纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料成型工藝

纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料成型工藝一、前言相比傳統(tǒng)材料，復合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大占以來發(fā)展不久。盡管產(chǎn)量?。〒?jù)法國Vetrotex公司記錄，2023年全球復合材料達7萬噸），但復合材料的水平已是衡量一個國家或地區(qū)科技、經(jīng)濟水平的標志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的33%與32%，以中國（含臺灣省）、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2023年玻班纖維增強塑料（玻璃纖維與樹脂復合的復合材料、俗稱玻璃鋼”）逾90萬噸，已居世界第二位（美國2023年為169萬噸，日本局限性70萬噸）。復合材料重要由增強材料與基體材料兩大部分組成：增強材料：在復合材料中不構(gòu)成連續(xù)相賦于復合材料的重要力學性能，如玻璃鋼中的玻璃纖維，CFRP（碳纖維增強塑料）中的碳纖維素就是增強材料?；w：構(gòu)成復合材料連續(xù)相的單一材料如玻璃鋼（GRP）中的樹脂（本文談到的環(huán)氧樹脂）就是基體。y按基體材料不同，復合材料可分為三大類：樹脂復合材料金屬基復合材料無機非金屬基復合材料，如陶瓷基復合材料。本文討論環(huán)氧樹脂基復合材料。1、為什么采用環(huán)氧樹脂做基體？固化收縮率代低，僅1%-3%，而不飽和聚酯樹脂卻高達7%-8%；粘結(jié)力強；有B階段，有助于生產(chǎn)工藝;可低壓固化，揮發(fā)份甚低；固化后力學性能、耐化學性佳，電絕緣性能良好。值得指出的是環(huán)氧樹脂耐有機溶劑、耐堿性能較常用的酚醛與不飽和聚酯權(quán)勢脂為佳，然耐酸性差；固化后一般較脆，韌性較差。2、環(huán)氧玻璃鋼性能（按ASTM）以「祁（纖維纏繞）法制造的玻纖增強環(huán)氧樹脂的產(chǎn)品為例，將其與鋼比較。表1GF/EPR與鋼的性能比較玻璃含量GF/EPR（玻纖含量80wt%）AISI18冷軋鋼相對密度2.087.86V拉伸強度551.6Mpa331.0MPa拉伸模量27.58GPa206.7GPa伸長率1.6%37.0%彎曲強度689.5MPa彎曲模量34.48GPa壓縮強度310.3MPa331.0MPa懸臂沖擊強度2385J/m燃燒性（UL-94）V-O比熱容535J/kgk233J/kgk膨脹系數(shù)4.0>10-6k-16.7*0-6k-1熱變形溫度204C（1.82MPa）熱導率1.85W/mk33.7W/mk介電強度11.8x106V/m吸水率0.5%(24h)表2幾種常用材料與復合材料的比強度和比模量材料名稱密度g/cm3拉伸強度x104MPa彈性模量x106MPa比強度x106cm比模量x109cm鋼7.810.1020.590.130.27鋁2.84.617.350.170.26鈦4.59.4111.180.210.25玻璃鋼2.010.403.920.530.21碳纖維/環(huán)氧樹脂1.4514.7113.73碳纖維/環(huán)氧樹脂1.6104923.54芳綸纖維/環(huán)氧樹脂1.413.737.85硼纖維/環(huán)氧樹脂2.113.5320.59硼纖維/鋁2.659.8119.610.75c2二、纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料成型工藝簡介1、手糊成型(handlayup)概要依次在模具表面上施加脫模劑膠衣一層粘度為的中檔活性液體熱固性樹脂（須待膠衣凝結(jié)后）一層纖維增強材料（玻纖、芳綸、碳纖維....）.，纖維增強材料有表面氈、無捻粗紗布（方格布）等幾種。以手持輥子或刷子使樹脂浸漬纖維增強材料，并驅(qū)除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達成制品的設計厚度。樹脂因聚合反映，常溫固化。可加熱加速固化。（2）原材料FgbNGA樹脂不飽和聚酯樹脂、已烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。纖維玻纖、碳纖、芳綸等。雖然厚的芳綸織物難于手工將樹脂浸透，亦可用。芯材任意。（3）優(yōu)點1）適合少量生產(chǎn)；2）可室溫成型，設備投資少，模具折舊費低；3）可制造大型制品和型狀復雜產(chǎn)品；4）樹脂和增強材料可自由組合，易進行材料設計；5）可采用加強筋局部增強，可嵌入金屬件；6）可用膠衣層獲得具有自由色彩和光澤的表面（如開模成型則一面不平滑）；7）玻纖含量較噴射成型高。無捻粗紗布50%左右織物35%-45%短切原絲氈30%-40%（4）缺陷1）屬于勞動密集型生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量由工人訓練限度決定;2）玻纖含量不也許太高；樹脂需要粘度較低才易手工操作，溶劑/苯乙烯量高，力學與熱性能受限制；3）手糊用樹脂分子量低；通常也許較分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。（5）典型產(chǎn)品艦艇、風力發(fā)電機葉片、游樂設備、冷卻塔殼體、建筑模型。2、樹脂傳遞成型（RTM）（1）概要RTM是一種閉模低壓成型的方法。將纖維增強材料置于上下模之間；合模并將模具夾緊；在壓力下注射樹脂；樹脂固化后打開模具，取下產(chǎn)品。樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模個內(nèi)，浸漬纖維材料。RTM是一低壓系統(tǒng)，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當制造高纖維含量（體積比超過50%）的制品，如航空航天用零部件時，壓力甚至達0.7MPa。纖維增強材料有時可預先在一個模具內(nèi)預成型大體形狀（帶粘結(jié)劑），再在第二個模具內(nèi)注射成型。為了提高樹脂浸透纖維能力，可選擇真空輔助注射（VARI-vacuumsaaistedrsininjection）注意樹脂一經(jīng)將纖維材料浸透，樹脂注要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以復合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝。宜用鋼模。（2）原材料樹脂：一般多用環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛；當加溫時，高溫樹脂臺雙馬列來酰亞胺樹脂亦可用。法國Vetrotex公司開發(fā)了熱塑性樹脂RTM。纖維：任意。常用玻纖連續(xù)氈、縫編材料（其纖維間的縫隙得于樹脂傳遞）、無捻粗紗布;玻纖與熱塑性塑料的復合紗及其織物與片材（法國Vetrotex商品名TWINTEX）。芯材：不用蜂窩，因蜂窩空格全被樹脂填滿，壓力會導致其破壞。可用耐溶劑發(fā)泡材料PU、PP、CL、VC等。（3）優(yōu)點1）制品纖維含量可較高，未被樹脂浸得部分非常少；2）閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；3）勞動強度低，對工人技術純熟限度的規(guī)定也比手糊與噴射成型低；4）制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高；5）成型周期較短；6）產(chǎn)品可大型化；7）強度可按設計規(guī)定具有方向性；8）可與芯村、嵌件一體成型；9）相對注射設備與模具成本較低。（4）缺陷1）不易制作較小產(chǎn)品；2）因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和復雜，價位也高一些；3）能有未被浸漬的材料，導致邊角料浪費。（5）典型產(chǎn)品小型飛機與汽車零部件、客車座椅、儀表殼3、纖維纏繞（FW）（1）概要通常采用直接無捻粗紗作為增強材料。粗紗排列在紗架上。粗紗自紗架上退繞，通過張力系統(tǒng)、樹脂槽、繞絲嘴，由小車帶動其往復移動并纏繞在回轉(zhuǎn)的芯軸（模）上。纖維纏繞角度與纖維排列密度根據(jù)強度設計，并由芯軸（模）轉(zhuǎn)速與小車往復速度之比，精確地控制。固化后將纏繞的復合材料制品脫模。對某些兩端密閉的產(chǎn)品不用脫模，芯模即包在復合材料產(chǎn)品內(nèi)，作為內(nèi)襯。（2）原材料樹脂：任意。環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基脂及酚醛樹脂。纖維：任意。無捻粗紗、縫編和無紡織物。生產(chǎn)管罐時，常用表面氈、短切原絲作為內(nèi)襯材料。芯材：可用。雖然復合材料制品通常是單一殼體，一般不用。（3）優(yōu)點1）由于纖維逕直以合理的線形鋪設，承擔負荷，故復合材料制品的結(jié)構(gòu)特性可非常高；2）由于同內(nèi)襯層組合，可制得耐腐蝕、耐壓、耐熱的制品；3）可制造兩端封閉的制品；4）鋪放材料快、經(jīng)濟、用無捻粗紗，材料費用低；5）可采用樹脂計量，然浸膠后的纖維通過擠膠或模，控制樹脂含量；6）可大理生產(chǎn)和自動化;7）機械成型，復合材料材質(zhì)及方向性均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。（4）缺陷1）制品形狀限于圓柱形或其它回轉(zhuǎn)體；2）纖維不易沿制品長度方向精確排列；3）對于大型制品，芯模成本高；4）成品外表不是模制”的，不盡人意；5）對于承受壓力的制品，如選擇樹脂不合適或無內(nèi)襯，就易發(fā)生滲漏。（5）典型產(chǎn)品'管道、貯罐、氣瓶（消防呼吸氣瓶、壓縮天然氣瓶等）、固體火箭發(fā)動機殼體。4、RIM（ReactionInjectionMolding反映注射成型）（1）概要將兩種或兩種以上的組分在混合區(qū)低壓（0.5MPa）混合后，即在低壓（0.5-1.5MPa）下注射到閉模中反映成型，此即為工藝過程。若組分一為多元醇，一為異氯酸酯，則反映生成聚氨酯。為增長強度，可直接在一種組分內(nèi)行加入磨碎玻纖原絲和（或）填料。弈可采用長纖維（如連續(xù)纖維氈、織物、復合氈、短切原絲等的預成型物等）增強，在注射前，將長纖維增強材料預先置模具內(nèi)。用此法可得到高力學性能的制品。這種工藝稱為SRIM（StructuralReactionInjectionMolding構(gòu)反映注射成型）。⑵原材料樹脂：常用聚氨酯體系或聚氨酯/脲混合體系；亦可采用環(huán)氧、尼龍、聚酯等基本；纖維：常用長的磨碎玻璃纖維；芯材：不用。（3）優(yōu)點1）制導致本比熱塑性塑料注射工藝低；2）可制造大尺寸、開頭復雜的產(chǎn)品；3）固化快，適于快速生產(chǎn)。（4）缺陷采用磨碎玻璃纖維增強原料費用高，薦用礦物復合材料取代之。（5）重要產(chǎn)品汽車儀表盤、保險杠、建筑門、窗、桌、沙發(fā)、電絕緣件。5、拉擠成型（Pultrusion）⑴概要重要采用玻璃纖維無捻粗紗（使用前預先放置在紗架上），它提供縱向（沿生產(chǎn)線方向）增強。其它類型的增強有連續(xù)原絲氈、織物等，它們補充橫向增強，表面氈則用于提高成品表面質(zhì)量。樹脂中可加入填料，改善型材料性能（如阻燃），并減少成本。拉擠成型的程序是1）使玻璃纖維增強材料浸漬樹脂；2）玻璃纖維預成型后進入加熱模具內(nèi)，進一步浸漬（擠膠）、基本樹脂固化、復合材料定型；3）將型材按規(guī)定長度切斷?，F(xiàn)在已有變截面的、長度方向呈弧型的拉擠制品成型技術。拉擠成型將增強材料浸漬樹脂有兩種方式：膠槽浸漬法：通常采用此法，即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進入模具。此法設備便宜作業(yè)性好，適于不飽和聚酯樹脂，乙烯基酯樹脂。注入浸漬法（圖6）：玻纖增強材料進入模具后，被注入模具內(nèi)的樹脂所浸漬。此法適于凝膠時間短、粘度高、生產(chǎn)附產(chǎn)物的樹脂基體，如酚醛、環(huán)氧、雙馬來酰亞胺樹脂。（2）原材料樹脂：常用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂；纖維：拉擠用玻璃纖維無捻粗紗、連續(xù)氈、縫編氈、縫編復合氈、織物、玻纖表面氈、聚酯纖維表面氈等；芯材：一般不用，現(xiàn)有以PU發(fā)泡材料為芯材，外為連續(xù)拉擠框型型材，作為保溫墻板的。（3）優(yōu)點1）典型拉擠速度0.5-2m/min，效率較高，適于大批量生產(chǎn)，制造長尺寸制品；2）樹脂含量可精確控制；3）由于纖維呈縱向，且體種比可較高（40%-80%），因而型材軸向結(jié)構(gòu)特性可非常好；4）重要用無捻粗紗增強，原材料成本低，多種增強材料組合使用，可調(diào)節(jié)制品力學性能；5）制品質(zhì)量穩(wěn)定，外觀平滑。（4）缺陷1）模具費用較高；2）一般限于生產(chǎn)恒定橫截面的制品。（5）典型產(chǎn)品建筑屋頂橫梁、椽子、門窗框架型材、墻板、石油開采抽油桿、帳篷竿、梯子、橋梁、工具把、手機微波站罩殼、汽車板簧、傳動軸、電纜管、光纖光纜芯、釣魚竿、隔柵、汽車空調(diào)器罩、擴軌罩。0}1xp*V6、真空袋法法成型(Vacuumbagprocess)概要：此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在樹脂的A階段與模具在一起，在積層上覆以橡膠袋，周邊密封，在后用真空泵抽真空，積層從而受到不大于1個氣壓的壓力，而被壓實、成型。原材料樹脂：重要采用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。不飽和聚酯樹脂與乙烯基酯樹脂則因真空泵將樹脂中的苯乙烯(交聯(lián)劑)過度抽出，也許會導致問題，故一般不用；纖維：同手糊法；芯材：任意。(3)優(yōu)點采用普通的濕法鋪層技術，通?？色@得高纖維含量的制品；可制造大尺寸產(chǎn)品；產(chǎn)品兩面光；較濕法鋪層浸膠孔隙率低；由于壓力，樹脂流經(jīng)結(jié)構(gòu)纖維，纖維得以較好地浸漬樹脂；有助于操作人員健康和安全；真空袋減少了固化時逸出的揮發(fā)性物質(zhì)。(4)缺陷1）額外的工藝過程增長了勞動力和袋材成本;2）規(guī)定操作人員有較高的技術純熟水平；3）樹脂混合和含量控制基本上仍然取決于操作人員的技術；4）生產(chǎn)效率不高。（5）典型產(chǎn)品艇、賽車、芯材粘結(jié)、飛機鼻錐雷達罩、機翼、方向舵。7、樹脂膜熔浸成型（RFI-ResinFilmInfusion）（1）概要將干強物與樹脂片（樹脂片系放在一層脫模紙上提供）交替鋪放在模具內(nèi)。鋪層被真空袋包覆，藉真空泵抽真空，將干織物內(nèi)空氣抽出。然后加熱，令樹脂熔化并流浸已抽出空氣的織物，然后通過一事實上時間即固化。（2）原材料樹脂：一般僅用環(huán)氧樹脂；纖維：任意；芯材：許多種芯材都可以使用，由于工藝過程中溫度高，對PVC泡沫需要專門解決，以免泡沫損壞。（3）優(yōu)點1）空隙率低，可精確獲得高的纖維含量；2）鋪層清潔，有助于健康和安全（似預浸）；3）可較預浸法成本低，此為重要的優(yōu)點；4）由于樹脂僅能過織物厚度方向傳遞，故樹脂未浸到白斑區(qū)可較SCRIMP（西曼復合材料公司樹脂參入成型法一SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess）少。（4）缺陷1）目前僅用于宇航工業(yè)，尚未推廣；2）雖然宇航工業(yè)用高壓釜系統(tǒng)產(chǎn)非總是需要，但加熱室和真空袋系統(tǒng)對于復合材料固化，總是不可少的；3）模具規(guī)定能經(jīng)受樹脂膜片的工藝溫度（低溫固化即需60-1C）;4）規(guī)定所用芯材能經(jīng)受工藝溫度和壓力；（5）典型產(chǎn)品飛機雷達罩、艦艇聲納整流罩。8、預浸料（高壓釜）成型（1）概要預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和（或）纖維預先用預催化樹脂預浸漬。固化劑大多能在環(huán)境溫度下，讓預浸材料貯存幾周或幾個月，仍能保質(zhì)使用。當要延長保持期，材料須在冷凍條件下貯存。樹脂通常在環(huán)境溫度下呈臨界固態(tài)。故觸摸預浸材料時有輕微的黏附感，象膠帶似的。制作單向預浸漬材料的纖維直接由紗架下來，與樹脂結(jié)合。預浸漬材料用手或機械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，并通常加熱到120-180C。使樹脂重新流動，并最終固化。盛開附加壓力通常藉助高壓釜（事實上是一座壓力加熱罐）提供，它能對鋪層施加達5個大氣壓的壓力。（2）原材料樹脂：通常用環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂及高溫樹脂，如聚酰亞胺、氯酸酯、雙馬來酰亞胺樹脂等；纖維：任意。雖然由于在工藝過程中，高溫分對芯材有些影響，需要采用某些專門的泡沫芯材。（3）優(yōu)點1）預浸材料制造人員可精確地調(diào)整樹脂涸化劑水平和樹脂在纖維中的含量；可以可靠地得到高纖維含量。2）材料于操作人員十分安全，無礙健康，操作清潔；3）單向帶纖維成本最低，由于毋須將纖維預先轉(zhuǎn)為織物的二次加工過程；4）由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能力學和熱性能可以是最適宜的；5）材料有效時間長（室溫下可保質(zhì)數(shù)月），這意味著可優(yōu)化結(jié)構(gòu)、復合材料易鋪層；6）也許實現(xiàn)自動化和節(jié)省勞動力。（4）缺陷1）對于預浸織物，材料成本高；2）通常要對高壓釜固化復合材料制品，花費大、作業(yè)慢、制品尺寸受限制；3）模具需能承受作業(yè)溫度；4）芯材需要承受作業(yè)溫度和壓力。（5）典型產(chǎn)品飛機結(jié)構(gòu)復合材料（如機翼和尾翼）、衛(wèi)星與運載火箭結(jié)構(gòu)件（太陽能電池基板、夾層結(jié)構(gòu)板、衛(wèi)星接支架、火箭整流罩等）、賽車、運動器材（如網(wǎng)球拍、滑雪板等）。9、低溫固化預浸料成型（1）概要低溫固化預浸料完全按通常的預浸料方法制備，但樹脂的化學性質(zhì)使其得以在60-1C溫度下固化。在60C時，材料可操作保持期可小到限于1個星期，但亦可延長到幾個月。樹脂系統(tǒng)的流動截面適于采用真空袋壓力，避免采用高壓釜。（2）材料|樹脂：一般僅采用環(huán)氧樹脂；纖維：任意，同通常的預浸料；芯材：任意，雖然一般的PVC泡沫需要特別注意。（3）優(yōu)點1）具有傳統(tǒng)預浸料法所具有的（1）-（6）條優(yōu)點；2）模具材料較便宜，如木材亦可用，因其固化溫度較低故；3）可容易地制造大型結(jié)構(gòu)。由于僅需真空袋壓力；固化溫度低，可采用簡樸的熱空氣循環(huán)加熱室（經(jīng)常就地建造大于制品的加熱室）4）可采用普通的PVC泡沫芯材，略作解決即可；5）能耗低。（4）缺陷1）材料成本仍高于預浸織物；2）需加熱室和真空袋系