第7章 复合材料的成型加工技术

第7章复合材料的成型加工技术

§7.1概述§7.2层压成型§7.3模压成型§7.4缠绕成型§7.5手糊成型§7.6其它成型

7.1概述

高分子复合材料是指有聚合物和各种填充材料或增强材料所组成的多相复合体。

复合材料制品较多的是指在热固性树脂中加有纤维增强材料所制得的增强塑料制品，也有纤维材料加入热塑性树脂中而得到的增强塑料制品。

增强塑料性能优越：

1.密度低、比强度高；

2.绝热性好；

3.耐化学腐蚀性强；

4.介电性能优良。

当然，增强塑料也存在不足之处：弹性模量低、受力时有较大变形、表面硬度低、耐温性能差、容易老化等。

增强塑料的基本组成

增强材料：常用的底材有纸张、棉布、木材薄片、玻璃布或玻璃毡、石棉毡和石棉纸、合成纤维的织物以及碳纤维及陶瓷纤维等，增强材料如纤维、片状无机物。

树脂：所用的树脂大部分为热固性的，如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、DAP等。

填料：另外为了改善性能及降低成本还可以加入碳酸钙、滑石粉以及氧化铝等。

一、复合材料用的树脂

树脂的作用:

①把不连续的基材粘接起来，从而使复合材料成为具有一定物理性能的整体。

②使纤维材料不致发生屈曲变形，如细度6-8微米玻璃纤维，受压时是不稳定的，由于自重而发生屈曲。但是复合材料中，由于树脂的支撑作用而阻止了纤维的屈曲，使纤维在受压时仍有一定的强度。

③保护纤维填料不受外界介质的侵蚀和腐蚀，从而有利于发挥纤维的优良性能。

对树脂性能的要求：

①树脂对增强材料应有良好黏附能力和润湿能力。

②树脂本身要有良好的物理力学性能。

③树脂固化时的收缩率应小，从而在复合材料中不致引起太多的微裂纹。

④树脂应具有良好的工艺性能。

常用树脂:

层压塑料制品常用树脂有：酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、氨基树脂等，此外也有少数其它品种树脂，如DAP树脂、二苯醚甲醛树脂、芳烷基醚甲醛树脂、糠醛丙酮树脂、聚酰亚胺树脂等。

1、聚酯树脂

优点：优越电性能、透明性、抗水、酸性。

缺点：耐热性差、表面不光滑（增强用纤丝在表面突出、露纤）

2、环氧树脂：用酸酐/胺类固化剂

优点：对各种增强物的粘接性都很好、脱模困难.

3、酚醛树脂：

优点：成本低，强度好，抗湿、抗化学腐蚀好，耐热性好。

缺点：颜色深，需预浸，固化中有挥发性物质放出，需高压成型。

4、有机硅树脂常用于对制品电性能、强度和耐热性要求较高的场合，因成本较高，应用上受到一定的限制。

5、三聚氰胺甲醛树脂这种树脂在成型中与酚醛树脂有很多相同之处，也就是必须经过预浸，固化中有挥发性物质放出。优越的抗电弧性、上色的范围广、硬度高、耐磨性好、耐热性高等。

二、增强材料及其表面处理

（一）玻璃纤维及其织物

1、玻璃纤维：是由玻璃高温拉丝制成，其强度高于块状玻璃。

主要成份：铝硅硼酸盐和钙钠硅酸盐。

２、玻璃纤维及其织物的制造

１）玻璃纤维的制造工艺

玻璃球→坩锅→熔化→流出→牵伸→喷浆料（润滑、耐磨、保护）→卷取

２）玻璃纤维织物的制造

用纺织方法将玻璃纤维制成各种玻璃纤维织物

各种玻璃纤维织物或制品的性能：

A、玻璃绳：许多玻璃纱加捻绞紧而成，强度很高，常用于增强塑料的局部，加捻可以提高纤维面抱合力，因而改善纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。

B、玻璃布：平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布。

C、玻璃布带：主要用于缠绕管道、接头等增强塑料制品。

D、无捻粗纱：主要用于缠绕高压容器和管道。

E、无捻粗纱布：容易浸透树脂铺覆性能好，适用于手糊成型制造船艇、汽车车身和大型容器等，也用于层压制品。

F、短切纤维：主要用于制造模压用的干混料或湿浆料、热塑性复合塑料以及吸附成型工艺等

G、短切纤维毡：主要用于手糊成型和模压成型，生产平面或曲率不大的制品。

H、表面毡：厚度约为0.3～0.38mm，可以覆盖制品，掩盖玻璃纤维，使制品表面光滑，常用于手糊成型。

I、连续玻璃纤维毡：主要用于压制绝缘板和缠绕绝缘管等。

增强作用和胶接作用

为使增强物（如玻璃纤维）能在复合材料中实现增强作用，它与树脂之间必须具有良好的胶接。

最好的胶接是使两者在界面处产生化学键的结合，工程上是用一种既能与增强物、又能与树脂发生化学反应的偶联剂来完成。

为增进胶接作用还应该考虑树脂对增强物的润湿能力，也就是两者接触时所能发生的紧密程度。

３、表面处理方法：

A、洗涤法：用有机溶液洗除玻璃纤维／织物表面上的浆料。

溶剂：三氯乙烯、汽油、丙酮、甲苯、二氯乙烷。

B、热处理法：高温除去玻璃纤维／其织物表面上的浆料。

连续处理：连续热处理炉温度可取300℃－450℃，３min－6min。

间歇式处理：温度偏低而时间长，可采取280℃和15－25min。

C、化学处理法：

1、后处理：

玻璃纤维／织物→热处理（浆料留量<1%）→偶联剂处理→水洗→烘干。纤维表面有一层偶联剂，最通用的方法。

2、前处理法：将偶联剂加在浆料中，以便偶联剂在拢丝过程中就附在玻璃纤维的表面上

3、迁移法：方法将偶联剂按一定等例直接加到树脂中，再经过浸胶涂覆使其与玻璃纤维/织物发生作用。

（二）其它新型纤维材料

1、耐高温的玻璃纤维：石英纤维（光纤）、高硅氧玻纤

2、高强度玻纤和高模量玻纤

3、碳纤维

4、硼纤维

5、碳化硅纤维、碳化硼纤维

6、晶须

7、芳纶纤维

（三）其它增强材料

1、木材

２、纸张和纸板

３、石棉

４、棉布

５、合成纤维和麻纤维一、层压成型

层压成型是将多层附胶底材叠合并送入到热压机中，在一定的温度和压力下，经过一定的时间压制成塑料制品。包括浸渍和成型两步。这种方法是比较成熟的，得到的制品质量好，性能比较稳定，缺点是间歇式生产，且产品尺寸受热板规格所限制。层压成型采用的增强物主要是棉布、玻璃布、纸张、石棉布等片状材料。选用的树脂大多是酚醛树脂和环氧酚醛树脂。如印刷电路版用的覆铜层压板

7.2高压成型

高压成型可分为层压成型、管材和棒材的成型以及模压成型。1.浸渍2.板材的成型板材成型工艺过程分为叠料、进模、热压、出模、加工和热处理等。

(1)叠料

首先对所用附胶材料进行选择，选用的附胶材料应是浸渍均匀、无杂质。树脂含量符合要求，而且树脂的硬化程度（即达到部分固化状态，有一定的粘度）也应达到规定的范围。接着是剪裁与叠层，即将附胶底材按制品的预定尺寸(长度均比制品要求的尺寸大出70～80毫米)，裁成片并按预定的方向叠成板坯。制品的厚度初看是决定于板坯所用附胶材料的张数，但是由于附胶材料质量的变化，往往不容易准确。因此一般采用张数和重量相结合的方法来确定制品的厚度。

将附胶材料叠成片时，其排列方向可按同一方向排列，也可以按互相垂直排列。用前一种排列方向，制品性能各向异性，用后一种排列，制品性能各向同性。

叠好的板坯应按下列顺序集合成压制单元：金属板－衬纸－单面钢板－板坯－双面钢板－板坯－双面钢板－板坯－单面钢板－衬纸－金属板。

金属板为普通钢板，也有用合金铝板的，但表面应力求平整、光滑。

(2)进模

将装好的压制单元分层推入多层压机的热板中去，再检查一下扳坯在热板中的位置是否合适，然后闭合压机，开始升温升压进行压制。(3)热压

开始热压时，温度与压力均不宜太高，否则树脂易流失温度和压力是根据树脂的特性用实验方法确定的，压制温度控制一般分为5个阶段。

１)预热阶段

温度是指从室温到固化反应开始的温度。预热阶段中，树脂发生熔化，并进一步浸透底材，同时还排除了一部分挥发物。施加的压力为全压的1／3-1／2。

2)保温阶段

使树脂在较低的反应速度下进行固化反应，直到板坯边缘流出的树脂不能拉成丝时为止。

3)升温阶段

这一阶段是自固化开始的温度升到压制规定的最高温度，升温不宜太快，否则会使固化反应速度加快而引起成品分层或产生裂纹。

4)恒温阶段

当温度升到规定的最高值后保持恒定的阶段。这一阶段的作用是保证树脂充分固化，而使制品性能达到最佳值。保温时间取决于树脂的类型、品种和制品的厚度。

5)冷却阶段

即当板坯中树脂已充分固化后进行降温准备脱模的阶段。降温可以在热板中通冷却水，也可以自然冷却。降温冷却应在保持压力的情况下直到冷却完毕。

五个阶段中温度与时间的变化如图所示．

(4)脱模

当压制好的板材温度已降到60℃时，即可依次推出压制单元，并取出产品。

(5)后加工

加工的目的是去除压制板材的毛边。一般在3毫米以下的板材用剪裁机，大于3毫米以上的板材用锯扳机进行。

(6)热处理

热处理是使树脂充分固化的补加措施，目的是提高制品的力学强度、预热性和电性能。热处理的温度应根据树脂的类型不同而异。二、管材和棒材的制造制造管材和棒材也是以干燥的附胶材料为原料的。使用的附胶片材材料主要是酚醛树脂或酚醛环氧树脂浸渍的平纹玻璃布或纸张，只有在个别情况下才能使用浸有相同树脂的棉布或木材原片。管材和棒材都是用卷绕方法先成型出管坯或棒坯，然后再在一定温度下预固化和固化。三、模型制品的压制其本质上是压制或模塑成型，不同的是以附胶片材作为原料（第4章的压制或模塑成型是用模塑粉或粒料为原料）。由于附胶片材中的增强材料在压制中很难流动，因此须先将附胶片材用剪裁、叠合，制成型坯，放入模腔中进行热压。

压制制品的种类有：滑轮、齿轮、阀件、纱管芯、轴瓦和轴衬等。

7.3模压成型

一、块状模塑料（BMC）模压成型二、片状模塑料（SMC）模压成型

7.4缠绕成型

缠绕成型是用浸有树脂的纤维或织物，在相当于制品形状的芯模上作规律性的缠绕，然后再加热硬化并脱模取得制品的一种成型方法。这咱方法只适于制造圆柱形和球形等回转体。与“蚕茧”的成型有类似之处如大型储罐、化工容器、飞机整流罩、火剪的壳体等

一、缠绕机

1、卧式缠绕机

2、立式缠绕机二、缠绕规律

1、纵向平面缠绕

2、环向平面缠绕

3、螺旋缠绕三、内衬

1、铝内衬由筒身、封头、接嘴、接尾四部分组成

2、橡胶内衬具有气密性好、弹性好、耐疲劳性好、制造工艺简单等优点。要用到芯模。四、芯模

1、不可卸式金属芯模

2、金属可卸式芯模

3、可敲碎式芯模

4、橡胶袋芯模

5、组合芯模五、玻璃增强塑料内压容器的制造工艺

1、材料的选择缠绕工艺中所用的原材料主要有玻璃纤维和树脂两大类。

2、缠绕工艺（1）干法成型（2）湿法成型（3）工艺参数

①缠绕张力②硬化③纤维的烘干和热处理

六、缠绕成型玻璃钢化工设备

1、概述

缠绕法制得的化工设备比强度高（可超过钛合金），这是由于可根据制品的受力情况，合理设什缠绕规律，所以本法适宜于制造大型化工贮罐、铁路槽车、受压容器等。

原料增强材料主要为无碱无捻玻璃纤维纱，单纤维直径为6～8微米，股数由10～60不等。

树脂胶液的选择视制品应用范围而定。某种受压容器的树脂胶液为7份双酚A型环氧树脂（牌号为E－42或E－44）掺入3份616＃酚醛材脂（按纯树脂计）制成，稀释剂用丙酮，用量大约为树脂固体总量的30％。

2、生产工艺

（1）玻璃纤维纱或带的表面处理处理操作常包括80℃的脱蜡处理和用化学偶联剂浸涂处理。最常用的偶联剂为KH－550等硅烷类偶联剂。

（2）胶液配制按配方在常温下进行，控制胶液粘度及浓度。

（3）浸胶一般在卧式浸胶槽中浸渍后于130℃左右烘干，所得浸胶材料若不经干燥直接用于缠绕则称湿法，经干燥后再缠绕者称为干法。浸胶材料的含胶量为40％～50％，挥发份为5%～7％。可溶性物质含量＞99％，固化度＜l％。

（4）缠绕缠绕时要求一定温度，如60士5℃，缠绕线速度约25m／min、缠绕时的张力大小对制品质量有明显影响，因此要严格控制，例如对120股纱的浸胶材料，其缠绕起始张力，环向不低于98N，纵向不低于78N；每二层，环向递减9.8N，纵向递减4.9N。缠绕操作中，浸胶材料的排布轨迹应根据所制化工设备或其他制品的性能要求进行专门的设计。（5）固化缠绕完毕要进一步加热固化，具体加热温度随胶液种类不同而有所不同。

（6）主要生产设备

浸胶干燥机、缠绕机，均为非定型设备

7.5低压成型

主要有接触法和袋压法。

一、接触成型接触成型又称为涂敷、裱糊或手糊成型其工艺过程是：在预先涂好脱模剂的模具上，将附胶片材用树脂连铺带涂并一层层地贴上。每贴一层，均应将其中空气排出。铺到所需厚度时，即进行硬化处理。硬化完毕后，经适当修理，即可得到制品。如游艇、游乐设施等产品的生产。

1、成型中采用的主要设备和材料（1）模具模具结构的设计和选用的材质都会对成型工艺、制品质量和成本产生影响。模具结构形式可分为阳模、阴模、对模三种。其结构形式如下页：（2）脱模剂常用的脱模剂可分为三大类：薄膜型、溶液型和油蜡型。（3）树脂和辅助材料主要是环氧树脂和不饱和树脂。采用的辅助材料有稀释剂、填料、固化催化剂和色料等。（4）增强材料适合于接触成型的增强材料有玻璃布、无捻粗纱方格布和玻璃毡等。

2.接触成型工艺（1）玻璃布的准备（2）模具的准备（3）浸渍液的配制与准备（4）糊制手工糊制时要求操作者准确迅速，含胶量严格控制，并将气泡及时排除。（5）硬化及热处理（6）脱模及后加工二、袋压法袋压法与接触法相似，不同的只是在硬化过程中须对已铺叠物施加压力。施加的压力是靠橡皮袋抽真空或加压来实现的。由于施有压力，使树脂能够充分浸渍，从而取得实心和强度高的制品。