樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料固化成型工藝的研究進(jìn)展

樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料固化成型工藝的研究進(jìn)展

0在航空、軍民及民品方面的應(yīng)用目前，有幾種樹脂基纖維增強(qiáng)材料的硬化成形法。主要形成工藝包括手糊制備、袋壓制備、射壓制備、模壓制備、連續(xù)制備和卷曲制備等。其中,纏繞成型工藝具有生產(chǎn)率高,可生產(chǎn)大型制件,以及制件可設(shè)計性強(qiáng)、強(qiáng)度高、精度高等突出的優(yōu)點,因而在航空航天、軍工及民品方面得到廣泛應(yīng)用。如直升飛機(jī)復(fù)合材料傳動軸采用纏繞工藝制成,比傳統(tǒng)其他材料傳動軸具有抗疲勞、共振頻率高等優(yōu)點。纏繞成型工藝的芯模、產(chǎn)品固化工藝和固化加壓方式對其復(fù)合材料制件的尺寸精度和形狀精度以及制件的力學(xué)性能都會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。隨著纏繞成型工藝的廣泛應(yīng)用,針對不同纏繞成型對象,芯模、固化工藝以及固化加壓方式都呈多樣化趨勢發(fā)展。1芯模材料設(shè)計芯模設(shè)計和具體選用就基本決定了制件的幾何尺寸。另外,在纏繞和固化過程中芯模要支撐未固化復(fù)合材料,保證其外形尺寸及精度。在復(fù)合材料制件加熱固化和冷卻過程中,由于增強(qiáng)纖維、樹脂基體和芯模材料熱膨脹系數(shù)的差異,復(fù)合材料制件會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及固化變形,最終影響制件形狀精度和尺寸精度。因此,芯模設(shè)計是纏繞成型工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。芯模按使用次數(shù)分為一次性芯模和重復(fù)使用芯模。1.1可破碎性芯模一次性芯模多為形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的芯模,脫模比較困難的情況。一次性芯模又分為永久性芯模和一次性使用芯模。永久性芯模是制件的一部分,常用鋁合金芯軸或其他芯軸,浸膠纖維纏繞其上后固化,即可得帶有鋁合金芯軸的復(fù)合材料制件。一次性使用芯模常分為可破碎性芯模和可溶(熔)性芯模。a)可破碎性芯模可破碎性芯?？刹捎檬嘈灸?具有可拆卸、剛性高、易加工、成本低的優(yōu)點。但石膏本身強(qiáng)度較低,容易造成石膏層環(huán)向和45°方向的開裂,所以,通常會在石膏中加入尼龍片或金屬骨架。b)可溶(熔)性芯模水溶性芯模材料采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、水基凝膠陶瓷材料、或易溶鹽材料。這種芯模材料具有以下優(yōu)點:可成型出復(fù)雜形狀芯模,易于修補和再成型;芯模強(qiáng)度較好,質(zhì)量輕;熱穩(wěn)定性好,可耐溫200℃左右高溫;制造成本較低;制件加熱成型后,芯模用水沖洗即可溶散,減少了脫模過程對制件的損傷。Ehleben用樹脂作為可熔性芯模,纖維纏繞完成后,加熱熔化樹脂芯模,高速旋轉(zhuǎn)制件及芯模,利用離心力,將樹脂芯模變?yōu)闃渲w填充到纖維周圍,冷卻固化得到纏繞產(chǎn)品。1.2復(fù)合材料模具重復(fù)使用芯?？梢远啻卫?必須在復(fù)合材料固化后能夠順利和制件分離,同時保持制件完整并具有一定形狀精度。重復(fù)使用芯模常采用金屬模具和復(fù)合材料模具。a)金屬模具芯模金屬模具使用壽命長,表面粗糙度低,尺寸精度高,可加壓加熱,易加工,可重復(fù)使用,大量生產(chǎn)時成本較低。缺點是質(zhì)量大,模具加工周期長,模具精度一旦出現(xiàn)誤差,產(chǎn)品會有復(fù)制效應(yīng)。另外,金屬模具材料和復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)往往差異較大,從而固化時導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力、固化變形。為了減輕模具質(zhì)量以及因模具自身質(zhì)量而引起的彎曲變形,陳汝訓(xùn)采用空心芯模具代替實心芯模,減小了型芯的彎曲變形。b)復(fù)合材料模具芯模為克服金屬模具的缺點,復(fù)合材料模具成為研究熱點。復(fù)合材料模具質(zhì)量輕、剛度大,具有與復(fù)合材料制件匹配的熱膨脹系數(shù),所制造的制件尺寸精確度高,從而得到了越來越廣泛的應(yīng)用,復(fù)合材料模具將成為復(fù)合材料成型模具的發(fā)展趨勢。但制造復(fù)合材料模具必須有母模,母模的設(shè)計和制造要求非常高,制造成本大,而且復(fù)合材料模具存在使用壽命短、表面膠衣層脫落、漏氣、返修率比較高等問題。2復(fù)合材料膠固溫度的確定纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的固化過程是基體材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程,整個固化過程是一個復(fù)雜的熱、化學(xué)和力學(xué)性能急劇變化的過程,由于熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)導(dǎo)致殘余內(nèi)應(yīng)力以及變形產(chǎn)生,因此復(fù)合材料基體的固化過程相當(dāng)重要。目前固化方式主要有熱固化、輻射固化與微波固化等。2.1固化技術(shù)方面的應(yīng)用通常通過烘箱、熱壓機(jī)或熱壓罐固化,制件在加熱固化時,熱量由制件材料外部向內(nèi)部通過熱傳導(dǎo)傳遞,因此固化速度慢、周期長、成本高;材料內(nèi)部存在溫度梯度,造成沿厚度方向上的固化度不同,使樹脂固化很難均勻和完全,易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力及固化變形。a)固化溫度技術(shù)為了降低成本、改善制件性能及控制制件變形,研究人員嘗試通過改變樹脂固化溫度,研究和發(fā)展高溫固化技術(shù)(180℃左右)、中溫固化技術(shù)(120℃左右)、低溫固化技術(shù)(80℃左右)甚至室溫固化技術(shù)(25℃左右)。例如耐高溫聚酰亞胺通常固化溫度在300℃左右,通過研究,新型聚酰亞胺樹脂的固化溫度為200℃左右。但是,一般來說,樹脂基復(fù)合材料的固化溫度越低,預(yù)浸料在室溫下的適用期就越短,貯存難度增加。b)內(nèi)加熱固化技術(shù)生產(chǎn)高壓玻璃鋼管,傳統(tǒng)的熱固化工藝是外加熱固化工藝,即熱量從纏繞制品外部向里面?zhèn)鲗?dǎo),熱量傳導(dǎo)過程中,使樹脂基體固化,固化效率低、品質(zhì)差。采用內(nèi)加熱固化工藝,將浸漬樹脂的纖維纏繞在可加熱的金屬芯模外面,模腔中的熱能通過金屬管壁可直接傳給纖維樹脂層,這種工藝可極大地提高固化效率和品質(zhì)。c)分層固化技術(shù)對于纏繞層較厚的制件要采用分層固化,如對600MW汽輪發(fā)電機(jī)用纏繞玻璃鋼大錐環(huán),采用分層固化,三次纏繞,三次固化,最終制出產(chǎn)品。分層固化使纖維的位置及時得到固定,避免因纏繞層較厚而導(dǎo)致纖維內(nèi)松外緊、纖維折皺松散現(xiàn)象,降低樹脂含量沿壁厚不均現(xiàn)象,保證大錐環(huán)內(nèi)外品質(zhì)的均勻性。陳利民等生產(chǎn)纖維纏繞厚壁管時,在內(nèi)外層纖維浸膠環(huán)氧樹脂固化體系中加入不同含量的促進(jìn)劑,采用一次纏繞、固化,內(nèi)外層不同固化速率方法,達(dá)到分層固化的目的。另外,熱固化工藝還有大量研究試圖通過優(yōu)化工藝參數(shù)如溫度、壓力及加壓點、升降溫速率和保溫時間等,提高制件力學(xué)性能、減小熱固化產(chǎn)生的變形,或者通過模具設(shè)計補償制件的固化變形。2.2復(fù)合材料固化技術(shù)利用高能電子束誘發(fā)樹脂分子聚合固化,工藝操作性簡單,可選擇區(qū)域固化,也可以實現(xiàn)室溫或低溫固化,溫升一般在50℃～70℃,固化過程中溫度梯度小,減小了固化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和固化變形,尺寸穩(wěn)定性好,固化時間短,高效節(jié)能,對環(huán)境危害小,適用于各類聚酯樹脂,樹脂保存時間長,與傳統(tǒng)熱壓罐相比,可節(jié)約約20%成本。缺點是設(shè)備投資大,電子束的穿透性嚴(yán)重依賴設(shè)備,對固化材料有選擇性,只適用于少部分環(huán)氧樹脂。包建文等針對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂M40/EB99-1用濕法纏繞工藝結(jié)合電子束固化技術(shù)制備復(fù)合材料,并與M40/5228等熱固化復(fù)合材料的性能進(jìn)行了比較,除了剪切強(qiáng)度稍遜于熱固化復(fù)合材料外,其它常規(guī)力學(xué)性能及耐熱疲勞性能都優(yōu)于熱固化復(fù)合材料。而后,其團(tuán)隊繼續(xù)研究開發(fā)了其他適用于電子束固化的環(huán)氧體系。2.3微波固化反應(yīng)時間利用極性物質(zhì)在微波電磁能的作用下發(fā)熱的機(jī)理,使用微波固化樹脂基復(fù)合材料,微波固化技術(shù)具有易于控制、傳熱均勻、固化變形小、加熱效率高、固化速度快、能夠改善界面性能等優(yōu)點。但微波固化對設(shè)備要求高,設(shè)備投資大,對樹脂也有很強(qiáng)的選擇性,只適用于部分吸收微波能力較強(qiáng)的樹脂。研究表明采用微波固化的方法可以顯著縮短反應(yīng)時間,環(huán)氧/DMP30體系的彎曲性能和抗沖擊性能隨輻照時間的延長而提高。通過對不飽和聚酯樹脂微波固化特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),微波加熱凝膠固化時間比熱固化快幾倍至20多倍,熱性能、力學(xué)性能基本相當(dāng)。3壓壓過早,壓力樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在固化時,通常需要加壓擠出多余樹脂,降低材料的孔隙率,保證制件材料密實、無氣泡。樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在加壓固化過程中,一般經(jīng)歷三個階段,密實化固結(jié)、基體流動和纖維網(wǎng)絡(luò)變形。加壓的大小和時機(jī)尤為重要,加壓太早,樹脂還沒有固結(jié)或者沒有固結(jié)到一定程度時加壓,樹脂還為液態(tài)不能抵御壓力而大量流出,導(dǎo)致最終制件含膠量過低,制件不合格;加壓太晚,樹脂體系已完全固結(jié),壓力的施加對改善復(fù)合材料的品質(zhì)和性能不能產(chǎn)生明顯效果。纏繞復(fù)合材料固化加壓的工藝方式通常有熱壓罐工藝、熱脹工藝和熱縮工藝,還有采用離心力使樹脂流動填充到纖維縫隙里的工藝方法。3.1時間選擇的時機(jī)加壓的時機(jī)和壓力大小完全由人為控制,控制起來自由靈活;缺點是很難把握恰當(dāng)?shù)募訅簳r機(jī)。一般在生產(chǎn)實踐中以溫度作為參考,依據(jù)生產(chǎn)者的經(jīng)驗,選擇加壓時機(jī),完全依靠經(jīng)驗勢必難以保證穩(wěn)定的固化品質(zhì)。趙書婧以樹脂粘度為參考量,選擇加壓時機(jī)取得了良好的效果。3.2膨脹芯模溫度分布通常采用剛性材料作陰模,熱膨脹系數(shù)較大且穩(wěn)定的材料(如硅橡膠)作芯模,浸膠纖維纏繞在芯模上,置于陰模中加熱時,芯模體積膨脹加上陰模空間上的限制,樹脂及增強(qiáng)纖維在固化過程中受壓。膨脹芯模工藝具有無須加壓設(shè)備作外壓力源,脫模容易等優(yōu)點,但也有熱脹壓力不易控制,芯模內(nèi)部存在溫度梯度等缺點。羅輯指出硅橡膠芯模中硅橡膠的厚度對溫度分布影響較大,硅橡膠厚度為5mm時,溫度分布比較均勻;調(diào)整工藝間隙對加壓點和壓力大小有很大影響。3.3熱縮成型工藝熱壓罐工藝用于制造管件時,成型管件表面經(jīng)常會出現(xiàn)折皺、條紋或富膠等缺陷,原因是熱壓罐成型加壓時,復(fù)合材料疊層被壓緊,導(dǎo)致環(huán)向纖維松弛,纖維在壓力作用下彎曲、打折。另外,加壓成型時輔助材料,如真空袋、透氣氈等,被壓縮產(chǎn)生皺折,這些皺折會印在軟化的復(fù)合材料疊層上。熱縮成型工藝采用熱縮材料纏繞在制件上,制件在加熱固化時,利用熱縮材料的熱縮特性對復(fù)合材料制件加壓,防止制件表面皺折,提高制件性能。熱縮成型工藝的工藝性非常穩(wěn)定,生產(chǎn)效率高,經(jīng)濟(jì)效益好。靳武剛等采用熱縮成型工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料管和碳纖維復(fù)合材料彎曲撐桿。熱縮工藝的關(guān)鍵在于熱縮材料的選擇,熱縮材料的收縮溫度必須稍低于樹脂體系的凝膠溫度,且有很好的熱穩(wěn)定性。不同的樹脂體系有各自的凝膠特性,應(yīng)選擇不同