聚合物基復(fù)合材料成型工藝.ppt

1、1,聚合物復(fù)合材料的成型工藝及設(shè)備 萬光鑒,2,1、聚合物基復(fù)合材料的成型工藝,聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維與樹脂體系確定后，主要決定于成型工藝。 成型工藝主要包括以下兩個(gè)方面：,3,一是成型，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，并能達(dá)到預(yù)期的性能要求。,4,生產(chǎn)中采用的成型工藝 (1) 手糊成型 (2)注射成型 (3)真空袋壓法成型(4)擠出成型 (5)壓力袋成型 (6)纖維纏繞成型 (7)樹脂注射和樹脂傳遞成型 (8)真空輔助樹脂注射成型,5,(9)連續(xù)板材成型 (10)拉

2、擠成型 (11)離心澆鑄成型 (12)層壓或卷制成型 (13)夾層結(jié)構(gòu)成型(14)模壓成型 (15)熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型 (16)噴射成型,6,(1)手糊成型工藝 手糊成型工藝是復(fù)合材料最早的一種成型方法，也是一種最簡單的方法，其具體工藝過程如下：,7,首先，在模具上涂刷含有固化劑的樹脂混合物，再在其上鋪貼一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀壓擠織物，使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹脂混合物和鋪貼第二層纖維織物，反復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度為止。,8,然后，在一定壓力作用下加熱固化成型（熱壓成型）或者利用樹脂體系固化時(shí)放出的熱量固化成型（冷壓成型），最后脫模得到復(fù)合材料制品。

3、其工藝流程如下圖所示：,9,模具準(zhǔn)備,涂脫模劑,手糊成型,樹脂膠液配制,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,10,為了得到良好的脫模效果和理想的制品，同時(shí)使用幾種脫模劑，可以發(fā)揮多種脫模劑的綜合性能。,11,手糊成型工藝優(yōu)點(diǎn) 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)； 設(shè)備簡單、投資少、設(shè)備折舊費(fèi)低。 工藝簡單； 易于滿足產(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 制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好。,12,手糊成型工藝缺點(diǎn) 生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，勞動衛(wèi)生條件差。 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。,13,2模壓成型工

4、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。 模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復(fù)合材料成型方法。,14,模壓成型工藝過程 將定量的模塑料或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品；再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。,15,金屬對模準(zhǔn)備,涂脫模劑,膜壓成型,模塑料、顆粒樹脂,短纖維,固化,脫模,后處理,檢驗(yàn),制品,加熱、加壓,加熱,冷卻,膜壓成型工藝流程圖,16,模壓成型工藝優(yōu)點(diǎn) 模壓成型工藝有較高的生產(chǎn)效率，制品尺

5、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，無需二次加工，制品外觀及尺寸的重復(fù)性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等。,17,模壓成型工藝缺點(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。,18,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。 近年來隨著專業(yè)化、自動化和生產(chǎn)效率的提高，制品成本不斷降低，使用范圍越來越廣泛。,19,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

6、都得到應(yīng)用。,20,3. 層壓成型工藝 層壓成型工藝，是把一定層數(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。,21,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。 復(fù)合材料層壓板的生產(chǎn)工藝流程如下,22,層壓板的生產(chǎn)工藝流程,增強(qiáng)材料,熱固性樹脂,浸膠,膠布,裁剪 疊合,熱壓,脫模,切邊,產(chǎn)品,23,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。,24,4噴射成型工藝 將分別

7、混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩側(cè)（或在噴槍內(nèi)混合）噴出，同時(shí)將玻璃纖維無捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻沉積到模具上。,25,當(dāng)不飽和聚酯樹脂與玻璃纖維無捻粗紗混合沉積到一定厚度時(shí)，用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品。 其具體工藝流程圖如下：,26,玻璃纖維無捻粗紗,聚酯樹脂,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,27,噴射成型對所用原材料有一定要求，例如樹脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射霧化、脫除氣泡和浸潤纖維以及不帶靜電等。 最常用的樹脂是在室溫或稍高溫度下即可固化的不飽和聚酯等。,

8、28,噴射法使用的模具與手糊法類似，而生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍，勞動強(qiáng)度降低，能夠制作大尺寸制品。,29,用噴射成型方法雖然可以制成復(fù)雜形狀的制品，但其厚度和纖維含量都較難精確控制，樹脂含量一般在60%以上，孔隙率較高，制品強(qiáng)度較低，施工現(xiàn)場污染和浪費(fèi)較大。,30,利用噴射法可以制作大蓬車車身、船體、廣告模型、舞臺道具、貯藏箱、建筑構(gòu)件、機(jī)器外罩、容器、安全帽等。,31,5. 連續(xù)纏繞成型工藝,將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑料制品的工藝過程，稱為纏繞工藝。 纏繞工藝流程圖如下圖所示：,32,纏繞工藝流程圖,紗團(tuán),膠液配制,浸膠,烘干,絡(luò)紗,膠紗紗綻,

9、張力控制,縱、環(huán)向纏繞,芯模,縱、環(huán)向纏繞,張力控制,加熱粘流,固化,脫模,打模噴漆,成品,濕法纏繞成型工藝,干法纏繞成型工藝,33,利用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)制作復(fù)合材料制品時(shí)，有兩種不同的方式可供選擇： 一是將纖維或帶狀織物浸樹脂后，再纏繞在芯模上； 二是先將纖維或帶狀織物纏好后，再浸漬樹脂。 目前普遍采用前者。,34,纏繞機(jī)類似一部機(jī)床，纖維通過樹脂槽后，用軋輥除去纖維中多余的樹脂。 為改善工藝性能和避免損傷纖維，可預(yù)先在纖維表面徐覆一層半固化的基體樹脂，或者直接使用預(yù)浸料。,35,纖維纏繞方式和角度可以通過機(jī)械傳動或計(jì)算機(jī)控制。 纏繞達(dá)到要求厚度后，根據(jù)所選用的樹脂類型，在室溫或加熱箱內(nèi)固化

10、、脫模便得到復(fù)合材料制品。,36,利用纖維纏繞工藝制造壓力容器時(shí)，一般要求纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，容易被樹脂浸潤，纖維紗的張力均勻以及纏繞時(shí)不起毛、不斷頭等。,37,另外，在纏繞的時(shí)候，所使用的芯模應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受成型加工過程中各種載荷（纏繞張力、固化時(shí)的熱應(yīng)力、自重等），滿足制品形狀尺寸和精度要求以及容易與固化制品分離等。,38,常用的芯模材料有石膏、石蠟、金屬或合金、塑料等，也可用水溶性高分材料，如以聚烯醇作粘結(jié)劑制成芯模。,39,連續(xù)纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 首先，纖維按預(yù)定要求排列的規(guī)整度和精度高，通過改變纖維排布方式、數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此，能在較大程度上發(fā)揮增強(qiáng)纖

11、維抗張性能優(yōu)異的特點(diǎn)，,40,其次，用連續(xù)纖維纏繞技術(shù)所制得的成品，結(jié)構(gòu)合理，比強(qiáng)度和比模量高，質(zhì)量比較穩(wěn)定和生產(chǎn)效率較高等。,41,連續(xù)纖維纏繞技術(shù)的缺點(diǎn) 設(shè)備投資費(fèi)用大，只有大批量生產(chǎn)時(shí)才可能降低成本。,42,連續(xù)纖維纏繞法適于制作承受一定內(nèi)壓的中空型容器，如固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、導(dǎo)彈放熱層和發(fā)射筒、壓力容器、大型貯罐、各種管材等。,43,近年來發(fā)展起來的異型纏繞技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜橫截面形狀的回轉(zhuǎn)體或斷面呈矩形、方形以及不規(guī)則形狀容器的成型。,44,6. 拉擠成型工藝 拉擠成型工藝中，首先將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置作用下通過成型模而定型；,45,其次，在模中或固化爐中固

12、化，制成具有特定橫截面形狀和長度不受限制的復(fù)合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。,46,一般情況下，只將預(yù)制品在成型模中加熱到預(yù)固化的程度，最后固化是在加熱箱中完成的。,臥式拉擠成型過程原理圖,制品,切割,纖維,樹脂槽,擠膠器,預(yù)成型,拉攏,熱模,47,拉擠成型過程中，要求增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度高、集束性好、不發(fā)生懸垂和容易被樹脂膠液浸潤。 常用的增強(qiáng)纖維如玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維、碳纖維以及金屬纖維等。,48,用作基體材料的樹脂以熱固性樹脂為主，要求樹脂的粘度低和適用期長等。 大量使用的基體材料有不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂等。,49,另外，以耐熱性較好、熔體粘度較低的熱塑性樹脂為基體的

13、拉擠成型工藝也取得了很大進(jìn)展。 其拉擠成型的關(guān)鍵在于增強(qiáng)材料的浸漬。,50,在拉擠成型工藝中，目前常用的方法如熱熔涂覆法和混編法。 熱熔涂覆法是使增強(qiáng)材料通過熔融樹脂，浸漬樹脂后在成型模中冷卻定型；,51,混編法中，首先按一定比例將熱塑性聚合物纖維與增強(qiáng)材料混編織成帶狀、空芯狀等幾何形狀的織物； 然后，利用具有一定幾何形狀的織物通過熱模時(shí)基體纖維熔化并浸漬增強(qiáng)材料，冷卻定型后成為產(chǎn)品。,52,拉擠成型的優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動化； 制品中增強(qiáng)材料的含量一般為40-80，能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，制品性能穩(wěn)定可靠；,53,不需要或僅需要進(jìn)行少量加工，生產(chǎn)過程中樹脂損耗少； 制品的縱向和橫

14、向強(qiáng)度可任意調(diào)整，以適應(yīng)不同制品的使用要求，其長度可根據(jù)需要定長切割。,54,拉擠制品的主要應(yīng)用領(lǐng)域 (1)耐腐蝕領(lǐng)域。主要用于上、下水裝置，工業(yè)廢水處理設(shè)備、化工擋板及化工、石油、造紙和冶金等工廠內(nèi)的欄桿、樓梯、平臺扶手等。 (2)電工領(lǐng)域。主要用于高壓電纜保護(hù)管、電纜架、絕緣梯、絕緣桿、燈柱、變壓器和電機(jī)的零部件等。,55,(3)建筑領(lǐng)域。主要用于門窗結(jié)構(gòu)用型材、桁架、橋梁、欄桿、支架、天花板吊架等。 (4)運(yùn)輸領(lǐng)域。主要用于卡車構(gòu)架、冷藏車箱、汽車籠板、剎車片、行李架、保險(xiǎn)桿、船舶甲板、電氣火車軌道護(hù)板等。,56,(5)運(yùn)動娛樂領(lǐng)域。主要用于釣魚桿、弓箭桿、滑雪板、撐桿跳桿、曲輥球輥、活

15、動游泳池底板等。 (6)能源開發(fā)領(lǐng)域。主要用于太陽能收集器、支架、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和抽油桿等。 (7)航空航天領(lǐng)域。如宇宙飛船天線絕緣管，飛船用電機(jī)零部件等。,57,目前，隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，正向著提高生產(chǎn)速度、熱塑性和熱固性樹脂同時(shí)使用的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料和方向發(fā)展。 生產(chǎn)大型制品，改進(jìn)產(chǎn)品外觀質(zhì)量和提高產(chǎn)品的橫向強(qiáng)度都將是拉擠成型工藝今后的發(fā)展方向。,58,7. 注射成型工藝 注射成型是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的一種重要成型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用最廣。,59,注射成型工藝原理 注射成型是根據(jù)金屬壓鑄原理發(fā)展起來的一種成型方法。該方法是將顆粒狀樹脂、短纖維送入注射腔內(nèi)，加熱熔化、混合均勻，并以一定的擠出壓力，注射到溫度較低的密閉模具中，經(jīng)過冷卻定型后，開模便得到復(fù)合材料制品。,60,注射成型工藝過程包括加料、熔化、混合、注射、冷卻硬化和脫模等步驟。 加工熱固性樹脂時(shí)，一般是將溫度較低的樹脂體系(防止物料在進(jìn)入模具之前發(fā)生固化)與短纖維混合均勻后注射到模具，然后再加熱模具使其固化成型。,61,在加工過程中，由于熔體混合物的流動會使纖維在樹脂基體中的分布有一定的各向異性。 如果制品形狀比較復(fù)雜，則容易出現(xiàn)局部纖