用内脱模剂，它是在配制树脂糊时参加的，其作用是使制品容易脱模。内脱模机理：内脱模剂是一些熔点比普通模制温度稍低的化合物。内脱模剂与液态树脂相容，但与固化后的树脂不相容。当加热成型时，脱模剂即从内部溢出到模压料与模具相接触的界面处，熔化并形成障碍，阻止粘着，从而到达脱模目的。模压工艺参数：在模压过程中，物料宏观上历经粘流，凝胶和硬固三个阶段。生产上称为压制制度，它包含温度制度和压力制度。温度制度包括：装模温度，升温温度，最高模压温度压力制度包括：成型压力，加压时机，放气充模加压时机：指在装模后经多长时间，在什么温度下进行加全压。合理选用加压时机是保证制品质量的关键之一。加压过早，树脂反响程度低，分子质量小，粘度低，在压力下极易流失，在制品中产生树脂集聚或局部纤维裸露。加压过迟，树脂反响程度过高，分子质量急剧增大，粘度过大，物料流动性甚低，难以充满模腔，形成废品。只有在树脂反响程度适中，分子质量增大所引起的粘度增高适度时，才能使树脂和纤维一起流动，得到合格制品。最正确加压时机应选在树脂剧烈反响放出大量气体之前。可采用下述三种方法来确定：凭经验根据温度指示按树脂固化反响时气体释放量来确定加压时机第五章设计模具时必须充分考虑模压制品的物理机械性能与工艺特性，注意如下因素：复合材料的物理机械性能模压料的成型工艺性制品在成型后的收缩率及各向收缩率差异制品及模具形状应有利于物料充分流动，排气模具的结构及加热装置有利于对模压料进行快速，高效，均匀，稳定的加热在满足使用要求前提下，应尽量简化模具结构和制造工艺压模按上，下模配合结构特征分类溢式压模〔敞开式〕不溢式压模〔密闭式〕半溢式压模〔半密闭式压模〕电加热装置：最简单的是用电阻丝直接作加热元件，电热棒，具体形式是电热板，电热套液压机的工作原理：液压机是模压成型的主要设备，其作用是提供模压工艺成型所需要的压力以及开模脱出制品的脱模力。液压机是利用液体来传递压力的设备。液体在密闭容器中传递压力遵循静压传递原理及帕斯卡定律。5.液压机的性能参数〔1〕压力〔2〕液压机的最大及最小成型压力〔3〕运行速度液压机的选用最大使用压力工作台面尺寸上，下模板间距活塞缸最大行程第六章层压工艺：是指将浸有或涂有树脂的片材层叠，组合叠合体，送入层压机，在加热和加压下，固化成型玻璃钢板材或其它形状简单的复合材料制品的一种方法卷管成型工艺：是使用玻璃胶布在卷管机上热卷成型玻璃钢管材的一种方法。玻璃钢管的卷制成型常用三辊筒卷管机第七章缠绕工艺：将浸过树脂胶液的连续纤维或不带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模称为增强塑料制品的工艺过程。干法缠绕：选用预浸纱带(或预浸布带〕，在缠绕机上经加热软化至粘流后缠绕到芯模上湿法缠绕：将无捻粗纱〔或布带〕浸渍树脂胶液后直接缠绕到芯模上3〕半干法缠绕：将无捻粗纱〔或布带〕浸渍树脂胶液，预烘后随即缠绕到芯模上纤维缠绕增强塑料制品的优点：比强度高可靠性高生产率高材料本钱低为什么纤维缠绕制品的强度比其它成型工艺制品的强度都高呢？一般材料的外表缺陷是影响其强度的重要因素。外表积越大，缺陷率越高。缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率缠绕成型防止了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，是产品实现等等强度结构缠绕成型可使增强材料纤维含量高达80%缠绕线性必须满足如下两点要求：纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模外表纤维在芯模外表位置稳定，不打滑缠绕规律：描述纱布均匀稳定连续排布芯模外表，以及芯模与导丝头间运动关系的规律7.环向缠绕：D—芯模直径b—纱片宽a—缠绕角W—纱片螺距W=πDctgαb=πDcosα当缠绕角小于70°时，纱布宽度就要求比芯模直径还大。这也是环向缠绕的缠绕角必须大于70°的原因。一个完整循环的概念：螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维自芯模上某点开始，导丝头经过假设干次往返运动后，又缠回到原来的起始点。这样，在芯模上所完成的一次〔不重复〕布线称为“标准线〞，完成一个标准线缠绕，称为一个完整循环。封头曲面，根据微分几何的克列洛定理，其测地线方程为：Sinα=ro/ra--测地线与封头曲面上子午线夹角r0—封头极孔圆半径r--测地线与交点处平行圆半径缠绕张力制度：纤维是连续地一圈一圈缠绕到芯模或内衬上去的，在缠绕张力作用下，每后缠上去的纤维层都对先缠上去的纤维层产生径向压力，迫使其径向发生压缩变形，从而使内层纤维变松。如果采用恒定的缠绕张力，将会使制品纤维层呈现内径外紧状态，从而使内外层纤维的初应力产生很大的差异，导致纤维不能同时承载。因此将大大降低制品强度和疲劳性能。采用逐层速减的张力制度，虽然后缠上去的纤维层对先缠上去的纤维层仍有削减初张力的作用，但可控制后一层和前一层削减后的张力相同。于是，便可使从内到外的全部缠绕层具有相同初张力，使制品强度和疲劳性能得到提高。第八章纤维缠绕机的开展经历了三个阶段：机械控制缠绕机数字程序控制缠绕机微机控制的纤维缠绕机固化炉的功用和特点:纤维增强热固性塑料在固化过程中需要外供热量。因为随着聚合反响的进行，位阻效应和活化能增高，不加热那么不能使聚合反响进行完全，产品性能就达不到使用要求，此外，也为了加快反响速度，提高生产效率。这种对制品提供热固化环境的加热炉通称固化炉。固