第十四章_高分子复合材料的成型加工.ppt

第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,复合材料的分类1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,复合材料的应用航空航天,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总质量50%,节省燃油20%)技术参数：翼展：50.3-51.8米；机长:55.5米；高度：16.5米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度：0.85马赫（马赫=1126公里/小时）；载客量：289；最大航程：15700公里,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,B787复合材料机身,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,交通运输：各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅建筑工业：轻型房屋、建筑装饰及雕塑电子电器：层压板、电线杆、路灯灯具体育：撑杆、弓箭、赛车、滑板机械：各种配件、风机,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,第五篇 高分子复合材料及共混物的加工成型,第一节 概述,高分子复合材料分类：按高聚物类型分：塑料、橡胶、纤维复合材料按所用填料材质分：纸、木材、麻、棉、石棉、玻璃、合成高分子、碳、硼、金属按填料形状分：粉末、颗粒、长纤维、短纤维、碎片、织物,第一节 概述,高分子复合材料的性能特点：高强度、耐热性、卓越的电性能、耐化学腐蚀性、耐磨性、耐燃性、耐烧蚀性、低透气性、尺寸稳定性应用：军工、机械、电机、化工、建筑、交通、轻工、农业、文教、体育、卫生、包装、食品,第二节 高分子复合材料的组成,一、高聚物可是主要成分也可是次要成分。应具有的特性：良好的综合性能（电性能、热性能、力性能、腐蚀性能等）对填料具有强大粘附力（作用之一是作为粘合剂将填料粘接一个整体）良好的工艺性能（加工成型条件易控制，操作简单）,第二节 高分子复合材料的组成,二、填料作用：改进高聚物的某项或某几项重要性能增强填料（玻璃钢）：对高聚物具有突出增强效果的填料（玻璃纤维、织物）。特点：电性能、耐热性、耐腐蚀性、高强度分类：1、玻璃纤维及制品2、其他：纸、棉布、石棉,第二节 高分子复合材料的组成,第二节 高分子复合材料的组成,第二节 高分子复合材料的组成,碳纤维（CF）,第四节 复合材料的成型工艺概述,主要工艺过程,要求,纤维均匀地按设计要求分布在制品各个部分；树脂适量、均匀地分布在制品各个部位，并适当固化；尽量减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性；,第四节 复合材料的成型工艺概述,复合材料成型方法：不同组分、结构、形状，成型方法不同。常用方法：压制、挤出、注射、压延、粘合、综合方法等。本节着重介绍以玻璃纤维及其织物为填料的复合材料成型工艺。按成型压力分：低压、高压按工艺特点分：手糊成型、真空袋压法成型、压力袋成型、树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、层压成型、模压成型、缠绕成型、热压罐成型手糊、层压、模压、缠绕,第四节 复合材料的成型工艺概述,成型工艺的选择产品外形构造和尺寸大小材料性能和产品质量要求生产批量大小及供应时间要求企业可能提供的设备条件及资金综合经济效益，保证企业盈利,第四节 复合材料的成型工艺概述,一、手糊成型又称接触成型广义定义：通过手工在预先涂好脱模剂的模具上，先涂上或喷上一层按配方混合好的树脂，随后铺上一层增强材料，排挤气泡后后，再重复上述操作，直到达到要求的厚度，最后经固化后脱模，必要时再经过加工和修饰工序即得成品。分类1：常温 加热分类2：常压 低压,第四节 复合材料的成型工艺概述,狭义定义：手糊成型又称接触成型，采用手工方法将纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型、室温（或加热）、无压（或低压）条件下固化，脱模成制品的工艺方法。,工艺流程,第四节 复合材料的成型工艺概述,手糊成型工艺的优点：1、不受尺寸、形状的限制；2、设备简单、投资少；3、工艺简单；4、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求；5、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。手糊成型工艺的缺点1、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差；2、产品性能稳定性差；3、产品力学性能较低。,第四节 复合材料的成型工艺概述,手糊制品缺陷：胶衣起皱：胶衣层太薄；固化剂不足；气温太低；胶衣层厚度不均；胶衣层固化不足龟裂：胶衣层太厚；固化时热量过大；固化剂用量过多；变色：固化剂用量过多；胶衣流挂；颜色分离；胶衣层厚度不均,第四节 复合材料的成型工艺概述,制品收缩：拐角处圆弧半径过小；脱模剂用量太多；制品局部厚度过大；胶衣层厚度不均，后固化加热不均制品翘曲和变形：固化剂用量过大；制品太薄；制品厚度不均匀或不对称；树脂集聚；脱模太早，树脂固化度不够；后处理过早或温度不均,第四节 复合材料的成型工艺概述,模具的结构与材料,单模,对模,阳模,拼装模,阴模,第四节 复合材料的成型工艺概述,阳模：制品内表面尺寸准确，光滑。成型方便，便于通风。阴模：制品外表面尺寸准确，光滑。阴模深操作不便、通风 条件不好、卫生条件差。对模：由阴阳模两部分组成，制品内外表面均光滑，厚度准 确。不适合成型批量少及大型制品（模具、设备投资 大）。拼装模：一些形状复杂的产品，为了脱模方便，需要利用拼 装模，即把模具分成几块进行拼装，脱模时可以分块 进行，比较方便。,第四节 复合材料的成型工艺概述,材料木材、石膏、水泥、石蜡、可溶性盐、玻璃钢、陶土、金属等。必须满足以下要求：（1）满足产品尺寸、精度、外观及数量的要求；（2）有足够的强度与刚度，不易变形、损坏；（3）不受树脂及辅助材料的浸蚀，不影响树脂固化；（4）易脱模，使用周期长；（5）价格便宜，材料易得。,第四节 复合材料的成型工艺概述,真空袋成型工艺：1）工艺简单，不需要专用设备；2）压力较小，最大为0.1MPa，只适用厚度1.5mm以下复合材料制品,第四节 复合材料的成型工艺概述,压力袋成型,第四节 复合材料的成型工艺概述,真空袋-热压罐成型柔性柱塞法,第四节 复合材料的成型工艺概述,二、层压成型：是指将浸有或涂有树脂的片材层叠，在加热加压条件下，固化成型获得玻璃钢制品的一种成型工艺。工艺过程如图见P301。,第四节 复合材料的成型工艺概述,工 艺 特 点：,生产的机械化、自动化程度较高；产品质量稳定；但一次性投资较大，适合于批量生产。,层压板可分为：,纸层压板、木层压板、棉纤维层压板、玻璃纤维层压板等品种。,主要应用范围：,电绝缘部件；薄板适合于各领域；可用于制造齿轮、轴承、皮带轮等结构材料；用于飞机、汽车、船舶、电气工程等领域。,第四节 复合材料的成型工艺概述,原材料：增强材料和树脂浸渍：增强填料被树脂液充分、均匀的浸渍，达到规定的含胶量。浸胶机：立式、卧式（各自优缺点）影响浸胶质量的因素：树脂液浓度、粘度、时间、增强填料张紧程度、挤压辊夹紧程度等。,第四节 复合材料的成型工艺概述,烘干：去除树脂液中含有的溶剂及其它发挥性物质，控制树脂流动度。剪裁：获得适当尺寸的浸胶材料叠块：将一定厚度的材料，逐层叠放，获得厚度层压：将坯料放入多层压机上，利用模具加压加温，使树脂熔融流动更均匀地浸入到增强填料中去，并定型。,第四节 复合材料的成型工艺概述,层压法成型工艺因素：温度、压力、时间温度与树脂类型、固化速度、含胶量、树脂中挥发成分、不溶性树脂含量、层压制品厚度有关。层压法温度曲线可分5个阶段：1、预热阶段，从室温升到树脂开始显著反应的温度。目的是使树脂熔化，进一步均匀浸透填料，并驱赶一部分挥发组分。压力为最高压力的1/3-1/2。,第四节 复合材料的成型工艺概述,2、保温阶段，目的是使树脂以较低的反应速度硬化。3、升温阶段，温度应控制，需加压。4、热压保温阶段，使树脂充分交联。5、冷却阶段，定型，在压机上先冷却一定温度再出料，避免速度过快产品翘曲变形。层压分为：预热预压阶段和热压阶段。,第四节 复合材料的成型工艺概述,热压工艺五个阶段的升温曲线示意图,第四节 复合材料的成型工艺概述,成型压力：作用：压力起到压紧浸胶材料、迫使粘稠树脂流动的作用，冷却保压还可防止残余挥发成分引起变形等。压力选定标准：成型压力根据树脂特性、板厚、树脂含量、流动度和升温速度确定。硬化时有低分子物排出，压力大；硬化温度高，压力大；5个阶段压力不一样。,第四节 复合材料的成型工艺概述,压制时间的控制：压制时间与树脂的固化速度、层压板的厚度、压制温度等有关。,第四节 复合材料的成型工艺概述,三、模压成型法定义：模压工艺是将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。加热加压的作用：使模压料塑化、流动,充满空腔,并使树脂发生固化反应。当模压料在模具内被加热到一定的温度时，其中树脂受热溶化成为粘流状态，在压力作用下粘裹着纤维一道流动，直至充满模腔，此时称为树脂的“粘流阶段”。继续提高温度，树脂发生交联，流动性很快降低，表现为一定的弹性，最后失去流动性，树脂成为不溶不熔的体形结构，此时称“硬化阶段”。,第四节 复合材料的成型工艺概述,工艺流程：,第四节 复合材料的成型工艺概述,模压成型工艺的分类：按增强材料物态和模压料品种分类。（1）纤维料模压 树脂预混或预浸短切纤维，然后模压成型制品。（2）织物模压 将预先织成所需形状的二向三向或多向织物，经树脂浸渍后进行模压。（3）层压模压 将预先浸渍好树脂的玻纤布或毡，剪成所需形状，经叠层放入模具进行模压。（4）SMC模压 将SMC片材（片状模塑料），经剪裁，铺层，然后进行模压。适合于大型制品的加工（例汽车外壳，浴缸等），此工艺方法先进，发展迅速。,第四节 复合材料的成型工艺概述,（5）碎布料模压 将预浸胶布剪成碎块放入模具，压成制品。（6）缠绕模压 将浸胶的玻璃纤维或布带缠绕在模型上，进行模压。（7）预成型坯模压 先将短切纤维制成制品形状，置入模具，加入树脂后进行模压。预成型坯工艺是比较困难的，是研究方向之一。（8）定向铺设模压 将单向预浸渍布或纤维，定向铺设，进行模压。,第四节 复合材料的成型工艺概述,模压料按填料物理形态分为：粒粉状模压料，纤维模压料，毡状模压料，碎屑模压料，片状模压料，织物模压料等。短玻璃纤维模压料和碎屑模压料应用广泛。模压料制法：2种1、预混法，先将增强填料与树脂在Z形捏合机中捏合、搅拌均匀后，经撕松、烘干。该法生产能力大，所得模压料纤维松散无一定方向，流动性好，缺点比容大，强度低。,第四节 复合材料的成型工艺概述,2、预浸法，强度大，纤维紧密，缺点流动性差。,第四节 复合材料的成型工艺概述,特点：生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，产品无需二次加工，易于机械化、自动化；模具设计制造复杂，压机及模具投资高，产品尺寸受设备限制，只适于大批量中小型制品。,第四节 复合材料的成型工艺概述,电机冲压模具,模压成型设备,汽车冲压模具,塑料椅模具,第四节 复合材料的成型工艺概述,数控模式水泥彩瓦成型机,第四节 复合材料的成型工艺概述,撕松机结构1-电机；2-机体；3-配重；4-进料辊；5、6-撕料辊；7-罩体,第四节 复合材料的成型工艺概述,四、缠绕成型：定义：将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,缠绕工艺流程图,第四节 复合材料的成型工艺概述,分类：干法缠绕将预浸纱带（或预浸布），在缠绕机上经加热至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。干法缠绕特点：制品质量稳定（含胶量、尺寸等）；缠绕速度快（100200m/min）;劳动卫生条件好；预浸设备投资大。,第四节 复合材料的成型工艺概述,湿法缠绕将无捻粗纱经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。特点：不需要预浸渍设备，设备投资少；便于选材；纱片质量及张力需严格控制，固化时易产生气泡。,第四节 复合材料的成型工艺概述,半干法缠绕 将无捻粗纱浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。纤维缠绕制品的优点生产成本低，效率高，强度高缠绕制品的应用范围军工方面：航空、航天、导弹（发动机壳体、高压容器、导弹发射筒等）。,第四节 复合材料的成型工艺概述,民用方面：化工、石油、环保、建筑等领域的管道、贮罐等。发展状况：高性能材料和功能材料,主要用于高科技领域;军工使用转向民用；提高自动控制水平，提高生产效率；降低生产成本。,第四节 复合材料的成型工艺概述,1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？2、缠绕制品的优点是什么？,第四节 复合材料的成型工艺概述,（浸胶）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（缠绕）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（结构示意图）,第六节 高分子复合材料的发展趋势,（卧式缠绕机）,第六节 高分子复合材料的发展趋势,（卧式缠绕机）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（立式缠绕机）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（多芯模缠绕机）,（滚转式缠绕机）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（纱架）,第四节 复合材料的成型工艺概述,（浸胶槽）,第六节 高分子复合材料的发展趋势,（张力控制机构）,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,五、注射成型：是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。注射成型：将粒状或粉状的纤维树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，通过喷嘴注入温度降低的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。,注射成型为间歇式操作过程,第四节 复合材料的成型工艺概述,SZL-125克,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,注射成型相对于模压成型的优点：(1)成型周期短，物料的塑化在注射机内完成。(2)热耗量少(3)闭模成型(4)可使形状复杂的产品一次成型(5)生产效率高，成本低注射成型的缺点：(1)不适用于长纤维增强的产品，一般纤维小于7mm(2)模具质量要求高注射成型工艺在CM生产中主要代替模压成型工艺，近年来发展较快。注射成型工艺发展较快：自动化、高速化、大型化及微型化。,第四节 复合材料的成型工艺概述,喷射成型工艺通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模具表面，经辊压、固化制得复合材料制件的方法。工艺示意图,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,喷射方法,第四节 复合材料的成型工艺概述,特点：1）生产效率较高（手糊35倍），劳动强度低2）玻纤为无捻粗纱，材料成本低3）制品整体性好，无搭接缝4）产品形状和尺寸不受限制5）可调节产品厚度，纤维与树脂比例6）施工现场污染大，产品树脂含量高，强度小,第四节 复合材料的成型工艺概述,树脂传递模塑（resin transfer moulding,RTM）通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润纤维织物毛坯，然后固化成型的方法。工艺流程,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,树脂膜熔渗工艺（resin film infusion,RFI）,第四节 复合材料的成型工艺概述,蜂窝夹层结构成型工艺,第四节 复合材料的成型工艺概述,蜂窝夹层结构制造方法,第四节 复合材料的成型工艺概述,第四节 复合材料的成型工艺概述,第五节 特种复合材料,定义：某项性能特别卓越得复合材料或除力学性能外，具有某中特殊功能的功能性复合材料。分类：1、高模量、高强度复合材料比重小，强度高，刚度好。碳纤维、石墨纤维、环氧、聚酯树脂。,第五节 特种复合材料,CF（碳纤维）：原料分：天然或化学纤维，高含碳量的有机化合物混合物。力学性能分：墨化纤维，碳纤维，石墨纤维特点：比重小，强度高，刚度好缺点：导热性大，吸湿性强，易氧化，价格昂贵，剪切强度差,第五节 特种复合材料,硼纤维(BF)：CVD法生产。适合于航空工业、耐高温材料优点：强度、刚度比碳纤维更高缺点：生产过程复杂，价格高，直径大，不易制造外形复杂制品，加工困难,第五节 特种复合材料,2、烧蚀材料应具有的特点：高的产碳率（烧蚀过程中可形成碳层，坚固，耐磨蚀，热传导率小，耐高温，热屏蔽作用）高的热分解温度及高的表面温度（稳定性好，耐高温）低的线性烧蚀速率、高的烧蚀热、高的绝热指数，低的热传导率,第五节 特种复合材料,良好的强度、刚度、高的抗热冲击能力加工容易，裂解产物无毒或低毒。应用：宇宙飞船、导弹、空间飞行器等。3、功能性复合材料1、固体自润滑复合材料及耐磨复合材料2、复合光敏塑料3、导电的复合材料4、阻燃及自熄性复合材料,第六节 高分子复合材料的发展趋势,一、原材料发展动向树脂：耐高温（聚酰亚胺、聚苯并咪唑），热塑性树脂制成增强热塑性塑料（聚乙烯，ABS，尼龙等）增强填料：由天然纤维转向玻璃纤维，合成纤维，碳纤维，硼纤维，晶须等。有机纤维：除尼龙、聚酯外，新型耐高温纤维受重视。无机材料：利用无机材料填充热塑性塑料。其他：钙塑料，玻璃微气球，玻璃碎薄片,第六节 高分子复合材料的发展趋势,二、工艺发展1、挤出、注射等高效成型方法在复合材料中得到应用和改进。2、新工艺的产生和应用。喷附成型：（将纤维和树脂液一同喷导模具表面，固化成型，可制形状复杂制品，操作比手糊改善）离心成型：（在空心模内，放入含增强填料的树脂溶液或用树脂浸渍过的增强填料，使空心模旋转，利用离心力作用，物料均匀分布并紧贴在模内壁上，固化成型，制造贮罐、管道等，比缠绕法表面质量好，成本比手糊低）,第六节 高分子复合材料的发展趋势,对模成型：在模具内铺好玻璃纤维毡，然后闭模注入树脂，固化后脱模成型，生产周期短，制品外观平滑。拉出成型：以牵引设备拉引玻璃纤维粗纱或其他类似的增强填料通过一浸渍槽，然后把此浸胶材料拉入具有所须外形的阴模管。棒状或管状制品。,作业与思考,1、简述高分子复合材料性能特点与分类。P293，思考题2、高聚物和填料在高分子复合材料中的作用。P294，思考题3、何谓手糊成型，有何特点？P3004、何谓层压成型，有何特点？P3015、名词解释：模压成型P303，思考题、缠绕成型P305，思考题、特种复合材料P306，思考题,