復(fù)合材料課程設(shè)計(jì)模板

1、復(fù)合材料成型加工課程設(shè)計(jì)姓 名專 業(yè)學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師二O四年十二月復(fù)合材料成型加工課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的目的復(fù)合材料成型加工課程設(shè)計(jì)是材料學(xué)教學(xué)計(jì)劃的組成部分，是在完成課堂學(xué)習(xí)、 生產(chǎn)實(shí)習(xí)和其它相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的，是對(duì)本課程的綜合知識(shí)掌握情況的一 次全面檢驗(yàn)。通過課程設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力，使學(xué)生 能熟悉復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝流程圖制定、合理選擇制材設(shè)備的方法，加強(qiáng)自 學(xué)能力，為今后從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)：日產(chǎn)量 1500 件樹脂基復(fù)合材料注塑工藝設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)依據(jù)： 1. 每天工作班制：三班， 8 小時(shí)/班。2. 每件樣品

2、不超過500g, 模一件。3. 原料自選。三、設(shè)計(jì)要求1、查閱文獻(xiàn)資料,了解注塑機(jī)結(jié)構(gòu)及操作規(guī)程,按照設(shè)計(jì)要求合理選用設(shè)備,設(shè) 置生產(chǎn)參數(shù)；2、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù),制作典型生產(chǎn)工藝流程。10聚乙烯/碳纖維復(fù)合材料注射成型工藝設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)背景以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀樹脂基復(fù)合材料是由以有機(jī)聚合物為基體的纖維增強(qiáng)材料，通常使用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等纖維增強(qiáng)體。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料常用的樹脂為環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂。目前常用的有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各 樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時(shí)軟化和熔融變成 粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型

3、，在加工過程中發(fā)生固化， 形成不熔和不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)型高分子化合物，因此不能再生。復(fù)合材料的樹脂基體， 以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上就開始采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料 作雷達(dá)罩。60年代美國(guó)在F4、F111等軍用飛機(jī)上采用了硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂作 方向舵、水平安定面、機(jī)翼后緣、舵門等。在導(dǎo)彈制造方面，50年代后期美國(guó)中程潛地導(dǎo)彈“北極星A2”第二級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上就采用了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂 的纏繞制件，較鋼質(zhì)殼體輕27%;后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50%，從而使“北極星A3”導(dǎo)彈的射 程由2700千米增加到4500千米。7

4、0年代后采用芳香聚酰胺纖維代替玻璃纖維增強(qiáng)環(huán) 氧樹脂，強(qiáng)度又大幅度提高，而重量減輕。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在飛機(jī)、導(dǎo) 彈、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向 強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好， 比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好， X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕 熱保溫材料外。 多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù) 合材料。碳纖維已成為先進(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕 而強(qiáng)、輕而剛、耐高溫

5、、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面 積整體成型等特點(diǎn)，已在航空航天、國(guó)防軍工和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 11碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù) 合材料最重要的增強(qiáng)材料 。聚乙烯/碳纖維 復(fù)合材料是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯 等熱塑性塑料為原料，熱塑性塑料可采用新塑料或工業(yè)、生活廢棄的各種塑料，而碳 纖維可采用因此木塑復(fù)合材料的研制和廣泛應(yīng)用有助于減緩塑料廢棄物的公害污染， 也有助于減少農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒給環(huán)境帶來的壓力。木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)和使用不會(huì)向周圍環(huán)境散發(fā)危害人類健康的揮發(fā)物，材料本身還可以回收進(jìn)行二次利用，因此它是 一種全新的

6、綠色環(huán)保復(fù)合材料。二、聚乙烯 /碳纖維復(fù)合材料配方（生產(chǎn)原料）2.1 原材料的選擇2.1.1 聚乙烯樹脂作為聚乙烯 /碳纖維復(fù)合材料擠出發(fā)泡的原料，選擇分子質(zhì)量適當(dāng)?shù)木垡蚁┓浅Ｖ?要，因?yàn)榉肿淤|(zhì)量影響聚合物的流變性，從而對(duì)氣泡的生長(zhǎng)影響很大。分子質(zhì)量過低， 熔體強(qiáng)度較差，熔體對(duì)發(fā)泡氣體逃逸的阻礙能力差，很難得到泡孔均勻細(xì)密的泡沫塑 料；若分子量過高，熔體的拉伸強(qiáng)度很大，抑制泡孑 L 的生長(zhǎng)，致使發(fā)泡不充分，也 難以得到高發(fā)泡率的泡沫塑料。故選擇 K值為5760的聚乙烯較為合適。2.1.2 碳纖維碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得，應(yīng)用較 普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈

7、碳纖維和瀝青碳纖維。主要通過纖維紡絲、熱穩(wěn)定化 （預(yù)氧化）、碳化、石墨化等 4 個(gè)過程制得。2.1.3 固化劑固化劑又名硬化劑、熟化劑或變定劑，是一類增進(jìn)或控制固化反應(yīng)的物質(zhì)或混合物。 樹脂固化是經(jīng)過縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學(xué)反應(yīng)，使熱固性樹脂發(fā)生不可逆的變 化過程，固化是通過添加固化（交聯(lián)）劑來完成的。固化劑是必不可少的添加物，無 論是作粘接劑、涂料、澆注料都需添加固化劑，否則環(huán)氧樹脂不能固化。 固化劑的品 種對(duì)固化物的力學(xué)性能、耐熱性、耐水性、耐腐蝕性等都有很大影響。固化劑的品種 對(duì)固化物的力學(xué)性能、耐熱性、耐水性、耐腐蝕性等都有很大影響，例如芳香多胺、 咪唑、酸酐等固化劑固化環(huán)氧樹脂的

8、耐熱性高于脂肪族多胺、低分子聚酰胺固化劑； 芳香族酸酐固化環(huán)氧樹脂的耐水性優(yōu)于芳香二胺和脂肪族多胺固化劑；三亞乙基四胺 固化劑耐堿性好，但耐酸性和耐甲醛溶液性較差。脂環(huán)族多胺（如異佛爾酮二胺）固 化環(huán)氧樹脂的耐藥品性優(yōu)良。酸酐固化劑固化環(huán)氧樹脂的耐堿性優(yōu)于耐酸性。應(yīng)根據(jù) 不同的用途和性能要求選擇適當(dāng)?shù)墓袒瘎?duì)光澤來說，芳香族最好，脂肪族最差。此性質(zhì)受固化溫度的影響，隨溫度升高，光澤變好。至于柔軟性，官能基間距離長(zhǎng)的 聚酰胺更優(yōu)良一些，而交聯(lián)密度高的芳香胺則差。耐熱性與柔軟性正好相反，而粘接 性則與柔軟性一致。耐藥品性（耐酸性）受化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，芳香族比較優(yōu)良，脂肪胺 和聚酰胺則易受化學(xué)藥品腐蝕

9、。耐水性受官能基質(zhì)量濃度的支配，官能基質(zhì)量濃度低、 疏水度高的聚酰胺類更耐水，而官能基質(zhì)量濃度高的芳香族則差一些。2.1.4 阻聚劑 為了避免烯類單體在貯藏、運(yùn)輸?shù)冗^程中發(fā)生聚合，單體中往往加入少量阻聚劑， 在使用前再將它除去。一般，阻聚劑為固體物質(zhì)，揮發(fā)性小，在蒸餾單體時(shí)即可將它 除去。常用的阻聚劑對(duì)苯二酚能與氫氧化鈉反應(yīng)生成可溶于水的鈉鹽 ,所以可用 5%10%的氫氧化鈉溶液洗滌除去。氯化亞銅和三氯化鐵等無機(jī)阻聚劑也可用堿洗除 去。 阻聚劑分子與鏈自由基反應(yīng)，形成非自由基物質(zhì)或不能引發(fā)的低活性自由基，從 而使聚合終止。2.1.5 脫模劑脫模劑（mold dischargi ng age n

10、t）是一種介于模具和成品之間的功能性物質(zhì)。脫模 劑有耐化學(xué)性，在與不同樹脂的化學(xué)成份（特別是苯乙烯和胺類）接觸時(shí)不被溶解。 脫模劑還具有耐熱及應(yīng)力性能，不易分解或磨損；脫模劑粘合到模具上而不轉(zhuǎn)移到被 加工的制件上，不妨礙噴漆或其他二次加工操作。由于注塑、擠出、壓延、模壓、層 壓等工藝的迅速發(fā)展，脫模劑的用量也大幅度地提高按脫模劑的化學(xué)成分可分為三類： 無機(jī)物、有機(jī)物和高聚物。無機(jī)物脫模劑 如滑石粉、云母粉以及陶土、白黏土等為 主要成分配制的復(fù)合物。有機(jī)物脫模劑 如脂肪酸皂（鉀皂、鈉皂、銨皂等）、脂肪酸、 石蠟、甘油及凡士林等。高聚物脫模劑 如硅油、硅酯、聚乙二醇、低分子聚乙烯等。 其脫模效果和

11、熱穩(wěn)定性比有機(jī)脫模劑好得多。硅油、硅酯是最主要的脫模劑。2.2工藝流程圖楓脂體系 的選樣增豪休累選掙廉 戒戰(zhàn)型協(xié)設(shè)計(jì)模具沒葉和 * _樹脂的 il總渥臺(tái)r.|預(yù)成型丼制造|刊感堂休&律丄枳：1; 1114RHFj校脂注射樹脂固化闈2 RE成里工藝路線AepoTine 航空制匿網(wǎng) 鈿卅 wa a mt仇 nelxn2.3具體生產(chǎn)原料及配方實(shí)驗(yàn)原料用量/phr備注聚乙烯樹脂100SG 一 8 型碳纖維45EVA-g-MAH/POE-g-MAH9接枝率0.8%CaCo315納米級(jí)復(fù)合穩(wěn)定劑4.5SP-01 型改性劑10固化劑3阻聚劑0.3脫模劑0.5因每件樣品質(zhì)量不超過500g,故按照生產(chǎn)配方，取聚

12、乙烯樹脂 200g，碳纖維90g,碳酸鈣30g,其它原料依次類推。此樣品質(zhì)量m =(200+90+18+30+9+20+6+0.6+1)g=374.6g該課程設(shè)計(jì)過程中主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，如圖:實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)用途高速混合機(jī)SHR-10A物料預(yù)混，分散單螺桿造粒擠出機(jī)SJ180X25擠出造粒，以便注塑注射成型機(jī)HTF200J/TJ注射成型干燥箱101-5 型烘干聚乙烯樹脂等2.4單螺桿擠出造粒機(jī)本次課程設(shè)計(jì)采用的是 SJSH-57C型雙螺桿擠出造粒機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)，擠出造粒時(shí) 各段機(jī)筒溫度，母粒效果等，下表。單螺桿擠出造粒機(jī)主要參數(shù)螺桿直徑/mm轉(zhuǎn)速/rpm長(zhǎng)徑比/(L/D)驅(qū)動(dòng)功率/KW1802

13、5-12025:190單螺桿擠出造粒機(jī)加熱溫度加料段/C熔化段廠c均化段/c機(jī)頭體/c口模/ c140-150160-170170-180180-185180-1852.5注塑機(jī)結(jié)構(gòu)及操作流程2.5.1注射成型機(jī)的結(jié)構(gòu)1合檯曲4L L卡懂機(jī)拘；一動(dòng)懂槪i L推桿；L定橫圾;L控制臺(tái)匚rf簡(jiǎn)戻加站器；L斡斗I L定量棋汨隆賣；AL注駅缸2.5.2注塑機(jī)的基本參數(shù)注塑機(jī)的性能通常采用一些參數(shù)加以表示，其基本參數(shù)有注射量、注射壓力、注射速度、注射時(shí)間、塑化能力、鎖模力、移模速度和合模裝置基本尺寸等。這些參數(shù)能較好地反映出注塑件的大小、物料種類和品級(jí)范圍,又是注塑模具設(shè)計(jì)和注塑機(jī)選用的依據(jù)型號(hào)Un i

14、tYT-300T-G射出系統(tǒng)螺桿直徑mm606570理論射出容量Cm8488481154射出量(PS)g/0z788/27.8788/27.81073/37.8射出率Cm2/see288338392射出壓力Kgf/cm2202217231486螺桿轉(zhuǎn)速rpm0-200鎖模系統(tǒng)鎖模力tf300開模行程mm500最小模厚mm400/450最大開模距mm900/950模板尺寸mm1440*1060轉(zhuǎn)盤直徑mm1590模柱間距mm1060*680頂出行程mm150頂出力量tf5.8其它最大液壓壓2Kgf/cm175作動(dòng)油量l720馬達(dá)電力kw37.5(50HP)電熱容量kw20機(jī)器外形尺寸mm4930

15、*1930*3800機(jī)器總重kg13000要求日產(chǎn)1500件樹脂基復(fù)合材料樣品，8h/班，一天24h,每小時(shí)的產(chǎn)量為：1500 件/24h=62.5件/h,則每分鐘的產(chǎn)量為：62.5/60=1.04件。每件產(chǎn)品的質(zhì)量是381.6g, 本課程設(shè)計(jì)選用的是HTF200J/TJC。2.5.3碳纖維/聚乙烯復(fù)合材料制備工藝路線碳纖維/聚乙烯復(fù)合材料注射成型可采用兩步法和一步法兩種工藝路線。兩步法即 先造粒后成型，其工藝流程如圖2-1所示。將經(jīng)干燥處理和表面改性的碳纖維與基體 樹脂置于高速 混合機(jī)中，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笥蓡温輻U或雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，再注射成 型。該方法可提高碳纖維在樹脂基體中的分散性，且造粒

16、后加料也較容易，但會(huì)使整 個(gè)工藝過程比較復(fù)雜。一步法(圖2-2)即采用表面改性后的碳纖維與樹脂經(jīng)高速混合后 直接加料注射，可省去造粒這一工序，但這對(duì)設(shè)備的要求較高。具體的操作流程如下：(1) 將碳纖維在恒溫110C的干燥箱中烘干3h,其目的在于除去碳纖維中的水分和易 揮發(fā)的組分。(2) 將干燥好的碳纖維與聚乙烯以及其他輔料按配比稱量好后在高速混合機(jī)中混合 8-10mi n,取出后在造粒機(jī)中造粒。(3) 將所得的母粒放入恒溫的80r的干燥箱中烘干12h,取出冷卻后，添加固化劑、 阻聚劑、脫模劑等其他助劑，攪拌均勻，加入注塑機(jī)進(jìn)行注塑成型。2.5.4根據(jù)以上設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)技術(shù)路線為：2.6注塑機(jī)的

17、操作流程2.6.1注塑機(jī)的動(dòng)作程序噴嘴前進(jìn)f注射f保壓f預(yù)塑f倒縮f噴嘴后退f冷卻f開模f頂出f退針f開門f 關(guān)門一合模一噴嘴前進(jìn)。262注塑機(jī)的操作項(xiàng)目注塑機(jī)操作項(xiàng)目包括控制鍵盤操作、電器控制柜操作和液壓系統(tǒng)操作三個(gè)方面。分別進(jìn)行注射過程動(dòng)作、加料動(dòng)作、注射壓力、注射速度、頂出型式的選擇，料筒各段溫 度及電流、電壓的監(jiān)控，注射壓力和背壓壓力的調(diào)節(jié)等。263注塑機(jī)操作的注意事項(xiàng)養(yǎng)成良好的注塑機(jī)操作習(xí)慣對(duì)提高機(jī)器壽命和生產(chǎn)安全都大有好處。(1)開機(jī)之前檢查電器控制箱內(nèi)是否有水、油進(jìn)入，若電器受潮，切勿開機(jī)。應(yīng)由維修人員將電器零件吹干后再開機(jī)。檢查供電電壓是否符合，一般不應(yīng)超過土15%。檢查各冷卻管道是否暢通，并對(duì)油冷卻器和機(jī)筒端部的冷卻水套通入冷卻水。打開電熱控制系統(tǒng)，對(duì) 機(jī)筒各段進(jìn)