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1、1 1、聚合物基复合材料的成、聚合物基复合材料的成型工艺型工艺刘文锋l聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能在在纤维纤维与与树脂树脂体系体系确定后确定后，主要决定于，主要决定于成型工艺成型工艺。l l成型工艺成型工艺主要包括以下两个方面：主要包括以下两个方面：l一是一是成型成型，即将，即将预浸料预浸料按产品的要求，按产品的要求，铺置铺置成一定的形状成一定的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状;l二是二是固化固化，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的叠叠层预浸料层预浸料，在，在温度、时间和压力等因素影响温度、时间和压力等因素影响下下使使形状固定形状固定下来，并能达到预期的
2、性能要下来，并能达到预期的性能要求。求。l l生产中采用的成型工艺生产中采用的成型工艺l l(1)(1)手糊手糊成型成型 (2)(2)注射注射成型成型 l l(3)(3)真空袋压法真空袋压法成型成型(4)(4)挤出挤出成型成型l l(5)(5)压力袋压力袋成型成型 (6)(6)纤维缠绕纤维缠绕成型成型l l(7)(7)树脂注射树脂注射和和树脂传递树脂传递成型成型l l (8)(8)真空辅助树脂注射真空辅助树脂注射成型成型l l(9)(9)连续板材连续板材成型成型 (10)(10)拉挤拉挤成型成型 l l(11)(11)离心浇铸离心浇铸成型成型 (12)(12)层压或卷制层压或卷制成成型型 l
3、l(13)(13)夹层结构夹层结构成型成型 (14)(14)模压模压成型成型l l(15)(15)热塑性片状模塑料热冲压热塑性片状模塑料热冲压成型成型l l(16)(16)喷射喷射成型成型l l1.1.手糊成型工艺手糊成型工艺l手糊成型工艺是复合材料手糊成型工艺是复合材料最早的最早的一种一种成型方法，也是一种成型方法，也是一种最简单最简单的方法，其具的方法，其具体工艺过程如下：体工艺过程如下：首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合含有固化剂的树脂混合物物，再在其上铺贴一层，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的按要求剪裁好的纤维纤维织物织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物用刷子、压辊或刮
4、刀压挤织物，使其，使其均匀浸胶均匀浸胶并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺贴第二层纤维织物铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至，反复上述过程直至达到所需厚度为止。达到所需厚度为止。然后，然后，在一定压力作用下在一定压力作用下加热固化成型加热固化成型（热热压成型压成型）或者利用）或者利用树脂体系固化时放出的树脂体系固化时放出的热量热量固化成型（固化成型（冷压成型冷压成型），最后），最后脱模脱模得得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：模具模具模具模具准备准备准备准备涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂手糊成型手糊成型手糊成型手糊成型
5、树脂胶树脂胶树脂胶树脂胶液配制液配制液配制液配制增强材增强材增强材增强材料准备料准备料准备料准备固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品制品制品手糊成型工艺流程图手糊成型工艺流程图l l手糊成型工艺优点手糊成型工艺优点l不受产品尺寸和形状限制，适宜不受产品尺寸和形状限制，适宜尺尺寸大寸大、批量小批量小、形状复杂形状复杂产品的生产；产品的生产；l设备简单设备简单、投资少投资少、设备设备折旧费低折旧费低。l工艺简单工艺简单；l易于满足产品设计要求，可以易于满足产品设计要求，可以在产在产品不同部位品不同部位任意增补增强材料任意增补增强材料l制品制品树脂含量较高
6、树脂含量较高，耐腐蚀性好耐腐蚀性好。l l手糊成型工艺缺点手糊成型工艺缺点 l 生产效率生产效率低，低，劳动强度劳动强度大，大，劳动卫劳动卫生条件生条件差。差。l 产品质量产品质量不易控制，不易控制，性能稳定性性能稳定性不不高。高。l 产品产品力学性能力学性能较低。较低。l l2 2模压成型工艺模压成型工艺l模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早是一种古老的技术，早在在2020世纪初就出现了世纪初就出现了酚醛塑料酚醛塑料模压成型。模压成型。l模压成型是一种对模压成型是一种对热固性树脂热固性树脂和和热塑热塑性树脂性树脂都适用的都适用的纤维复合材料纤维复合材料成型方法。成型方法。l l模压成
7、型工艺过程模压成型工艺过程l将定量的将定量的模塑料或颗粒状树脂模塑料或颗粒状树脂与与短纤短纤维的混合物维的混合物放入敞开的放入敞开的金属对模金属对模中，闭模中，闭模后后加热加热使其使其熔化熔化，并，并在压力作用下在压力作用下充满模充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经再经加热加热使树脂使树脂进一步发生进一步发生交联反应交联反应而固化而固化，或者或者冷却使冷却使热塑性树脂硬化热塑性树脂硬化，脱模后得到，脱模后得到复合材料制品复合材料制品。金属对金属对金属对金属对模准备模准备模准备模准备涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂涂脱模剂膜压成型膜压成型膜压成型膜压成型模塑料、模塑
8、料、模塑料、模塑料、颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂颗粒树脂短纤维短纤维短纤维短纤维固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模后处理后处理后处理后处理检验检验检验检验制品制品制品制品加热、加压加热、加压加热、加压加热、加压加热加热加热加热冷却冷却冷却冷却膜压成型工艺流程图膜压成型工艺流程图l l模压成型工艺优点模压成型工艺优点l模压成型工艺有模压成型工艺有较高的生产效率较高的生产效率，制制品尺寸准确品尺寸准确，表面光洁表面光洁，多数结构复杂的，多数结构复杂的制品可制品可一次成型一次成型，无需二次加工，无需二次加工，制品外制品外观及尺寸的观及尺寸的重复性好重复性好，容易实现，容易实现机械化和机械化和自动化自动化等
9、。等。l l模压成型工艺缺点模压成型工艺缺点l模具设计制造复杂模具设计制造复杂，压机及模具，压机及模具投资投资高高，制品尺寸受设备限制，一般只，制品尺寸受设备限制，一般只适合制适合制造批量大造批量大的中、小型制品。的中、小型制品。l l3.3.层压成型工艺层压成型工艺l层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的，是把一定层数的浸胶浸胶布布(纸纸)叠在一起，送入叠在一起，送入多层液压机多层液压机，在一在一定的温度和压力下定的温度和压力下压制成板材压制成板材的工艺。的工艺。l层压成型工艺层压成型工艺属于属于干法压力成型范畴干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。是复合材料的一种主要成型工艺。
10、l l层压成型工艺层压成型工艺生产的制品生产的制品包括各种包括各种绝缘材绝缘材料板料板、人造木板人造木板、塑料贴面板塑料贴面板、覆铜箔层覆铜箔层压板压板等。等。l复合材料复合材料层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程如下如下层压板的生产工艺流程层压板的生产工艺流程增强材料增强材料增强材料增强材料浸胶浸胶浸胶浸胶胶布胶布胶布胶布裁裁裁裁剪剪剪剪叠叠叠叠合合合合热热热热压压压压脱脱脱脱模模模模切切切切边边边边产产产产品品品品l l层压成型工艺的优点层压成型工艺的优点是制品是制品表面光洁表面光洁、质质量较好量较好且且稳定稳定以及以及生产效率较高生产效率较高。l l层压成型工艺的缺点层压成型工艺的缺
11、点是只能生产是只能生产板材板材，且，且产品的尺寸大小受设备的限制产品的尺寸大小受设备的限制。l l4 4喷射成型工艺喷射成型工艺l将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的不饱和不饱和聚酯树脂聚酯树脂从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷出，同时将喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱用切割机用切割机切断切断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，与树脂一起喷出，与树脂一起均匀均匀沉积到模具上沉积到模具上。l当当不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂与与玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱混混合沉积到一定厚度时，合沉积到一定厚度时，用手辊滚压用手辊滚压，使纤使纤维浸透树脂维浸透树脂、
12、压实并除去气泡压实并除去气泡，最后，最后固化固化成制品成制品。l其具体工艺流程图如下：其具体工艺流程图如下：玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂聚酯树脂加热加热加热加热引发剂引发剂引发剂引发剂促进剂促进剂促进剂促进剂静态混合静态混合静态混合静态混合切切切切割割割割喷喷喷喷枪枪枪枪模模模模具具具具喷喷喷喷射射射射成成成成型型型型固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模喷射成型工艺流程图喷射成型工艺流程图l l喷射成型喷射成型对所用原材料对所用原材料有一定要求有一定要求，例如，例如树脂体系的树脂体系的粘度应适中粘度应适中，容易喷射雾化容易喷射雾化、脱除气
13、泡脱除气泡和和浸润纤维浸润纤维以及以及不带静电不带静电等。等。l最常用的树脂最常用的树脂是是在室温或稍高温度下在室温或稍高温度下即可固化的即可固化的不饱和聚酯不饱和聚酯等。等。优点优点：喷射法使用的模具与手糊法类似，而：喷射法使用的模具与手糊法类似，而生产效率生产效率可提高数倍，可提高数倍，劳动强度劳动强度降低，能降低，能够够制作大尺寸制品制作大尺寸制品。l缺点缺点：用：用喷射成型喷射成型方法虽然可以制成方法虽然可以制成复杂复杂形状的制品形状的制品，但其，但其厚度和纤维含量厚度和纤维含量都较难都较难精确控制，树脂含量一般在精确控制，树脂含量一般在60%60%以上，以上，孔隙孔隙率率较高，较高，
14、制品强度较低制品强度较低，施工现场污染施工现场污染和和浪费较大浪费较大。5.5.连续缠绕成型工艺连续缠绕成型工艺l将将浸过树脂胶液浸过树脂胶液的的连续纤维或布带连续纤维或布带，按照，按照一定规律一定规律缠绕到芯模缠绕到芯模上，然后上，然后固化脱模固化脱模成成为为增强塑料制品增强塑料制品的工艺过程，称为的工艺过程，称为缠绕工缠绕工艺艺。l缠绕缠绕工艺流程图工艺流程图如下图所示：如下图所示：缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图纱团纱团纱团纱团集束集束集束集束胶液配制胶液配制胶液配制胶液配制浸胶浸胶浸胶浸胶烘干烘干烘干烘干络纱络纱络纱络纱胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽胶纱纱绽张力控制张力控制张力控制张力控制纵、环
15、向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕芯模芯模芯模芯模纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕纵、环向缠绕张力控制张力控制张力控制张力控制加热粘流加热粘流加热粘流加热粘流固化固化固化固化脱模脱模脱模脱模打模喷漆打模喷漆打模喷漆打模喷漆成品成品成品成品湿湿湿湿法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺干干干干法法法法缠缠缠缠绕绕绕绕成成成成型型型型工工工工艺艺艺艺l利用利用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术制作复合材料制品制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：时，有两种不同的方式可供选择：l一是将一是将纤维或带状织物纤维或带状织物浸树脂后，再浸树脂后，再缠绕在芯模上；缠绕在芯
16、模上；l二是先将二是先将纤维或带状织物纤维或带状织物缠好后，再缠好后，再浸渍树脂。浸渍树脂。ll l缠绕机缠绕机类似一部机床，纤维类似一部机床，纤维通过树脂槽通过树脂槽后，后，用轧辊用轧辊除去纤维中多余的树脂除去纤维中多余的树脂。l为改善为改善工艺性能工艺性能和避免和避免损伤纤维损伤纤维，可，可预先预先在纤维表面在纤维表面徐覆一层徐覆一层半固化的基体树半固化的基体树脂脂，或者，或者直接使用预浸料直接使用预浸料。l纤维纤维缠绕方式和角度缠绕方式和角度可以通过可以通过机械传动机械传动或或计算机控制计算机控制。l缠绕达到要求厚度后缠绕达到要求厚度后，根据所选用的，根据所选用的树脂类型树脂类型，在室温
17、或加热箱内在室温或加热箱内固化固化、脱模脱模便得到复合材料制品。便得到复合材料制品。l l连续纤维缠绕技术的优点连续纤维缠绕技术的优点l首先，纤维首先，纤维按预定要求排列的按预定要求排列的规整度规整度和和精度高精度高，通过改变，通过改变纤维排布方式、数量纤维排布方式、数量，可以实现可以实现等强度设计等强度设计，因此，能，因此，能在较大程在较大程度上度上发挥发挥增强纤维抗张性能增强纤维抗张性能优异的特点，优异的特点，l其次，用其次，用连续纤维缠绕技术连续纤维缠绕技术所制得的成品，所制得的成品，结构合理结构合理，比强度比强度和和比模量比模量高高，质量质量比较比较稳定稳定和和生产效率生产效率较高较高
18、等。等。l l连续纤维缠绕技术的缺点连续纤维缠绕技术的缺点l设备投资费用设备投资费用大，只有大，只有大批量生产时大批量生产时才可能降低成本。才可能降低成本。l l6.6.拉挤成型工艺拉挤成型工艺l拉挤成型工艺中，首先将拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶浸渍过树脂胶液的液的连续纤维束连续纤维束或或带状织物带状织物在牵引装置作用在牵引装置作用下下通过通过成型模成型模而而定型定型；其次，其次，在模中或固化炉中在模中或固化炉中固化固化，制成具有，制成具有特特定横截面形状定横截面形状和和长度不受限制的长度不受限制的复合材料，复合材料，如如管材管材、棒材棒材、槽型材槽型材、工字型材工字型材、方型材方型材等
19、。等。l一般情况下，只将一般情况下，只将预制品预制品在成型模中在成型模中加热加热到到预固化预固化的程度的程度，最后固化最后固化是是在加热箱中在加热箱中完成的。完成的。卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图卧式拉挤成型过程原理图l l拉挤成型拉挤成型过程中，要求过程中，要求增强纤维的增强纤维的强度高、强度高、集集束性好束性好、不发生悬垂不发生悬垂和容易被树脂胶液和容易被树脂胶液浸润浸润。l常用的常用的增强纤维增强纤维如如玻璃纤维玻璃纤维、芳香族芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维、碳纤维碳纤维以及以及金属纤维金属纤维等。等。l用作用作基体材料基体材料的树脂的树脂以以热固性树脂热
20、固性树脂为主，为主，要求树脂的要求树脂的粘度低粘度低和和适用期长适用期长等。等。l大量使用的基体材料有大量使用的基体材料有不饱和聚酯树不饱和聚酯树脂脂和和环氧树脂环氧树脂等。等。l另外，以另外，以耐热性较好耐热性较好、熔体粘度较低熔体粘度较低的的热热塑性树脂塑性树脂为基体的为基体的拉挤成型工艺拉挤成型工艺也取得了也取得了很大进展。很大进展。l其其拉挤成型的关键拉挤成型的关键在于在于增强材料的浸增强材料的浸渍渍。l在在拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，目前常用的方法如中，目前常用的方法如热热熔涂覆法熔涂覆法和和混编法混编法。l热熔涂覆法热熔涂覆法是使是使增强材料增强材料通过通过熔融树熔融树脂脂，浸渍树
21、脂后，浸渍树脂后在成型模中在成型模中冷却定型冷却定型；l l混编法混编法中，首先按一定比例将中，首先按一定比例将热塑性聚合热塑性聚合物纤维物纤维与与增强材料增强材料混编织成混编织成带状带状、空芯状空芯状等几何形状的织物；等几何形状的织物；l然后，利用具有然后，利用具有一定几何形状的织物一定几何形状的织物通过热模时通过热模时基体纤维熔化基体纤维熔化并并浸渍增强材料浸渍增强材料，冷却定型冷却定型后成为产品。后成为产品。l l拉挤成型的优点拉挤成型的优点l生产效率高生产效率高，易于实现自动化；，易于实现自动化；l 制品中增强材料的含量一般为制品中增强材料的含量一般为4040-80-80，能够充分发挥
22、增强材料的作用，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠制品性能稳定可靠；l不需要或仅需要进行少量加工，生产不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中过程中树脂损耗少树脂损耗少；l制品的制品的纵向和横向强度可任意调整纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可以适应不同制品的使用要求，其长度可根根据需要据需要定长切割定长切割。l l拉挤制品的主要应用领域拉挤制品的主要应用领域l(1)(1)耐腐蚀领域耐腐蚀领域。主要用于。主要用于上、下水装上、下水装置置，工业，工业废水处理设备废水处理设备、化工挡板化工挡板及化工、及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆栏
23、杆、楼梯楼梯、平台扶手平台扶手等。等。l(2)(2)电工领域电工领域。主要用于。主要用于高压电缆保护高压电缆保护管管、电缆架电缆架、绝缘梯绝缘梯、绝缘杆绝缘杆、灯柱、变、灯柱、变压器和电机的零部件等。压器和电机的零部件等。l(3)(3)建筑领域建筑领域。主要用于。主要用于门窗结构用门窗结构用型材、型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。l(4)(4)运输领域运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。船舶甲板、电气火车轨道护板等。l
24、(5)(5)运动娱乐领域运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。游泳池底板等。l(6)(6)能源开发领域能源开发领域。主要用于。主要用于太阳能收集器太阳能收集器、支架、支架、风力发电机叶片风力发电机叶片和抽油杆等。和抽油杆等。l(7)(7)航空航天领域航空航天领域。如宇宙飞船。如宇宙飞船天线绝缘管天线绝缘管，飞船用飞船用电机零部件电机零部件等。等。l l7.7.注射成型工艺注射成型工艺l注射成型注射成型是是树脂基复合材料生产中的树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于一种重要成型方法，
25、它适用于热塑性和热热塑性和热固性复合材料固性复合材料，但，但以热塑性复合材料以热塑性复合材料应用应用最广。最广。l l注射成型工艺原理注射成型工艺原理l注射成型注射成型是根据是根据金属压铸原理金属压铸原理发展起发展起来的一种成型方法。该方法是将来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树颗粒状树脂脂、短纤维短纤维送入送入注射腔内注射腔内，加热熔化加热熔化、混混合均匀合均匀，并，并以一定的挤出压力以一定的挤出压力，注射到温，注射到温度较低的度较低的密闭模具密闭模具中，经过中，经过冷却定型冷却定型后，后，开模便得到复合材料制品开模便得到复合材料制品l l注射成型工艺过程注射成型工艺过程包括包括加料加料、熔
26、化熔化、混合混合、注射注射、冷却硬化冷却硬化和和脱模脱模等步骤。等步骤。l加工加工热固性树脂热固性树脂时，一般是将时，一般是将温度较温度较低的树脂体系低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发防止物料在进入模具之前发生固化生固化)与与短纤维短纤维混合均匀后注射到模具，混合均匀后注射到模具，然后再然后再加热模具加热模具使其固化成型。使其固化成型。l在加工过程中，由于在加工过程中，由于熔体混合物的流动熔体混合物的流动会会使纤维使纤维在树脂基体中的分布在树脂基体中的分布有一定的有一定的各向各向异性异性。l如果制品形状比较复杂，则容易出现如果制品形状比较复杂，则容易出现局部纤维分布不均匀局部纤维分布不均匀
27、或或大量树脂富集区大量树脂富集区，影响材料的性能。影响材料的性能。因此，因此，注射成型工艺注射成型工艺要求要求树脂与短纤维的混树脂与短纤维的混合均匀合均匀，混合体系有，混合体系有良好的流动性良好的流动性，而，而纤纤维含量不宜过高维含量不宜过高，一般在，一般在3030-40-40左右。左右。l l注射成型法注射成型法所得制品所得制品的的精度高精度高、生产周期生产周期短短、效率较高效率较高、容易实现自动控制容易实现自动控制，除氟，除氟树脂外，几乎所有的树脂外，几乎所有的热塑性树脂热塑性树脂都可以采都可以采用这种方法成型。用这种方法成型。l按按物料物料在注射腔中在注射腔中熔化方式熔化方式分类，常用的分类，常用的注射机注射机有有按塞式按塞式和和螺杆式螺杆式两种。两种。l由于由于按塞式注射机按塞式注射机塑化能力较低塑化能力较低、塑塑化均匀性差化均匀性差，注射压力损耗大注射压力损耗大及及注射速度注射速度较慢较慢等，已很少生产，现在普遍使用的是等，已很少生产，现在普遍使用的是往复螺杆式注射机往复螺杆式注射机。谢谢谢谢