聚合物复合材料的成型工艺.ppt

1,第三章聚合物基复合材料及成型工艺,1、聚合物基复合材料 2、成型工艺,2,特点：比强度大，比模量大；耐疲劳性能好；减震性能好；耐烧蚀性能好；工艺性好。,3.1 聚合物基复合材料,3,基体材料(一)热固性聚合物:,.不饱和聚酯树脂,a.结构特征：由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。,b.固化：固化剂-乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂-过氧化物（加热固化）促进剂-苯胺类和有机钴，室温固化。,4,c.特点粘度低，工艺性好。,综合性能好，价廉，用量约占80%。,有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。,一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制作次受力件。,5,a.双酚型 其中R:,CH3-C-CH3A 丙基,-CH2-F 亚甲基,O-S-OS 砜,双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用于聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。,(2)、环氧树脂,固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。,6,b.非双酚型,三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。,链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。,7,c.胺基环氧 含高极性的酰胺键，粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。,d.脂环族环氧 不含苯环，含脂环，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。,e.脂肪族环氧-高韧性环氧 无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。,8,环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。,常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。芳香族胺或咪唑类固化剂，可提高强度及耐热性，但冲击韧性会降低。,潜伏剂：单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145 165下，80 min可固化。,9,粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。,电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。,耐酸碱耐溶剂性强。,热稳定性良好。,环氧树脂特点：,10,(3)酚醛树脂 由酚 和醛 缩合而成。酚/醛 0.9，碱催化可得体型热固性树脂。,OH C-H,OH,1,5,3,固化：加热固化 加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。,分子结构,11,特点：耐热性高，可达315。价格最低。粘附性较差，收缩率大,气孔率高，性脆。,改性：引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛,降低树脂中-OH 基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高电性能。,硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。,12,应用：,酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。碳含量高78，碳化收率达63，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。,13,（二）热塑性聚合物 与热固性聚合物相比：力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。,聚丙烯 柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。,.聚酰胺（尼龙）链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100，吸水率高。常用品种：尼龙6、66、1010、610等。,14,(3)聚碳酸酯 由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成,刚性苯环；变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。,15,(4)聚砜 以砜和苯环连结成硬性链，可在100150下长期使用。可与碳纤维复合，用于宇航和汽车工业。此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300400，也常作为复合材料的基材。,16,3.1.2 聚合物基复合材料基本性能 具有较高的比强度和比模量。抗疲劳性能好，安全性高。减振、隔音、保温、隔热。弹性模量不高、断裂延伸率小、抗冲击强度差、横向强度、层间剪切强度低。手工劳动强度大，质量不稳定。,17,品种,1、GF增强热固性塑料（GFRP）-玻璃钢,18,、聚酯玻璃钢 加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占80%。、环氧玻璃钢 综合力学性能最好，耐蚀性好；粘度大，施工困难。酚醛玻璃钢 耐热性最好,350长期使用，短期可达1000；电学性能好，耐电弧。,19,20,2、GF增强热塑性塑料(FR-TP)特点：、比重轻1.11.6、抗儒变性等力学性能明显提高、热学性能大大提高50%、尺寸稳定性提高,21,22,3、高强度纤维增强塑料,23,、C纤维增强塑料 比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性差，价格昂贵。、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维；振动衰减是玻璃钢的45倍。抗压性能差。,24,、B纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。、SiC纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。,25,芳纶纤维增强,C纤维增强,26,27,3.2 成型工艺,聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺主要包括以下两个方面：,28,一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;,二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。,29,基体树脂的选取：,受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。150，聚酯或环氧150400，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）,30,成型工艺选择,原则 外形尺寸、材料性能、质量要求、批量、设备条件、经济效益方法选择 尺寸精度、外观要求高 模压 大型产品 手糊 压力容器、管道 缠绕,31,接触低压成型工艺,手工铺放增强材料无压力或0.010.7MPa,手糊成型喷射成型袋压成型树脂传递模塑成型热膨胀模塑成型,32,(1)对基体材料的要求,易浸透，易除气泡，与纤维粘接力强室温下能固化粘度合适，不产生流胶现象低毒或无毒价格合理主要基体材料不饱和树脂和环氧树脂（低分子量双酚A型）,0.20.5Pas,33,(2)对增强材料的要求,易于被树脂浸透有足够的形变性气泡容易排除能满足使用条件的物理和化学性能要求价格合理,34,(3)模具设计原则,满足尺寸精度足够的刚度和强度脱模方便热稳定性重量轻，价格便宜,35,(4)模具结构,阴模阳模对模拼装模,36,(5)模具材料,木材、金属、石膏、水泥、低熔点金属、硬质泡沫塑料、玻璃钢等,玻璃钢模具表层 纤维 30g/m2表面毡和15g/m2短切毡,树脂层表面微裂纹,模具表面布纹痕迹,胶衣树脂硬度高、耐热、耐磨、易抛光、喷涂效果好、寿命长,环氧树脂+瓷粉（1535%）,37,(6)玻璃钢模具制备过程,胶衣层（3次喷涂，每层厚0.250.3mm）结构层（先表面毡，再短切毡和方格布）模具加固,粗磨 400800#水砂纸研磨 10001500#水砂纸抛光(布轮或羊毛轮，光泽度90),(7)表面处理过程,38,(8)脱模剂种类,薄膜型脱模剂,聚酯薄膜（0.04mm 或0.1mm）变形性小，价格贵平板、波形板,聚乙烯醇薄膜柔软性好，形状较复杂件,聚乙烯薄膜变形性较好，价格便宜，但表面光洁度较聚酯薄膜差，不易铺平，不能重复使用。,39,液体脱模剂,聚乙烯醇溶液 100150，干燥慢,醋酸纤维素150200，光亮、平整、毒性小：价格贵，与环氧玻璃钢易粘结，常与其它脱模剂配合使用,聚苯乙烯 环氧树脂，100,有毒,过氯乙烯渗透性好，多孔性模具，不能与制品直接接触，120,硅橡胶和硅油150200，涂模后宜烘烤150200/1-2h,40,油膏、蜡类脱模剂,油膏类 硅脂、HK-50耐热油膏、变压器油、黄干油、凡士林油,蜡类 省工省料、价格便宜，脱模效果好，80,脱模剂使用：清洗模具表面，涂蜡，毛巾布干擦，（溶剂挥发）硬化,41,1940年 美国 玻璃纤维增强聚酯 雷达罩1958年 我国 玻璃钢艇,A,42,43,模具准备,涂脱模剂,手糊成型,树脂胶液配制,增强材料准备,固化,脱模,后处理,检验,制品,手糊成型工艺流程图,色料填料,+,尺寸修整缺陷修补,44,不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；,优点：,设备简单、投资少、设备折旧费低；,工艺简单；,45,易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；,制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。,46,生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。,缺点：,产品质量不易控制，性能稳定性不高。,产品力学性能较低。,47,B.喷射成型工艺将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。,氧化甲乙酮,48,喷射成型对所用原材料有一定要求，例如树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除气泡和浸润纤维以及不带静电等。最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可固化的不饱和聚酯等。,49,50,玻璃纤维无捻粗纱,聚酯树脂,加热,引发剂,促进剂,静态混合,切割喷枪,模具,喷射成型,辊压,固化,脱模,喷射成型工艺流程图,51,玻璃粗砂代替织物，降低成本；生产效率可提高24倍；产品整体性好，无接痕；可减少飞边，裁布屑；尺寸不少限制。,树脂含量高，制品强度低；单面光滑；污染环境,优点,缺点,大型船体浴盆机械外罩,52,模压成型工艺模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。,53,工艺过程将定量的预混料或预浸料放入金属对模中，经加热、加压固化成型的方法。,54,模压料的组成,合成树脂（环氧树脂、酚醛树脂）增强材料（无捻粗纱、有捻粗砂、连续玻璃纤维束、辅助材料 稀释剂、表面处理剂（偶联剂）、固化剂和促进剂、脱模剂、着色剂、填料,硬脂酸盐熔点相差20%重量2%,沃兰硅烷钛酸酯,甲基丙烯酸氯化铬络合物,15-20%碳酸钙、滑石粉、石英粉、云母粉活化填料,55,金属对模准备,涂脱模剂,模压成型,模塑料、颗粒树脂,短纤维,固化,脱模,后处理,检验,制品,加热、加压,加热,冷却,模压成型工艺流程图,56,优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。,57,缺点模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。,58,模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。,59,模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。,60,3.2.5 层压成型工艺层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。,61,层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等。,62,层压成型的生产工艺流程,增强材料,热固性树脂,浸胶,胶布,裁剪叠合,热压,脱模,切边,产品,63,原材料质量,含胶量 2546%（293%）挥发物含量 微孔（酚醛树脂基1.53.3%）不溶性树脂含量 预聚合程度 提高制品力学性能2550%,64,预浸胶布制备,使用经热处理或化学处理的破璃布，经浸胶槽浸渍树脂胶液，通过刮胶装置和牵引装置控制胶布的树脂含量，在一定的温度下烘烤，使树脂由A阶转至B阶，从而得到所需的预浸胶布。复合材料层压板材、卷管和布带缠绕制品的半成品,1545 s,低高低 三段,65,胶布中的树脂熔化（全压的1/31/2)胶布在较低温度下开始固化加快反应速度（升温不能过快，避免暴聚）充分固化（树脂特性和层合板厚度）避免翘曲、开裂,层压工艺,66,层压成型工艺的优点是制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。层压成型工艺的缺点是只能生产板材，且产品的尺寸大小受设备的限制。,67,缠绕成型,将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按一定规律缠绕在芯模上，然后固化脱模得成品。湿法、干法、半干法。固化可室温或加热固化适用于：中空高压容器。如：火箭发动机壳体、导弹发射筒、大型储罐、管材等。,68,69,聚脂、环氧树脂,酚醛、热塑性树脂,70,芯模材料,熔、溶性材料 石蜡、低熔点金属组装式芯模材料和内衬材料 金属芯模 石膏、木材 内衬 防腐与密封 橡胶、塑料、不锈钢、铝合金等,71,1mm,72,D800mm,73,优点,能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；比强度高，与钢质压力容器相比，重量可减轻4060易实现机械化和自动化生产，产品质量稳定，可靠性高生产效率高，缠绕速度快(240 m/min)成本低：可合理配选若干种材料，达到最佳的技术经济效果。,74,缺点,适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；需要有缠绕机芯根，固化加热炉投资大，技术要求高。,75,76,3.2.7 拉挤成型工艺拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；,77,卧式拉挤成型过程原理图,78,79,其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。,80,要求：增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。种类：玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。,81,排纱,排纱就是将增强材料放置在纱架上并将这些材料按照设计要求引出。放纱形式：纤维内退(纱架不动，玻璃纤维）；纤维外退（旋转，碳、芳纶等特种纤维）不管在一层纱架上要穿多少束纤维，引出的纤维都不能互相之间产生缠结现象，必须严格独立，互不干扰。,82,预成型,引导浸胶后的呈扁平带状纤维逐渐演变成最接近拉挤产品的形状。同时挤去增强材料中多余的树脂，并排除带入材料中的气泡，以获得结构致密的拉挤制品。预成型模，从简单到复杂逐渐过渡的，长度约为。拉挤成型棒材 管状预成型模，一块板上制作一定数量的、呈放射性分布的过纱孔。管材 芯轴预成型模。异型材 2到6块左右的预成型模组，以保证纤维与毡材能够较为顺利地合理过渡到合适的形状，与型材截面形状接近。,83,板状结构导纱,槽型结构导纱模组,84,玻璃钢拉挤模具,85,成型模具的设计,树脂体系固化反应的化学及物理特性拉挤材料与模具壁的摩擦性能。加热区温度的相互协调一致。,预热区、凝胶区及固化区“凝胶点”，“放热峰，“脱离点”。使凝胶点、放热峰及脱离点靠近而且集中在凝胶区，否则可能出现产品力学性能差以及粘膜等现象。,86,牵引装置,基本要求：必须保证连续牵引；牵引力、牵引速度可调，夹持力可调，夹头可随意更换设计衬垫，以增强摩擦力，并减少对产品外表面的损伤。往复式夹持牵引装置，它具有两对可以在拉挤方向前后交替运动的牵引装置。,87,优点 生产效率高，易于实现自动化；,制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；,88,不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；,制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。,89,目前，随着科学和技术的不断发展，正向着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。,90,其它拉挤成型工艺,弯曲制品拉挤成型 旋转模 GE 汽车板簧有填料芯的拉挤成型发泡粘土、膨胀珍珠岩 70%树脂反应注射拉挤成型（快速固化）,91,92,3.2.8 注射成型工艺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。,93,注射成型工艺原理注射成型是根据金属压铸原理发展起来的一种成型方法。该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。,94,注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、冷却硬化和脱模等步骤。加工热固性树脂时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。,95,注射成型工艺原理1.模具；2.喷嘴；3.料筒；4.分流梭；5.料斗；6.注射注塞,柱塞式往复螺杆式螺杆、柱塞组合式,螺杆预塑化柱塞注模,塑化不均注射量少注射压力损失大,96,增强粒料的工艺性,挥发物的控制流动特性纤维长度、含量及定向 树脂大分子和纤维定向 各向异性收缩率 树脂种类和增强料含量热敏性 高温下，产生变色、降解、分解现象,提高模具、注射流体温度加大制品厚度,增加浇注口长度、注射压力、冲模时间,减弱,增强,97,注射工艺条件选择,加料及余量 传压和补料 1020mm成型温度 1020 树脂粒料温度螺杆转速及背压 2550r/min 排除气体和挥发物，注射压力的815%注射速度及压力 50200MPa 1560s 热塑性 510s 热固性成型周期,热敏性和熔体粘度,98,注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，一般在30-40左右。,99,注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。,