高硅氧纖維酚醛樹脂模壓制品的裂紋產(chǎn)生原因及控制措施

高硅氧纖維酚醛樹脂模壓制品的裂紋產(chǎn)生原因及控制措施

模壓形成是一體化材料形成的重要方法之一。由于其歷史悠久，工藝重復(fù)好，制造費(fèi)低，因此被廣泛使用。高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓復(fù)合制品具有重量輕、比強(qiáng)度高、電絕緣性能好、耐瞬時(shí)高溫性能好等優(yōu)點(diǎn),是理想的熱防護(hù)和耐燒蝕材料,常用于航天航空產(chǎn)品領(lǐng)域。影響模壓制品質(zhì)量的因素很多,從模具設(shè)計(jì)到工藝方案,每一個步驟都會影響最終制品的性能,若方法不當(dāng),會導(dǎo)致制品的缺陷。而裂紋是缺陷的主要表現(xiàn)形式之一,制品一旦產(chǎn)生裂紋,可能會造成整個制品報(bào)廢,特別是整體成型的較大制品,無論從當(dāng)前昂貴的原材料還是從制品的生產(chǎn)周期而言,造成的損失是巨大的。為了提高生產(chǎn)效率,降低成本,必須盡量減少制品裂紋的產(chǎn)生。筆者針對以氨酚醛樹脂為基體,高硅氧纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合模壓制品,分析了制品裂紋產(chǎn)生的原因并提出控制措施。1出于原因和控制措施1.1面部表情1.1.1圓角過渡,減少裂紋產(chǎn)生設(shè)計(jì)模具時(shí),盡可能避免尖角,因?yàn)榧饨翘帢O易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在受力或受沖擊振動時(shí)會發(fā)生破裂,甚至在脫模過程中,由于內(nèi)應(yīng)力而開裂,特別是內(nèi)角。因此,采用圓角過渡,可降低應(yīng)力集中,減少裂紋產(chǎn)生。圓角半徑的大小通常應(yīng)根據(jù)壁厚來選取,這樣可兼顧壁厚均勻性。1.1.2模具斜度設(shè)計(jì)模具沒有脫模斜度或脫模斜度過小,會使制品在脫模過程中受力過大,產(chǎn)生裂紋。脫模斜度設(shè)計(jì)與模具光潔度和制品大小有關(guān),若模具光潔度較好,制品尺寸較小時(shí),脫模斜度可稍小,大約0.5°～1°;模具光潔度稍差,制品尺寸較大,脫模斜度應(yīng)稍大些,可選3°～5°,以利于出模。1.1.3保證平行度模具安裝需要控制上下板的平行度和陰陽模合模間隙。若壓機(jī)上下板不平行或頂出桿不平行,會導(dǎo)致制件受力不均從而產(chǎn)生裂紋。因此,安裝上下板和陰陽模時(shí),要保證平行度不大于0.05mm。調(diào)好上下板的平行度,需要試運(yùn)行陽模,保證合模間隙的均勻一致。同時(shí),安裝好陰陽模具后,合模檢查配合間隙的均勻度,以保證制品壁厚均勻,這樣才能保證最終制品的質(zhì)量。1.2金屬周圍犯出現(xiàn)裂紋產(chǎn)生原因許多模壓制品帶有金屬嵌件,安放嵌件的目的是為了提高制品的機(jī)械強(qiáng)度或?yàn)榱朔奖闩c其他零件相連接。而嵌件大小和安放位置不當(dāng)會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。由于金屬收縮率小于非金屬收縮率,當(dāng)金屬周圍非金屬太薄,制品冷卻時(shí),制品收縮率較大,而金屬收縮率較小,金屬周圍會產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。因此,金屬嵌件周圍的非金屬層尺寸不能太小。另外,在壓制前,要對嵌件預(yù)熱。同時(shí),金屬嵌件的設(shè)計(jì)也會對模壓制品產(chǎn)生影響,應(yīng)盡量避免尖角。在成型脫模后對制品進(jìn)行后固化處理,減少由于溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力。1.3揮發(fā)油分含量對模壓制品性能的影響預(yù)混料揮發(fā)分含量的高低會對制品產(chǎn)生較大影響,需要在壓制制品前檢驗(yàn)。高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓料的揮發(fā)分含量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi),否則,會影響預(yù)混料的流動性,進(jìn)而影響制品性能。若揮發(fā)分含量過高,樹脂在成型過程中大量流失,纖維和樹脂離析,導(dǎo)致制品不同部位產(chǎn)生貧、富膠現(xiàn)象甚至開裂。若預(yù)混料揮發(fā)會含量過低,會導(dǎo)致模壓料流動性差,可能導(dǎo)致局部缺料、局部纖維裸露。揮發(fā)分過高或過低均不利于制品成型,實(shí)踐證明,揮發(fā)分含量在2.5%～2.8%之間時(shí),模壓制品效果最好,不易出現(xiàn)表面或內(nèi)部起泡、貧膠、聚膠、粘模等缺陷。在一定范圍內(nèi),可以通過調(diào)整預(yù)混料的烘料時(shí)間改善揮發(fā)分含量,烘料時(shí)間越長,揮發(fā)分含量越低。1.4壓延工藝條件1.4.1溫度對復(fù)合材料品質(zhì)的影響高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓制品成型過程中預(yù)混料的流動、充模、固化反應(yīng)速度都與溫度有著密切關(guān)系,而且溫度在模壓成型過程中又起著主要作用,它影響著樹脂基體交聯(lián)程度,因而也影響復(fù)合材料制品最終性能。1.4.1.預(yù)混料大型化裝模溫度過高,制品外層迅速固化,影響物料流動性,會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋。當(dāng)預(yù)混料揮發(fā)組分含量高,不溶性樹脂含量低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或較大的模壓制品難以裝模時(shí),裝模溫度應(yīng)低些;對于結(jié)構(gòu)簡單、批量大的制品,提高裝模溫度可以縮短成型周期,提高生產(chǎn)效率。1.4.1.裂紋產(chǎn)生的原因成型過程中的升溫速率與模壓料固化反應(yīng)速度密切相關(guān)。升溫太快,容易造成固化不均而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,很可能導(dǎo)致裂紋;升溫太慢則生產(chǎn)效率低。高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓制品的升溫速率為加壓前(1℃～2℃)/min,加壓后為(10℃～30℃)/h,大型模壓制品可以相應(yīng)降低升溫速率,以保證制品均勻升溫。1.4.1.流動性下降通常,模壓溫度過高,會使模壓料的交聯(lián)速率太快導(dǎo)致其熔融黏度快速增加,流動性下降,造成充模不全;另一方面,由于制品是熱的不良導(dǎo)體,過高的模溫使塑料外層因先受到模具的高溫很快硬化,等內(nèi)層硬化時(shí),產(chǎn)生的低分子揮發(fā)物很難排出,導(dǎo)致制品中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,使制品產(chǎn)生鼓泡甚至開裂。1.4.1.改變模具的傳熱速率若模溫不均勻,會導(dǎo)致制品不同的流動性和固化速度不一致,而且,對較大型模具而言,模具中部散熱較快,上、下加熱板傳熱速率也不能完全平衡,會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因此,在設(shè)計(jì)模具時(shí),陰模外表面安裝電熱裝置,使模具均勻受熱,降低制品內(nèi)應(yīng)力。1.4.2降低成型壓力模壓壓力是指成型時(shí)迫使塑料充滿型腔和進(jìn)行固化時(shí)由壓機(jī)對物料所施的壓力。形狀復(fù)雜、厚度大、結(jié)構(gòu)緊密、外觀質(zhì)量好的制品,所需成型壓力高,反之,可適當(dāng)降低成型壓力。加壓時(shí)機(jī)也十分關(guān)鍵,只有當(dāng)樹脂反應(yīng)程度適中,分子量增加所造成黏度適度增加時(shí)加壓,才能使樹脂本身既能在熱壓力下流動而又同時(shí)使纖維同樹脂一起流動,才能得到較好質(zhì)量的制品,否則,制品會由于加壓不當(dāng)造成裂紋、纖維裸露等缺陷。1.4.3固化時(shí)間和溫度對產(chǎn)品的影響模壓時(shí)間是指模塑料從充模加壓到完全固化為止的時(shí)間段。模壓時(shí)間太短,交聯(lián)程度過低,制品表現(xiàn)為機(jī)械強(qiáng)度低,耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性差,后收縮增大,表面無光澤,容易出現(xiàn)變形和裂紋;如果固化時(shí)間太久,交聯(lián)度過高,不僅生產(chǎn)效率低,而且會因樹脂過度交聯(lián)而導(dǎo)致制品變脆,收縮率增大,機(jī)械強(qiáng)度差,表面出現(xiàn)密集小泡或裂紋。模壓時(shí)間的設(shè)定與制品高度有關(guān),制品越大,壁厚越厚,時(shí)間越長。1.4.4提高產(chǎn)品的密度密為提高質(zhì)量,制品脫模后常在烘箱中后處理,目的是提高制品固化反應(yīng)程度,通過提高溫度,使尚未反應(yīng)的基團(tuán)間繼續(xù)交聯(lián)增加密度,去掉殘留揮發(fā)分同時(shí)消除制品內(nèi)應(yīng)力,提高強(qiáng)度,減少裂紋產(chǎn)生。高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓制品的后處理溫度為100℃～120℃,時(shí)間為2h～3h。1.5機(jī)械應(yīng)力與裂紋若模壓制品尺寸精度要求較高,還需進(jìn)行機(jī)械加工,機(jī)械加工過程不當(dāng)也會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。比如裝夾方式、刀具材料、進(jìn)刀量等的不恰當(dāng)選擇,都可能產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。因此,對高硅氧纖維/酚醛樹脂模壓制品而言,機(jī)械加工過程中,一般用軟爪裝夾毛坯,采用金剛石刀具材料