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1、复合材料制备新技术 复合材料热压罐成型技术,主讲：梅启林 单位：材料学院,一、前言,热压罐： 航空复合材料制品的主要生产设备，具有整体加热系统的大型压力容器。 优点： （1）大范围内适应各种材料对加工条件的要求 高温环氧175oC，600KPa 聚酰亚胺300400oC， 1MPa （2）加压灵活性强，均匀 缺点： （1）尺寸、温度、压力要求高，结构复杂，制造成本昂贵 小型：D1m，L2m，10万美元， 大型 ：100万美元 （2）升温、加压速度慢，温度控制精度小,二、预浸料,概念 纤维浸渍树脂后形成的片状材料。 热压罐成型的主要原材料 半成品 特点 铺层设计 调整纤维角度、单层厚度、层数 设
2、计力学、理化性能 组成、质量 决定制品性能 预浸料的制备 （1）湿法：溶液浸渍法 （2）干法：热融浸渍法 Ws=t/d Ws-预浸料单位面积纤维质量（g/cm2) t-丝束纤度（tex，即g/103m) d-预浸料纤维间距（10-3m）,预浸料的制备,溶液浸渍法（辊筒缠绕法、连续排铺法） （1）辊筒缠绕法 特点： 间歇性、设备简单、生产效率低、批量小 实验室或小批量生产 工作原理： 一系列变速机构-调节辊筒转动、导丝辊丝杠横向移动速度比-纤维间距 工艺参数： 纤维状态（单丝根数、总纤度、捻度等-影响浸渍程度和含胶量） 胶液浓度（影响含胶量最严重的因素-调节胶液密度、温度来控制） 牵引速度 高-
3、浸渍时间短，浸渍程度低和含胶量低 低-浸渍充分和含胶量高，效率低 纤维张力（高-含胶量低，影响外观）,预浸料的制备,（2）连续排铺法 特点： 连续性、效率高、适合大规模生产 基本过程： 若干丝束-整经分丝-浸胶-挤胶-烘干-垫隔离纸-压实-收卷 工艺参数： 胶液浓度 浸渍时间 -影响浸渍程度主要因素 牵引速度 挤压辊间隙-控制含胶量关键部件 烘干温度、时间-（目的-除去挥发分，初步固化（调节粘性）,热融浸渍法制备预浸料,特点： 不使用溶剂，预浸料挥发分低，降低环境污染和人体危害 产品空隙率小，力学性能好 外观好，树脂含量控制精度高 节省了溶剂成本 熔融直接浸渍法 胶膜法 对树脂的要求： （1）
4、能在成膜温度下形成稳定胶膜 （2）具有一定粘性，便于预浸料铺贴 （3）熔融时最低粘度不能太高，便于浸渍 主要工艺过程 （1）均匀稳定树脂膜的制备-关键 （2）树脂熔融浸渍纤维 （3）预浸料冷却 （4）预浸料收卷,预浸料的性能,外观 物理性能 （1）单位面积纤维的质量（GB7192-87） （2）树脂含量（GB7192-87） （3）挥发分含量（GB6056-85） （4）粘性（表征预浸料铺覆性和层间粘合性的指标） （5）流动度（一定条件下，预浸料树脂可流出的数量占预浸料质量的百分比，GB5260-85） （6）凝胶时间（GB5259-85） 化学性能 化学成分（红外光谱GB5416-88） 反
5、应热焓（DSC，Q/6S 975-91）,三、热压罐系统的结构与成型模具,热压罐系统的结构 (中温低压120oCx0.275MPa-高温高压760oCx69MPa) （1）压力容器 绝热层由内向外:镀铝钢板、陶瓷纤维、压力容器结构层 绝热层-防止热量外散，减少能量损失 镀铝钢板-防止热辐射损失 -防止热气体窜入陶瓷纤维层 （2）加热与气体循环系统 加热方式： 间接气体点火-常用方式 热油（联苯400oC，硅油425oC）-可燃-潜在危险 蒸汽加热-150oC180oC-温度低，使用少 电加热-（适用直径小于2米）-运营成本高 气体循环系统（保证温度场的均匀性） 最佳气流速度：1m/s 太高-撕
6、开真空袋 太低-温度不均匀,三、热压罐系统的结构与成型模具,（3）气体加压系统 常用压缩气体： 空气：0.7.0MPa,温度上限120oC-低成本、但助燃,150oC以上使用危险 氮气（液氮）：最常用，1.4.55MPa-抑制燃烧、易于分散到空气中 -成本高 二氧化碳（液态）：2.05MPa-密度大，对人体有害 -不易分散到空气中 （4）真空系统 最重要的辅助系统 水封型真空泵最可靠，油泵易被固化挥发分副产物腐蚀 （5）控制系统 对固化工艺进行监控-使工艺参数合理化、降低成本 计算机控制系统应同时安装微处理控制器，以防计算机控制系统失灵 （6）其它辅助系统 冷却系统、装卸系统等,三、热压罐系统
7、的结构与成型模具,成型模具 要求： （1）在成型温度和压力下保持适当的性能 （2）成本、寿命、精度、强度、质量、机加工性、热膨胀系数、尺寸稳定性、表面处理及热导率等 模具材料类别： （1）室温至中温：树脂基复合材料 （2）低温至高温：金属材料 （3）超高温：陶瓷和石墨材料,三、热压罐系统的结构与成型模具,铝、钢、殷钢模具 良好的表面处理性能、可多次重复使用-应用最广 殷钢硬度与钢相似，热膨胀系数比钢和铝更小-理想模具材料 铝：软、热膨胀系数大、但密度小，易搬动，机加工性较殷钢好 热膨胀系数（铝26.2,钢13.2 (C),17.8(NI),铸铁11.1,殷钢0.28,金属-陶瓷7.2,聚酰胺4
8、.68) 电成型镍 采用电镀工艺将镍沉积到母模(石膏) 表面光洁、耐磨、易修补、脱模好，但成本高 碳纤维增强环氧复合材料模具 热膨胀与复合材料相似 表面光洁、 轻质、易加工 使用温度不能高于其玻璃化温度，耐压低、耐用性、耐划伤性等不及金属,三、热压罐系统的结构与成型模具,膨胀橡胶模具 原理：利用橡胶受热过程的膨胀可控性，提供复合材料固化所需压力 作用：强化成型压力或传递压力 优点：可塑性成型、膨胀可控、均衡压力等 缺点：寿命短、导热性差等 石墨及陶瓷模具 石墨模具： 优点：热膨胀系数低、质轻、易制造、导热性好，使用温度高达2000oC 缺点：易脆、重复使用次数小于10次 陶瓷模具： 适用成型耐
9、高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料等,四、固化成型工艺流程,工艺辅助材料 （1）真空袋材料与密封胶条 100oC以下-PE薄膜 200oC以下-改性尼龙薄膜 耐高温聚酰亚胺、热塑性树脂基复合材料成型-耐高温聚酰亚胺薄膜 （2）有空或无空隔离薄膜 作用：防止粘模 PTFE、改性氟塑料薄膜 （3）吸胶材料 吸收多余树脂，控制、调节纤维体积含量 玻璃布、滤纸、各种纤维非织布、 200oC以下-多、廉价-涤纶非织造布 （4）透气材料 疏导真空袋内气体。厚涤纶非织造布，高温200oC用玻璃布 （5）脱模布 让多余树和挥发分通过并进入吸胶层；防止粘模 一般采用0.1mmPTFE玻璃布 （6）周边挡条-橡胶
10、,四、固化成型工艺流程,成型工艺流程 模具准备-裁减与铺叠-组合与装袋-固化与出罐脱模-检测-修整-二次成型-装配,五、热压罐成型工艺的仿真模拟,热压罐固化成型过程中发生的主要物理化学变化： （1）促进树脂流动，确保浸渍充分，和预浸料准确到位 （2）纤维网络压实，实现纤维体积含量最大化 （3）合适的压力以抑制基体中空隙的形成 （4）合适的成型温度保证固化充分 成型过程的数值仿真模拟 （1）树脂流动 （2）纤维变形 （3）纤维压实 （4）空隙形成 （5）固化工艺优化热传导,六、热压罐成型技术的应用,六、热压罐成型技术的应用,六、热压罐成型技术的应用,六、热压罐成型技术的应用,Thanks for your attention！,
