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十種常見復(fù)合材料成型工藝

  • 發(fā)布時(shí)間:2023-04-18
  • 發(fā)布者: 管理員
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10種常見復(fù)合材料成型工藝


復(fù)合材料的原材料包括樹脂、纖維和芯材等有多種選擇,各種材料又有其獨(dú)特的強(qiáng)度、剛度、韌性和熱穩(wěn)定性等性能,成本和產(chǎn)量也不盡相同。然而,復(fù)合材料作為一個(gè)整體,其最終性能不僅與樹脂基體和纖維(以及夾芯材結(jié)構(gòu)中的芯材)有關(guān),而且與結(jié)構(gòu)中材料的設(shè)計(jì)方法和制造工藝有密切聯(lián)系。本文將對(duì)常用的復(fù)合材料制造方法、每種方法的主要影響因素和不同工藝如何選擇原材料進(jìn)行介紹。

一、噴涂成型


1、方法描述:把短切纖維增強(qiáng)材料與樹脂體系同時(shí)噴涂在模具內(nèi),然后在常壓下固化成熱固性復(fù)合材料制品的一種成型工藝。

2、材料選擇:

樹脂:主要為聚酯

纖維:粗玻璃纖維紗

芯材:無,需要單獨(dú)與層合板結(jié)合

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 工藝歷史悠久

2) 低成本、可快速鋪覆纖維和樹脂

3) 模具成本低廉

4、主要缺點(diǎn):

1) 層合板易形成樹脂富集區(qū),重量偏高

2) 只能使用短切纖維,嚴(yán)重限制了層合板的力學(xué)性能

3) 為了便于噴涂,樹脂粘度需足夠低,損失了復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能

4) 噴涂樹脂中的高苯乙烯含量意味著對(duì)操作人員的潛在危害較高,低粘度則意味著樹脂易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚

5) 空氣中揮發(fā)的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定要求

5、典型應(yīng)用:

簡易圍欄,低載荷結(jié)構(gòu)板,如敞篷車車身、卡車整流罩、浴缸和小型船艇



二、手糊成型


1、方法描述:手動(dòng)將樹脂浸潤纖維,纖維可以為機(jī)織、編織、縫合或粘結(jié)等增強(qiáng)方式,手糊成型通常用滾輪或刷子完成,然后用膠滾擠壓樹脂使之滲入纖維。層合板置于常壓下固化。

2、材料選擇:

樹脂:無要求,環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯、酚醛樹脂均可

纖維:無要求,但是基重較大的芳綸纖維難以手糊浸潤

芯材:無要求

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 工藝歷史悠久

2) 簡單易學(xué)

3) 如果使用室溫固化樹脂,模具成本低廉

4) 材料和供應(yīng)商選擇空間大

5) 高纖維含量,所用纖維比噴涂工藝長

4、主要缺點(diǎn):

1) 樹脂混合、層合板樹脂含量和品質(zhì)與操作人員的熟練程度密切相關(guān),難以獲得低樹脂含量且低孔隙率的層合板

2) 樹脂的健康和安全隱患,手糊樹脂分子量越低,潛在的健康威脅就越大,粘度越低意味著樹脂越容易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚

3) 如果沒有安裝良好的通風(fēng)設(shè)備,從聚酯和聚乙烯基酯揮發(fā)到空氣中的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定的要求

4) 手糊樹脂的黏度需要非常低,因此苯乙烯或其他溶劑的含量必須較高,這樣就損失了復(fù)合材料的機(jī)械/熱性能

5、典型應(yīng)用:標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電葉片,批量制作的船艇,建筑模型



三、真空袋工藝


1、方法描述:真空袋工藝是上述手糊工藝的延伸,即在模具上封一層塑料膜將手糊好的層合板抽真空,給層合板施加一個(gè)大氣壓的壓力,達(dá)到排氣緊實(shí)的效果,以提高復(fù)合材料的品質(zhì)。

2、材料選擇:

樹脂:主要為環(huán)氧和酚醛樹脂,聚酯和聚乙烯基酯不適用,因?yàn)樗鼈兒斜揭蚁?,揮發(fā)進(jìn)入真空泵

纖維:無要求,即使基重較大的纖維也可以在壓力下被浸潤

芯材:無要求

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 可以達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝更高的纖維含量

2) 空隙率比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝低

3) 負(fù)壓條件下,樹脂充分流動(dòng)提高了纖維的浸潤程度,當(dāng)然部分樹脂會(huì)被真空耗材吸收

4) 健康和安全:真空袋工藝可以減少固化過程中揮發(fā)物的釋放

4、主要缺點(diǎn):

1) 額外的工藝增加了勞動(dòng)力和一次性真空袋材料的成本

2) 對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高

3) 樹脂混合及樹脂含量的控制很大程度上取決于操作人員的熟練程度

4) 盡管真空袋減少了揮發(fā)物的釋放,操作人員受到的健康威脅仍然高于灌注或預(yù)浸料工藝

5、典型應(yīng)用:大尺寸、單次限定版的游艇,賽車零部件,船舶制造過程中芯材的粘結(jié)


四、纏繞成型


1、方法描述:纏繞工藝基本用于制造中空、圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)件,如管道和槽。纖維束經(jīng)過樹脂浸潤后沿各種方向纏繞在芯軸上,工藝過程由纏繞機(jī)和芯軸轉(zhuǎn)速控制。

2、材料選擇:

樹脂:無要求,如環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等

纖維:無要求,直接使用線軸架的纖維束,不需要機(jī)織或縫織成纖維布

芯材:無要求,但蒙皮通常為單層復(fù)合材料

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 生產(chǎn)速度快,是一種經(jīng)濟(jì)合理的鋪層方式

2) 可通過測(cè)定穿過樹脂槽的纖維束攜帶樹脂量控制樹脂含量

3) 纖維成本最小化,無中間編織工藝

4) 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異,因?yàn)橹本€纖維束可以沿各個(gè)承載方向鋪層  

4、主要缺點(diǎn):

1) 此工藝僅限于圓形中空結(jié)構(gòu)

2) 纖維不易沿部件軸向準(zhǔn)確排布

3) 大型結(jié)構(gòu)件的芯軸陽模成本較高

4) 結(jié)構(gòu)外表面非模具面,因此美觀性較差

5) 使用低粘度樹脂,需要注意力學(xué)性能和健康安全性能

5、典型應(yīng)用:化學(xué)品儲(chǔ)藏罐和輸送管,氣缸,救火員呼吸罐



五、拉擠成型


1、方法描述:從線軸架抽出的纖維束浸膠后穿過加熱盤,在加熱盤完成樹脂對(duì)纖維的浸潤,并且控制樹脂含量,最終將材料固化成要求的形狀;這種形狀固定的固化產(chǎn)品被機(jī)械切割為不同長度。纖維也可以沿0度以外的方向進(jìn)入熱盤。擠拉成型是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程,制品截面通常有固定形狀,允許有微小變化。將通過熱盤的預(yù)浸潤材料固定并鋪入模具立即固化,雖然這樣的流程連續(xù)性較差,但可以實(shí)現(xiàn)截面形狀的改變。

2、材料選擇:

樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等

纖維:無要求

芯材:未普遍使用

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 生產(chǎn)速度快,是一種經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)浸潤及固化材料的方式

2) 樹脂含量控制精確

3) 纖維成本最小化,無中間編織工藝

4) 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異,因?yàn)槔w維束沿直線排布,纖維體積分?jǐn)?shù)較高

5) 纖維浸潤區(qū)域可完全密閉,減少揮發(fā)物釋放

4、主要缺點(diǎn):

1) 此工藝限制了截面形狀

2) 加熱盤成本較高  

5、典型應(yīng)用:房屋結(jié)構(gòu)的梁和桁架,橋梁,梯子和圍欄



六、樹脂傳遞模塑工藝(RTM)


1、方法描述:將干纖維鋪覆在下模內(nèi),可以預(yù)先施加壓力使纖維盡量與模具形狀貼合,并予以粘合綁定;然后,把上模固定在下模上形成型腔,再將樹脂注入型腔。通常采用真空輔助樹脂的注入和對(duì)纖維的浸潤,即真空輔助樹脂注入工藝(VARI)。一旦纖維浸潤完成,即關(guān)閉樹脂導(dǎo)入閥,并將復(fù)合材料進(jìn)行固化。樹脂注入和固化既可以在室溫下進(jìn)行,也可以在加熱條件下完成。

2、材料選擇:

樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯和酚醛樹脂,雙馬來酰亞胺樹脂可以在高溫下使用

纖維:無要求??p合纖維更適合此工藝,因?yàn)槔w維束間隙利于樹脂傳送;有專門研發(fā)的纖維可以促進(jìn)樹脂流動(dòng)

芯材:蜂窩泡沫不適用,因?yàn)榉涓C單元將被樹脂充滿,壓力也會(huì)導(dǎo)致泡沫塌陷

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 纖維體積分?jǐn)?shù)較高,孔隙率低

2) 由于樹脂被完全密封,健康安全,操作環(huán)境干凈整潔

3) 減少勞動(dòng)力使用

4) 結(jié)構(gòu)件上下兩面均為模具面,易于后續(xù)表面處理  

4、主要缺點(diǎn):

1) 搭配使用的模具價(jià)格昂貴,為了承受較大壓力,重量大,相對(duì)笨重

2) 僅限于小型部件的制造

3) 易出現(xiàn)未浸潤區(qū)域,導(dǎo)致大量報(bào)廢

5、典型應(yīng)用:小型而復(fù)雜的航天飛機(jī)和汽車零部件,火車座椅


七、其他灌注工藝-SCRIMP,RIFT,VARTM等


1、方法描述:將干纖維以類似與RTM工藝中的方式鋪覆,然后鋪上玻纖布和導(dǎo)流網(wǎng)。鋪層完成后,用真空袋完全密封,在真空度達(dá)到一定要求時(shí),將樹脂導(dǎo)入整個(gè)鋪層結(jié)構(gòu)。樹脂在層合板中的分布依靠導(dǎo)流網(wǎng)引導(dǎo)樹脂流動(dòng)來實(shí)現(xiàn),最后自上而下將干纖維完全浸潤。

2、材料選擇:

樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯樹脂

纖維:任何常見纖維。縫合纖維更適合此工藝,因?yàn)槔w維束間隙加速樹脂傳送

芯材:蜂窩泡沫不適用

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 同RTM工藝,但僅其中一面為模具面

2) 模具一面為真空袋,大大節(jié)省模具成本,且對(duì)模具承受壓力的要求降低

3) 大型結(jié)構(gòu)件也可以具有很高的纖維體積分?jǐn)?shù)和較低的孔隙率

4) 標(biāo)準(zhǔn)的手糊工藝模具改造后可用于此工藝

5) 夾芯結(jié)構(gòu)可一次成型

4、主要缺點(diǎn):

1) 對(duì)于大型結(jié)構(gòu),工藝相對(duì)復(fù)雜,且修補(bǔ)無法避免

2) 樹脂粘度必須非常低,也降低了力學(xué)性能

3) 易出現(xiàn)未浸潤區(qū)域,導(dǎo)致大量報(bào)廢

5、典型應(yīng)用:試制小型船艇,火車和卡車的車身板,風(fēng)電葉片



八、預(yù)浸料-高壓釜工藝


1、方法描述:纖維或纖維布由材料制造商使用含有催化劑的樹脂預(yù)先浸潤,制造方法為高溫高壓法或溶劑溶解法。催化劑為室溫潛伏型,使材料在室溫下有幾周或幾個(gè)月的有效期;冷藏條件可以延長其儲(chǔ)存期限。預(yù)浸料可以手工或機(jī)器鋪入模具表面,然后覆蓋真空袋,加熱至120-180°C。加熱后樹脂可以再次流動(dòng),并最終固化??梢杂酶邏焊獙?duì)材料施加額外的壓力,通??梢赃_(dá)到5個(gè)大氣壓。

2、材料選擇:

樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、酚醛樹脂,耐高溫樹脂如聚酰亞胺、氰酸酯和雙馬來酰亞胺也可使用

纖維:無要求。纖維束或纖維布均可

芯材:無要求,但泡沫需耐高溫高壓

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 樹脂和固化劑比例以及樹脂含量均由供應(yīng)商準(zhǔn)確設(shè)定,很容易獲得高纖維含量和低孔隙率的層合板

2) 材料具有優(yōu)良的健康安全特性,工作環(huán)境潔凈,潛在地節(jié)省了自動(dòng)化和人工成本

3) 單向材料纖維成本最小化,無需中間工藝將纖維織成布

4) 制造工藝要求樹脂高粘度浸潤性良好,也優(yōu)化了力學(xué)和熱學(xué)性能

5) 室溫下可工作時(shí)間的延長意味著,結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及復(fù)雜形狀的鋪層亦很容易實(shí)現(xiàn)

6) 潛在地節(jié)省了自動(dòng)化和人工成本

4、主要缺點(diǎn):

1) 材料成本增加,但為了滿足應(yīng)用需求也是難以避免的

2) 需要高壓釜完成固化,成本較高,操作時(shí)間較長且有尺寸限制

3) 模具需要承受高的工藝溫度,對(duì)芯材有同樣的要求

4) 對(duì)于較厚部件,預(yù)浸料鋪層時(shí)需預(yù)抽真空,以排除層間氣泡

5、典型應(yīng)用:航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件(如機(jī)翼和尾部),F(xiàn)1賽車


九、預(yù)浸料-非高壓釜工藝


1、方法描述:低溫固化預(yù)浸料制造工藝與高壓釜預(yù)浸料完全相同,不同的是樹脂的化學(xué)特性允許其在60-120°C實(shí)現(xiàn)固化。對(duì)于低溫60°C固化,材料的工作時(shí)間僅一周;對(duì)于高溫催化劑(>80°C),工作時(shí)間可達(dá)到幾個(gè)月。樹脂體系的流動(dòng)性允許僅使用真空袋固化,避免使用高壓釜。

2、材料選擇:

樹脂:通常僅環(huán)氧樹脂

纖維:無要求,與傳統(tǒng)預(yù)浸料一樣

芯材:無要求,但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意

3、主要優(yōu)點(diǎn):

1) 具備傳統(tǒng)高壓釜預(yù)浸料((i.))-((vi.))全部優(yōu)點(diǎn)

2) 模具材料便宜,如木材,因?yàn)楣袒瘻囟容^低

3) 大型結(jié)構(gòu)件制造工藝簡單化,只需真空袋加壓,循環(huán)烤箱的熱空氣或者模具本身的熱空氣加熱系統(tǒng)即可滿足固化要求

4) 常見的泡沫材料也可使用,工藝較為成熟

5) 相比于高壓釜,能耗更低

6) 先進(jìn)的工藝保證了良好的尺寸精度和可重復(fù)性

4、主要缺點(diǎn):

1) 材料成本仍然高于干纖維,盡管樹脂成本低于航空航天用預(yù)浸料

2) 模具需要承受高于灌注工藝的溫度(80-140°C)

5、典型應(yīng)用:高性能風(fēng)電葉片,大型賽艇和游艇,救援飛機(jī),火車部件



十、半預(yù)浸料/梁用預(yù)浸料-非高壓釜工藝


1、方法描述:較厚結(jié)構(gòu)(>3mm)中使用預(yù)浸料很難在固化過程中將層間或重疊鋪層部分的氣泡排出,為了克服這一困難,預(yù)抽真空被引入了鋪層工藝,卻顯著增加了工藝時(shí)間。近年來,固瑞特推出了一系列具有專利技術(shù)的改進(jìn)型預(yù)浸料產(chǎn)品,使高品質(zhì)(低孔隙率)較厚層合板的制造實(shí)現(xiàn)了一步完工藝即可完成。半預(yù)浸料SPRINT由兩層干纖維夾一層樹脂膜的夾芯結(jié)構(gòu)組成,材料鋪入模具后,真空泵即可將其中的空氣在樹脂升溫變軟并浸潤纖維前完全抽干,然后再進(jìn)行固化。梁用預(yù)浸料SparPreg是一種改進(jìn)的預(yù)浸料,在真空條件下固化時(shí),可以很容易地將氣泡從粘合的兩層材料間排除。
2、材料選擇:
樹脂:多為環(huán)氧樹脂,其他樹脂也可用
纖維:無要求
芯材:大部分,但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意高溫
3、主要優(yōu)點(diǎn):
1)對(duì)于較厚的部件(100mm),依然可以精確獲得高纖維體積分?jǐn)?shù)和低孔隙率
2)樹脂體系的起始狀態(tài)為固體,高溫固化后性能優(yōu)異
3)允許使用成本較低的高基重纖維布(如1600克/平方米),提高鋪層速度,節(jié)約制造成本
4)工藝十分先進(jìn),操作簡單且樹脂含量精確控制
4、主要缺點(diǎn):
1)材料成本仍然高于干纖維,盡管樹脂成本低于航空航天用預(yù)浸料
2)模具需要承受高于灌注工藝的溫度(80-140°C)
5、典型應(yīng)用:高性能風(fēng)電葉片,大型賽艇和游艇,救援飛機(jī)
來源:復(fù)材應(yīng)用技術(shù)


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