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1、聚合物基复合材料成型工艺,聚合物基复合材料成型工艺,本章教学目的： 了解复合材料各种成型工艺 掌握常用成型方法（手糊法、层压法、喷射法等） 了解模具及辅助材料 了解复合材料固化成型过程 本章重点难点： 复合材料常用成型方法（需要的常用设备及主要工艺参数；复合材料固化成型过程）,6.1 概述,一、主要工艺过程,第6章 聚合物基复合材料成型工艺,过程,要求,纤维均匀地按设计要求分布在制品各个部分； 树脂适量、均匀地分布在制品各个部位，并适当固化； 尽量减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性； 掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。,聚合物基复合材料的制备大致可以分为4个步骤,聚合物基复合材料
2、的工艺特点 （1） 材料的形成与制品的成型是同时完成的 该特点可实现大型制品一次整体成型，简化制品结构，并且减少组分零件和联接零件的数量，因而减轻制片质量，降低工艺消耗和提高结构件使用性能 （2） 复合材料的成型比较方便 复合材料基体及增强材料的特点，可使得一些复合材料用廉价简易设备和模具，不用加热和加工工艺的方法，由原材料直接成型出大尺寸的制品。 一种复合材料可以采用多种方法成型，选择成型方法可根据制品结构的特点、用途、生产量、成本以及生产条件的综合资料考虑，选择最经济和最简便的成型工艺,复合材料制件的设计过程,根据制品的要求选材（F、M),根据单向性能铺层设计,根据材料的工艺性选择成型方法
3、,工装模具设计,成型工艺实验,二、成型工艺种类,手糊成型 真空袋压法成型 压力袋成型 树脂注射和树脂传递成型 喷射成型 层压成型 模压成型 缠绕成型 热压罐成型,三、成型工艺的选择,产品外形构造和尺寸大小 材料性能和产品质量要求 生产批量大小及供应时间要求 企业可能提供的设备条件及资金 综合经济效益，保证企业盈利,6.2 各种成型工艺方法简介,一、定义,第6章 聚合物基复合材料成型工艺,手糊成型又称接触成型，采用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。,手糊成型工艺,工艺流程,1) 脱模剂、胶衣和纤维布,2) 倒树脂并赶
4、匀。,3) 重复纤维布和树脂过程。,4) 固化,手糊成型工艺示意图,特点,优点：,不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大，批量 小，形状复杂产品的生产。 设备简单，投资少，设备折旧费低。 工艺简单。 容易满足产品设计要求。 制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。,缺点：,生产效率低，劳动强度大，卫生条件差。 产品质量不易控制，性能稳定性不高。 产品力学性能较低。,二、原材料选择,1. 增强材料,无捻粗纱布（方格布）：0.10.8mm 变形性好，易被树脂浸透，易排除气泡，增厚效率高。 加捻布（平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布）0.050.6mm 表面平整、气密性好；价格贵、不易浸透树脂、增厚效果差 玻璃布带；
5、短切纤维；表面毡； 短切毡 树脂浸透性好，气泡容易排除，变形性好，施工方便，制品含胶量高6080%，防渗效果好。,2. 树脂,1）要求,粘度适宜，0.20.8Pa.S，对玻纤有良好浸润性； 在室温下凝胶、固化，并且无低分子物产生； 无毒或低毒； 价格便宜，来源广泛。,2）常用树脂：不饱和聚酯、环氧树脂,3）辅助材料,稀释剂 填料（降低成本，提高性能） 触变剂（适用垂直面施工，活性SiO2） 颜料（一般选用无机颜料，有机颜料影响固化）,1. 原材料准备,三、手糊工艺过程,1）胶液配制,胶液工艺性：胶液粘度、凝胶时间 手糊工艺进行前，必须进行胶液凝胶时间试验。要使凝胶时间大于或等于所配胶液施工时间
6、，否则手糊不能顺利进行。,不饱和树脂配方（质量份） 树脂：100份；过氧化甲乙酮：2份（引发剂）； 萘酸钴苯乙烯溶液：14份（促进剂，加入量与环境温度有关）,2）增强材料准备,玻纤布裁剪：,圆环形制品,玻布沿径向45剪裁,2）增强材料准备,玻纤布裁剪：,圆锥形制品,玻布裁成扇形,玻纤布裁剪,圆环形制品,圆锥形制品,玻布沿径向45剪裁,玻布裁成扇形,布的拼接,对接（表面质量要求高的产品）,搭接,3）胶衣糊准备,可选用专用胶衣糊制作表面层，提高表面层质量（外观、性能）,2. 糊制,1）表面层（胶衣层、富树脂层）,厚度：0.250.5mm，或300500g/m2 涂刷（二遍，互相垂直）：喷涂 表面毡
7、（材料）,2）增强层,材料：玻璃布或短切毡,拼接,对接（注意对接缝错开）,搭接,二次固化拼接（d7mm,固化发热量太大，制品易变形或分层）,特殊处理,弯角或凹凸处：玻布剪开，压平,直角：先填触变树脂，然后糊制,凸字：先用树脂浇注，然后糊制,3. 固化（凝胶-定型-熟化）,固化方式,常温固化：温度15 （2530）；湿度80% （1530，824h）,加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外线加热 （6080，12h）,固化度,丙酮萃取法,硬度法（巴氏硬度） 15,4. 脱模：气脱、顶脱、水脱,5. 后处理,修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔,装配：机械连接、胶接,表面涂饰,1. 胶衣
8、起皱、龟裂、变色,四、手糊制品缺陷及原因,原因：,起皱,胶衣层太薄；固化剂不足；气温太低； 胶衣层厚度不均；胶衣层固化不足,龟裂,胶衣层太厚；固化时热量过大； 固化剂用量过多；,变色,固化剂用量过多；胶衣流挂； 颜色分离；胶衣层厚度不均,2. 制品收缩,原因：,拐角处圆弧半径过小； 脱模剂用量太多； 制品局部厚度过大； 胶衣层厚度不均，后固化加热不均,3. 制品翘曲和变形,原因：,固化剂用量过大 制品太薄； 制品厚度不均匀或不对称； 树脂集聚； 脱模太早，树脂固化度不够； 后处理过早或温度不均,符合制品尺寸、精度、外观要求 足够的刚度、强度、热稳定性 较小的热容量，有效利用热能；与制品热膨胀系
9、数匹配 质量轻，便于搬运，维护方便,一、模具基本要求,模具与辅助材料,木材；石膏；水泥；石蜡； 泡沫塑料（不脱模内芯）； 可溶性盐（AlPO4（6070%）+NaCO3 （3040%） + NaBO2 （58%） ），80溶于水； 低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ； 玻璃钢 金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）,二、模具材料,单模,三、模具结构形式,阴模（制品外表面光洁）,阳模（制品内表面光洁）,对合模,制品双面光洁,拼装模（组合模）,大型模具，由小块模具拼装而成,a.阴模示意图,b.阳模示意图,c.对模示意图,1. 脱模剂,四、辅助材料,油脂类：硅酯、黄油、凡士林、
10、石蜡,溶液类：聚乙烯醇（乙醇水溶液）,薄膜类：PVC、PE、PA,脱模剂要求：,不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小； 成膜时间短，成膜均匀、光滑； 使用温度高于树脂固化温度； 操作简便，使用安全，价格便宜,2. 隔离材料（保护复合材料不受污染）： PVC、PA薄膜,3. 透气材料、吸胶材料：玻璃布、吸胶纸、吸胶毡,4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带,图4-5 手糊玻璃钢制品举例,袋压成型,优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好的制件，也能制造夹层结构件,1. 过程,一、真空袋成型,2. 特征,1）工艺简单，不需要专用设备； 2）压力
11、较小，最大为0.1MPa，只适用厚度1.5mm以下复合材料制品,制品：大尺寸产品的成型，如船体、浴缸及小型飞机部件,X-39机翼,低成本树脂（LTM)基体材料:指在130-150下固化，特别是能在0.1MPa即真空压力下固化。,二、压力袋成型,压力为0.250.5MPa,制品：薄蒙皮、蜂窝夹层结构件,三、真空袋-热压罐成型,1. 热压罐组成,罐体、真空泵、 压气机、储气罐、 控制柜,用于先进复合材料结构,2. 工艺过程,3. 真空封装材料铺叠顺序,构成隔离、透胶、吸胶、透气系统,真空封装材料的铺层顺序,加压作用：压实预浸料，制备结构均匀、致密复合材料 加压时机：粘流态与高弹态区间 加压太早：树
12、脂流失过多 加压太迟：树脂已进入高弹态，树脂结构不致密,3. 真空封装材料铺叠顺序,流动模型：树脂流动特性 热化学模型：树脂体系吸热、放热过程 空隙模型：成型缺陷 内应力模型：收缩应力、热应力,3. 真空封装材料铺叠顺序,专家系统：控制热压罐成型工艺过程,固化模型,4. 工艺参数,固化温度、时间：取决于树脂体系和制件厚度； 升温速率 固化压力：排除过剩树脂，使制件密实； 加压时机 真空度：排除夹杂空气和挥发物,1. 定义,模压成型,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。,2. 特点,生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，产品无需二
13、次加工，易于机械化、自动化； 模具设计制造复杂，压机及模具投资高，产品尺寸受设备限制，只适于大批量中小型制品。,3. 工艺流程,1）模压料估算,r：制品密度 V：体积 a:物料损失系数(3%5%),2）确定工艺参数,A. 温度,装模温度：取决于模压料品种，制品结构和生产效 率（快速成型80以上，一般室温90 ） 升温速度：10 /h 30 /h,最高模压温度,固化温度（温度过低，固化不完全；过高，局部固化，中间固化不良）,保温时间,固化反应时间不稳定，导热时间,B. 压力,作用：克服模压料之间以及与模腔间的摩擦，物料充 满模腔；压紧制品，保证形状和尺寸 加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前
14、a. 凭经验（树脂拉丝）；b. 树脂凝胶温度；c. 气体释放量 放气充模（加压、卸压、反复几次）,3）预热和预成型,预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固化时间，降低成型压力； 预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外 60100，30min C. 预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生产效率及制品性能,一、 工艺流程,层压成型,1）胶布裁剪（下料）,连续切割，手工裁剪，d9mm厚板，胶布纬向比横板窄510%,2）配叠（排版或配布）,每块板料两面各放23张面层胶布 胶布挥发分7%，否则干燥处理 d9mm 厚板，中间可夹配表角料、碎布，但不超过总量10%,确定配料量,按质量
15、法下料,按层数下料：预先确定1mm板材所需胶布张数，据此估算,F-面积；H-厚度； r：密度；a-物料损失系数,H5mm,r=0.020.03; H9mm,r=0.030.08,3）组合,叠合体=铁板+衬纸+单面钢板+板料+双面钢板+板料+双面钢板+板料+单面钢板+衬纸+铁板 一个叠合体510块板，一次可压制710个叠合体 组合原则：厚板放二侧，薄板料放中间；薄板料放二侧，后板料放中间；H20mm，单独压制 衬垫材料（衬纸、石棉布）：传热、传压均匀；多次使用后变脆，应更换,4）热压,预热预压：树脂熔化，除去挥发份；树脂浸渍玻璃布， 逐步固化至凝胶态 （板坯流胶，但不能拉丝时，预压结束） 热压：
16、施加最高压力并保温27min/mm,5）冷却脱模： 通冷却水并保持，t50，除去压力，取出板材,6）后处理： 后固化，烘箱，120130，120150min,二、 工艺参数,1）成型压力：压力大小、加压次数、加压时机 压力大小因素：胶布特性，板料厚度，升温速度,2）成型温度,预热阶段（最高温度为凝胶温度） 中间保温阶段（初步固化），板料浸润、密度 升温阶段（最高温度为固化温度） 加压保温阶段（充分固化） 冷却阶段（t50）,3）成型时间（预压、热压、冷却时间之和） 因素：树脂固化速度，层压板厚度，压制温度,1. 过程,短纤维沉积预成型法,将短纤维预先制成与制品形状相似的疏松毡状毛坯，然后再浸渍胶液，经压紧固化而得到复合材料制品,2. 方法,纤维吸
