復(fù)合材料模壓工藝

1、復(fù)合材料模壓工藝復(fù)合材料由于其眾所周知的優(yōu)異性能及各種工藝的日益成熟、原材料來(lái)源豐富、本錢下降、可靠性提升,使其受到用戶與生產(chǎn)者雙方的青睞,越來(lái)越多地取代 傳統(tǒng)金屬材料,我們的時(shí)代已進(jìn)入了復(fù)合材料時(shí)代.據(jù)美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)復(fù)合材 料所(Society of the Plastics Industry's Instit ute)1997年元月 27 日發(fā)表的年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告說(shuō)明:1996年美國(guó)復(fù)合材料的銷售量為161萬(wàn)噸,比1995年的 158.5萬(wàn)噸增長(zhǎng)約1.6%,是復(fù)合材料的銷售量連續(xù)第五年增長(zhǎng).據(jù)預(yù)測(cè) ,1997年 以及以后五年內(nèi)復(fù)合材料銷售量仍會(huì)連續(xù)增長(zhǎng).聚合物基復(fù)合材料模壓成形工藝在

2、各種成形工藝方法中占有重要地位,主要用于異型制品的成形,因而所用的成形壓力高于其它工藝方法.由于模壓成形工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單,又能對(duì)纖維料、碎布、氈料、層壓制品、 纏繞制品、編織物進(jìn)行模壓成形,因而被各種規(guī)模的復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)所普遍采 用,復(fù)合材料模壓工藝也幾乎為各生產(chǎn)單位家喻戶曉.因此,本文并不打算對(duì)模壓復(fù)合材料制品工藝進(jìn)行系統(tǒng)介紹,僅就影響復(fù)合材料制品質(zhì)量的一些重要環(huán)節(jié)談 談體會(huì),由于就復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)異型件而言,保證質(zhì)量、提升合格率比一般制件 更為重要,難度也更大.一、對(duì)復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素模壓成形工藝的根本過(guò)程是將一定量的經(jīng)過(guò)一定預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱 的壓模內(nèi),施加較高的壓

3、力使模壓料充滿模腔.在預(yù)定的溫度條件下,模壓料在模 腔內(nèi)逐漸固化,然后將制品從壓模內(nèi)取出,再進(jìn)行必要的輔助加工即得到最終制 品.從上述過(guò)程看,完成最終制品涉及的因素有模壓料本身、壓模模具、加壓加 溫的熱壓機(jī)等；最重要的當(dāng)是壓制工藝,本文將單列一節(jié)予以重點(diǎn)講述；還有工作 環(huán)境和輔助加工等.1 .模壓料任何形式的模壓料(碎布料、氈料、長(zhǎng)、短纖維),在裝模前均應(yīng)使其按預(yù)定 比例與樹脂均勻浸漬.對(duì)經(jīng)溶劑稀釋的樹脂溶液,在浸漬纖維后應(yīng)充分晾置使溶 劑揮發(fā).晾置時(shí)間與環(huán)境溫度濕度有關(guān).2 .壓制模具制品用的模具除應(yīng)保證在工作壓力下的強(qiáng)度、剛度條件以外,主要應(yīng)考慮能 給制品的各部位、各方向較均勻地加上壓力.

4、一定的拔模斜度既能保證制品順利 出模,又能起到側(cè)向加壓的作用.模具設(shè)計(jì)盡量使制品整體成形,既可保證制品的 強(qiáng)度、剛度,又可減少輔助加工工序和工裝模具數(shù)量.在模具上應(yīng)開有流膠槽使多余的膠料順利排出.壓模的成型外表應(yīng)至少進(jìn)行拋光或鍍銘,使光潔度在A 9以上,以保證順利 脫模.應(yīng)在模具靠近型腔部位開設(shè)測(cè)溫孔.模具本身,必要時(shí)考慮設(shè)計(jì)一定的附件以保證較方便地實(shí)現(xiàn)脫模.3 .壓機(jī)壓機(jī)的尺寸和噸位應(yīng)能滿足制品及所選材料、模具結(jié)構(gòu)的要求.壓機(jī)的溫度、壓力最好能有手控和自動(dòng)限制兩種模式.壓機(jī)的工作臺(tái)或上下加熱板應(yīng)盡量使工件保持水平以預(yù)防樹脂向一側(cè)流聚. 加熱板在有效工作范圍內(nèi)溫度差限制在土 5c左右.4 .工

5、作場(chǎng)地工作場(chǎng)地應(yīng)光線充足、通風(fēng)良好,溫度、濕度滿足要求,吊升降叉車、真空泵、 壓縮機(jī)、工作臺(tái)等配套設(shè)備齊全、工作平安可靠.環(huán)境清潔、整潔.二、復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝以環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料為例是指模壓料 裝模后在固化劑存在或加熱的條件下在模腔內(nèi)固化成制品的過(guò)程.它是溫度、壓力、時(shí)間綜合作用的結(jié)果,壓制工藝條件的選擇及可靠限制是決定制品質(zhì)量的關(guān) 鍵.雖然原那么上講某一種牌號(hào)的樹脂有一定的固化特性,但由于同牌號(hào)樹脂的分 子量、軟化點(diǎn),環(huán)氧值等都有一定的變化范圍,因而固化特性也會(huì)有所差異.為保 證復(fù)合材料制品的質(zhì)量,最好對(duì)每一批次樹脂的固化特性進(jìn)行測(cè)定,以確定最正確 的壓

6、制工藝.這一工作我們是通過(guò)DDA劭態(tài)介電分析和DMA劭態(tài)力學(xué)性能分析 來(lái)完成的.環(huán)氧樹脂的固化過(guò)程從DDAtt線來(lái)看可分為軟化流動(dòng)、凝膠、固化、熟化后 固化四個(gè)階段.如將后兩個(gè)階段合并為固化階段也可視為三個(gè)階段.根據(jù)制品 材料制作的試片所測(cè)的DDA4線,再根據(jù)制件的厚度和模具結(jié)構(gòu)情況,確定在一 定的加熱速度下每個(gè)階段所需保溫時(shí)間和加壓時(shí)機(jī).在對(duì)不同加熱速率、不同保溫時(shí)間和加壓時(shí)機(jī)的試片進(jìn)行 DMAW試后,選擇動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最好的試片的溫度、 壓力與時(shí)間關(guān)系的固化特性確定壓制工藝.圖 1、2、3分別為F46+BF MEAT 脂體系t片的DDA DMAW試曲線及該體系為基體的結(jié)構(gòu)制品的固化曲線.由于

7、 該復(fù)合材料制品尺寸大、厚度厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證接頭部位的強(qiáng)度和剛度又采 用了難度很大的整體成形工藝,因而固化壓制工序成了特別關(guān)鍵的工序.考慮產(chǎn) 品大而厚的因素及壓機(jī)中央位置與邊緣溫度的差異 ,為保證整個(gè)產(chǎn)品均勻固化, 我們?cè)?0 C的軟化流動(dòng)峰前增加了在 45 土 5 C時(shí)0.5小時(shí)的低溫保溫過(guò)程. 另外,在固化后的自然降溫階段,考慮到鋼模與碳復(fù)合材料熱物理性能的差異,為 預(yù)防鋼模收縮造成復(fù)合材料制品的翹曲變形,在工藝文件中規(guī)定在產(chǎn)品溫度降至 70c左右時(shí)松開模具四周的頂模螺釘,使產(chǎn)品自由降至室溫再卸模.在上述壓制 工藝條件下壓制的制品合格率到達(dá) 90%Z上.三、聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺

8、陷、產(chǎn)生的原因及預(yù)防舉措影響復(fù)合材料制品質(zhì)量的因素很多,從原材料的選用到預(yù)浸料的制備、貯存, 從生產(chǎn)環(huán)境到每道生產(chǎn)工序都會(huì)影響最終制品的性能.對(duì)熱固性樹脂基復(fù)合材料而言,最終產(chǎn)品一旦發(fā)現(xiàn)重大質(zhì)量問(wèn)題那么很難挽救. 特別是整體成形的較大制品, 無(wú)論從當(dāng)前原材料仍然昂貴的價(jià)格,還是從制品的生產(chǎn)周期,質(zhì)量問(wèn)題造成的損 失都將是巨大的.因此,總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)找出缺陷產(chǎn)生的原因,制定有效的預(yù)防舉措 都將是很有意義的.表1列出了聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、 產(chǎn)生原因及 預(yù)防舉措,可供參考.四、復(fù)合材料模壓制品工藝新進(jìn)展據(jù)1997年4月23日至25日在法國(guó)巴黎召開的第32屆“歐洲復(fù)合材料和 “先進(jìn)材料與加工

9、工程科學(xué)大會(huì)報(bào)導(dǎo),德國(guó)凱瑟斯勞騰的復(fù)合材料研究所Institut fur Verbundwerkstoffe,Kaiserslautern,簡(jiǎn)稱 IVW從 1993 年起研制了一種雙面?zhèn)魉蛪簷C(jī),可以壓制聚合物基復(fù)合材料連續(xù)薄板.該研究所用纖維 布和熱塑性樹脂膜作原料,采用連續(xù)等壓工藝制出浸漬質(zhì)量良好的寬度達(dá)600mm的預(yù)制板帶.壓機(jī)的主要工作參數(shù)為：溫度高達(dá)410c,壓力可到達(dá)5.5MPa預(yù) 制板在加熱條件下可在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)模壓或沖壓成最終制品,形成了預(yù)處理、塑化、模壓和后加工一條龍生產(chǎn)線.雙面?zhèn)魉蛪簷C(jī)可用各種纖維增強(qiáng)各種樹脂制成預(yù)制板,再壓制成各種形狀復(fù) 雜的結(jié)構(gòu)件,比RTM&

10、、熱壓罐成形法等生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)周期短,是一種很有 前途的工業(yè)復(fù)合材料制品模壓工藝.由德國(guó)、意大利、西班牙、瑞典幾家公司合作,在歐共體的支持下還完成了 用夾層板生產(chǎn)汽車內(nèi)外結(jié)構(gòu)件的研究工作.這種夾層材料用13mm勺熱塑性發(fā)泡材料做骨架,用10層玻璃纖維浸?«聚酰胺樹脂,再上壓機(jī)壓成纖維體積含量為50% 的2mrnB的板作為蒙皮.壓制前用計(jì)算機(jī)模擬三維夾層板模壓工藝過(guò)程,以估算 其最大許用變形,采取預(yù)防層壓缺陷的舉措等.整個(gè)產(chǎn)品的模壓至冷卻僅用40秒的時(shí)間即可完成.這種汽車結(jié)構(gòu)板抗壓水平強(qiáng),骨架與蒙皮共固化,界面粘接良 好,無(wú)需輔助粘接工藝.這種結(jié)構(gòu)材料汽車在發(fā)生撞擊時(shí)可吸收能量,減

11、輕車禍,增加乘客平安,是一種高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能材料.總之,近幾年來(lái)隨著復(fù)合材料生產(chǎn)自動(dòng)化和建立在二維與三維織物的先進(jìn)工 藝根底上的復(fù)合材料半成品材料工業(yè)的開展,以長(zhǎng)或短纖維為增強(qiáng)材料,以熱塑 性、熱固性樹脂為基體材料的各類復(fù)合材料模壓制品工藝開展很快,產(chǎn)品性能價(jià)格比高,環(huán)境污染小,生產(chǎn)率高,已經(jīng)或正在不斷適應(yīng)汽車公交業(yè)、航空航天業(yè)、 化工業(yè)、橋梁、通訊等領(lǐng)域工業(yè)化開展的需要.參考文獻(xiàn)略表1聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、產(chǎn)生原因及預(yù)防舉措缺陷產(chǎn)生原因預(yù)防舉措外表尢光澤1 .脫模劑涂刷不當(dāng),脫模布不平或漏洞造成粘膜2 .模溫過(guò)高或過(guò)低3 .模具型腔外表粗糙4 .未經(jīng)預(yù)吸膠1 .選用適

12、宜的脫模劑,嚴(yán)格脫模劑使用工藝, 正確使用脫模布2 .限制好模溫3 .提升模具型腔外表光潔度4 .盡量采用預(yù)吸膠外形尺寸不 合格1 .模具尺寸超差2 .加料量不準(zhǔn)3 .材料收縮率不合格5 .壓機(jī)加熱板不平行1 .修整模具2 .調(diào)整加料量3 .檢驗(yàn)材料收縮率或更換材料4 .校正加熱板翹曲變形1 .結(jié)構(gòu)厚薄懸殊2 .固化不完全3 .成形溫度不均4 .選材不當(dāng)5 .成形材料中水分、揮發(fā)物含量太大6 .脫模不正確1 .改良制品設(shè)計(jì)或成形工藝2 .調(diào)整或嚴(yán)格限制固化制度,后處理得當(dāng)3 .檢查并調(diào)整加熱器4 .合理選材5 .充分晾置后再裝?；虿捎妙A(yù)熱放氣操作6 .改良脫模方法程序或脫模工裝7 .采用壓模結(jié)

13、構(gòu)或夾具進(jìn)行冷卻起泡膨脹1 .原材料中水分、揮發(fā)物含量大2 .成形溫度過(guò)高或過(guò)低3 .成形壓力小4 .加壓時(shí)間短1 .原材料充分晾置或采用預(yù)熱,放氣操作2 .限制環(huán)境溫度、濕度及成形溫度3 .選用合理的固化制度裂紋1 .制品結(jié)構(gòu)不合理2 .脫模不正確3 .材料中水分、揮發(fā)成分含量大4 .模具結(jié)構(gòu)不合理如排氣孔、流膠 槽等1 .改良制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或成形工藝2 .改良脫模方法3 .原材料充分晾置,采用預(yù)熱或放氣操作,控制環(huán)境溫度、濕度,限制成形溫度4 .改良模具結(jié)構(gòu),預(yù)熱金屬嵌件孔隙1 .纖維粗細(xì)不勻2 .水分、揮發(fā)物含量大3 .加壓時(shí)機(jī)不當(dāng)1 .嚴(yán)格篩選纖維2 .原材料充分晾置,采用預(yù)熱,放氣操作

14、3 .鋪層時(shí)壓實(shí)4 .保持固化前真空度5 .適時(shí)加壓,不要過(guò)早,過(guò)遲夾雜1 .纖維,樹脂或溶劑中含雜質(zhì)2 .排布機(jī)不清潔3 .鋪層環(huán)境不清潔4 .預(yù)浸料晾置時(shí)未加保護(hù)膜5 .隔離紙質(zhì)量差、掉毛6 .操作時(shí)不慎,帶進(jìn)雜質(zhì)或忌記去除 預(yù)浸料保護(hù)膜1 .嚴(yán)格檢查原材料,去除雜質(zhì)2 .操作前、后清理排布機(jī)3 .工作環(huán)境干凈整潔,操作人員穿好工作服4 .預(yù)浸料晾置加蓋保護(hù)膜預(yù)防灰塵5 .選用合格隔離紙6 .操作人員經(jīng)培訓(xùn)考核上崗分層1.鋪層時(shí)未壓實(shí)1.鋪層時(shí)各層間切實(shí)壓實(shí)2 .鋪層時(shí)預(yù)浸料上粘有脫模劑或油污3 .脫模不當(dāng)4 .壓力不夠5 .膠、釧接應(yīng)力集中引起2 .嚴(yán)禁將脫模劑或油污粘在預(yù)浸料上,操作人員帶手套3 .正確脫模,不許亂撬、亂鏟4 .適當(dāng)加大壓力5 .盡量預(yù)防膠釧接時(shí)的應(yīng)力集中富樹脂1 .樹月日含里過(guò)同2 .模具不平,加熱板不平行3 .未經(jīng)預(yù)吸膠4 .加壓時(shí)機(jī)不當(dāng)1 .降低樹脂含量調(diào)整排布機(jī)縮小纖維間距2 .調(diào)平