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1、复合材料成型加工技术热固与热塑性复合材料的优缺点热固性复合材料的优点优点：1.初始树脂状态多为液态，易于加工； 2.热固性树脂易于润湿纤维，空洞和空隙较少 ； 3.温度和压力要求较低，较为节能； 4. 加工设备较为简单。 缺点缺点：1. 固化需要时间，加工效率较低；2. 一但固化，构件难以重新成型；3. 损伤容限较低；4. 循环利用困难。热塑性复合材料的优点优点：1.成型周期较短，适于大批量加工；2.在温度和压力作用下可以重新成型；3. 损伤容限较高；4.易于循环利用。 缺点缺点：1.成型设备投资较大；2.需要复杂设备来施加温度和压力。热固性复合材料的成型手糊成型： 手糊成型又称接触成型，采用
2、手工方法将 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。 湿法手糊成型（wet lay-up） 预浸料手糊成型（prepreg lay-up）湿法手糊成型基本步骤： l模具表面涂覆脱模剂； l涂胶衣层（表面层）和/或耐腐蚀涂层； l铺放一层增强层，然后浸渍树脂；或浸渍树脂 后铺放在模具表面； l罗拉均匀树脂层； l铺放另一层增强层； l固化（室温或高温，通常为室温固化）特点设备投资很低； 工艺简单，通用； 成本低； 劳动强度大； 构件品质均匀性较差； 挥发份引起环保问题； 难以加工高纤维含量复合材料； 主要使用UP树脂和玻璃纤维加
3、工复合材 料。真空袋成型手糊成型未固化制品上，将压力施加到制 品表面再进行固化的工艺方法。 真空袋、加压袋和热压罐法真空袋制品毛坯真空袋密封抽真空固化制品2. 特征1）工艺简单，不需要专用设备； 2）压力较小，最大为0.1MPa，只适 用厚度1.5mm以下复合材料制品1. 过程压力袋成型压力为0.250.5MPa真空袋-热压罐成型预浸料成型预浸料成型（prepreg lay-up）基本步骤： l预浸料从冷柜中取出，室温融化； l预浸料剪裁成合适的尺寸和取向； l模具清洗，并涂覆脱模剂； l去除预浸料保护膜，按预定顺序铺层； l加压罗拉去除每一层铺层中的空气； l 施加真空袋； l 放入热压罐；
4、 l 连接真空系统（真空负压和热压罐气体正压）和加热系 统（气体加热和电加热）； l 程序设置固化工艺； l 冷却后，去除真空袋，取出构件。多孔膜多孔织物密实膜多孔膜真空封装系统：透气、隔离、吸胶、透胶系统适合加工高纤维含量（60%）复合材料 简单和复杂构型构件均可以加工 高强度和高刚度复合材料均可以加工 劳动强度大，不适于大量加工 构件成本高 在航空和军事用先进复合材料上用途广泛喷射成型（spray-up process）通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模 具表面，经棍压、固化制得复合材料制件的方 法。 和湿法手糊成型比较类似，不同之处是纤维和 树脂的施加方式不是通过手工，而是通过喷枪
5、 喂入纤维多为玻璃纤维粗纱，粗纱通过喷枪时 被切断成预定长度（10-40mm） 比湿法手糊成型效率高，劳动强度低，复合材 料成本较低 适合中到大批量加工，适合加工强度不高的制 品，包括浴缸、游泳池、船体、家具等制品 可以和手糊成型结合加工夹层结构（织物夹层 ）基本步骤l 模具上涂覆脱模剂； l 涂胶衣层； l 涂表面层（防止纤维穿过表面胶衣层）； l 表面层的固化； l 树脂与填料（碳酸钙、氢氧化铝等）混合并放入储存罐 中； l 树脂、催化剂以及纤维通过喷枪按一定方式喷涂； l 罗拉碾平树脂和纤维，并排除起泡； l 树脂常温或高温固化； l 脱模，修剪，质检。固化多为室温、无压固化 工艺过程比
6、较简单、经济 不适合加工高结构要求（力学性能）的构 件 纤维体积含量和制品厚度难以控制 挥发份难以控制（单模成型） 制品一面光滑，一面较为粗糙 尺寸精确度和工艺重现性不高长丝缠绕成型（filament winding process ）将浸渍树脂的纤维丝束或带，在一定张力 下，按照一定规律缠绕到芯模上，然后加 热或常温下固化成制品的方法。包括：干法缠绕：预浸纱加热软化缠绕湿法缠绕：纤维纱浸胶缠绕半干法缠绕： 纤维纱浸胶烘干缠绕非常适合制作 管状制品，如 压力容器、管 道、火箭发动 机壳体、喷管 、化学品储存 罐等 配合CAD系统 ，可以制作外 形更为复杂的 构件基本步骤l 粗纱线轴放置在粗纱架
7、上； l 几根粗纱从导纱沟中穿过； l 固化剂和树脂在容器中混合后倒入树脂浸渍槽中； l 在卷绕滚筒上涂覆脱模剂、凝胶涂层，并将卷绕滚筒放 置在卷绕设备上； l 浸渍后的粗纱导入到滚筒表面，通过张力控制装置控制 纱线张力； l 滚筒按照预定的方式回转、纱线按照预定的方式横向移 动； l 纤维层缠绕在滚筒上，厚度不断增加； l 达到预定厚度后，表满多余树脂吸出； l 连同滚筒一起将构件移到固化装置中（常温或高温）； l 固化后滚筒退出，或者滚筒和复合材料一起作为构件使 用。特点可以使用长丝，或长丝预浸料；对于某些用途的复合材料，如压力容器和燃料箱 ，长丝缠绕成型是唯一一种得到高性能和低成本 （高
8、性价比）的有效方法；可自动化，可加工大体积复合材料制品；难以加工闭合和凸面结构（除非采用切割方式） ；并不是所有的缠绕角度都能实现（尤其0-15） ；最大纤维体积含量为60%；在整个厚度方向上难以实现均匀的纤维和树脂分 布。拉挤成型（pultrusion process）纤维浸渍后从口模中拉出成型，类似于塑料挤 出，不同之处是拉挤成型是拉而不是挤 生产截面一定的连续复合材料制品 简单、低成本、连续、自动化工艺基本步骤l 纱筒放置在纱架上；l 几根纱线从纱筒上抽取并通过树脂浴；l 固化剂和树脂在容器中混合并倒入树脂浴；l 口模加热到预定温度；l 浸渍后的纱线通过口模并固化；l 拉出构件裁割成一定
9、的长度；l 油漆前的表面处理（内脱模剂的溶剂法去除） 。用于加工截面一 定的空心和实心 结构；管、杆、棒、角 形、工字梁、板 、槽、扶栏、地 板、grating system等特点连续过程，可完全实现自动化； 使用低成本纤维和树脂加工低成本商业化制品 ； 适用于加工恒定截面制品，变截面和复杂外形 制品无法加工； 无法加工内外尺寸公差要求高的制品； 难以加工薄壁制品； 纤维铺层角度多为0o，为改善横向性能，在外 表面或接近外表面采用毡或织物； 承受复杂载荷能力差，承受轴向拉伸载荷能力 强。树脂传递成型（Resin Transfer Molding）简称RTM，先加工复合材料预型件（ prefor
10、m），然后放入模具，合模后注入 液态树脂 用于加工复杂构型的构件基本步骤l 热固性树脂和催化剂分别放入供应站A和B； l 模具上涂覆脱模剂，必要时施加一层凝胶涂层 （改善表面质量）； l 预型件放入模具，之后合模； l 模具加热到预定温度； l 在设定温度和压力下注入树脂和催化剂，有时 为了树脂流动和消除起泡，在模具内部施加一 定的真空度； l 树脂充满模具，关闭真空系统，模具增压； l 树脂固化一定时间后，打开模具。特点l 和模压成型与注射成型相比，初期设备投资较小，尤其 适合于样品加工； l 可以按照尺寸公差设计模具； l 可以加工复杂外形的构件； l 制品表面质量较高，而且内外表面可以不
11、同； l 纤维选择自由度较大（种类、尺寸）； l 纤维含量可以高达65%以上； l 闭模工艺避免挥发份的环境污染； l 制品尺寸和模具尺寸几乎一致，材料浪费较低； l 可以自动化加工； l 树脂在多孔材料中的流动行为需要事先清楚； l 与手糊和喷射成型相比，设备投资较高； l 模具和设备设计比较复杂。真空灌注成型（VARTM）RTM基础上改变而来的工艺 只用一半模具 通过真空系统将树脂注入模具 与湿法手糊成型相比，没有挥发份（苯乙 烯等）的环境污染问题 纤维含量可以高达70%，可加工高性能制 品SCRIMPSeemann Composite Resin Infusion Molding Pro
12、cess 和VARTM类似，属于RTM的变化形式 在注入树脂之前，多了一道纤维压实工序， 更有利于消除空洞结构反应注射成型（SRIM）和RTM类似，不同之处在 于所用的树脂树脂和注射之前 的树脂混合方法树脂混合方法 在RIM基础上发展而来， 结合了RIM和RTM二者的 优势 RIM中不使用任何纤维增 强，仅为树脂反应产物 树脂注射之前成分A和B以非常高的速度（100-200m/s ）注入混合室； 高速射流在混合室产生高压（10-40MPa），而真正的 混合树脂注射时压力只有不足1MPa，以避免高压射流 对纤维的洗脱； 树脂粘度很低，多为多异氰酸酯预聚体（热固性PU）； 树脂交联从高速混合时已经
13、开始，不需要温度启动； 树脂交联反应速度很快，在注射到模腔几秒中后发生凝 胶化，模具温度有助于交联速度的进一步加快； 整个树脂固化过程1-5分钟； 为保证完全固化，树脂配比十分重要，同时高速高压要 求增加了设备成本； 纤维含量不高，通常为40%。在RIM基础上（由于其加工周期短，加工效率高 ，多用于汽车配件加工），发展了RRIM（ reinforced reaction injection molding），在 RRIM中，将玻璃纤维短纤在树脂高速混合之前 加入到其中一个成分中 为保证低的树脂粘度，纤维长度一般在0.5mm 左右 RRIM制品的刚度和抗损伤能力比RIM制品高， 但对结构件来说，
14、还是较弱，RRIM制品多用于 汽车车体辅助件和仪表盘等SRIM材料要求纤维：短纤或长纤维预型件，通常为短纤 维预型件（RTM通常为长纤维预型件） 树脂：PU类低粘度，高反应活性（10- 100cp，RTM用UP和乙烯酯树脂粘度100- 1000cp） 设备：要求比RTM高，投资大模压成型（Compression Molding）将复合材料片材或模塑料放入金属对模中 ，在温度和压力作用下，材料充满模腔， 固化成型，脱模制得产品的方法。模具预热涂刷脱模剂装模压制模压料称量预热脱模后处理检验制品BMC模压 SMC、TMC模压 预浸料模压（层压）（SMC模压）基本步骤根据构件计算用料量 裁片，撕去保护
15、膜 模具预热 材料放入模具 模具以一定速度移动，合模加压 一定固化时间后，模具退回 开模热固性增强塑料注塑成型原料：BMC热塑性增强塑料成型复合材料领域一度是热固性复合材料占据 优势； 1998年热塑性塑料增强复合材料占到25% 左右； 主要成型方法包括注塑、挤出、模压 热固性塑料复合材料成型方法也被用于热 塑性塑料复合材料成型加工中，如手糊、 热压罐、长丝缠绕和拉挤成型等缠绕成型（Tape winding）热固性复合材料称为Filament winding 原料：热塑性预浸料片材（0.005in厚， 0.25-2in宽）、长丝混纤纱（commingled yarn）特点不需要固化，无挥发份释放 可加工厚构件（低放热反应和残余应力） 原材料成本和设备投资比较高 产品质量低于热固性塑料长丝缠绕，螺旋 缠绕时易形成空隙 难以得到均匀的密实程度GMT（Glass Mat Thermoplastic） 模压成型类似于SMC模压，但成型周期大大缩短， 可批量生产模具冷却热塑性复合材料热压（hot press）成型类似于金属冲压成型 原料多为连续纤维单向 复合材料片材 加热到Tg以上并施加压 力Diaphragm Forming Process原料：单向纤维热塑性预浸料片材 加热到Tm以上
