纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料成型工藝

一、前言相比傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有一系列不行替代的特性，自二次大占以來(lái)進(jìn)展很快。盡管產(chǎn)量小〔據(jù)法國(guó)Vetrotex公司統(tǒng)計(jì)，2023年全球復(fù)合材料達(dá)700萬(wàn)噸經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的33%32%，以中國(guó)〔含臺(tái)灣省、日本為主的亞洲占30%。中國(guó)大陸2023年玻班纖維增加塑料〔玻璃纖維與樹(shù)脂復(fù)合的復(fù)合材料、俗稱(chēng)“玻璃鋼”〕90萬(wàn)噸，已居世界其次位〔202316970萬(wàn)噸。復(fù)合材料主要由增加材料與基體材料兩大局部組成：纖維增加塑料〕中的碳纖維素就是增加材料。基體：構(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料如玻璃鋼〔GRP〕中的樹(shù)脂〔本文談到的環(huán)氧樹(shù)脂〕就是基體。y樹(shù)脂復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料本文爭(zhēng)論環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料。1、為什么承受環(huán)氧樹(shù)脂做基體？1%-3%，而不飽和聚酯樹(shù)脂卻高達(dá)7%-8%；粘結(jié)力強(qiáng)；B階段，有利于生產(chǎn)工藝；可低壓固化，揮發(fā)份甚低；固化后力學(xué)性能、耐化學(xué)性佳，電絕緣性能良好。后一般較脆，韌性較差。2、環(huán)氧玻璃鋼性能〔ASTM〕FW〔纖維纏繞〕法制造的玻纖增加環(huán)氧樹(shù)脂的產(chǎn)品為例，將其與鋼比較。1GF/EPR與鋼的性能比較玻璃含量GF/EPR〔80wt%)AISI1008冷軋鋼相對(duì)密度2.087.86V拉伸強(qiáng)度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸長(zhǎng)率1.6%37.0%彎曲強(qiáng)度689.5MPa彎曲模量34.48GPa壓縮強(qiáng)度310.3MPa331.0MPa懸臂沖擊強(qiáng)度2385J/m燃燒性〔UL-94〕V-O比熱容535J/kg?k233J/kg?k4.0×10-6k-16.7×10-6k-1熱變形溫度204oC(1.82MPa)熱導(dǎo)率1.85W/m?k33.7W/m?k11.8×106V/m吸水率0.5%(24h)2幾種常用材料與復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量材料名稱(chēng)密度g/cm3拉伸強(qiáng)度×104MPa彈性模量×106MPa比強(qiáng)度×106cm比模量×109cm7.810.1020.590.130.272.84.617.350.170.264.59.4111.180.210.25玻璃鋼2.010.403.920.530.21碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.4514.7113.73碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.6104923.54芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂1.413.737.85硼纖維/環(huán)氧樹(shù)脂2.113.5320.59硼纖維/鋁2.659.8119.610.75c2二、纖維增加環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料成型工藝簡(jiǎn)介1〔handlayup)脫模劑膠衣一層粘度為0.3-0.4PaS的中等活性液體熱固性樹(shù)脂〔須待膠衣分散后〕一層纖維增加材料〔玻纖、芳綸、碳纖維 ，纖維增加材料有外表氈、無(wú)捻粗紗布〔方格布〕等幾種。的設(shè)計(jì)厚度。樹(shù)脂因聚合反響，常溫固化?？杉訜峒铀俟袒?。FgbNG^樹(shù)脂不飽和聚酯樹(shù)脂、已烯基酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等。芯材任意。優(yōu)點(diǎn)適合少量生產(chǎn)；可室溫成型，設(shè)備投資少，模具折舊費(fèi)低；可制造大型制品和型狀簡(jiǎn)單產(chǎn)品；樹(shù)脂和增加材料可自由組合，易進(jìn)展材料設(shè)計(jì)；可承受加強(qiáng)筋局部增加，可嵌入金屬件；可用膠衣層獲得具有自由顏色和光澤的外表〔如開(kāi)模成型則一面不平滑；無(wú)捻粗紗布50%左右織物35%-45%短切原絲氈30%-40%缺點(diǎn)屬于勞動(dòng)密集型生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量由工人訓(xùn)練程度打算；;玻纖含量不行能太高；樹(shù)脂需要粘度較低才易手工操作，溶劑/苯乙烯量高，力學(xué)與熱性能受限制；手糊用樹(shù)脂分子量低；通常可能較分子量高的樹(shù)脂有害于人的安康和安全。典型產(chǎn)品艦艇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、游樂(lè)設(shè)備、冷卻塔殼體、建筑模型。2、樹(shù)脂傳遞成型〔RTM〕概要RTM是一種閉模低壓成型的方法。品。樹(shù)脂膠凝過(guò)程開(kāi)頭前，必需讓樹(shù)脂布滿(mǎn)模腔，壓力促使樹(shù)脂快速傳遞到模個(gè)內(nèi)，浸漬纖維材料。RTM是一低壓系統(tǒng)，樹(shù)脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當(dāng)制造高纖維含量〔50%〕的制品，如航0.7MPa。纖維增加材料有時(shí)可預(yù)先在一個(gè)模具內(nèi)預(yù)成型大致外形〔帶粘結(jié)劑提高樹(shù)脂浸透纖維力量，可選擇真空關(guān)心注射〔VARI-vacuumsaaistedrsininjection)。模具可以復(fù)合材料與鋼材料制作。假設(shè)承受加熱工藝。宜用鋼模。原材料VetrotexRTM?！财淅w維間的縫隙得于樹(shù)脂傳遞、無(wú)捻粗紗布；玻纖與熱塑性塑料的復(fù)合紗及其織物與片材〔VetrotexTWINTEX。芯材：不用蜂窩，因蜂窩空格全被樹(shù)脂填滿(mǎn)，壓力會(huì)導(dǎo)致其破壞?？捎媚腿軇┌l(fā)泡材料PU、PP、CL、VC等。優(yōu)點(diǎn)制品纖維含量可較高，未被樹(shù)脂浸得局部格外少；閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；勞動(dòng)強(qiáng)度低，對(duì)工人技術(shù)嫻熟程度的要求也比手糊與噴射成型低；制品兩面光，可作有外表膠衣的制品，精度也比較高；成型周期較短；產(chǎn)品可大型化；強(qiáng)度可按設(shè)計(jì)要求具有方向性；可與芯村、嵌件一體成型；相對(duì)注射設(shè)備與模具本錢(qián)較低。缺點(diǎn)不易制作較小產(chǎn)品；因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和簡(jiǎn)單，價(jià)位也高一些；能有未被浸漬的材料，導(dǎo)致邊角料鋪張。典型產(chǎn)品小型飛機(jī)與汽車(chē)零部件、客車(chē)座椅、儀表殼3、纖維纏繞〔FW〕概要〔?！成?。纖維纏繞角度與纖維排列密度依據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并由芯軸〔?！侈D(zhuǎn)速與小車(chē)往復(fù)速度之比，準(zhǔn)確地掌握。固化后將纏繞的復(fù)合材料制品脫模。對(duì)某些兩端密閉的產(chǎn)品不用脫模，芯模即包在復(fù)合材料產(chǎn)品內(nèi)，作為內(nèi)襯。原材料樹(shù)脂：任意。環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛樹(shù)脂。芯材：可用。雖然復(fù)合材料制品通常是單一殼體，一般不用。優(yōu)點(diǎn)由于纖維逕直以合理的線(xiàn)形鋪設(shè)，擔(dān)當(dāng)負(fù)荷，故復(fù)合材料制品的構(gòu)造特性可格外高；由于同內(nèi)襯層組合，可制得耐腐蝕、耐壓、耐熱的制品；可制造兩端封閉的制品；鋪放材料快、經(jīng)濟(jì)、用無(wú)捻粗紗，材料費(fèi)用低；可承受樹(shù)脂計(jì)量，然浸膠后的纖維通過(guò)擠膠或口模，掌握樹(shù)脂含量；可大理生產(chǎn)和自動(dòng)化；機(jī)械成型，復(fù)合材料材質(zhì)及方向性均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)制品外形限于圓柱形或其它回轉(zhuǎn)體；纖維不易沿制品長(zhǎng)度方向準(zhǔn)確排列；對(duì)于大型制品，芯模本錢(qián)高；“模制”的，不盡人意；對(duì)于承受壓力的制品，如選擇樹(shù)脂不適宜或無(wú)內(nèi)襯，就易發(fā)生滲漏?！惫艿?、貯罐、氣瓶〔消防呼吸氣瓶、壓縮自然氣瓶等、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。4、RIM(ReactionInjectionMolding一反響注射成型〕〔1〕概要將兩種或兩種以上的組分在混合區(qū)低壓〔0.5MPa〕混合后，即在低壓〔0.5-1.5MPa〕下注射到閉模中反響一種組分內(nèi)行參加磨碎玻纖原絲和〔或〕填料。弈可承受長(zhǎng)纖維〔如連續(xù)纖維氈、織物、復(fù)合氈、短切原〕增加，在注射前，將長(zhǎng)纖維增加材料預(yù)先置模具內(nèi)。用此法可得到高力學(xué)性能的制品。SRIM〔StructuralReactionInjectionMolding-構(gòu)造反響注射成型。(2)原材料樹(shù)脂：常用聚氨酯體系或聚氨酯/脲混合體系；亦可承受環(huán)氧、尼龍、聚酯等根本；0.2-0.4mm的磨碎玻璃纖維；芯材：不用。優(yōu)點(diǎn)制造本錢(qián)比熱塑性塑料注射工藝低；可制造大尺寸、開(kāi)頭簡(jiǎn)單的產(chǎn)品；固化快，適于快速生產(chǎn)。缺點(diǎn)承受磨碎玻璃纖維增加原料費(fèi)用高，薦用礦物復(fù)合材料取代之。主要產(chǎn)品汽車(chē)儀表盤(pán)、保險(xiǎn)杠、建筑門(mén)、窗、桌、沙發(fā)、電絕緣件。5、拉擠成型〔Pultrusion)(1)概要主要承受玻璃纖維無(wú)捻粗紗〔使用前預(yù)先放置在紗架上，它供給縱向〔沿生產(chǎn)線(xiàn)方向〕增加。參加填料，改進(jìn)型材料性能〔如阻燃，并降低本錢(qián)。拉擠成型的程序是使玻璃纖維增加材料浸漬樹(shù)脂；玻璃纖維預(yù)成型后進(jìn)入加熱模具內(nèi)，進(jìn)一步浸漬〔擠膠、根本樹(shù)脂固化、復(fù)合材料定型；材料浸漬樹(shù)脂有兩種方式：于不飽和聚酯樹(shù)脂，乙烯基酯樹(shù)脂。注入浸漬法〔6高、生產(chǎn)附產(chǎn)物的樹(shù)脂基體，如酚醛、環(huán)氧、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂。原材料樹(shù)脂：常用不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂；PU發(fā)泡材料為芯材，外為連續(xù)拉擠框型型材，作為保溫墻板的。優(yōu)點(diǎn)0.5-2m/min，效率較高，適于大批量生產(chǎn)，制造長(zhǎng)尺寸制品；樹(shù)脂含量可準(zhǔn)確掌握；由于纖維呈縱向，且體種比可較高〔40%-80%，因而型材軸向構(gòu)造特性可格外好；主要用無(wú)捻粗紗增加，原材料本錢(qián)低，多種增加材料組合使用，可調(diào)整制品力學(xué)性能；制品質(zhì)量穩(wěn)定，外觀平滑。缺點(diǎn)模具費(fèi)用較高；一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。典型產(chǎn)品站罩殼、汽車(chē)板簧、傳動(dòng)軸、電纜管、光纖光纜芯、釣魚(yú)竿、隔柵、汽車(chē)空調(diào)器罩、擴(kuò)軌罩。0}1xp*V6、真空袋法法成型〔Vacuumbagprocess)概要:此法是手糊法與噴射法的延長(zhǎng)。將手糊或噴射好的積層在樹(shù)脂的A階段與模具在一起，在積層上覆以橡1個(gè)氣壓的壓力，而被壓實(shí)、成型。原材料〔交聯(lián)劑〕過(guò)度抽出，可能會(huì)造成問(wèn)題，故一般不用；芯材：任意。優(yōu)點(diǎn)承受一般的濕法鋪層技術(shù)，通常可獲得高纖維含量的制品；可制造大尺寸產(chǎn)品；產(chǎn)品兩面光；較濕法鋪層浸膠孔隙率低；由于壓力，樹(shù)脂流經(jīng)構(gòu)造纖維，纖維得以較好地浸漬樹(shù)脂；有利于操作人員安康和安全；真空袋削減了固化時(shí)逸出的揮發(fā)性物質(zhì)。缺點(diǎn)額外的工藝過(guò)程增加了勞動(dòng)力和袋材本錢(qián)；要求操作人員有較高的技術(shù)嫻熟水平；樹(shù)脂混合和含量掌握根本上仍舊取決于操作人員的技術(shù)；生產(chǎn)效率不高。典型產(chǎn)品艇、賽車(chē)、芯材粘結(jié)、飛機(jī)鼻錐雷達(dá)罩、機(jī)翼、方向舵。7、樹(shù)脂膜熔浸成型〔RFI-ResinFilmInfusion)概要〔樹(shù)脂片系放在一層脫模紙上供給〕交替鋪放在模具內(nèi)。鋪層被真空袋包覆，藉真空泵即固化。原材料樹(shù)脂：一般僅用環(huán)氧樹(shù)脂；?纖維：任意；PVC泡沫需要特地處理，以免泡沫損壞。優(yōu)點(diǎn)空隙率低，可準(zhǔn)確獲得高的纖維含量；鋪層清潔，有利于安康和安全〔似預(yù)浸；可較預(yù)浸法本錢(qián)低，此為主要的優(yōu)點(diǎn)；由于樹(shù)脂僅能過(guò)織物厚度方向傳遞，故樹(shù)脂未浸到白斑區(qū)可較SCRIMP〔西曼復(fù)合材料公司樹(shù)脂參入成型法—SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess〕少。缺點(diǎn)目前僅用于宇航工業(yè)，還未推廣；雖然宇航工業(yè)用高壓釜系統(tǒng)產(chǎn)非總是需要，但加熱室和真空袋系統(tǒng)對(duì)于復(fù)合材料固化，總是不行少的；模具要求能經(jīng)受樹(shù)脂膜片的工藝溫度〔60-100oC；要求所用芯材能經(jīng)受工藝溫度和壓力；典型產(chǎn)品飛機(jī)雷達(dá)罩、艦艇聲納整流罩。8、預(yù)浸料〔高壓釜〕成型概要預(yù)先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和〔或〕纖維預(yù)先用預(yù)催化樹(shù)脂預(yù)浸漬。固化劑大多能在樹(shù)脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)。故觸摸預(yù)浸材料時(shí)有稍微的黏附感，象膠帶似的。制作單向預(yù)浸漬材料的纖維直接由紗架下來(lái)，與樹(shù)脂結(jié)合。預(yù)浸漬材料用手或機(jī)械鋪于模具外表，通過(guò)真空袋抽真空，并通常加熱到120-180oC。使樹(shù)脂重流淌，并最終固化。盛開(kāi)附加壓力通常藉助高壓釜〔實(shí)際上是一座壓力加熱罐〕5個(gè)大氣壓的壓力。原材料脂等；纖維：任意。雖然由于在工藝過(guò)程中，高溫分對(duì)芯材有些影響，需要承受某些特地的泡沫芯材。優(yōu)點(diǎn)預(yù)浸材料制造人員可準(zhǔn)確地調(diào)整樹(shù)脂/固化劑水平和樹(shù)脂在纖維中的含量；可以牢靠地得到高纖維含量。材料于操作人員格外安全，無(wú)礙安康，操作清潔；單向帶纖維本錢(qián)最低，由于毋須將纖維預(yù)先轉(zhuǎn)為織物的二次加工過(guò)程；由于制造過(guò)程承受可滲透的高粘度樹(shù)脂，樹(shù)脂化學(xué)性力量學(xué)和熱性能可以是最適宜的；材料有效時(shí)間長(zhǎng)〔室溫下可保質(zhì)數(shù)月，這意味著可優(yōu)化構(gòu)造、復(fù)合材料易鋪層；可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和節(jié)約勞動(dòng)力。缺點(diǎn)對(duì)于預(yù)浸織物，材料本錢(qián)高；通常要對(duì)高壓釜固化復(fù)合材料制品，消耗大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；模具需能承受作業(yè)溫度；芯材需要承受作業(yè)溫度和壓力。典型產(chǎn)品〔如機(jī)翼和尾翼、衛(wèi)星與運(yùn)載火箭構(gòu)造件〔太陽(yáng)能電池基板、夾層構(gòu)造板、衛(wèi)星接口支架、火箭整流罩等、賽車(chē)、運(yùn)動(dòng)器材〔如網(wǎng)球拍、滑雪板等。9、低溫固化預(yù)浸料成型概要低溫固化預(yù)浸料完全按通常的預(yù)浸料方法制備，但樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)使其得以在60-100oC溫度下固化。在60oC1個(gè)星期，但亦可延長(zhǎng)到幾個(gè)月。樹(shù)脂系統(tǒng)的流淌截面適于承受真空袋壓力，避開(kāi)承受高壓釜。|樹(shù)脂：一般僅承受環(huán)氧樹(shù)脂；芯材：任意，雖然一般的PVC泡沫需要特別留意。優(yōu)點(diǎn)具有傳統(tǒng)預(yù)浸料法所具備的〔1〕-〔6〕條優(yōu)點(diǎn)；模具材料較廉價(jià)，如木材亦可用，因其固化溫度較低故；〔常常就地建筑大于制品的加熱室〕PVC泡沫芯材，略作處理即可；能耗低。缺點(diǎn)材料本錢(qián)仍高于預(yù)浸織物；需加熱室和真空袋系統(tǒng)，以固化制品；模具需能經(jīng)受高于環(huán)境溫度的溫度〔60-100oC；仍有能耗，因需高于環(huán)境溫度固化。典型產(chǎn)品高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、賽艇、救生艇、火車(chē)用零部件。10、SCRIMP,RIFT,VARTM11SCRIMP,RIFT,VARTM示意圖概要SCRIMP〔SeemanCompositeInfusionMoldingProcess—西曼復(fù)合材料公司樹(shù)脂滲透成型法〕,RIFT〔ResinInfusionumderFlexibeTooling—柔性模具樹(shù)脂滲透法〕,VARTM〔VscuumAssistedTransferMolding—真空關(guān)心樹(shù)脂傳遞成型〕這三種工藝原理相像。將織物作為干鋪層材料入模內(nèi)，如同RTM。然后覆以剝離保護(hù)層和縫編非構(gòu)造織物。整個(gè)鋪層用真空袋覆罩好。袋無(wú)滲漏后，