复合材料的成型工艺

1第五章复合材料的成型工艺1、聚合物基复合材料的成型工艺2、金属基复合材料的成型工艺3、陶瓷基复合材料的成型工艺21、聚合物基复合材料的成型工艺聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺主要包括以下两个方面：3一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。4生产中采用的成型工艺(1)手糊成型(2)注射成型(3)真空袋压法成型(4)挤出成型(5)压力袋成型(6)纤维缠绕成型(7)树脂注射和树脂传递成型(8)真空辅助树脂注射成型5(9)连续板材成型(10)拉挤成型(11)离心浇铸成型(12)层压或卷制成型(13)夹层结构成型(14)模压成型(15)热塑性片状模塑料热冲压成型(16)喷射成型6(1)手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：7首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。8然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：9模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图10为了得到良好的脱模效果和理想的制品，同时使用几种脱模剂，可以发挥多种脱模剂的综合性能。11手糊成型工艺优点①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；②设备简单、投资少、设备折旧费低。12③工艺简单；④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。13手糊成型工艺缺点①生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。②产品质量不易控制，性能稳定性不高。③产品力学性能较低。142．模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。15模压成型工艺过程将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。16金属对模准备涂脱模剂膜压成型模塑料、颗粒树脂短纤维固化脱模后处理检验制品加热、加压加热冷却膜压成型工艺流程图17模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。18模压成型工艺缺点模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。19模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。20模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。213.层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。22层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等。复合材料层压板的生产工艺流程如下23层压板的生产工艺流程增强材料热固性树脂浸胶胶布裁剪叠合热压脱模切边产品24层压成型工艺的优点是制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。层压成型工艺的缺点是只能生产板材，且产品的尺寸大小受设备的限制。254．喷射成型工艺将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。26当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。其具体工艺流程图如下：27玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂加热引发剂促进剂静态混合切割喷枪模具喷射成型辊压固化脱模喷射成型工艺流程图28喷射成型对所用原材料有一定要求，例如树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和浸润纤维以及不带静电等。最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。29喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率可提高数倍，劳动强度降低，能够制作大尺寸制品。30用喷射成型方法虽然可以制成复杂形状的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。31利用喷射法可以制作大蓬车车身、船体、广告模型、舞台道具、贮藏箱、建筑构件、机器外罩、容器、安全帽等。325.连续缠绕成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如下图所示：33缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺34利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。35缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。为改善工艺性能和避免损伤纤维，可预先在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者直接使用预浸料。36纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。缠绕达到要求厚度后，根据所选用的树脂类型，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材料制品。37利用纤维缠绕工艺制造压力容器时，一般要求纤维具有较高的强度和模量，容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以及缠绕时不起毛、不断头等。38另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以及容易与固化制品分离等。39常用的芯模材料有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用水溶性高分材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。40连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点，41其次，用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。42连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。43连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。44近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形、方形以及不规则形状容器的成型。456.拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；46其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。47一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。卧式拉挤成型过程原理图制品切割纤维树脂槽挤胶器预成型拉拢热模48拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。49用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。50另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进展。其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。51在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法。热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂，浸渍树脂后在成型模中冷却定型；52混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形状的织物；然后，利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后成为产品。53拉挤成型的优点①生产效率高，易于实现自动化；②制品中增强材料的含量一般为40％--80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；54③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。55拉挤制品的主要应用领域(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零部件等。56(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。57(5)运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)能源开发领域。主要用于太阳能收集器、支架、风力发电机叶片和抽油杆等。(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件等。58目前，随着科学和技术的不断发展，正向着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。597.注射成型工艺注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。60注射成型工艺原理注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。61注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。62在加工过程中，由于熔体混合物的流动会使纤维在树脂基体中的分布有一定的各向异性。如果制品形状比较复杂，则容易出现局部纤维分布不均匀或大量树脂富集区，影响材料的性能。63因此，注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，一般在30％--40％左右。64注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。65按物料在注射腔中熔化方式分类，常用的注射机有按塞式和螺杆式两种。由于按塞式注射机塑化能力较低、塑化均匀性差，注射压力损耗大及注射速度较慢等，已很少生产，现在普遍使用的是往复螺杆式注射机。662、金属基复合材料的成型技术金属基复合材料的制备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响，是金属基复合材料的重要研究内容之一。67金属基复合材料工艺研究内容①金属基体与增强材料的结合和结合方式；②金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；68③增强材料在金属基体中的分布；④防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；⑤优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。69根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：(1)固态法；(2)液态法；(