纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的制備

1、1第十三章 纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的制備第一節(jié) 概 述聚合物基復(fù)合材料成形通常有一步法與二步法之分。一步法是由纖維、樹脂等原材料直接 混合浸漬，一步固化成形形成復(fù)合材料。二步法則是預(yù)先對(duì)纖維樹脂進(jìn)行混合浸漬加工，使之 形成半成品，再由半成品成形出復(fù)合材料制品。一步法工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單，但溶劑、水分等 揮發(fā)物不易去除，裹入制品形成孔洞，樹脂不易分布均勻，在制品中形成富膠區(qū)和貧膠區(qū)，嚴(yán) 重時(shí)會(huì)因纖維浸漬不好而出現(xiàn)“白絲”現(xiàn)象，生產(chǎn)效率低，環(huán)境惡劣。針對(duì)一步法的缺點(diǎn)，預(yù) 先將纖維浸漬樹脂，或纖維樹脂預(yù)先混合，經(jīng)過一定處理，使浸漬物或混合物成為一種干態(tài)或 稍有粘性的材料，即半成品材料，再用它成形復(fù)合材

2、料制品，因此二步法又稱“干法” 。二步法 將浸漬過程提前，可很好地控制含膠量和解決纖維樹脂均勻分布問題。熱固性樹脂基復(fù)合材料制品典型的生產(chǎn)工藝過程如圖 13-l13-l 所示，在準(zhǔn)備工序中增加半成品 制備工藝環(huán)節(jié)，由專業(yè)化廠或車間生產(chǎn)，生產(chǎn)出的半成品貯存?zhèn)溆??？梢姲氤善肥菑?fù)合材料整 個(gè)生產(chǎn)過程中的一種中間材料，也即是復(fù)合材料成形用的一種特殊種類的原材料。由原材料經(jīng) 過一定的加工制成干態(tài)或半干態(tài)的半成品材料的過程，即半成品制備工藝，也與成形加工一樣 是復(fù)合材料工藝的內(nèi)容。早期制造復(fù)合材料都是采用一步法（又稱“濕法” ）工藝，如成形模壓 制品是先將纖維或織物置于模具中，倒入配好的樹脂膠液后加壓成形

3、。在半成品制備過程中烘 去溶劑、水分和低分子組分，降低了制品的空隙率，也改善了復(fù)合材料成形作業(yè)的環(huán)境。通過 半成品的質(zhì)量控制，確保復(fù)合材料制品的質(zhì)量。第二節(jié) 高分子復(fù)合材料半成品的制備高分子復(fù)合材料， 常常是預(yù)先將纖維等添加劑與樹脂混合制成成形用材料（半成品） ，然后再經(jīng)壓制、注射等成形操作獲得。對(duì)熱塑性塑料，習(xí)慣上把這種成形用材料叫做粒料；熱固性 塑料，叫做模塑料；對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料即復(fù)合材料，則稱為預(yù)浸料。它們是由樹脂制成塑料 或復(fù)合材料制品的重要中間環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響著成形工藝條件及產(chǎn)品的性能。本節(jié)簡(jiǎn)要介 紹幾種纖維增強(qiáng)半成品的制造方法。2圖13-1釐合材料制品的生產(chǎn)流程圖一、纖維增強(qiáng)

4、熱塑性塑料粒料的制造方法纖維增強(qiáng)熱塑性模塑料是粒狀形式的半成品，適宜高效率的注射模塑成形。制造纖維增強(qiáng)粒料 的工藝方法很多，其目的是將體積龐大、結(jié)構(gòu)松散的玻璃纖維加到基體樹脂中去，形成均勻分 散的粒狀材料。熱塑性增強(qiáng)粒料有長(zhǎng)纖維型和短纖維型兩種。1 1 長(zhǎng)纖維型粒料的制造工藝長(zhǎng)纖維型粒料一般采用電纜包覆法制造，其工藝流程如圖 13-213-2 所示。玻纖粗紗通過十字形擠出機(jī)頭（或在聚合釜出料口安裝包覆機(jī)頭），被熔融樹脂包覆，經(jīng)冷卻、牽引、切粒而成。長(zhǎng)纖維粒料，由于樹脂包覆差，纖維分布不均勻，粒料硬度不高，僅適宜于螺桿式注射機(jī)成形。 在成形時(shí)依靠螺桿的混合作用，使纖維均勻地分散于樹脂之中。市售長(zhǎng)

5、纖維粒料有三種截面結(jié)構(gòu)形式，如圖 13-313-3 所示，（a a）玻璃纖維成一大束包于粒子中，包覆不緊，切粒時(shí)易拉毛，玻璃纖維易飛揚(yáng)，注射成形時(shí)不利于玻璃纖維的均勻分散；（b b）玻璃纖維成幾小束分散于四周，雖然玻璃纖維分散了，但纖維過于靠近粒子周圍邊上，樹脂包 覆力不夠，在切粒時(shí)也容易起毛，至使纖維飛揚(yáng)；（c c）玻璃纖維成幾小束包于粒子中，是最理想的結(jié)構(gòu)形成，玻璃纖維分散得好，且周圍樹脂較厚，粒子包覆較結(jié)實(shí)，因而粒子端面平整， 玻璃纖維不易被拉毛及飛揚(yáng)。増材料I眾工序?*BjfcJWHHREHI布I-駅料半慮品加工ft亞3I送絲機(jī)構(gòu)胸虧殛一殛 一SS f泡理現(xiàn)頭亠S3 -1牽引成條 麗1

6、-1粒料干擱-2 2 .短纖維型粒料的制造工藝短纖維型增強(qiáng)粒料，是為解決高熔融粘度樹脂的長(zhǎng)纖維型粒料，因纖維在樹脂中分散不好，易引起制品性能和外觀不理想而產(chǎn)生的，所以也稱分散型增強(qiáng)粒料。它是先將短切纖維和樹脂 初混合，再經(jīng)螺桿擠出機(jī)混煉，纖維被折斷，以長(zhǎng)度約為0.250.25 0.5mm0.5mm 的短纖維形式，均勻地分散于樹脂中，其工藝流程圖如 13-413-4 所示。短纖維型粒料具有較好的成形加工性和表面平滑性， 用柱塞式和螺桿式注射成形機(jī)均可成形。但由于纖維在造粒時(shí)磨損嚴(yán)重、長(zhǎng)度短，制品強(qiáng)度不 高。由于短纖維型粒料的加工流動(dòng)性較好，它適合于制造壁薄和形狀復(fù)雜的制品。碉脂干燥1 +1纖維短

7、切-初混合f 擠出切粒粒料干燥秤量包裝圖13-4短纖維型粒料的工藝流程圖二、短纖維增強(qiáng)熱固性模塑料的制造方法纖維模塑料即短纖維預(yù)浸料，它是由樹脂漬短纖維經(jīng)過烘干制成，因通常用于模壓工藝， 故稱之為模塑料。所用樹脂主要是酚醛樹脂，還有氨基樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、 環(huán)氧樹脂等。所用纖維主要是玻璃纖維，還有棉纖維、石棉、有機(jī)纖維、碳纖維等。根據(jù)不同 的纖維和不同的樹脂，其模塑料的制造方法也是多種多樣的，但概括起來，最主要的制造方法 有兩大類，即：預(yù)混法和預(yù)浸法、擠出法。1 1預(yù)混法制造短纖維模塑料預(yù)混法是將短纖維（如棉纖維、石棉纖維等）或切成 101050mm50mm 長(zhǎng)的纖維（如玻璃纖維

8、、 合成纖維等）與一定量的膠液混合均勻，再經(jīng)撕松、烘干而制成模塑料的工藝方法。一般為間 斷操作，其生產(chǎn)工藝流程如圖13-513-5 所示。這種模塑料的特點(diǎn)是：纖維較松散而無定向，流動(dòng)性好，宜做形狀復(fù)雜的小型模壓制品。但在制造過程中纖維的強(qiáng)度損失較大，不宜制做強(qiáng)度要求 很高的模壓制品。模塑料均勻性較差，比容大，壓模要有較大的裝料室，裝模困難，勞動(dòng)條件 差。浸漬與混合批量小時(shí)可用手工反復(fù)搓揉，批量大時(shí)需采用Z Z 型捏合機(jī)。對(duì)于棉纖維則先把捏合物在壓機(jī)上加壓處理，壓榨物料在輥壓機(jī)上輥壓后，再在盤式混合機(jī)（即輪碾機(jī)）上研碾 混合。撕松的作用是將捏合成團(tuán)的物料蓬松，大批量生產(chǎn)時(shí)采用撕松機(jī)完成。撕松的預(yù)

9、混料在 室溫下晾置，等大部分包覆式長(zhǎng)軒維型粒料的工藝流程圖圖13-3長(zhǎng)纖維型粒料截面結(jié)構(gòu)形式4溶劑揮發(fā)后，再進(jìn)行烘干處理，使揮發(fā)分進(jìn)一步揮發(fā)掉，同時(shí)使樹脂進(jìn) 行一定程度的預(yù)聚。配膠I十慨堆碩處理I +潘加刑準(zhǔn)箸f 慨莖與混卷IT斬松|f聯(lián)干IT并批圖13-5預(yù)混合法生產(chǎn)工藝流程圖2 2 預(yù)浸法制造短纖維模塑料預(yù)浸法是將連續(xù)纖維束整束通過膠槽、浸漬，再經(jīng)刮膠輥后，在烘箱中烘干，切割成所需 長(zhǎng)度單向纖維模塑料的工藝方法。這種方法為連續(xù)生產(chǎn)法。其模塑料的特點(diǎn)是成束狀，比較緊 密。生產(chǎn)過程中纖維損傷較少，質(zhì)量均勻，比容小，模具不需較大的裝料室，裝料簡(jiǎn)單，在裝 料時(shí)易于按制品受力狀態(tài)進(jìn)行物料的鋪設(shè)。因此

10、用這種方法制得的模塑料易制造形狀較復(fù)雜的 高強(qiáng)度模壓制品。預(yù)浸料的日生產(chǎn)量一般比預(yù)混法低，而且模塑料的流動(dòng)性及料束間的互溶性 較差。預(yù)浸法亦分為手工預(yù)浸法和機(jī)械預(yù)浸法兩類。機(jī)械預(yù)浸法一般采用連續(xù)無捻粗紗，纖維不 像預(yù)混法那樣受到捏合和蓬松、撕松過程的強(qiáng)力攪動(dòng)，因而纖維的原始強(qiáng)度不會(huì)嚴(yán)重?fù)p失。該 方法的機(jī)械化程度較高，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度小，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于制造，可連續(xù)化生產(chǎn)。預(yù)浸、預(yù)混法模塑料的質(zhì)量指標(biāo)主要有樹脂含量、揮發(fā)分含量和不溶性樹脂含量；制備工 藝過程中主要控制樹脂溶液粘度、纖維和短切長(zhǎng)度、浸漬時(shí)間、烘干條件等因素。3 3 擠出法制造短纖維模塑料擠出法采用螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)，克服了上述預(yù)浸、預(yù)

11、混方法采用膠液浸漬使用大量有機(jī)溶劑 的缺點(diǎn)，改善了勞動(dòng)衛(wèi)生條件，降低了成本。其產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定，生產(chǎn)可以連續(xù)化、自動(dòng)化。 缺點(diǎn)是玻璃纖維在螺桿中被磨損、被剪斷的情況較嚴(yán)重，從而降低了塑料的強(qiáng)度。該法適用于 在生產(chǎn)過程無需排除低分子物的玻璃纖維模塑料，如DAPDAP （鄰苯二甲酸二烯丙基酯）玻璃纖維模塑料的生產(chǎn)。其生產(chǎn)方法是：將預(yù)先粉碎的 DAPDAP 預(yù)聚體和其它組分按配方初步混合后，再與玻璃纖維混合，連續(xù)地加到單螺桿擠出機(jī)中。在加熱及剪切摩擦熱的作用下，樹脂熔融，借助 螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使各組分充分浸漬并混合均勻；將熔融物擠出成條狀物，經(jīng)冷卻切割，即得到DAPDAP玻璃纖維模塑料。三、片狀模塑料SM

12、C的制造方法片狀模塑料（sheetsheet mouldingmoulding compoundcompound ），是 2020 世紀(jì) 6060 年代發(fā)展起來的一種干法制造聚酯 玻璃鋼的新型模塑料。它是用多組分的不飽和聚酯樹脂糊充分浸漬短切玻璃纖維（或氈），并在上下面覆蓋聚乙烯薄膜而獲得的片狀?yuàn)A芯形成的模塑料。樹脂糊包含不飽和聚酯樹脂、引發(fā)劑、5化學(xué)增稠劑、低收縮添加劑、粉狀模料、顏料、脫模劑等。增強(qiáng)材料一般都是無捻玻璃粗紗， 其短切長(zhǎng)度202050mm50mm。上下覆蓋的聚乙烯薄膜能防止空氣、灰塵、水汽等對(duì)材料的污染和交 聯(lián)劑苯乙烯的蒸發(fā)。使用SMCSMC 時(shí)，只需撕掉兩面的聚乙烯薄膜，按

13、制備相應(yīng)尺寸裁切、疊層, 然后放人模具中加溫加壓固化，即得到所需要的制品。片狀模塑料中，樹脂系統(tǒng)(包括聚酯樹脂、引發(fā)劑、增稠劑、低收縮添加劑、脫模劑、阻 聚劑等)約占3030% ;填料占 4040%左右；玻璃纖維占 3030%。色白的 CaCOCaCO3吸油率低，是 SMCSMC 最常用的增量性填料，它的使用，大大降低了材料的成本，并降低模塑料收縮率，改善了制品 表面質(zhì)量。水合氧化鋁為阻燃性填料，同時(shí)可改善制品的耐水性和電絕緣性。樹脂“增稠”多 用 MgOMgO 或 CaCa (OHOH )2,它們以配位絡(luò)合物的形式使樹脂的相對(duì)分子質(zhì)量增大，并不促進(jìn)其膠 凝。低收縮添加劑一般用熱塑性樹脂如聚乙

14、烯、聚苯乙烯、氯乙烯一醋乙烯酯共聚物。片狀模塑料的生產(chǎn)工藝流程如圖13-613-6 所示，制造 SMCSMC 的設(shè)備示意如圖 13-713-7 所示。首先將樹脂和填料等組分預(yù)先充分混合，制成樹脂糊。樹脂糊制備有兩種方法：批混合法和連續(xù)混合 計(jì)量法。批混合法是將樹脂和除增稠劑外的各組分依次攪拌混合，最后加入增稠劑，混合后經(jīng) 過計(jì)量即由混合泵輸送到傳送帶或承載膜上。批混合制成的樹脂糊受30min30min 貯存壽命的限制，時(shí)間過長(zhǎng)，則樹脂開始快速增稠，影響對(duì)玻璃纖維的浸漬，因此適于試驗(yàn)性或小批量生產(chǎn)。采 用連續(xù)混合計(jì)量法時(shí)，先將樹脂糊按增稠劑和樹脂分開成兩部分單獨(dú)制備，然后通過計(jì)量裝置 經(jīng)過一個(gè)靜

15、態(tài)混合器，直接按比例將兩部分連續(xù)混合并喂到制片機(jī)組的上糊區(qū)。連續(xù)混合計(jì)量 法能保證在機(jī)組切割沉降點(diǎn)處樹脂粘度的近似不變。麗SWS S3低收蠟忝加劑I就脂糊制備】一|廠igsi粗紗切割! * 畫 f 壷f 0十繭 -Sg圖13-6片狀模塑料工藝流程圖將樹脂糊輸送到上層和下層聚乙烯薄膜上，并通過刮刀均勻刮平至一定厚度，然后連續(xù)玻 纖粗紗經(jīng)過切割器短切，均勻沉降在下層薄膜的樹脂糊上，同時(shí)用刮涂有樹脂糊的上層薄膜覆 蓋，形成樹脂糊一短切玻璃纖維一樹脂糊夾層材料，再通過一系列壓力輥的揉捏作用，使樹脂 浸透纖維并驅(qū)除團(tuán)集于夾層內(nèi)的氣泡，將片材壓緊成均一厚度，最后收卷。片材在一定的環(huán)境 條件下，經(jīng)過一定時(shí)間

16、的熟化，使之增稠，粘度達(dá)到穩(wěn)定 且適于模壓的范圍內(nèi)方可使用。SMCSMC 操作方便，模壓成形時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，改 善了成形加工工作環(huán)境和勞動(dòng)條件；成形流動(dòng)性好，可成 形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、或大型制品，并且制品表面質(zhì)量好；組分 的種類配比可調(diào)配性好，可降低成本或使制品輕量化；玻 璃纖維在生產(chǎn)和成形過程中均未損傷，長(zhǎng)度均勻，制品強(qiáng) 度咼。S S 13-813-8 線筒綢繞法制備無緯布示意圖6四、復(fù)臺(tái)材料成形用連續(xù)纖維 預(yù)浸料的制造方法纖維預(yù)浸料，是將樹脂體系浸涂到 連續(xù)纖維或纖維織物上，通過一定的處 理過程，所形成的一種貯存?zhèn)溆玫陌氤?品，它是制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制 品的重要中間材料。預(yù)浸料的品種規(guī)

17、格 很多，按纖維排布形式不同有織物預(yù)浸 料（預(yù)浸膠布、預(yù)浸紗帶），單向纖維預(yù) 浸料無緯布、預(yù)浸紗等，廣泛用于層壓、卷制、纏繞、裱糊、真空袋、熱固罐、模壓和拉擠等各種成形工藝。按樹脂類型分為熱固性樹 脂預(yù)浸料和熱塑性樹脂預(yù)浸料。按纖維種類不同又有碳纖維預(yù)浸料、芳纖預(yù)浸料、玻璃纖維預(yù) 浸料和棉布預(yù)浸料等。預(yù)浸料的制備方法按樹脂浸漬纖維的方法不同大致有：溶液浸漬法、熱 熔浸漬和膠膜輾壓法、粉末工藝法等。1 1 .溶液浸漬法與預(yù)浸法制備短纖維模塑料一樣，將構(gòu)成樹脂的各組分按預(yù)定的固體含量溶解到溶劑中去； 然后纖維（紗或織物）通過樹脂溶液，粘著一定量的樹脂，經(jīng)烘干除去溶劑即得預(yù)浸料。由于 采用樹脂溶液浸

18、漬纖維，所以該法屬濕法工藝。用于層壓、卷制、布帶纏繞成形的預(yù)浸膠布多采用溶液法浸漬纖維織物獲得，其制備在臥 式或立式浸膠機(jī)上連續(xù)進(jìn)行。纖維織物（布）以一定速度均勻移動(dòng)，首先通過熱處理爐除去水 分或石蠟浸潤(rùn)劑，然后經(jīng)過浸膠槽浸漬一定量的樹脂溶液，再經(jīng)過烘干爐除去大部分溶劑和揮 發(fā)分，并使樹脂預(yù)固化到一定程度，最后收卷貯存。預(yù)浸布經(jīng)剪裁成窄帶后用于纏繞成形。單向纖維預(yù)浸料，根據(jù)制備設(shè)備的不同，分輥筒纏繞和陣列式連續(xù)排鋪法。輥筒纏繞法多 采用濕法工藝，陣列式連續(xù)排鋪法逐漸由濕法向干法發(fā)展。輥筒纏繞法工藝過程如圖 13-813-8 所示。連續(xù)纖維束從紗團(tuán)引出，進(jìn)人膠槽浸漬樹脂，經(jīng)擠膠 器除去多余樹脂后

19、，靠喂紗導(dǎo)器纖維紗依次整齊地環(huán)向纏繞在貼有隔離膜的輥筒上，最后沿輥 筒母線切斷展開，即成單向纖維預(yù)浸料。因其緯向沒有纖維，經(jīng)紗是靠樹脂將其粘在一起的，所以也叫無緯布。該法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但制備的無緯布長(zhǎng)度受輥筒直徑限制，生產(chǎn)速度 較低。陣列式連續(xù)排鋪法的基本過程是：許多平行的纖維束（或織物）同時(shí)連續(xù)浸涂樹脂，經(jīng)輥 壓等工序后，即成連續(xù)預(yù)浸料。該法生產(chǎn)效率高，適于大量生產(chǎn)。其濕法制造連續(xù)無緯布的主 要流程如圖 13-913-9 所示。一定數(shù)量的紗束從紗架引出，經(jīng)整經(jīng)平行整齊地進(jìn)入裝有樹脂溶液的浸漬膠槽，經(jīng)擠膠、烘干、墊鋪隔離紙和壓實(shí)，即可收卷，獲得成卷的連續(xù)預(yù)浸料。為獲得質(zhì)量 合格的預(yù)浸料，

20、必須嚴(yán)格控制環(huán)境溫度、膠液濃度、輥筒縫隙和纖維的行進(jìn)速度等。圖13-7制備SMC設(shè)備示意圖7圖 13-913-9 陣列式連裟排葡袪制備預(yù)技料示意圖2 2 熱熔浸漬法和膠膜輾壓法干法制造預(yù)浸料有熔融法和膠膜法兩種。由于不使用溶劑，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境無污染，也不 易引起火災(zāi)，節(jié)約溶劑，預(yù)浸料和揮發(fā)分含量低，制備復(fù)合材料的孔隙小。熔融法的基本工藝 過程如圖 13-1013-10 所示，借助加熱把漏槽中流出的熔融樹脂體系刮涂于隔離紙載體上，隨后轉(zhuǎn)移 到經(jīng)整經(jīng)、排列整齊的平行纖維紗上，同時(shí)，纖維的另一面貼附上一層隔離紙，然后三者成一 夾芯，經(jīng)熱輥后，使樹脂浸潤(rùn)纖維，最后壓實(shí)收卷。圖13-1113-11 為膠

21、膜法制造預(yù)浸料的工藝過程圖。與熔融法相似，一定數(shù)量的紗束經(jīng)整齊排鋪后，夾于膠膜之間，成夾芯狀，再通過加熱輥 擠壓，使纖維浸嵌于樹脂膜，最后加附隔離紙載體壓實(shí)，即可分切收卷。膠膜法可制備樹脂含 量很低的預(yù)浸料，產(chǎn)品中樹脂分布均勻。樹脂含量和質(zhì)量受膠膜厚度、壓輥間隙和溫度影響。膠膜法對(duì)樹脂體系的工藝性要求較高，樹脂應(yīng)具有優(yōu)良的成膜性，膠膜應(yīng)有適度的柔性和粘性,較長(zhǎng)的貯存壽命。干法制備解決了那些樹脂體系不溶解于普通低沸點(diǎn)溶劑的預(yù)浸料的制造問題， 成膜性和柔性通常采取添加一定量的熱塑性樹脂或較高相對(duì)分子質(zhì)量的線性熱固性樹脂獲得， 同時(shí)也提高了固化樹脂的韌性。8采用織物為原料制造預(yù)浸料時(shí)，不需要排紗整經(jīng)

22、，工序較簡(jiǎn)單。3 3 .粉末法制備預(yù)浸料粉末法又分為粉末靜電法和粉末懸浮法，主要用于制備熱塑性樹脂和高熔點(diǎn)難溶解樹脂的 預(yù)浸料。粉末靜電法是在連續(xù)纖維表面沉積帶電樹脂粉末，用輻射加熱的方法使聚合物粉末永 久性地粘附在纖維表面上。此法不會(huì)引起纖維 間過長(zhǎng)而導(dǎo)致性能退化。粉末靜電法需事先 將高聚物研磨成非常細(xì)微的顆粒，其典型的 粒子大小是 240240 卩 m m、110110 卩 m m 和8080 卩 m m。采用超細(xì)顆粒的粉末， 可獲得柔軟的預(yù) 浸料。粉末懸浮法通常分為水懸浮和氣懸浮 兩種。前者是在水中懸浮的樹脂顆粒粘附到 連續(xù)運(yùn)動(dòng)的纖維上， 后者是細(xì)度為 10102020 卩 m m 的聚

23、合物顆粒在硫化床中懸浮，聚合物顆 粒附著在連續(xù)的纖維上，隨即套上護(hù)管， 使 粉末不再脫離纖維表面。 圖 13131212 是粉末靜 電法示意圖。刮刀捕IV斗/ /樹脂界面應(yīng)力，也不會(huì)因聚合物在高溫下持續(xù)時(shí)圖 1616 - - 1010熔融法制備預(yù)浸料示意圖S S 13-1113-11 膠膜法制備預(yù)浸料示意圖S1J-12S1J-12 靜電粉末法制備預(yù)浸料示證圖9第三節(jié) 高分子復(fù)合材料的成形工藝一、概述1 1纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料成形方法分類 纖維復(fù)合材料成形工藝可分為以下三大類：（ 1 1）閉模成形：模壓成形、樹脂傳遞模塑（ RTMRTM ）、注射成形、增強(qiáng)反應(yīng)性注射（ RRIMRRIM ）

24、成形。（ 2 2）開模成形：手糊成形、噴射成形、真空袋成形、壓力袋成形、熱壓釜成形、纖維纏繞 成形、拉擠成形、離心澆鑄成形。（ 3 3）其它：編織、吸積（吸膠）成形。2 2高分子復(fù)合材料成形三要素 復(fù)合材料由原材料加工出成品的整個(gè)成形過程涉及三個(gè)重要的環(huán)節(jié)：（ 1 1）賦形：賦形在于增強(qiáng)材料如何達(dá)到均勻或保證在特定的方向上排列。將增強(qiáng)材料“預(yù) 成形”是先行的賦形過程，使毛坯與制品最終形狀接近，而最終形狀的賦形則在壓力下靠成形 模具完成。（ 2 2）浸漬：浸漬意味著將增強(qiáng)材料間的空氣置換為基體樹脂，形成良好的界面粘接和復(fù)合 材料的低空隙率。浸漬機(jī)理分脫泡和浸潤(rùn)兩部分。浸漬好壞受樹脂粘度、種類、配

25、比和增強(qiáng)材 料的品種、形態(tài)影響。預(yù)浸料半成品制備，已將主要浸漬過程提前，但在加熱成形過程還需進(jìn) 一步完善樹脂對(duì)纖維的浸漬。（ 3 3）固化：熱固性樹脂發(fā)生交聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，形成三向網(wǎng)絡(luò)基體材料。熱塑性樹脂則是冷 卻硬化定型的過程。各種工藝方法在工藝過程中必須共同遵守的要點(diǎn)有：要使纖維均勻地按設(shè)計(jì)要求分布于 制品的各個(gè)部分；要使樹脂適量地均勻地分布在制品的各個(gè)部位，并適當(dāng)?shù)毓袒还に囘^ 程中要盡最大努力減少氣泡，降低空隙率，提高制品的致密性；充分掌握所用樹脂的工藝性 能，制定合理的工藝規(guī)范。整個(gè)工藝過程中，纖維是沒有什么變化，起變化的是樹脂。在初期， 樹脂一般是粘度較低的液體，充分浸漬纖維，排除氣

26、泡，在工藝過程中粘度逐漸增加，凝膠， 直至固化。只有充分掌握所用樹脂配方的工藝性能，才能制定出合理的固化工藝規(guī)范，制造出 質(zhì)量?jī)?yōu)良的制品。3 3復(fù)合材料制品的成形特點(diǎn) 與其它材料不同，復(fù)合材料的材料和制品是在同一個(gè)成形工藝過程中一次形成的。各種工 藝方法除模壓和注射外， 都采用低壓成形，壓力一般在 1 12MPa2MPa 以下。這給制造大型制品帶來 方便，對(duì)成形設(shè)備和工藝裝備的要求降低。一般塑料制品成形時(shí)，施加壓力的作用是：使塑料產(chǎn)生流動(dòng)，即克服塑料本身粘滯流動(dòng) 阻力和塑料與模具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。排除低分子物壓緊材料，使之與模具形狀吻合，并 得到致密均勻的制品。纖維復(fù)合材料制品所以能用低壓成

27、形，主要原因是采用了如下幾點(diǎn)措施：（1 1）使填料預(yù)成形：很多工藝方法都預(yù)先將浸漬填料配置成接近制品形狀的坯料，或?qū)⑻?料預(yù)成形再浸漬膠液，然后加壓壓緊。這樣在制品成形過程中，材料就無需很大的相對(duì)流動(dòng)， 減小了材料內(nèi)摩擦和材料與模具的摩擦力。（2 2）采用可低壓成形的樹脂配方：這類樹脂配方固化時(shí)不放出揮發(fā)性的副產(chǎn)物，或單位時(shí) 間內(nèi)放出的揮發(fā)性副產(chǎn)物的量較少，從而可以降低壓制時(shí)抵抗內(nèi)部揮發(fā)物所需的一部分壓力。（3 3）利用彈性介質(zhì)（如氣體）來傳遞壓力：使壓力垂直作用于制品表面，加壓效果好。、各種成形工藝方法簡(jiǎn)介101 1 手糊成形工藝手糊成形指以手工作業(yè)為主成形復(fù)合材料制件的方法。手糊工藝的最大

28、特色是以手工操作 為主，適于多品種、小批量生產(chǎn)，且不受制品尺寸和形狀的限制。但這種方法生產(chǎn)效率低，勞 動(dòng)條件差，且勞動(dòng)強(qiáng)度大；制品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性差，制品強(qiáng)度較其它方法低。手糊成形的具體工藝過程是：先在模具上涂一層脫模劑，然后將加入固化劑的樹脂混合料 均勻涂刷一層，再將纖維增強(qiáng)織物（按要求形狀尺寸裁剪好）直接鋪設(shè)在膠層上，用刮刀、毛 刷或壓輥迫使樹脂膠液均勻地浸入織物，并排除氣泡，待增強(qiáng)材料被樹脂膠液完全浸透之后， 再涂刷樹脂混合液、鋪貼纖維織物；重復(fù)以上步驟直至完成制件糊制，然后再固化、脫模、修 整、打磨飛邊。手糊成形工藝流程如圖 13-113-13 3所示。干法手糊成形則是采用預(yù)浸

29、料按鋪層序列層貼，獲預(yù)成形毛坯后，再用模壓或真空袋一熱壓罐成形方法固化成形。圖13-13手福戰(zhàn)形工藝流程圖2 2 噴射成形工藝噴射成形是通過噴射的樹脂流與短切纖維混勻，沉積在開模上，壓實(shí)固化成制件的方法， 其模具的準(zhǔn)備與材料準(zhǔn)備等與手糊成形基本相同，主要不同點(diǎn)是它將手工裱糊與疊層工序變成 了噴槍的機(jī)械連續(xù)作業(yè)。圖13-1413-14 為噴射工藝示意圖。將裝有引發(fā)劑的樹脂和裝有促進(jìn)劑的樹脂分裝于兩個(gè)罐中，由液壓泵或壓縮空氣按比例輸送到噴槍內(nèi)霧化，同時(shí)與短切纖維混合并噴 射到模具上，沉積到一定厚度時(shí)，用壓輥排氣壓實(shí)，再繼續(xù)噴射，直到完成坯件制作，然后固 化成形。該工藝要求樹脂粘度低，易于霧化，主要

30、用于不需加壓室溫固化的不飽和聚酯樹脂。4 4 .袋壓成形11本方法的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高， 勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)省原材料，制品無 措接縫，整體性好，制件的形狀和 尺寸不受限制；但場(chǎng)地污染大，制 件的承載能力低。適于制造船體、浴盆、 汽車車身、 容器及板材等大 型部件。3 3.纖維纏繞成形纖維纏繞成形是將浸漬樹脂 的纖維絲束或帶，按照一定規(guī)律纏 繞到芯模上，然后固化成為制品的方法。 該方法適于制造復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)體。根據(jù)纏繞時(shí)樹脂基體所處的化學(xué)物理狀態(tài)不同，纏繞工藝可分為干法、濕法及半干法三種。干法纏繞采用預(yù)浸紗帶，纏繞時(shí)，在纏繞機(jī)上對(duì)預(yù)浸膠帶加熱軟化再纏繞在芯模上。干法纏繞 的生產(chǎn)效率較高，纏繞速度可達(dá)10

31、0100200m/min200m/min，工作環(huán)境也較清潔。但是干法纏繞設(shè)備比較復(fù)雜，造價(jià)高，纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度也較低。濕法纏繞是將纖維經(jīng)集束、浸膠后，在張力 控制下直接纏繞在芯模上，然后再固化成形，濕法纏繞的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，但由于紗帶浸膠后立 即纏繞，在纏繞過程中對(duì)制品含膠量不易控制和檢驗(yàn)，同時(shí)膠液中的溶劑殘留易在制品中形成 氣泡、空隙等缺陷，纏繞時(shí)纖維張力也不易控制，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。半干法是在纖維浸膠到纏 繞至芯模的途中增加一套烘干設(shè)備，將紗帶膠液中的溶劑基本上清除掉。半干法制品的含膠量 與濕法一樣不易精確控制，但制品中的氣泡、空隙等缺陷大為降低。纏繞成形主要設(shè)備為纏繞機(jī)，由帶動(dòng)芯模旋轉(zhuǎn)

32、的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、浸膠槽、紗架、絲束張力機(jī)構(gòu) 和控制系統(tǒng)組成。纏繞方式分為環(huán)向纏繞、螺旋纏繞和縱向纏繞。環(huán)向纏繞使纖維絲束與芯模夾角接近 9090。芯模作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，絲束沿芯模軸線方向均勻緩慢地移動(dòng)。芯模轉(zhuǎn)一周，絲束沿 芯模軸向移動(dòng)一個(gè)紗片寬度。環(huán)向纏繞層用來承受徑向載荷。螺旋纏繞使纖維與芯模軸線的夾 角成 15157575,纖維以螺旋狀在芯模上反復(fù)纏繞。芯模繞自己軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，絲束沿芯模軸向 按一定運(yùn)動(dòng)速度往返，芯模旋轉(zhuǎn)速度與絲束運(yùn)動(dòng)速度成一定比例。速比是單位時(shí)間內(nèi)芯模主軸 轉(zhuǎn)數(shù)比上絲束往返次數(shù)，速比不同，纏繞的花樣（線型）不同?？v向纏繞的纖維與芯模軸線的 夾角小于 1515,絲束在固定平面作等速圓

33、周運(yùn)動(dòng)，每繞一周，芯模轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)對(duì)應(yīng)絲束寬度的小 角度，每一周的纖維在同一平面上，又稱平面纏繞，縱向纏繞層用來承受縱向載荷。纏繞后的 坯件可在熱壓罐、烘箱或?qū)Ｓ玫墓袒癄t內(nèi)固化，固化時(shí)應(yīng)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)制件至凝膠，防止樹脂流 出而造成分布不均。芯模可設(shè)計(jì)成可拆（組合模具）、可碎（粉碎模具）、可溶（溶解模具）等形式，以便制件脫模。應(yīng)嚴(yán)格控制纖維絲束張力、纏繞角度、繞速比、微繞速比等工藝參數(shù)， 對(duì)樹脂粘度和工藝性能及適用期等也有較高的要求。纏繞成形的特點(diǎn)是纖維能保持連續(xù)完整， 制件線型可按制品受力情況設(shè)計(jì)，制品強(qiáng)度高，可連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng) 度小，產(chǎn)品不需機(jī)械加工，但設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，

34、工藝質(zhì)量不易控制。適合成形大型旋轉(zhuǎn) 體制件，如高壓容器、大型管道、錐形雷達(dá)罩、火箭殼體等，還可制造異形截面型材和變截面 制件。圖13-14噴射工藝示意圖軻羽冷二一!廠 m固代輻12袋壓成形包括壓力袋、真空袋和真空袋一熱壓罐成形法，是借助成形袋與模具之間抽真空 形成的負(fù)壓或袋外施加壓力，使復(fù)合材料坯料緊貼模具，經(jīng)固化成形的方法。袋壓成形的最大 優(yōu)點(diǎn)是：僅用一個(gè)模具邙日模或陰模）就可以得到形狀復(fù)雜、尺寸較大、質(zhì)量較好的制件，也 能制造夾層結(jié)構(gòu)件。袋壓成形工藝流程如圖13-1513-15 所示。根據(jù)加壓方式的不同可分為壓力袋成形、真空袋成形和真空袋一熱壓罐三種成形方式。（1 1）真空袋成形：真空袋成

35、形是在固化時(shí)利用 抽真空產(chǎn)生的大氣負(fù)壓，對(duì)制品施加壓力的成形方 法。其工藝過程為：將鋪疊好的制件毛坯密閉在真 空袋與模具之間，然后抽真空形成負(fù)壓，大氣壓通 過真空袋對(duì)毛坯加壓，真空袋用具有延展性、高強(qiáng) 度的尼龍膜等材料制成，用粘性的密封膠條與模具 粘接在一起。真空袋內(nèi)通常要放有透氣氈以使真空通路通暢。固化完全后卸模取出制件。該法工藝簡(jiǎn)單，不需要專用設(shè)備，常用來制造室溫固化的制件，也可在固化爐內(nèi)成形高、中溫固化的制件。本方法適用于大尺寸產(chǎn)品的成形，如船體、浴缸及小型的飛機(jī)部件。真空袋法產(chǎn)生的壓力小于O.IMPaO.IMPa。真空袋壓成形如圖 13-1613-16 所示。（2 2） 壓力袋成形：用

36、壓力袋成形固化制品，是借助于橡皮囊構(gòu)成的氣壓室（壓力袋），通過向氣壓室通入壓縮空氣實(shí)現(xiàn)毛坯加壓，所以也叫氣壓室成形，壓力可達(dá)0.250.250.5MPa0.5MPa。由于壓力較高，對(duì)模具強(qiáng)度和剛度的要求也較高，還需考慮熱效率，故一般采用輕金屬模具，加熱方式通常用模具內(nèi)加熱的方式。壓力袋成形如圖13-1713-17 所示。圖 13-1713-17 壓力袋成形法1 1標(biāo)皮裳；2 2 毛坯；3 3模具（3 3）真空袋一熱壓罐成形：真空袋一熱壓罐成形是利用熱壓罐內(nèi)部程控溫度的靜態(tài)氣體壓 力，使復(fù)合材料疊層坯料在一定的溫度和壓力下完成固化過程的成形方法。熱壓罐由罐體、真空泵、壓氣機(jī)、貯氣罐、控制柜等組成

37、。如圖13-1813-18 所示，其中真空泵的作用是在制件毛坯封裝后進(jìn)行預(yù)壓實(shí)吸膠時(shí)造成低壓環(huán)境，壓氣機(jī)和貯氣罐為熱壓罐進(jìn)行加 壓的充氣系統(tǒng)。罐內(nèi)的溫度由罐內(nèi)的電加熱裝置提供，壓力由壓氣機(jī)通過貯氣罐進(jìn)行氣體充壓，一般用空氣。復(fù)合材料制件工藝過程為：首先按制件圖紙對(duì)預(yù)浸料下料及鋪疊，鋪疊完畢后按 樣板作基準(zhǔn)修切邊緣輪廓，并標(biāo)出纖維取向的坐標(biāo)，然后進(jìn)行封裝。封裝的目的是將鋪疊好的 毛坯形成一真空系統(tǒng)，進(jìn)而通過抽真空以排出制件內(nèi)部的空氣和揮發(fā)物，然后加熱到一定溫度 再對(duì)制件施加壓力進(jìn)行預(yù)壓實(shí)（又稱預(yù)吸膠），最后進(jìn)行固化。圖 13-1513-15 袋壓成形工藝流程圖圖 13-1613-16 畫空袋成形

38、13采用真空袋一熱壓罐成形可以制得高質(zhì)量的復(fù)合材料制品，制件密實(shí)，厚度公差范圍小, 空隙含量低，許多大型和復(fù)雜的部件，如機(jī)冀、 衛(wèi)星天線反射器等制品成形都采用此方法，缺點(diǎn) 是能源利用率低，設(shè)備復(fù)雜，成本較高。5 5 .模壓成形模壓成形是將一定量的模塑料放人金屬對(duì)模 中，在一定的溫度和壓力作用下，使模塑料在模 腔內(nèi)受熱塑化、受壓流動(dòng)并充滿模腔，成形固化 而獲得制品的一種方法。預(yù)浸膠布層貼預(yù)成形后, 再經(jīng)多層平板壓機(jī)模壓 （層壓） 成形，用以制備 復(fù)合材料層壓板和覆銅板。拉擠成形是一種連續(xù)生產(chǎn)固定截面型材的成形方法。主要過程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通 過一定型面的加熱口模，擠出多余樹脂，在牽引條件下進(jìn)行固化。拉擠成形機(jī)由紗架、集紗器、浸膠裝置、成形模腔、牽引機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)和操作控制系統(tǒng) 組成。典型的拉擠成形工藝由送紗、浸膠、預(yù)成形、固化成形、牽引和切割工序組成。連續(xù)纖 維或織物浸漬樹脂后，經(jīng)牽引通過成形模腔，被擠壓和加溫固化形成型材，然后將型材按長(zhǎng)度 要求進(jìn)行切割。增強(qiáng)體可有多種形式，如單向纖維、編織套或整體的三維編