環(huán)氧樹脂復合材料成型工藝

1、環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料的成型工藝環(huán)氧樹脂(EP)/碳纖維(CF)復合材料是CF增強復合材料的一個重要分支。近年來，隨著人們對EP/CF復合材料認識的不斷深入，其優(yōu)異的性能不斷凸現(xiàn)，促使其用量不斷上升。20世紀70年代以前，EP/CF復合材料被視為昂貴的材料，價格約為玻璃纖維(GF)增強復合材料的10倍，只用于軍工、宇航等尖端技術(shù)行業(yè)。20世紀80年代以后，CF工業(yè)和EP工業(yè)迅速發(fā)展，EP/CF復合技術(shù)不斷進步，加入到EP中的CF比例不斷上升，目前CF的體積分數(shù)已可達60%以上，使EP/CF復合材料的質(zhì)量提高而價格下降，拓寬了其應用領域，進一步促進了EP/CF復合材料的發(fā)展。1 CF及其EP復

2、合材料的基本特點1.1 CF的特點和基本成分CF主要是由碳元素組成，其含碳量一般在90%以上。CP具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，與一般碳素材料不同的是，其各向異性顯著，柔軟，可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強度。制備CF的主要原材料有人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維和瀝青等。通常制備高強度、高模量CF多選用PAN為原料。制備CF需經(jīng)過拉絲、牽伸、穩(wěn)定、炭化、石墨化5個階段。1.2 EP基體的作用EP具有優(yōu)良的加工性能和力學性能，其固化收縮率低，粘結(jié)性能優(yōu)異。復合材料中EP的主要作用是把CF粘在一起，分配CF間的載荷，保護CF不受環(huán)境影響。1.3 EP/CF復合

3、材料的特性EP/CF復合材料的特性主要取決于CF、EP及EP與CF之間的粘結(jié)特性。EP/CF復合材料具有優(yōu)異的性能，與鋼相比，EP/CF復合材料的比強度為鋼的4.8-7.2倍，比模量為鋼的3.1-4.2倍，疲勞強度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，而且高溫性能好，工作溫度達400時其強度與模量基本保持不變。此外還具有密度和線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中EP/CF復合材料具有易大面積整體成型、成型穩(wěn)定等獨特的優(yōu)點。2 EP/CF復合材料的成型工藝2.1 手糊成型手糊成型是依次在模具型腔表面涂布或鋪迭脫模劑、

4、膠衣、粘度適中的EP(膠衣凝膠后涂覆)和CF，手持輥子或刷子使EP浸漬CP，并驅(qū)除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達到制品的設計厚度。該工藝的主要優(yōu)點是可室溫成型，設備投資少，模具折舊費低；可制造大型制品。主要缺點是屬于勞動密集型生產(chǎn)，制品質(zhì)量由工人技術(shù)熟練程度決定；手糊用樹脂分子量低，通?？赡茌^分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。2.2 樹脂傳遞成型將CF置于上下模之間，合模并將模具夾緊，在壓力條件下注射EP，EP固化后打開模具，取下制品。必須保證EP在凝膠前充滿型腔，壓力促使EP快速傳遞到模具內(nèi)并浸漬CF。該工藝為低壓成型工藝，EP注塑壓力為0.4-0.5MPa，當制造高CF含量(體

5、積分數(shù)超過50%)的制品時壓力甚至可達0.7MPa。有時可預先將CF在一個模具內(nèi)預成型(帶粘結(jié)劑)，再在第二個模具內(nèi)注射成型。為了提高EP浸漬CP的能力，可選擇真空輔助注射。當EP一旦將CF浸透，要將EP注入口封閉，以使樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以用復合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。該法的主要優(yōu)點是復合材料中CF含量可較高，未被EP浸潤的CF非常少；閉模成型，成型周期較短，生產(chǎn)環(huán)境好，生產(chǎn)成本較低；制品可大型化，強度可設計。主要缺點是不易制作較小制品，因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要笨重和復雜。2.3 真空袋法成型此法是手糊法與噴射法的延伸。將手

6、糊或噴射好的積層在EP的A階段與模具在一起，在積層上覆以真空袋，周邊密封，然后用真空泵抽真空；使積層受到不大于101kPa的壓力而被壓實、成型。該法的主要優(yōu)點是采用普通濕法鋪層技術(shù)，通?？色@得高CF含量的復合材料；EP可較好地浸漬CF。主要缺點是額外的工藝過程增加了勞動力和成本，并且要求操作人員有較高的技術(shù)水平；生產(chǎn)效率不高。2.4 樹脂膜熔浸成型將CF與EP片交替鋪放在模具內(nèi)。用真空袋包覆鋪層，使用真空泵抽真空，將空氣抽出。然后加熱使EP熔化并浸漬CF，然后經(jīng)過適當?shù)臅r間使EP固化。該法的主要優(yōu)點是復合材料的空隙率低，可精確獲得高的CF含量；鋪層清潔，有利于健康和安全，并且生產(chǎn)成本低。主要缺

7、點是目前僅用于宇航工業(yè)，還未獲得大規(guī)模的推廣；模具要求能經(jīng)受EP膜片的工藝溫度。 2.5 預浸料成型預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，用EP預浸漬CF。預浸料在環(huán)境溫度下貯存一段時間后仍能保質(zhì)使用，當要延長保質(zhì)期時須在冷凍條件下貯存材料。樹脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)，故觸摸預浸料時有輕微的粘附感。預浸料用手工或機械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，放入熱壓罐中成型。通常加熱使樹脂重新流動，最終固化。該法的主要優(yōu)點是可精確地調(diào)整EP/固化劑配比和EP在CF中的含量，得到高含量CF；由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能、力學性能和熱性能是最適宜的。主要缺點是熱壓罐固化復合材料制品的耗

8、費大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作業(yè)溫度并且生產(chǎn)成本較高。2.6 低溫固化預浸抖成型該工藝完全按預浸料方法制備，EP的化學性質(zhì)使其得以在肋-100固化。在60時，材料可操作保質(zhì)期可小于1個星期也可延長到幾個月。樹脂體系的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用熱壓罐。該法除具有傳統(tǒng)預浸料成型的優(yōu)點外，因為僅需真空袋壓力，固化溫度低，模具材料較便宜且能耗低，采用簡單的熱空氣循環(huán)加熱室便可容易地制造大型結(jié)構(gòu)。主要缺點是復合材料成本仍高于預浸織物；模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度；因需高于環(huán)境溫度固化故仍有能耗。2.7 拉擠成型該工藝是指將浸漬了EP的連續(xù)CF經(jīng)加熱模拉出形成預定截面型材的過程。程序是：使CF增強材料浸漬樹脂；CF預成型后進入加熱模具內(nèi)，進一步浸漬、基體樹脂固化、復合材料定型；將型材按要求長度切斷。該工藝中，EP浸漬CF有兩種方式：其一為膠槽浸漬法。即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進入模具，通常采用此法；其二為注入浸漬法。GF增強材料進入模具后，被注入模