復(fù)合材料工藝及設(shè)備

第一章1.復(fù)合材料定義：是指兩種或兩種以上不同材料，用適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)合成一種新材料，其性能比單一材料性能優(yōu)越。根據(jù)基體材料不同，分為金屬基復(fù)合材料，非金屬基復(fù)合材料，樹脂基復(fù)合材料2.復(fù)合材料最大特點，是性能具有可設(shè)計性。影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強材料的性能，含量及分布情況，基體材料的性能和含量，以及它們之間的界面結(jié)合情況。3.樹脂基復(fù)合材料的使用溫度一般為60攝氏度到250攝氏度；金屬基復(fù)合材料為400攝氏度到600攝氏度；陶瓷基復(fù)合材料為1000攝氏度到1500攝氏度。復(fù)合材料硬度主要取決于基體材料的性能，一般硬度為陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料4.就力學(xué)性能而言，復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于增強材料的性能，含量和分布，以及基體材料的性能和含量。復(fù)合材料的耐自然老化性能，取決于基體材料的性能和與增強材料的界面粘結(jié)。一般優(yōu)劣次序為，陶瓷基復(fù)合材料大于金屬基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣比擬為：金屬基復(fù)合材料大于陶瓷基復(fù)合材料大于樹脂基復(fù)合材料。5.選擇成型方法時應(yīng)考慮：①產(chǎn)品外形構(gòu)造和尺寸大小

②材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求

③生產(chǎn)批量大小及供給時間〔允許的生產(chǎn)周期〕要求

④企業(yè)可能提供的設(shè)備條件及資金

⑤綜合經(jīng)濟(jì)效益，保證企業(yè)盈利

第二章1.手糊成型：又稱接觸成型。是用纖維增強材料和樹脂膠液在模具上鋪敷成型，室溫〔或加熱〕，無壓〔或低壓〕條件下固化，脫模成制品的工藝方法。手糊成型按成型固化壓力可分為兩類：接觸壓和低壓〔接觸壓以上〕。前者為手糊成型，噴射成型。后者包括對模成型，真空成型，袋壓成型，熱壓釜成型，樹脂傳遞模塑〔RTM〕和反響注射模塑〔RIM〕成型。2.聚合物基體的選擇：能配置成粘度適當(dāng)?shù)哪z液，適宜手糊成型的膠液粘度為200-500厘泊聚合物集體包括不飽和聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂和輔助材料。其中，輔助材料包括稀釋劑〔分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑〕，填料〔在糊制垂直或傾斜面層時，為防止“流膠〞，可在樹脂中參加少量活性SiO2處變劑〕，色料。3.增強材料包括玻璃纖維〔E-玻璃纖維，也稱無堿纖維；C-玻璃纖維；A-玻璃纖維，有堿纖維；S-玻璃纖維，高強纖維；M-高彈玻璃纖維；L-防輻射玻璃纖維〕，碳纖維〔聚丙烯腈纖維，瀝青纖維，粘膠纖維〕，Kevlar纖維。玻璃纖維制品：玻璃纖維無捻粗紗，短切纖維氈，無捻粗砂布，玻璃纖維細(xì)布，單向織物4.手糊成型模具分為單模和對模。單模分為陽模和陰模。玻璃鋼高級模具：用玻璃鋼制作，可獲得“鏡面效果〞的，高光澤度，高平整度手糊制品的模具。高級模具的要求：〔1〕具有足夠的強度、剛度。

〔2〕具有一定硬度、耐熱性能承受樹脂固化放熱的收縮作用。

〔3〕工作面外形尺寸精確，外表平順，無潛藏氣泡和針孔?！?〕光澤度到達(dá)80-90光澤單位或者目測有清晰的鏡面反光?！?〕拋光后模具外表殘留劃痕度小于0.1μm。5.材料選擇：〔1〕膠衣樹脂：應(yīng)具有收縮率低，延伸率高，耐磨耐熱等優(yōu)良性能。最理想的是專用模具膠衣樹脂?！?〕玻璃纖維外表氈和玻璃纖維短切氈：氈用來增強膠衣防止微裂紋；形成富樹脂層，提高模具外表光潔度和耐腐蝕性能；消除玻璃布在模具外表產(chǎn)生的布紋痕跡。制造工藝：〔1〕過渡?！材改！持圃臁?〕GFRP模具翻制〔3〕模具外表處理〔4〕模具外表質(zhì)量檢測6.脫模劑：為了使制品與模具別離而附于模具成型面的物質(zhì)。主要分為：薄膜型脫模劑，混合溶液型脫模劑，蠟型脫模劑。脫模蠟的使用溫度在80攝氏度以下，使用方法：〔1〕將模具清洗干凈〔2〕在模具外表均勻的涂一薄層脫模蠟，停2-3分鐘后，用干凈毛巾用力擦至照出人影，停2小時，讓蠟層中的溶劑揮發(fā)掉，并使蠟?zāi)Ｓ不?，在模具外表形成一層堅硬光亮的模層。然后再用相同的方法繼續(xù)涂脫模蠟，直到模具外表上形成的蠟?zāi)：穸茸銐蚍磸?fù)屢次使用?！?〕制品脫模后，只需把模具外表揩干凈，即可重復(fù)使用。7.外表層：制品外表需要特制的面層，稱為外表層。一般采用加了顏料的膠衣樹脂〔俗稱膠衣層〕制作，也可用參加粉末填料的普通樹脂制作，或直接用玻璃纖維外表氈。外表層樹脂含量高，故也稱富樹脂層。

外表層的作用：不僅可以美化制品，而且可以保護(hù)制品不受周圍介質(zhì)侵蝕，提高耐侵蝕、耐水、耐酸堿、耐候等性能，具有延長制品使用壽命的功能。8.鋪層拼接的設(shè)計原那么：制品強度損失小，不影響外觀質(zhì)量和尺寸精度，施工方便。拼接的形式有搭接和對接兩種，以對接為宜。對接式鋪層可保持纖維的平直性，產(chǎn)品外形不發(fā)生畸變，并且制品外觀和質(zhì)量分布的重要性好。為不致降低接縫區(qū)強度，各層的接縫必須錯開，并在接縫區(qū)多加一層附加布。9.欲使不飽和聚酯樹脂的線性分子與交聯(lián)劑變成體型結(jié)構(gòu)，必須參加引發(fā)劑。引發(fā)劑指活性較大含有共價鍵的化合物。在一定條件下，可以受熱分解產(chǎn)生游離基。游離基是一種能量很高的活性物質(zhì)，它能把雙鍵翻開，以游離基的聚合方式進(jìn)行聚合，到達(dá)交聯(lián)固化的目的。引發(fā)劑開始產(chǎn)生游離基的最低溫度為臨界溫度，大多在60-130攝氏度。在室溫下引發(fā)劑不能別離出游離基〔低于臨界溫度〕，故必須參加促進(jìn)劑。促進(jìn)劑實為活性劑，它能促使引發(fā)劑在較低溫度下分解產(chǎn)生大量游離基，降低固化溫度，加快固化度和減少引發(fā)劑用量。10.固化度：說明熱固性樹脂固化反響的程度，通常用百分率表示。固化度越大，樹脂的固化程度越高。一般通過調(diào)控樹脂膠液中固化劑的含量和固化溫度來實現(xiàn)。對于室溫固化的制品，都必須有一段適當(dāng)?shù)墓袒瘯r期，才能充分發(fā)揮玻璃鋼制品的應(yīng)用性能。判斷玻璃鋼固化度的方法：除采用丙酮萃取測定樹脂不可溶分含量方法之外，常用的簡單方法是測定制品巴氏硬度。一般到達(dá)15時便可脫模，尺寸精度要求高的制品，到達(dá)30方可脫模。11.噴射成型：通過噴槍將短切纖維和霧化樹脂同時噴射到模具外表，經(jīng)棍壓、固化制得復(fù)合材料制件的方法。分為壓力罐供膠試噴射成型機和泵供膠試噴射成型機。噴射成型設(shè)備：玻璃纖維切割噴射器，樹脂膠液噴槍，靜態(tài)混合器12.熱壓釜：能夠?qū)?fù)合材料手糊制品或膠接結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行加熱和加壓的專用設(shè)備。熱壓釜分三大局部：機械局部，功能局部，控制局部。13.樹脂傳遞模塑〔RTM〕：是一種閉模成型工藝方法，根本工藝過程為：將液態(tài)熱固性樹脂〔不飽和聚酯〕及固化劑，由計量設(shè)備分別從儲桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻，注入事先鋪有玻璃纖維增強材料的密封模內(nèi)，經(jīng)固化，脫模，后加工而成制品。用于RTM工藝的樹脂系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：粘度低。一般在250厘泊到300厘泊為最正確。固化放熱峰低。一般為80-140攝氏度。固化時間短。一般凝膠時間控制在5-30分鐘。RTM工藝特點：生產(chǎn)的制品兩面光滑，尺寸穩(wěn)定，容易組合第三章1.玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)按夾芯材料分為：泡沫夾層結(jié)構(gòu)，玻璃夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。泡沫夾層結(jié)構(gòu)特點：泡沫夾層結(jié)構(gòu)的兩蒙皮采用玻璃鋼板材，夾芯材料用泡沫塑料。常用于強度要求不高，質(zhì)量輕，絕熱好的情況下。泡沫夾層結(jié)構(gòu)的最大特點是質(zhì)量輕，剛度大，保溫隔熱性能好。按泡沫塑料硬度分類：硬度泡沫塑料，半硬質(zhì)泡沫塑料和軟質(zhì)泡沫塑料三種。區(qū)別方法是將泡沫塑料壓縮，使其變形到達(dá)50%時，減壓后視其剩余變形，假設(shè)大于10%者稱為硬直泡沫塑料，當(dāng)剩余變形在2%—10%者稱為半硬質(zhì)泡沫塑料，剩余變形小于2%時，稱其為軟質(zhì)泡沫塑料。2.泡沫塑料的發(fā)泡方法：〔1〕物理發(fā)泡法〔2〕機械發(fā)泡法〔3〕化學(xué)發(fā)泡法3.聚氨酯泡沫塑料用原材料(1〕異氰酸酯類(2)聚酯或聚醚(3)催化劑(4)發(fā)泡劑(5)外表活性劑(6)其它助劑3.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的制造分一步法和兩步法〔1〕硬質(zhì)聚氨酯灌注發(fā)泡法〔一步法〕〔2〕硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料噴涂法〔二步法〕4.泡沫夾層結(jié)構(gòu)的制造預(yù)制粘接法整體澆注成型法機械連續(xù)成型法第四章模壓成型工藝是將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定的溫度和壓力作用下，固化成型制品的一種方法。片狀模塑料〔SMC〕是用不飽和聚酯樹脂，增稠劑，引發(fā)劑，交聯(lián)劑，低收縮添加劑，填料，內(nèi)脫模劑和著色劑等混合成樹脂糊浸漬短切玻璃纖維粗紗或玻璃纖維氈，并在兩面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起來形成的片狀模壓成型材料。SMC的組分及其性能不飽和聚酯樹脂交聯(lián)劑，引發(fā)劑，阻聚劑增稠劑：所謂增稠劑是SMC的粘度由很低迅速增高，最終到達(dá)滿足工藝要求的熟化粘度并能相對長期穩(wěn)定大多數(shù)SMC制造都采用ⅡA族金屬氧化物或氫氧化物。例如氧化鎂，氫氧化鎂，氧化鈣，氫氧化鈣。增稠機理第一階段：是金屬氧化物或氫氧化物與聚酯端基—COOH進(jìn)行酸堿反響，生成堿式鹽第二階段：是由生成的堿式鹽〔金屬原子〕同聚酯分子中的酯基〔氧原子〕以配位鍵形成絡(luò)合物低收縮機理在SMC中，它們有與聚酯相容的組分，有溶于樹脂單體中而分散開來的組分，還有以原固態(tài)分散開來的組分。當(dāng)SMC在模具中加熱固化時，隨體系溫度升高，熱塑性樹脂與聚酯樹脂都發(fā)生熱膨脹，隨即聚酯與苯乙烯開始交聯(lián)聚合。因此，聚酯是在熱塑性聚合物施加的內(nèi)壓下固化的，因而就在未能引起整體收縮時被固定下來，這相當(dāng)于熱塑性聚合物產(chǎn)生的熱膨脹力阻止了聚酯固化時的收縮。填料的性能及選擇：包括填料細(xì)度，油吸附量及觸變性三項觸變性：是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)物料受到外力作用〔如剪切力，震蕩等〕時，粘度顯著下降，而當(dāng)除此外力時，物料又逐漸恢復(fù)到原來的粘度。內(nèi)脫模劑：各種SMC都必須采用內(nèi)脫模劑，它是在配制樹脂糊時參加的，其作用是使制品容易脫模。內(nèi)脫模機理：內(nèi)脫模劑是一些熔點比普通模制溫度稍低的化合物。內(nèi)脫模劑與液態(tài)樹脂相容，但與固化后的樹脂不相容。當(dāng)加熱成型時，脫模劑即從內(nèi)部溢出到模壓料與模具相接觸的界面處，熔化并形成障礙，阻止粘著，從而到達(dá)脫模目的。模壓工藝參數(shù)：在模壓過程中，物料宏觀上歷經(jīng)粘流，凝膠和硬固三個階段。生產(chǎn)上稱為壓制制度，它包含溫度制度和壓力制度。溫度制度包括：裝模溫度，升溫溫度，最高模壓溫度壓力制度包括：成型壓力，加壓時機，放氣充模加壓時機：指在裝模后經(jīng)多長時間，在什么溫度下進(jìn)行加全壓。合理選用加壓時機是保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵之一。加壓過早，樹脂反響程度低，分子質(zhì)量小，粘度低，在壓力下極易流失，在制品中產(chǎn)生樹脂集聚或局部纖維裸露。加壓過遲，樹脂反響程度過高，分子質(zhì)量急劇增大，粘度過大，物料流動性甚低，難以充滿模腔，形成廢品。只有在樹脂反響程度適中，分子質(zhì)量增大所引起的粘度增高適度時，才能使樹脂和纖維一起流動，得到合格制品。最正確加壓時機應(yīng)選在樹脂劇烈反響放出大量氣體之前?？刹捎孟率鋈N方法來確定：憑經(jīng)驗根據(jù)溫度指示按樹脂固化反響時氣體釋放量來確定加壓時機第五章設(shè)計模具時必須充分考慮模壓制品的物理機械性能與工藝特性，注意如下因素：復(fù)合材料的物理機械性能模壓料的成型工藝性制品在成型后的收縮率及各向收縮率差異制品及模具形狀應(yīng)有利于物料充分流動，排氣模具的結(jié)構(gòu)及加熱裝置有利于對模壓料進(jìn)行快速，高效，均勻，穩(wěn)定的加熱在滿足使用要求前提下，應(yīng)盡量簡化模具結(jié)構(gòu)和制造工藝壓模按上，下模配合結(jié)構(gòu)特征分類溢式壓模〔敞開式〕不溢式壓?！裁荛]式〕半溢式壓?！舶朊荛]式壓模〕電加熱裝置：最簡單的是用電阻絲直接作加熱元件，電熱棒，具體形式是電熱板，電熱套液壓機的工作原理：液壓機是模壓成型的主要設(shè)備，其作用是提供模壓工藝成型所需要的壓力以及開模脫出制品的脫模力。液壓機是利用液體來傳遞壓力的設(shè)備。液體在密閉容器中傳遞壓力遵循靜壓傳遞原理及帕斯卡定律。5.液壓機的性能參數(shù)〔1〕壓力〔2〕液壓機的最大及最小成型壓力〔3〕運行速度液壓機的選用最大使用壓力工作臺面尺寸上，下模板間距活塞缸最大行程第六章層壓工藝：是指將浸有或涂有樹脂的片材層疊，組合疊合體，送入層壓機，在加熱和加壓下，固化成型玻璃鋼板材或其它形狀簡單的復(fù)合材料制品的一種方法卷管成型工藝：是使用玻璃膠布在卷管機上熱卷成型玻璃鋼管材的一種方法。玻璃鋼管的卷制成型常用三輥筒卷管機第七章纏繞工藝：將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或不帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模稱為增強塑料制品的工藝過程。干法纏繞：選用預(yù)浸紗帶(或預(yù)浸布帶〕，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流后纏繞到芯模上濕法纏繞：將無捻粗紗〔或布帶〕浸漬樹脂膠液后直接纏繞到芯模上3〕半干法纏繞：將無捻粗紗〔或布帶〕浸漬樹脂膠液，預(yù)烘后隨即纏繞到芯模上纖維纏繞增強塑料制品的優(yōu)點：比強度高可靠性高生產(chǎn)率高材料本錢低為什么纖維纏繞制品的強度比其它成型工藝制品的強度都高呢？一般材料的外表缺陷是影響其強度的重要因素。外表積越大，缺陷率越高。纏繞纖維直徑很細(xì)，降低了微裂紋存在幾率纏繞成型防止了布紋經(jīng)緯交織點與短切纖維末端的應(yīng)力集中纏繞成型，可以控制纖維的方向和數(shù)量，是產(chǎn)品實現(xiàn)等等強度結(jié)構(gòu)纏繞成型可使增強材料纖維含量高達(dá)80%纏繞線性必須滿足如下兩點要求：纖維既不重疊又不離縫，均勻連續(xù)布滿芯模外表纖維在芯模外表位置穩(wěn)定，不打滑纏繞規(guī)律：描述紗布均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模外表，以及芯模與導(dǎo)絲頭間運動關(guān)系的規(guī)律7.環(huán)向纏繞：D—芯模直徑b—紗片寬a—纏繞角W—紗片螺距W=πDctgαb=πDcosα當(dāng)纏繞角小于70°時，紗布寬度就要求比芯模直徑還大。這也是環(huán)向纏繞的纏繞角必須大于70°的原因。一個完整循環(huán)的概念：螺旋纏繞時，由導(dǎo)絲頭引入的纖維自芯模上某點開始，導(dǎo)絲頭經(jīng)過假設(shè)干次往返運動后，又纏回到原來的起始點。這樣，在芯模上所完成的一次〔不重復(fù)〕布線稱為“標(biāo)準(zhǔn)線〞，完成一個標(biāo)準(zhǔn)線纏繞，稱為一個完整循環(huán)。封頭曲面，根據(jù)微分幾何的克列洛定理，其測地線方程為：Sinα=ro/ra--測地線與封頭曲面上子午線夾角r0—封頭極孔圓半徑r--測地線與交點處平行圓半徑纏繞張力制度：纖維是連續(xù)地一圈一圈纏繞到芯模或內(nèi)襯上去的，在纏繞張力作用下，每后纏上去的纖維層都對先纏上去的纖維層產(chǎn)生徑向壓力，迫使其徑向發(fā)生壓縮變形，從而使內(nèi)層纖維變松。如果采用恒定的纏繞張力，將會使制品纖維層呈現(xiàn)內(nèi)徑外緊狀態(tài)，從而使內(nèi)外層纖維的初應(yīng)力產(chǎn)生很大的差異，導(dǎo)致纖維不能同時承載。因此將大大降低制品強度和疲勞性能。采用逐層速減的張力制度，雖然后纏上去的纖維層對先纏上去的纖維層仍有削減初張力的作用，但可控制后一層和前一層削減后的張力相同。于是，便可使從內(nèi)到外的全部纏繞層具有相同初張力，使制品強度和疲勞性能得到提高。第八章纖維纏繞機的開展經(jīng)歷了三個階段：機械控制纏繞機數(shù)字程序控制纏繞機微機控制的纖維纏繞機固化爐的功用和特點:纖維增強熱固性塑料在固化過程中需要外供熱量。因為隨著聚合反響的進(jìn)行，位阻效應(yīng)和活化能增高，不加熱那么不能使聚合反響進(jìn)行完全，產(chǎn)品性能就達(dá)不到使用要求，此外，也為了加快反響速度，提高生產(chǎn)效率。這種對制品提供熱固化環(huán)境的加熱爐通稱固化爐。固