纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺模板.doc
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1、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、序言 相比传统材料,复合材料含有一系列不可替换特征,自二次大占以来发展很快。尽管产量小(据法国Vetrotex企业统计,全球复合材料达700万吨),但复合材料水平已是衡量一个国家或地域科技、经济水平标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲产量分别占全球产量33%和32%,以中国(含台湾省)、日本为主亚洲占30%。中国大陆玻班纤维增强塑料(玻璃纤维和树脂复合复合材料、俗称“玻璃钢”)逾90万吨,已居世界第二位(美国为169万吨,日本不足70万吨)。 复合材料关键由增强材料和基体材料两大部分组成: 增强材料:在复合材料中不组成连续相赋于复合材料关键力学性能,如
2、玻璃钢中玻璃纤维,CFRP(碳纤维增强塑料)中碳纤维素就是增强材料。基体:组成复合材料连续相单一材料如玻璃钢(GRP)中树脂(本文谈到环氧树脂)就是基体。 y 按基体材料不一样,复合材料可分为三大类: 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料,如陶瓷基复合材料。 本文讨论环氧树脂基复合材料。 1、为何采取环氧树脂做基体? 固化收缩率代低,仅1%-3%,而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%; 粘结力强; 有B阶段,有利于生产工艺; 可低压固化,挥发份甚低; 固化后力学性能、耐化学性佳,电绝缘性能良好。值得指出是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常见酚醛和不饱和聚酯权势脂为佳,然耐酸性差;固化后
3、通常较脆,韧性较差。 2、环氧玻璃钢性能(按ASTM) 以FW(纤维缠绕)法制造玻纤增强环氧树脂产品为例,将其和钢比较。 表1 GF/EPR和钢性能比较 玻璃含量 GF/EPR(玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢 相对密度 2.08 7.86 V 拉伸强度 551.6Mpa 331.0MPa 拉伸模量 27.58GPa 206.7GPa 伸长率 1.6% 37.0% 弯曲强度 689.5MPa 弯曲模量 34.48GPa 压缩强度 310.3MPa 331.0MPa 悬臂冲击强度 2385J/m 燃烧性(UL-94) V-O 比热容 535J/kgk 233J/kgk 膨胀系数 4
4、.010-6k-1 6.710-6k-1 热变形温度 204C(1.82MPa) 热导率 1.85W/mk 33.7W/mk 介电强度 11.8106V/m 吸水率 0.5%(24h) 表2 多个常见材料和复合材料比强度和比模量 材料名称 密度g/cm3 拉伸强度104MPa 弹性模量106MPa 比强度106cm 比模量109cm 钢 7.8 10.10 20.59 0.13 0.27 铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26 钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25 玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21 碳纤维/环氧树脂 1.45 14.71 13
5、.73 碳纤维/环氧树脂 1.6 1049 23.54 芳纶纤维/环氧树脂 1.4 13.73 7.85 硼纤维/环氧树脂 2.1 13.53 20.59 硼纤维/铝 2.65 9.81 19.61 0.75 c2 二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺介绍 1、手糊成型 (hand lay up) (1)概要 依次在模具表面上施加 脱模剂 胶衣 一层粘度为0.3-0.4PaS中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)一层纤维增强材料(玻纤、芳纶、碳纤维.),纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等多个。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复数次,直抵达成制
6、品设计厚度。 树脂因聚合反应,常温固化。可加热加速固化。(2)原材料 F gb NG 树脂 不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。 纤维 玻纤、碳纤、芳纶等。即使厚芳纶织物难于手工将树脂浸透,亦可用。 芯材 任意。(3)优点1)适合少许生产; 2)可室温成型,设备投资少,模具折旧费低;3)可制造大型制品和型状复杂产品; 4)树脂和增强材料可自由组合,易进行材料设计; 5)可采取加强筋局部增强,可嵌入金属件;6)可用胶衣层取得含有自由色彩和光泽表面(如开模成型则一面不平滑);7)玻纤含量较喷射成型高。 无捻粗纱布 50%左右 织物 35%-45% 短切原丝毡 30%-40% (4)
7、缺点 1)属于劳动密集型生产,产品质量由工人训练程度决定; ;2)玻纤含量不可能太高;树脂需要粘度较低才易手工操作,溶剂/苯乙烯量高,力学和热性能受限制; 3)手糊用树脂分子量低;通常可能较分子量高树脂有害于人健康和安全。 (5)经典产品 舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。 2、树脂传输成型(RTM) (1)概要 RTM是一个闭模低压成型方法。 将纤维增强材料置于上下模之间;合模并将模具夹紧;在压力下注射树脂;树脂固化后打开模具,取下产品。 树脂胶凝过程开始前,必需让树脂充满模腔,压力促进树脂快速传输到模个内,浸渍纤维材料。 RTM是一低压系统,树脂注射压力范围0.4-0.
8、5MPa,当制造高纤维含量(体积比超出50%)制品,如航空航天用零部件时,压力甚至达0.7MPa。 纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状(带粘结剂),再在第二个模具内注射成型。 为了提升树脂浸透纤维能力,可选择真空辅助注射(VARI-vacuum saaistedrsin injection)。 注意树脂一经将纤维材料浸透,树脂注口要封闭,方便树脂固化。注射和固化可在室温或加热条件下进行。模具能够复合材料和钢材料 制作。若采取加热工艺。宜用钢模。 (2)原材料 树脂:通常多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛;当加温时,高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。 法国 Vetrotex企业
9、开发了热塑性树脂RTM。 纤维:任意。常见玻纤连续毡、缝编材料(其纤维间缝隙得于树脂传输)、无捻粗纱布;玻纤和热塑性塑料复合纱及其织物和片材(法国Vetrotex商品名TWINTEX)。 芯材:不用蜂窝,因蜂窝空格全被树脂填满,压力会造成其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC等。 (3)优点 1)制品纤维含量可较高,未被树脂浸得部分很少;2)闭模成型,生产环境好; 3)劳动强度低,对工人技术熟练程度要求也比手糊和喷射成型低; 4)制品两面光,可作有表面胶衣制品,精度也比较高; 5)成型周期较短; 6)产品可大型化; 7)强度可按设计要求含有方向性; 8)可和芯村、嵌件一体成型; 9)
10、相对注射设备和模具成本较低。(4)缺点 1)不易制作较小产品; 2)因要承压,故模具较手糊和喷射工艺用模具要重和复杂,价位也高部分; 3)能有未被浸渍材料,造成边角料浪费。(5)经典产品小型飞机和汽车零部件、客车座椅、仪表壳 3、纤维缠绕(FW) (1)概要 通常采取直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕,经过张力系统、树脂槽、绕丝嘴,由小车带动其往复移动并缠绕在回转芯轴(模)上。纤维缠绕角度和纤维排列密度依据强度设计,并由芯轴(模)转速和小车往复速度之比,正确地控制。固化后将缠绕复合材料制品脱模。 对一些两端密闭产品不用脱模,芯模即包在复合材料产品内,作为内衬。 (2)
11、原材料 树脂:任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。 纤维:任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时,常见表面毡、短切原丝作为内衬材料。 芯材:可用。即使复合材料制品通常是单一壳体,通常不用。 (3)优点 1)因为纤维迳直以合理线形铺设,负担负荷,故复合材料制品结构特征可很高; 2)因为同内衬层组合,可制得耐腐蚀、耐压、耐热制品; 3)可制造两端封闭制品; 4)铺放材料快、经济、用无捻粗纱,材料费用低; 5)可采取树脂计量,然浸胶后纤维经过挤胶或口模,控制树脂含量; 6)可大理生产和自动化; 7)机械成型,复合材料材质及方向性均匀,质量稳定。 (4)缺点 1)制品形状限于圆柱形或其它回
12、转体; 2)纤维不易沿制品长度方向正确排列; 3)对于大型制品,芯模成本高; 4)成品外表不是“模制”,不尽人意; 5)对于承受压力制品,如选择树脂不适宜或无内衬,就易发生渗漏。 (5)经典产品 管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)、固体火箭发动机壳体。4、RIM(Reaction Injection Molding一反应注射成型) (1)概要 将两种或两种以上组分在混合区低压(0.5MPa)混合后,即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反应成型,此即为工艺过程。若组分一为多元醇,一为异氰酸酯,则反应生成聚氨酯 。为增加强度,可直接在一个组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料
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