第7章 復(fù)合材料的成型加工技術(shù)

第7章復(fù)合材料的成型加工技術(shù)

§7.1概述§7.2層壓成型§7.3模壓成型§7.4纏繞成型§7.5手糊成型§7.6其它成型

7.1概述

高分子復(fù)合材料是指有聚合物和各種填充材料或增強(qiáng)材料所組成的多相復(fù)合體。

復(fù)合材料制品較多的是指在熱固性樹脂中加有纖維增強(qiáng)材料所制得的增強(qiáng)塑料制品，也有纖維材料加入熱塑性樹脂中而得到的增強(qiáng)塑料制品。

增強(qiáng)塑料性能優(yōu)越：

1.密度低、比強(qiáng)度高；

2.絕熱性好；

3.耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)；

4.介電性能優(yōu)良。

當(dāng)然，增強(qiáng)塑料也存在不足之處：彈性模量低、受力時有較大變形、表面硬度低、耐溫性能差、容易老化等。

增強(qiáng)塑料的基本組成

增強(qiáng)材料：常用的底材有紙張、棉布、木材薄片、玻璃布或玻璃氈、石棉氈和石棉紙、合成纖維的織物以及碳纖維及陶瓷纖維等，增強(qiáng)材料如纖維、片狀無機(jī)物。

樹脂：所用的樹脂大部分為熱固性的，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、DAP等。

填料：另外為了改善性能及降低成本還可以加入碳酸鈣、滑石粉以及氧化鋁等。

一、復(fù)合材料用的樹脂

樹脂的作用:

①把不連續(xù)的基材粘接起來，從而使復(fù)合材料成為具有一定物理性能的整體。

②使纖維材料不致發(fā)生屈曲變形，如細(xì)度6-8微米玻璃纖維，受壓時是不穩(wěn)定的，由于自重而發(fā)生屈曲。但是復(fù)合材料中，由于樹脂的支撐作用而阻止了纖維的屈曲，使纖維在受壓時仍有一定的強(qiáng)度。

③保護(hù)纖維填料不受外界介質(zhì)的侵蝕和腐蝕，從而有利于發(fā)揮纖維的優(yōu)良性能。

對樹脂性能的要求：

①樹脂對增強(qiáng)材料應(yīng)有良好黏附能力和潤濕能力。

②樹脂本身要有良好的物理力學(xué)性能。

③樹脂固化時的收縮率應(yīng)小，從而在復(fù)合材料中不致引起太多的微裂紋。

④樹脂應(yīng)具有良好的工藝性能。

常用樹脂:

層壓塑料制品常用樹脂有：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、氨基樹脂等，此外也有少數(shù)其它品種樹脂，如DAP樹脂、二苯醚甲醛樹脂、芳烷基醚甲醛樹脂、糠醛丙酮樹脂、聚酰亞胺樹脂等。

1、聚酯樹脂

優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)越電性能、透明性、抗水、酸性。

缺點(diǎn)：耐熱性差、表面不光滑（增強(qiáng)用纖絲在表面突出、露纖）

2、環(huán)氧樹脂：用酸酐/胺類固化劑

優(yōu)點(diǎn)：對各種增強(qiáng)物的粘接性都很好、脫模困難.

3、酚醛樹脂：

優(yōu)點(diǎn)：成本低，強(qiáng)度好，抗?jié)?、抗化學(xué)腐蝕好，耐熱性好。

缺點(diǎn)：顏色深，需預(yù)浸，固化中有揮發(fā)性物質(zhì)放出，需高壓成型。

4、有機(jī)硅樹脂常用于對制品電性能、強(qiáng)度和耐熱性要求較高的場合，因成本較高，應(yīng)用上受到一定的限制。

5、三聚氰胺甲醛樹脂這種樹脂在成型中與酚醛樹脂有很多相同之處，也就是必須經(jīng)過預(yù)浸，固化中有揮發(fā)性物質(zhì)放出。優(yōu)越的抗電弧性、上色的范圍廣、硬度高、耐磨性好、耐熱性高等。

二、增強(qiáng)材料及其表面處理

（一）玻璃纖維及其織物

1、玻璃纖維：是由玻璃高溫拉絲制成，其強(qiáng)度高于塊狀玻璃。

主要成份：鋁硅硼酸鹽和鈣鈉硅酸鹽。

２、玻璃纖維及其織物的制造

１）玻璃纖維的制造工藝

玻璃球→坩鍋→熔化→流出→牽伸→噴漿料（潤滑、耐磨、保護(hù)）→卷取

２）玻璃纖維織物的制造

用紡織方法將玻璃纖維制成各種玻璃纖維織物

各種玻璃纖維織物或制品的性能：

A、玻璃繩：許多玻璃紗加捻絞緊而成，強(qiáng)度很高，常用于增強(qiáng)塑料的局部，加捻可以提高纖維面抱合力，因而改善纖維的受力狀況，有利于紡織工序的進(jìn)行。

B、玻璃布：平紋布、斜紋布、緞紋布、單向布。

C、玻璃布帶：主要用于纏繞管道、接頭等增強(qiáng)塑料制品。

D、無捻粗紗：主要用于纏繞高壓容器和管道。

E、無捻粗紗布：容易浸透樹脂鋪覆性能好，適用于手糊成型制造船艇、汽車車身和大型容器等，也用于層壓制品。

F、短切纖維：主要用于制造模壓用的干混料或濕漿料、熱塑性復(fù)合塑料以及吸附成型工藝等

G、短切纖維氈：主要用于手糊成型和模壓成型，生產(chǎn)平面或曲率不大的制品。

H、表面氈：厚度約為0.3～0.38mm，可以覆蓋制品，掩蓋玻璃纖維，使制品表面光滑，常用于手糊成型。

I、連續(xù)玻璃纖維氈：主要用于壓制絕緣板和纏繞絕緣管等。

增強(qiáng)作用和膠接作用

為使增強(qiáng)物（如玻璃纖維）能在復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)作用，它與樹脂之間必須具有良好的膠接。

最好的膠接是使兩者在界面處產(chǎn)生化學(xué)鍵的結(jié)合，工程上是用一種既能與增強(qiáng)物、又能與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的偶聯(lián)劑來完成。

為增進(jìn)膠接作用還應(yīng)該考慮樹脂對增強(qiáng)物的潤濕能力，也就是兩者接觸時所能發(fā)生的緊密程度。

３、表面處理方法：

A、洗滌法：用有機(jī)溶液洗除玻璃纖維／織物表面上的漿料。

溶劑：三氯乙烯、汽油、丙酮、甲苯、二氯乙烷。

B、熱處理法：高溫除去玻璃纖維／其織物表面上的漿料。

連續(xù)處理：連續(xù)熱處理爐溫度可取300℃－450℃，３min－6min。

間歇式處理：溫度偏低而時間長，可采取280℃和15－25min。

C、化學(xué)處理法：

1、后處理：

玻璃纖維／織物→熱處理（漿料留量<1%）→偶聯(lián)劑處理→水洗→烘干。纖維表面有一層偶聯(lián)劑，最通用的方法。

2、前處理法：將偶聯(lián)劑加在漿料中，以便偶聯(lián)劑在攏絲過程中就附在玻璃纖維的表面上

3、遷移法：方法將偶聯(lián)劑按一定等例直接加到樹脂中，再經(jīng)過浸膠涂覆使其與玻璃纖維/織物發(fā)生作用。

（二）其它新型纖維材料

1、耐高溫的玻璃纖維：石英纖維（光纖）、高硅氧玻纖

2、高強(qiáng)度玻纖和高模量玻纖

3、碳纖維

4、硼纖維

5、碳化硅纖維、碳化硼纖維

6、晶須

7、芳綸纖維

（三）其它增強(qiáng)材料

1、木材

２、紙張和紙板

３、石棉

４、棉布

５、合成纖維和麻纖維一、層壓成型

層壓成型是將多層附膠底材疊合并送入到熱壓機(jī)中，在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時間壓制成塑料制品。包括浸漬和成型兩步。這種方法是比較成熟的，得到的制品質(zhì)量好，性能比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是間歇式生產(chǎn)，且產(chǎn)品尺寸受熱板規(guī)格所限制。層壓成型采用的增強(qiáng)物主要是棉布、玻璃布、紙張、石棉布等片狀材料。選用的樹脂大多是酚醛樹脂和環(huán)氧酚醛樹脂。如印刷電路版用的覆銅層壓板

7.2高壓成型

高壓成型可分為層壓成型、管材和棒材的成型以及模壓成型。1.浸漬2.板材的成型板材成型工藝過程分為疊料、進(jìn)模、熱壓、出模、加工和熱處理等。

(1)疊料

首先對所用附膠材料進(jìn)行選擇，選用的附膠材料應(yīng)是浸漬均勻、無雜質(zhì)。樹脂含量符合要求，而且樹脂的硬化程度（即達(dá)到部分固化狀態(tài)，有一定的粘度）也應(yīng)達(dá)到規(guī)定的范圍。接著是剪裁與疊層，即將附膠底材按制品的預(yù)定尺寸(長度均比制品要求的尺寸大出70～80毫米)，裁成片并按預(yù)定的方向疊成板坯。制品的厚度初看是決定于板坯所用附膠材料的張數(shù)，但是由于附膠材料質(zhì)量的變化，往往不容易準(zhǔn)確。因此一般采用張數(shù)和重量相結(jié)合的方法來確定制品的厚度。

將附膠材料疊成片時，其排列方向可按同一方向排列，也可以按互相垂直排列。用前一種排列方向，制品性能各向異性，用后一種排列，制品性能各向同性。

疊好的板坯應(yīng)按下列順序集合成壓制單元：金屬板－襯紙－單面鋼板－板坯－雙面鋼板－板坯－雙面鋼板－板坯－單面鋼板－襯紙－金屬板。

金屬板為普通鋼板，也有用合金鋁板的，但表面應(yīng)力求平整、光滑。

(2)進(jìn)模

將裝好的壓制單元分層推入多層壓機(jī)的熱板中去，再檢查一下扳坯在熱板中的位置是否合適，然后閉合壓機(jī)，開始升溫升壓進(jìn)行壓制。(3)熱壓

開始熱壓時，溫度與壓力均不宜太高，否則樹脂易流失溫度和壓力是根據(jù)樹脂的特性用實(shí)驗(yàn)方法確定的，壓制溫度控制一般分為5個階段。

１)預(yù)熱階段

溫度是指從室溫到固化反應(yīng)開始的溫度。預(yù)熱階段中，樹脂發(fā)生熔化，并進(jìn)一步浸透底材，同時還排除了一部分揮發(fā)物。施加的壓力為全壓的1／3-1／2。

2)保溫階段

使樹脂在較低的反應(yīng)速度下進(jìn)行固化反應(yīng)，直到板坯邊緣流出的樹脂不能拉成絲時為止。

3)升溫階段

這一階段是自固化開始的溫度升到壓制規(guī)定的最高溫度，升溫不宜太快，否則會使固化反應(yīng)速度加快而引起成品分層或產(chǎn)生裂紋。

4)恒溫階段

當(dāng)溫度升到規(guī)定的最高值后保持恒定的階段。這一階段的作用是保證樹脂充分固化，而使制品性能達(dá)到最佳值。保溫時間取決于樹脂的類型、品種和制品的厚度。

5)冷卻階段

即當(dāng)板坯中樹脂已充分固化后進(jìn)行降溫準(zhǔn)備脫模的階段。降溫可以在熱板中通冷卻水，也可以自然冷卻。降溫冷卻應(yīng)在保持壓力的情況下直到冷卻完畢。

五個階段中溫度與時間的變化如圖所示．

(4)脫模

當(dāng)壓制好的板材溫度已降到60℃時，即可依次推出壓制單元，并取出產(chǎn)品。

(5)后加工

加工的目的是去除壓制板材的毛邊。一般在3毫米以下的板材用剪裁機(jī)，大于3毫米以上的板材用鋸扳機(jī)進(jìn)行。

(6)熱處理

熱處理是使樹脂充分固化的補(bǔ)加措施，目的是提高制品的力學(xué)強(qiáng)度、預(yù)熱性和電性能。熱處理的溫度應(yīng)根據(jù)樹脂的類型不同而異。二、管材和棒材的制造制造管材和棒材也是以干燥的附膠材料為原料的。使用的附膠片材材料主要是酚醛樹脂或酚醛環(huán)氧樹脂浸漬的平紋玻璃布或紙張，只有在個別情況下才能使用浸有相同樹脂的棉布或木材原片。管材和棒材都是用卷繞方法先成型出管坯或棒坯，然后再在一定溫度下預(yù)固化和固化。三、模型制品的壓制其本質(zhì)上是壓制或模塑成型，不同的是以附膠片材作為原料（第4章的壓制或模塑成型是用模塑粉或粒料為原料）。由于附膠片材中的增強(qiáng)材料在壓制中很難流動，因此須先將附膠片材用剪裁、疊合，制成型坯，放入模腔中進(jìn)行熱壓。

壓制制品的種類有：滑輪、齒輪、閥件、紗管芯、軸瓦和軸襯等。

7.3模壓成型

一、塊狀模塑料（BMC）模壓成型二、片狀模塑料（SMC）模壓成型

7.4纏繞成型

纏繞成型是用浸有樹脂的纖維或織物，在相當(dāng)于制品形狀的芯模上作規(guī)律性的纏繞，然后再加熱硬化并脫模取得制品的一種成型方法。這咱方法只適于制造圓柱形和球形等回轉(zhuǎn)體。與“蠶繭”的成型有類似之處如大型儲罐、化工容器、飛機(jī)整流罩、火剪的殼體等

一、纏繞機(jī)

1、臥式纏繞機(jī)

2、立式纏繞機(jī)二、纏繞規(guī)律

1、縱向平面纏繞

2、環(huán)向平面纏繞

3、螺旋纏繞三、內(nèi)襯

1、鋁內(nèi)襯由筒身、封頭、接嘴、接尾四部分組成

2、橡膠內(nèi)襯具有氣密性好、彈性好、耐疲勞性好、制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。要用到芯模。四、芯模

1、不可卸式金屬芯模

2、金屬可卸式芯模

3、可敲碎式芯模

4、橡膠袋芯模

5、組合芯模五、玻璃增強(qiáng)塑料內(nèi)壓容器的制造工藝

1、材料的選擇纏繞工藝中所用的原材料主要有玻璃纖維和樹脂兩大類。

2、纏繞工藝（1）干法成型（2）濕法成型（3）工藝參數(shù)

①纏繞張力②硬化③纖維的烘干和熱處理

六、纏繞成型玻璃鋼化工設(shè)備

1、概述

纏繞法制得的化工設(shè)備比強(qiáng)度高（可超過鈦合金），這是由于可根據(jù)制品的受力情況，合理設(shè)什纏繞規(guī)律，所以本法適宜于制造大型化工貯罐、鐵路槽車、受壓容器等。

原料增強(qiáng)材料主要為無堿無捻玻璃纖維紗，單纖維直徑為6～8微米，股數(shù)由10～60不等。

樹脂膠液的選擇視制品應(yīng)用范圍而定。某種受壓容器的樹脂膠液為7份雙酚A型環(huán)氧樹脂（牌號為E－42或E－44）摻入3份616＃酚醛材脂（按純樹脂計）制成，稀釋劑用丙酮，用量大約為樹脂固體總量的30％。

2、生產(chǎn)工藝

（1）玻璃纖維紗或帶的表面處理處理操作常包括80℃的脫蠟處理和用化學(xué)偶聯(lián)劑浸涂處理。最常用的偶聯(lián)劑為KH－550等硅烷類偶聯(lián)劑。

（2）膠液配制按配方在常溫下進(jìn)行，控制膠液粘度及濃度。

（3）浸膠一般在臥式浸膠槽中浸漬后于130℃左右烘干，所得浸膠材料若不經(jīng)干燥直接用于纏繞則稱濕法，經(jīng)干燥后再纏繞者稱為干法。浸膠材料的含膠量為40％～50％，揮發(fā)份為5%～7％。可溶性物質(zhì)含量＞99％，固化度＜l％。

（4）纏繞纏繞時要求一定溫度，如60士5℃，纏繞線速度約25m／min、纏繞時的張力大小對制品質(zhì)量有明顯影響，因此要嚴(yán)格控制，例如對120股紗的浸膠材料，其纏繞起始張力，環(huán)向不低于98N，縱向不低于78N；每二層，環(huán)向遞減9.8N，縱向遞減4.9N。纏繞操作中，浸膠材料的排布軌跡應(yīng)根據(jù)所制化工設(shè)備或其他制品的性能要求進(jìn)行專門的設(shè)計。（5）固化纏繞完畢要進(jìn)一步加熱固化，具體加熱溫度隨膠液種類不同而有所不同。

（6）主要生產(chǎn)設(shè)備

浸膠干燥機(jī)、纏繞機(jī)，均為非定型設(shè)備

7.5低壓成型

主要有接觸法和袋壓法。

一、接觸成型接觸成型又稱為涂敷、裱糊或手糊成型其工藝過程是：在預(yù)先涂好脫模劑的模具上，將附膠片材用樹脂連鋪帶涂并一層層地貼上。每貼一層，均應(yīng)將其中空氣排出。鋪到所需厚度時，即進(jìn)行硬化處理。硬化完畢后，經(jīng)適當(dāng)修理，即可得到制品。如游艇、游樂設(shè)施等產(chǎn)品的生產(chǎn)。

1、成型中采用的主要設(shè)備和材料（1）模具模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選用的材質(zhì)都會對成型工藝、制品質(zhì)量和成本產(chǎn)生影響。模具結(jié)構(gòu)形式可分為陽模、陰模、對模三種。其結(jié)構(gòu)形式如下頁：（2）脫模劑常用的脫模劑可分為三大類：薄膜型、溶液型和油蠟型。（3）樹脂和輔助材料主要是環(huán)氧樹脂和不飽和樹脂。采用的輔助材料有稀釋劑、填料、固化催化劑和色料等。（4）增強(qiáng)材料適合于接觸成型的增強(qiáng)材料有玻璃布、無捻粗紗方格布和玻璃氈等。

2.接觸成型工藝（1）玻璃布的準(zhǔn)備（2）模具的準(zhǔn)備（3）浸漬液的配制與準(zhǔn)備（4）糊制手工糊制時要求操作者準(zhǔn)確迅速，含膠量嚴(yán)格控制，并將氣泡及時排除。（5）硬化及熱處理（6）脫模及后加工二、袋壓法袋壓法與接觸法相似，不同的只是在硬化過程中須對已鋪疊物施加壓力。施加的壓力是靠橡皮袋抽真空或加壓來實(shí)現(xiàn)的。由于施有壓力，使樹脂能夠充分浸漬，從而取得實(shí)心和強(qiáng)度高的制品。