聚合物复合材料工艺.ppt

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1、关于聚合物复合材料工艺现在学习的是第1页，共58页4.1 概述 4.2 成型工艺方法 4.3 模具与辅助材料 4.4 复合材料成型用半成品的制备工艺第4章 聚合物基复合材料的工艺 现在学习的是第2页，共58页4.1 概述 复合材料的性能在纤维增强体与基体树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。所谓成型工艺，包括两方面的内容：一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺铺置成一定的置成一定的形状形状，一般就是，一般就是 产品的形状产品的形状;二是二是，即把已，即把已铺置铺置成一定形状的成一定形状的，在，在温度、时间和压力等因素影温度、时间和压力等

2、因素影响下响下使使下来，并能达到预期的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。现在学习的是第3页，共58页聚合物基复合材料的制造大体包括如下：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工。增强物铺放基体注入确定材料形状基体固化现在学习的是第4页，共58页 复合材料生产流程现在学习的是第5页，共58页复合材料制品成型工艺特点 （1）复合材料制造与制品成型同时完成 一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此，在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。（2）制品成型比较简便

3、一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单得多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。现在学习的是第6页，共58页 复合材料的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性能来确定的。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，其老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现。成型方法的评价指标：工艺方便性 大型制品 设备复杂性格 生产效率表观质量 尽寸精度 力学性能/设计性4.2 成型工艺方法 现在学习的是第7页，共58页（1）手糊成型工艺-湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；（3

4、）树脂传递模塑成型技术（RTM resin transfer moulding技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；（11）ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；（23）挤出

5、成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺；（25）其它成型技术。聚合物基复合材料的成型方法 目前已有20多种，并成功地用于工业生产，如：现在学习的是第8页，共58页 (1)手糊成型 (2)喷射成型 (3)缠绕成型 (4)挤拉成型 (5)连续成型 (6)袋压成型 生产中采用的成型工艺现在学习的是第9页，共58页（1）手糊成型 手糊成型工艺又称接触成型，是树脂基复合材料生产中最早使用和应用普遍的一种成型方法。手糊成型工艺是以手工操作为主，机械设备使用较少，是以不饱和聚酯树脂或环氧树脂等为基体材料将增强材料粘结在一起的一种成型方法。在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维

6、织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止，然后进行固化、脱模、后处理及检验等。现在学习的是第10页，共58页手糊成型工艺流程 现在学习的是第11页，共58页 手糊成型常用的树脂体系有不饱和聚酯树脂胶液、环氧树脂胶液；33号胶衣树脂（间苯二甲酸型胶衣树脂），耐水性好；36PA胶衣树脂，自熄性胶衣树脂（不透明）；39号胶衣树脂,耐热自熄性胶衣树脂；21号胶衣树脂（新戊二醇型），耐水煮、耐热、耐污染、柔韧、耐磨胶衣。胶衣树脂的主要作用是对玻璃钢制品的表面装饰和对结构层的保护。现在学习的是第12页，共58页适于多

7、品种、小批量、形状复杂的大型制品的生产,且不受制品种类 和形状的限制。可室温成型,设备简单价格低，成型模具简单，投入少、见效快，且 工艺简单。树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计满足产品设计需要。可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件，在产品不同部位任意增补 增强材料。可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面（如若开模成型则有一 面不平滑）玻璃纤维含量较喷射成型高 生产技术易掌握，经过短期培训训练能生产相当高难度的制品。手糊成型工艺的优点：现在学习的是第13页，共58页手糊成型操作虽然简单，但对于操作人员的操作技能要求较高。它要求操作者对产品结构、材料性能、模具的表面处理、胶衣质量、含胶量控制、

8、增强材料的裁剪和铺放、产品厚度的均匀性及影响产品质量的各种因素都要有比较全面的了解。因依赖操作者技能，制品质量分散、生产效率低、速度慢、生产周期长。产品质量不易控制、性能稳定性差。卫生条件差、气味大、加工时粉尘多，劳动强度大。手糊成型工艺的缺点：现在学习的是第14页，共58页波形瓦、浴盆、冷却塔、活动房、卫生间、贮槽、贮罐、风机叶片、各类渔船、游艇、微型汽车客车壳体、大型雷达天线罩、天文台顶罩、设备防护罩、飞机蒙皮、机翼、火箭外壳等。手糊成型可制备的制品弯头、法兰、三通、大小头、对接件等；平板、封头、非标件等。现在学习的是第15页，共58页喷射成型又称喷涂成型，将分别混有促进剂和引发剂的从喷枪

9、两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起。（2）喷射成型现在学习的是第16页，共58页喷射成型原理图 现在学习的是第17页，共58页 喷射成型多采用不饱和聚酯树脂系统，环境温度以255为宜。温度过高树脂固化加快，容易引起管道堵塞，温度过低树脂黏度大，不易混合均匀且制品的固化速度慢。喷射成型时，先开树脂开关，在模具上喷上一层树脂，然后开动切割器，开始喷射纤维和树脂的混合物。喷一层纤维树脂后需立即用辊子滚压，使之压实、浸渍并排除气泡。滚压时要注意棱角和凹凸表面，必要时可用热辊滚压，但温度不能太高。喷枪喷射时，移动速度要均匀，注意喷满模具的整个工作面，不漏喷。每喷一

10、层（指未压实的）厚度应小于10mm。喷射第一、二层和最后一层时，应喷的薄一些，以便使制品获得较光滑的内外表面。喷射完毕，所用容器、管道、喷枪、压辊要彻底清洗干净，以免残存的树脂固化损坏设备和工具。现在学习的是第18页，共58页 与手糊成型工艺相比，喷射成型工艺的效率提高了24倍甚至更高。由于使用无捻粗纱代替了手糊工艺的玻璃纤维织物，因而材料成本更低；同时还能够成型装有嵌件、加强筋的制品。成型过程中无接缝，这使得制品的整体性和层间剪切强度更好；可自由调节产品的壁厚、纤维与树脂的比例以及纤维的长度，因而满足了汽车零部件的不同机械强度要求。适于多品种中、小批量制品的生产，也可成型大型制品和形状复杂的

11、制品，产品尺寸形状不受限制。设备投资相对较少，由于物料只是在环境条件下喷射到模具上，模具型腔受压力作用较小，因此可用非金属材料制造模具，且制造成本大幅度下降。喷射成型的优点：现在学习的是第19页，共58页产品的均匀度在很大程度上取决于操作人员的操作熟练程度；由于喷射成型的树脂含量高且增强玻纤短，因而制品强度较低；阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品生产难度大；生产现场工作环境恶劣，环境污染程度一般均大于其他的工艺方法；初期投资比手糊成型工艺大。尽管如此，近年来，喷射成型工艺的缺点正在得到极大的改善。在国外，已采用机械手编程来替代人工喷射，从而大大提高了产品质量的稳定性，原材料的损耗也被

12、明显降低。同时，通过对生产现场采取全封闭的管理措施以及进行空气排放处理，使得环境污染问题得到明显改善。喷射成型的缺点：现在学习的是第20页，共58页喷射成型浴缸、卫生洁具增强层 由于喷射成型工艺具有效率高、成本低及产品尺寸形状不受限制的优点，因此该工艺在国外汽车复合材料行业中，有逐步取代传统的手糊成型工艺的趋势，例如，客车和重型卡车的很多前/后围面板、侧面护板、高顶及导流罩等都已由喷射成型工艺制作。采用喷射成型工艺生产的重卡高顶 现在学习的是第21页，共58页普通列车的前端 普通列车前端体积大，结构较为复杂，通常采用喷射成型制得 现在学习的是第22页，共58页 缠绕成型是一种将浸渍了树脂的连续

13、纤维（预浸纱、丝束或布带）通过缠绕机控制张力和缠绕角，以一定方式按照一定规律缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。（3）缠绕成型缠绕控制纤维小车及树脂芯模现在学习的是第23页，共58页纤维缠绕制品的一般工艺流程:缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制

14、品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。现在学习的是第24页，共58页芯模的处理：金属芯模的准备：注意先清洁再在芯模表面涂敷脱模剂。石膏芯模的准备：表面涂上聚乙烯醇或糊上一层玻璃纸，石膏芯模不适合固化温度高于150的产品。水溶性芯模的准备：制作水溶性芯模常用的粘接剂主要有聚乙烯 醇和硅酸钠。前者制品固化温度低（小于150），后者固化 温度较高（高于150）。水溶性芯模在使用前处理方法与石膏芯模类似。现在学习的是第25页，共58页固化：将产品放于烘箱、固化炉、真空罐或常温下固化。产品视其需要可采用水平放置、垂直放置或旋转放置

15、的方式。在固化过程中要严格遵守操作规程。固化结束后，通常自然冷却。严禁高温出炉，出炉温度过高会使产品收缩产生裂缝，影响产品质量。脱模：金属芯模：一般采用机械脱模方式，如制作复合材料管道时，需通过脱模设备将金属芯模拔出。组合模具：需先将模具拆散，然后小心的移除，注意不要碰伤产品。水洗砂芯模：需先用水将砂芯模部分冲掉，然后脱除金属轴。有时为了脱模方便，常采用热水高压冲洗。现在学习的是第26页，共58页 缠绕成型的优点 能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻4060%；可靠性高：纤维缠绕制品易实现机械化

16、和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定、精确；生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min；成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。现在学习的是第27页，共58页 缠绕成型的缺点 缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；缠绕成型需要有缠绕机、芯模、固化加热炉、脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较的的技术经济效益。缠绕成型制备制品 简单的有管子，复杂的可制造飞机

17、壳体，汽车的框架等，常见的制品有：管、压力容器、导弹发射管、发动机箱、汽车弹簧片、油箱轴承等。现在学习的是第28页，共58页热挤塑缠绕成型的新型管材 非常适用于雨水、污水及废水排放系统等排水管道工程领域 现在学习的是第29页，共58页 挤出成型是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。现在学习的是第30页，共58页 挤出成型工艺示意图 料斗加热料筒现在学习的是第31页，共58页 木塑材料作为

18、一种新型复合材料，通常用天然植物纤维材料，如秸秆、稻壳、木粉、麻纤维与不同的高分子基材共混加工而成，所以挤出成型在木塑材料加工生产中具有重要地位。木塑挤出成型是用加热或其它方法使木塑材料的原料在加工时成为流动状态，在压力作用下，通过模具制得所需的型材。模具结构主要由挤出模头和定型模具组成。挤出成型模具：地板、型材、门窗、板材、片材等制品都是通过挤出模具成型。这类制品占目前国内木塑制品60%以上。现在学习的是第32页，共58页现在学习的是第33页，共58页（5）挤拉成型）挤拉成型将连续纤维浸渍树脂后，连续地通过具有一定截面形状的模具，挤出多余的树脂，在牵伸条件下进行固化。拉挤成型是高效率连续生产

19、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。纤维挤胶器预成形热模拉拔切割制品树脂槽现在学习的是第34页，共58页 牵引力是保证制品顺利出模的关键。拉挤成型制品包括各种杆棒、平板、空心管或型材，其应用是广泛的，如绝缘梯子架、电绝缘杆、电缆架、电缆管等电器材料，抽油杆、栏杆、管道、高速公路路标杆、支架、桁架梁等耐腐蚀结构，钓鱼杆、弓箭、撑杆跳杆、高尔夫球拍杆、滑雪板、帐篷杆等运动器材，及汽车行李架、扶手栏杆、温室棚架等。现在学习的是第35页，共58页拉挤型材模具 玻璃钢拉挤方管 把连续纤维把连续纤维不断地浸渍不断地浸渍树脂并通过树脂并通过口模和固化口模和固化炉固化成棒炉固化成棒、板或其他、板或其他型材。

20、型材。现在学习的是第36页，共58页 在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施加压力而固化成型。在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施加压力而固化成型。（a）手糊成形（b）真空袋压成形（c）加压袋法（d)高压釜加压法现在学习的是第37页，共58页 此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在树脂的此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在树脂的A A阶段与模具在阶段与模具在一一 起，在积层上覆以起，在积层上覆以橡胶袋橡胶袋，周边密封，在后用，周边密封，在后用真空泵真空泵抽真空抽真空，积层从而受到，积层从而受到不大于不大于1 1个气压的压力，而个气压的压力，而被压实、成型被压实、成型。现

21、在学习的是第38页，共58页 将干增强物与树脂片将干增强物与树脂片(树脂片系放在一层脱模纸上提供树脂片系放在一层脱模纸上提供)交替铺放在模具交替铺放在模具内。内。铺层被真空袋包覆铺层被真空袋包覆，藉，藉真空泵真空泵抽真空，将干织物内空气抽出。然后抽真空，将干织物内空气抽出。然后加热加热，令令树脂熔化并流浸树脂熔化并流浸已抽出空气的织物，然后经过一定时间即固化。已抽出空气的织物，然后经过一定时间即固化。树脂：一般仅用环氧树脂树脂：一般仅用环氧树脂 现在学习的是第39页，共58页 在固化过程中，真空袋的作用是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，将产品中汇集的气体排出，从而使产品

22、更加密实、力学性能更好。使用真空袋（vacuum bag）通过高压釜固化，加快固化进程。现在学习的是第40页，共58页 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。现在学习的是第41页，共58页 SMC(Sheet Moulding Compounds)又名片状模塑料，是一种带流动性能的预浸材料，其物理形态是一种类似“橡皮”的夹芯材料，“芯材”由经树脂糊充分浸渍的短切玻璃纤维(或毡)组成，上下两面为聚乙烯

23、薄膜所覆盖，以防止空气，灰尘、水汽及杂质等对材料的污染以及聚酯树脂交联剂苯乙烯的挥发损失。树脂糊里含有聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低收缩率添加剂、填料、脱模剂和颜料等组分。SMC模压成型工艺现在学习的是第42页，共58页 模压成型工艺已能生产的大型汽车部件如模压重卡高顶、MPV车顶、皮卡车厢、重卡驾驶室侧围板等。SMC模压成型工艺生产的皮卡车厢 现在学习的是第43页，共58页（8）树脂传递成型（RTM）真空辅助树脂传递模塑法 现在学习的是第44页，共58页 将织物作为干铺层材料入模具，然后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。整个铺层用真空袋覆罩好。袋无渗漏后，让树脂流到积层。树脂很容易流经非结构

24、织物而在整个铺层分布。在真空袋与铺层之间可置加压模块，利于提高制作表观与结构密实度。现在学习的是第45页，共58页风力发电机所用叶片 现在学习的是第46页，共58页用RTM工艺生产的车身侧围板 RTM工艺在汽车制造业中的应用已非常广泛，如乘用车的车顶、后厢盖、侧门框和备胎仓，以及卡车的整体驾驶室、挡泥板和储物箱门等都有用RTM工艺生产的。现在学习的是第47页，共58页（9）RIM(Reaction Injection Molding -反应注射成型)将两种或两种以上的组分在混合区低压(0.5MPa)混合后，即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反应成型。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，

25、则反应生成聚氨酯。为增加强度，可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料。亦可采用长纤维(如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等)增强，在注射前，将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。这种工艺称为SRIM(Structural Reaction Injection Molding-结构反应注射成型)。现在学习的是第48页，共58页 复合材料制品的连续成型工艺，是指从投入原材料开始，经过浸胶、成型、固化、脱模、切断等工序，直到最后获得成品的整个工艺过程，都是在连续不断地进行。根据生产的产品不同，连续成型工艺分为连续拉挤成型工艺、连续缠绕成型工艺和连续制板工

26、艺三种。（10）连续成型工艺现在学习的是第49页，共58页连续缠绕成型工艺 主要用于生产不同口径的玻璃钢管和罐身。连续缠绕机的特点是：生产效率高、产品质量稳定、劳动强度低、节省原材料、减少芯模数量等，但这种工艺技术含量高、设备投资大、变径难度大。另一种工艺是将塑料管挤出技术和纤维缠绕工艺相结合，塑料内衬玻璃钢管，挤出的塑料管同时起到芯模和防腐内衬两个作用。拉挤成型工艺 主要用于生产各种玻璃钢型材，如玻璃钢棒、工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形断面型材等。目前最大的拉挤成型机，可以生产断面为800mm800mm的空腹玻璃钢型材。连续制板工艺 主要是用玻璃纤毡、布为增强材料，连续不断地生产各种

27、规格平板，波纹板和夹层结构板等。现在学习的是第50页，共58页生产过程完全实现机械化身自动化，生产效率高；生产过程不间断，制品长度不限；产品无需后加工，生产过程中边角废料少，节省原料和能源；产品质量稳定，重复性好，成品率高；操作方便，省人力、劳动条件好；成本低。连续成型工艺的共同特点现在学习的是第51页，共58页4.3 模具与辅助材料 辅助材料 一般包括固化剂（引发剂）、促进剂、稀释剂、表面处理剂、低收缩添加剂、脱模剂、增韧剂、着色剂（颜料）和填料等辅助材料。脱模剂主要有薄膜型脱模剂、液体脱模剂和油膏、蜡类脱模剂。现在学习的是第52页，共58页模具材料 选择模具材料时，应满足以下要求：能够满足

28、制品的尺寸精度，外观质量及使用寿命要求；模具材料要有足够的强度和刚度，保证模具在使用过程中不易变形和损坏；不受树脂侵蚀，不影响树脂固化；耐热性好，制品固化和加热固化时，模具不变形；容易制造，容易脱模；尽量减轻模具重量，方便生产；价格便宜，材料容易获得。能用作手糊成型模具的材料有：木材，金属，石膏，水泥，石蜡，低熔点金属，硬质泡沫塑料(不脱模内芯)及玻璃钢等。模具现在学习的是第53页，共58页4.4 复合材料成型用半成品的制备工艺预浸胶布制备工艺预浸胶布是生产复合材料层压板材、卷管和布带缠绕制品的半成品。（1）原材料 预浸胶布生产所需的主要原材料有增强材料（如玻璃布、石棉布、合成纤维布、玻璃纤维

29、毡、石棉毡、碳纤维、芳纶纤维、石棉纸等）和合成树脂（如酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等）。（2）预浸胶布的制备工艺 预浸胶布的制备是使用经热处理或化学处理的连续纤维，经浸胶槽浸渍树脂胶液，通过刮胶装置和牵引装置控制胶布的树脂含量，在一定的温度下，经过一定时间的烘烤，使树脂由A阶转至B阶，从而得到所需的预浸胶布。现在学习的是第54页，共58页预浸料制备 预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。现在学习的是第55页，共58页模压料是生产模压制品的半成品。以玻璃纤维（或玻璃布）浸渍树脂制成的模压料为例，其生产工艺可分为预混法和预浸

30、法两种。（1）预混法 先将玻璃纤维切割成3050mm的短切纤维，经蓬松后在捏合机中与树脂胶液充分捏合至树脂完全浸润玻璃纤维，再经烘干（晾干）至适当粘度即可。其特点是纤维松散无定向，生产量大，用此法生产的模压料比容大，流动性好，但在制备过程中纤维强度损失较大。（2）预浸法 纤维预浸法是将整束连续玻璃纤维（或布）经过浸胶、烘干、切短而成。其特点是纤维成束状，比较紧密，制备模压料的过程中纤维强度损失较小，但模压料的流动性及料束之间的相容性稍差。模压料的制备现在学习的是第56页，共58页片状模压料（Sheet Molding Compound,SMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。是目前国际上应用最广泛的成型材料之一。模压料的制备现在学习的是第57页，共58页感谢大家观看现在学习的是第58页，共58页