聚合物復(fù)合材料成型工藝課件

1、1特點(diǎn)：比強(qiáng)度大，比模量大；耐疲勞性能好；減震性能好；耐燒蝕性能好；工藝性好。3.1 聚合物基復(fù)合材料第1頁(yè)/共98頁(yè)23.1.1基體材料(一) 熱固性聚合物:.不飽和聚酯樹(shù)脂a. 結(jié)構(gòu)特征：由飽和二元酸、不飽和二元酸與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的線(xiàn)型預(yù)聚體。b.固化： 固化劑 - 乙烯、苯乙烯、丁二烯等單體。 引發(fā)劑 - 過(guò)氧化物（加熱固化） 促進(jìn)劑 - 苯胺類(lèi)和有機(jī)鈷，室溫固化。第2頁(yè)/共98頁(yè)3c.特點(diǎn)粘度低，工藝性好。綜合性能好，價(jià)廉，用量約占80% 。有毒，體積收縮大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低。一般不與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合制作次受力件。第3頁(yè)/共98頁(yè)4a. 雙酚型 其中R:

2、CH3- C -CH3A 丙基- CH2 - F 亞甲基O- S -OS 砜 雙酚型環(huán)氧含硬性苯環(huán)，鏈剛性較高，只能用于聚合度低的樹(shù)脂。耐熱性好，強(qiáng)度高，韌性差。(2)、環(huán)氧樹(shù)脂固化特點(diǎn)： 環(huán)氧活性基都在鏈兩端，固化交聯(lián)點(diǎn)不高。第4頁(yè)/共98頁(yè)5b. 非雙酚型 三聚氰酸環(huán)氧含三氮雜環(huán)，有自熄性，耐電弧性好。 鏈內(nèi)含有環(huán)氧基，交聯(lián)密度高，結(jié)合強(qiáng)度及耐熱性均提高。第5頁(yè)/共98頁(yè)6 c. 胺基環(huán)氧 含高極性的酰胺鍵，粘結(jié)性好，力學(xué)性能較高；但耐水性差，電性能有所下降。 d. 脂環(huán)族環(huán)氧 不含苯環(huán)，含脂環(huán)，穩(wěn)定性更高，熱學(xué)性能好，耐紫外線(xiàn)，不易老化。粘度低，工藝性好。 e. 脂肪族環(huán)氧 - 高韌性環(huán)

3、氧 無(wú)六環(huán)狀硬性結(jié)構(gòu)，沖擊韌性好，但與纖維結(jié)合力較差。 第6頁(yè)/共98頁(yè)7環(huán)氧樹(shù)脂固化： 環(huán)氧樹(shù)脂分子中都含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，可與多種固化劑交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常用固化劑： 二元胺類(lèi)、二元酸酐類(lèi)。 芳香族胺或咪唑類(lèi)固化劑，可提高強(qiáng)度及耐熱性，但沖擊韌性會(huì)降低。潛伏劑： 單組份產(chǎn)品可加入潛伏劑，如雙氰胺，室溫下可存放6個(gè)月，145 165下，80 min可固化。第7頁(yè)/共98頁(yè)8 粘附力好，韌性較好，收縮率低。復(fù)合材料強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定。 電性能好。介電強(qiáng)度高，耐電弧優(yōu)良的絕緣材料。 耐酸堿耐溶劑性強(qiáng)。 熱穩(wěn)定性良好。環(huán)氧樹(shù)脂特點(diǎn)：第8頁(yè)/共98頁(yè)9(3)酚醛樹(shù)脂 由酚 和醛 縮合而成。 酚/醛

4、0.9，堿催化可得體型熱固性樹(shù)脂。OH C - HOH153固化： 加熱固化 加固化劑，如六次甲基四胺或有機(jī)酸。 堿性固化劑仍需加熱，酸性固化劑可室溫固化。分子結(jié)構(gòu)第9頁(yè)/共98頁(yè)10特點(diǎn)： 耐熱性高，可達(dá)315。價(jià)格最低。粘附性較差，收縮率大,氣孔率高，性脆。改性： 引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛 降低樹(shù)脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高電性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性和電學(xué)性能均提高。 第10頁(yè)/共98頁(yè)11應(yīng)用：酚醛樹(shù)脂一般不與碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合后，多用于電器絕緣材料。碳含量高78，碳化收率達(dá)63，因此可用于制作燒蝕材料，用于導(dǎo)彈、航天器再入大

5、氣層的防護(hù)層。第11頁(yè)/共98頁(yè)12（二）熱塑性聚合物 與熱固性聚合物相比： 力學(xué)性能、耐熱性、抗老化性等都較差。 工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低、密度小、應(yīng)用廣。 聚丙烯 柔性無(wú)極性鏈。與纖維浸潤(rùn)性、結(jié)合力較差。復(fù)合增強(qiáng)效果有限。原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低，普通民用。. 聚酰胺（尼龍） 鏈中含大量酰胺鍵，鏈間以氫鍵連接。結(jié)合力強(qiáng)，強(qiáng)度高，耐磨性好。使用溫度100，吸水率高。 常用品種：尼龍6、66、1010、610等。 第12頁(yè)/共98頁(yè)13 (3)聚碳酸酯 由雙酚A的鈉鹽與碳酸雙酰氯縮聚而成 O- C- -O-C + NaClCH3CH3ONaO- -C- -ONa + Cl-C-Cl CH3CH3O

6、 剛性苯環(huán)；變形小，抗蠕變，尺寸穩(wěn)定。可與玻璃纖維和碳纖維復(fù)合。第13頁(yè)/共98頁(yè)14(4)聚砜 以砜和苯環(huán)連結(jié)成硬性鏈，可在100150下長(zhǎng)期使用。 可與碳纖維復(fù)合，用于宇航和汽車(chē)工業(yè)。 此外：耐高溫的聚酰亞胺、雙馬來(lái)酰亞胺等雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物，耐溫可達(dá)300400，也常作為復(fù)合材料的基材。第14頁(yè)/共98頁(yè)153.1.2 聚合物基復(fù)合材料基本性能 具有較高的比強(qiáng)度和比模量。 抗疲勞性能好，安全性高。 減振、隔音、保溫、隔熱。 彈性模量不高、斷裂延伸率小、抗沖擊強(qiáng)度差、橫向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度低。 手工勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。 第15頁(yè)/共98頁(yè)16品種1、GF增強(qiáng)熱固性塑料（GFRP）- 玻璃

7、鋼 第16頁(yè)/共98頁(yè)17、聚酯玻璃鋼 加工性能最好。低粘度，可室溫固化；價(jià)低，用量占80% 。、環(huán)氧玻璃鋼 綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性好；粘度大，施工困難。酚醛玻璃鋼 耐熱性最好, 50% 、尺寸穩(wěn)定性提高第19頁(yè)/共98頁(yè)20第20頁(yè)/共98頁(yè)213、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)塑料第21頁(yè)/共98頁(yè)22 、C纖維增強(qiáng)塑料 比強(qiáng)度，比模量最高的材料；耐腐蝕耐熱都很 好?？箾_擊性差，價(jià)格昂貴。 、芳綸纖維增強(qiáng)塑料 與塑料相容性好，價(jià)格適中，應(yīng)用前景廣泛。 抗拉強(qiáng)度與C纖維相當(dāng)，沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)高于C纖維； 振動(dòng)衰減是玻璃鋼的45倍。 抗壓性能差。第22頁(yè)/共98頁(yè)23、B纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點(diǎn)是剛度好，價(jià)格比C纖

8、維還貴。、SiC纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點(diǎn)是與樹(shù)脂相容性好。碳纖維頭盔地鐵閘瓦第23頁(yè)/共98頁(yè)24芳綸纖維增強(qiáng)C纖維增強(qiáng)第24頁(yè)/共98頁(yè)25第25頁(yè)/共98頁(yè)263.2 成型工藝聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維與樹(shù)脂體系確定后，主要決定于成型工藝。成型工藝主要包括以下兩個(gè)方面：第26頁(yè)/共98頁(yè)27一是成型，即將預(yù)浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀;二是固化，即把已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時(shí)間和壓力等因素影響下使形狀固定下來(lái)，并能達(dá)到預(yù)期的性能要求。第27頁(yè)/共98頁(yè)283.2.1基體樹(shù)脂的選?。菏芰Y(jié)構(gòu)件首選熱固性樹(shù)脂；大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹(shù)脂（如

9、建筑裝飾）。90)(7)表面處理過(guò)程第36頁(yè)/共98頁(yè)37(8)脫模劑種類(lèi)薄膜型脫模劑 聚酯薄膜（0.04mm 或0.1mm） 變形性小，價(jià)格貴平板、波形板聚乙烯醇薄膜柔軟性好，形狀較復(fù)雜件聚乙烯薄膜變形性較好，價(jià)格便宜，但表面光潔度較聚酯薄膜差，不易鋪平，不能重復(fù)使用。第37頁(yè)/共98頁(yè)38液體脫模劑聚乙烯醇溶液 100150，干燥慢醋酸纖維素150200，光亮、平整、毒性?。簝r(jià)格貴，與環(huán)氧玻璃鋼易粘結(jié)，常與其它脫模劑配合使用聚苯乙烯 環(huán)氧樹(shù)脂 ，100 ,有毒過(guò)氯乙烯滲透性好，多孔性模具，不能與制品直接接觸，120 硅橡膠和硅油150200，涂模后宜烘烤150200/1-2h第38頁(yè)/共9

10、8頁(yè)39油膏、蠟類(lèi)脫模劑油膏類(lèi) 硅脂、HK-50耐熱油膏、變壓器油、黃干油、凡士林油蠟類(lèi) 省工省料、價(jià)格便宜，脫模效果好，80 脫模劑使用：清洗模具表面，涂蠟，毛巾布干擦，（溶劑揮發(fā)）硬化第39頁(yè)/共98頁(yè)401940年 美國(guó) 玻璃纖維增強(qiáng)聚酯 雷達(dá)罩1958年 我國(guó) 玻璃鋼艇A第40頁(yè)/共98頁(yè)41第41頁(yè)/共98頁(yè)42模具準(zhǔn)備涂脫模劑手糊成型樹(shù)脂膠液配制增強(qiáng)材料準(zhǔn)備固化脫模后處理檢驗(yàn)制品手糊成型工藝流程圖色料填料+尺寸修整缺陷修補(bǔ)第42頁(yè)/共98頁(yè)43不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)；優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低； 工藝簡(jiǎn)單；第43頁(yè)/共98頁(yè)44易于

11、滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，可以在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料；制品樹(shù)脂含量較高，耐腐蝕性好。第44頁(yè)/共98頁(yè)45 生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)衛(wèi)生條件差。缺點(diǎn)： 產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高。 產(chǎn)品力學(xué)性能較低。第45頁(yè)/共98頁(yè)46B.噴射成型工藝將分別混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹(shù)脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時(shí)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗由噴槍中心噴出，與樹(shù)脂一起均勻沉積到模具上。氧化甲乙酮第46頁(yè)/共98頁(yè)47噴射成型對(duì)所用原材料有一定要求，例如樹(shù)脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射霧化、脫除氣泡和浸潤(rùn)纖維以及不帶靜電等。最常用的樹(shù)脂是在室溫或稍高溫度下即可固化的不飽和聚酯等。第47頁(yè)/共98頁(yè)

12、48第48頁(yè)/共98頁(yè)49玻璃纖維無(wú)捻粗紗聚酯樹(shù)脂加熱引發(fā)劑促進(jìn)劑靜態(tài)混合切割噴槍模具噴射成型輥壓固化脫模噴射成型工藝流程圖第49頁(yè)/共98頁(yè)50玻璃粗砂代替織物，降低成本；生產(chǎn)效率可提高24倍；產(chǎn)品整體性好，無(wú)接痕；可減少飛邊，裁布屑；尺寸不少限制。樹(shù)脂含量高，制品強(qiáng)度低；單面光滑；污染環(huán)境優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)大型船體浴盆機(jī)械外罩第50頁(yè)/共98頁(yè)513.2.4模壓成型工藝模壓成型工藝是一種古老的技術(shù)，早在20世紀(jì)初就出現(xiàn)了酚醛塑料模壓成型。模壓成型是一種對(duì)熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。第51頁(yè)/共98頁(yè)52工藝過(guò)程將定量的預(yù)混料或預(yù)浸料放入金屬對(duì)模中，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。

13、第52頁(yè)/共98頁(yè)53模壓料的組成合成樹(shù)脂 （環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂）增強(qiáng)材料（無(wú)捻粗紗、有捻粗砂、連續(xù)玻璃纖維束、輔助材料 稀釋劑、表面處理劑（偶聯(lián)劑）、固化劑和促進(jìn)劑、脫模劑、著色劑、填料硬脂酸鹽熔點(diǎn)相差20%重量2%沃蘭硅烷鈦酸酯甲基丙烯酸氯化鉻絡(luò)合物 15-20%碳酸鈣、滑石粉、石英粉、云母粉活化填料第53頁(yè)/共98頁(yè)54金屬對(duì)模準(zhǔn)備涂脫模劑模壓成型模塑料、顆粒樹(shù)脂短纖維固化脫模后處理檢驗(yàn)制品加熱、加壓加熱冷卻模壓成型工藝流程圖第54頁(yè)/共98頁(yè)55優(yōu)點(diǎn)模壓成型工藝有較高的生產(chǎn)效率，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無(wú)需二次加工，制品外觀(guān)及尺寸的重復(fù)性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化

14、和自動(dòng)化等。第55頁(yè)/共98頁(yè)56缺點(diǎn)模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高，制品尺寸受設(shè)備限制，一般只適合制造批量大的中、小型制品。第56頁(yè)/共98頁(yè)57模壓成型工藝已成為復(fù)合材料的重要成型方法，在各種成型工藝中所占比例僅次于手糊/噴射和連續(xù)成型，居第三位。近年來(lái)隨著專(zhuān)業(yè)化、自動(dòng)化和生產(chǎn)效率的提高，制品成本不斷降低，使用范圍越來(lái)越廣泛。第57頁(yè)/共98頁(yè)58模壓制品主要用作結(jié)構(gòu)件、連接件、防護(hù)件和電氣絕緣等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、電氣、化工、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域。由于模壓制品質(zhì)量可靠，在兵器、飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星上也都得到應(yīng)用。第58頁(yè)/共98頁(yè)593.2.5 層壓成型工藝層壓成型工藝，是把一

15、定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。層壓成型工藝屬于干法壓力成型范疇，是復(fù)合材料的一種主要成型工藝。第59頁(yè)/共98頁(yè)60層壓成型工藝生產(chǎn)的制品包括各種絕緣材料板、人造木板、塑料貼面板、覆銅箔層壓板等。第60頁(yè)/共98頁(yè)61層壓成型的生產(chǎn)工藝流程增強(qiáng)材料熱固性樹(shù)脂浸膠膠布裁剪疊合熱壓脫模切邊產(chǎn)品第61頁(yè)/共98頁(yè)62原材料質(zhì)量含膠量 2546%（ 293%）揮發(fā)物含量 微孔 （酚醛樹(shù)脂基1.53.3%）不溶性樹(shù)脂含量 預(yù)聚合程度 提高制品力學(xué)性能2550%第62頁(yè)/共98頁(yè)63預(yù)浸膠布制備使用經(jīng)熱處理或化學(xué)處理的破璃布，經(jīng)浸膠槽浸漬樹(shù)脂膠液，通過(guò)

16、刮膠裝置和牽引裝置控制膠布的樹(shù)脂含量，在一定的溫度下烘烤，使樹(shù)脂由A階轉(zhuǎn)至B階，從而得到所需的預(yù)浸膠布。復(fù)合材料層壓板材、卷管和布帶纏繞制品的半成品1545 s低高低 三段第63頁(yè)/共98頁(yè)64膠布中的樹(shù)脂熔化 （全壓的1/31/2)膠布在較低溫度下開(kāi)始固化加快反應(yīng)速度（升溫不能過(guò)快，避免暴聚）充分固化（樹(shù)脂特性和層合板厚度）避免翹曲、開(kāi)裂層壓工藝第64頁(yè)/共98頁(yè)65層壓成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是制品表面光潔、質(zhì)量較好且穩(wěn)定以及生產(chǎn)效率較高。層壓成型工藝的缺點(diǎn)是只能生產(chǎn)板材，且產(chǎn)品的尺寸大小受設(shè)備的限制。第65頁(yè)/共98頁(yè)663.2.6 纏繞成型將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按一定規(guī)律纏繞在芯模上，

17、然后固化脫模得成品。濕法、干法、半干法。固化可室溫或加熱固化適用于：中空高壓容器。 如：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、導(dǎo)彈發(fā)射筒、大型儲(chǔ)罐、管材等。第66頁(yè)/共98頁(yè)67第67頁(yè)/共98頁(yè)68聚脂、環(huán)氧樹(shù)脂酚醛、熱塑性樹(shù)脂第68頁(yè)/共98頁(yè)69芯模材料熔、溶性材料 石蠟、低熔點(diǎn)金屬組裝式芯模材料和內(nèi)襯材料 金屬芯模 石膏、木材 內(nèi)襯 防腐與密封 橡膠、塑料、不銹鋼、鋁合金等 第69頁(yè)/共98頁(yè)70800mm第71頁(yè)/共98頁(yè)72優(yōu)點(diǎn) 能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，使能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；比強(qiáng)度高，與鋼質(zhì)壓力容器相比，重量可減輕4060易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高生產(chǎn)效率高，纏繞速度快

18、(240 m/min)成本低：可合理配選若干種材料，達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。第72頁(yè)/共98頁(yè)73缺點(diǎn)適應(yīng)性小，不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，特別是表面有凹的制品；需要有纏繞機(jī)芯根，固化加熱爐投資大，技術(shù)要求高。第73頁(yè)/共98頁(yè)74計(jì)算機(jī)控制的纏繞機(jī)玻璃鋼固化玻璃鋼管道第74頁(yè)/共98頁(yè)75 3.2.7 拉擠成型工藝?yán)瓟D成型工藝中，首先將浸漬過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過(guò)成型模而定型；第75頁(yè)/共98頁(yè)76臥式拉擠成型過(guò)程原理圖制品切割纖維樹(shù)脂槽擠膠器預(yù)成型拉攏熱模第76頁(yè)/共98頁(yè)77第77頁(yè)/共98頁(yè)78其次，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不受限制的

19、復(fù)合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。第78頁(yè)/共98頁(yè)79要求： 增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度高、集束性好、不發(fā)生懸垂和容易被樹(shù)脂膠液浸潤(rùn)。種類(lèi)：玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維以及金屬纖維等。第79頁(yè)/共98頁(yè)80排紗排紗就是將增強(qiáng)材料放置在紗架上并將這些材料按照設(shè)計(jì)要求引出。放紗形式：纖維內(nèi)退 (紗架不動(dòng)，玻璃纖維）；纖維外退（旋轉(zhuǎn)，碳、芳綸等特種纖維） 不管在一層紗架上要穿多少束纖維，引出的纖維都不能互相之間產(chǎn)生纏結(jié)現(xiàn)象，必須嚴(yán)格獨(dú)立，互不干擾。 第80頁(yè)/共98頁(yè)81預(yù)成型 引導(dǎo)浸膠后的呈扁平帶狀纖維逐漸演變成最接近拉擠產(chǎn)品的形狀。同時(shí)擠去增強(qiáng)材料中多余的樹(shù)脂，并排除帶入材料中的氣

20、泡，以獲得結(jié)構(gòu)致密的拉擠制品。預(yù)成型模，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐漸過(guò)渡的，長(zhǎng)度約為0.6-1.2m。 拉擠成型棒材 管狀預(yù)成型模，一塊板上制作一定數(shù)量的、呈放射性分布的過(guò)紗孔。 管材 芯軸預(yù)成型模。 異型材 2到6塊左右的預(yù)成型模組，以保證纖維與氈材能夠較為順利地合理過(guò)渡到合適的形狀，與型材截面形狀接近。第81頁(yè)/共98頁(yè)82板狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)紗槽型結(jié)構(gòu)導(dǎo)紗模組第82頁(yè)/共98頁(yè)83玻璃鋼拉擠模具 第83頁(yè)/共98頁(yè)84成型模具的設(shè)計(jì) 樹(shù)脂體系固化反應(yīng)的化學(xué)及物理特性拉擠材料與模具壁的摩擦性能。加熱區(qū)溫度的相互協(xié)調(diào)一致。 預(yù)熱區(qū)、凝膠區(qū)及固化區(qū)“凝膠點(diǎn)”， “放熱峰 ，“脫離點(diǎn)”。使凝膠點(diǎn)、放熱峰及脫離點(diǎn)靠近而且集中在凝膠區(qū)，否則可能出現(xiàn)產(chǎn)品力學(xué)性能差以