用作树脂基复合材料的基体有热固性与热塑性树脂两类,其中以热固性树脂最为常用。下面分类介绍具体成型工艺。
5.4.1.1 热固性树脂复合材料成型工艺
热固性树脂基复合材料以热固性树脂为基体,以无机物、有机物为增强材料。常用的热固性树脂有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等,常用的增强材料有碳纤维、玻璃纤维、有机纤维和石棉纤维等。其中,碳纤维常用以增强环氧树脂,玻璃纤维常用以增强不饱和聚酯树脂。热固性树脂基复合材料的成型方法主要有以下几种:
手糊成型。是先在涂有脱模剂的模具上均匀涂上一层树脂混合液,再将裁剪成一定形状和尺寸的纤维增强织物按制品要求铺设到模具上并使其平整,多次重复以上步骤逐层贴直至所需层数,然后固化成型,脱模修整获得坯件或制品的成型方法。手糊成型的特点是:生产成本低;工艺简单,操作方便;其制品的形状和尺寸不受限制,适用于多品种、小批量生产。手糊成型通常用于储罐、储槽、制造船体、大口径管道、风机叶片、汽车壳体等大中型制件。
喷射成型。是将混有引发剂和促进剂的两种树脂胶液分别从喷枪两侧喷出,同时将切断的玻纤粗纱由喷枪中心喷出,使其与树脂均匀混合,沉积到模具上,当沉积到一定厚度时,用辊轮压实,使纤维浸透树脂,排除气泡,固化后成制品的成型方法。喷射成型法:可减少飞边,降低裁布及剩余胶液的消耗;无接缝,层间剪切强度高,树脂含量高,抗腐蚀、耐渗漏性好;产品尺寸、形状不受限制。可用于汽车车身、成型船体、机器外罩、大型容器和大型板等制品。
铺层成型。是用手工或机械手,将预浸材料按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴至所需厚度或层数,获得铺层坯件,然后将坯件装袋,经加热加压固化、脱模修整获得制品的成型方法。铺层成型通常有真空袋法、加压袋法、热压罐法等,它们均可与手糊成型和喷射成型配套使用,用于坯件的加压固化成型,作为复合材料坯件的后续成型加工方法。常用于成型制作飞机机翼、舱门、尾翼、壁板、隔板等薄壁件及工字梁等型材。铺层成型的特点是制品强度较高,铺贴时,纤维的取向、铺贴顺序与层数、可接受力需要根据材料优化设计来确定。(www.daowen.com)
缠绕成型。是将浸过树脂胶液的连续纤维(图5-15),或使用布带、预浸纱,按照一定规律缠绕到芯模上,然后经固化、脱模而获得制品的成型方法。与其他成型方法相比,缠绕法成型可以保证按照承力要求确定纤维排布的方向、层次,充分发挥纤维的承载能力,体现复合材料强度的可设计性及各向异性。缠绕成型的制品结构合理、比强度高。纤维按规定方向排列整齐,制品精度高、质量好;易实现自动化生产,生产效率高。主要用于须承受一定内压的中空容器,如固体火箭发动机壳体、压力容器、管道、火箭尾喷管、导弹防热壳体、贮罐、槽车等。根据纤维缠绕成型树脂基体的物理化学状态不同,分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。干法缠绕是指经过预浸胶处理的预浸纱或带,在缠绕机上经加热软化至黏流态后缠绕到芯模上的成型方法。湿法缠绕是指将纤维集束为纱或带,浸胶后,在张力控制下直接缠绕到芯模上的成型方法。半干法缠绕是纤维浸胶后,在缠绕至芯模的途中,增加一套烘干设备,将浸胶纱中的溶剂除去的成型方法。半干法缠绕与干法相比,省却了预浸胶工序和设备;与湿法相比,可使制品中的气泡含量降低。
图5-15 纤维缠绕示意图
模压成型。是将模塑料、预浸料以及缠绕在芯模上的缠绕坯料等放在金属模具中,在压力和温度作用下经过塑化、熔融流动,充满模腔成型固化而获得制品的成型工艺。模压成型又可分为压制模压成型、压注模压成型与注射模压成型三种。模压成型方法适用于异型制品的成型,生产效率高,制品的尺寸精确、表面粗糙度小、外观好、重复性好、材料质量均匀及强度高,适合大批量生产。结构复杂的制品可以一次成型,无须有损制品性能的辅助机械加工过程。其主要缺点是模具设计制造复杂,一次投资费用高,制件尺寸受压机规格的限制,一般限于中小型制品的批量生产。热固性树脂基复合材料成型还有其他成型方法,例如层压成型、离心浇注成型和挤拉成型。
5.4.1.2 热塑性树脂复合材料的成型工艺
热塑性树脂基复合材料以各种热塑性树脂为基体,用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等作为增强材料。与热固性树脂基复合材料相比,热塑性树脂基复合材料具有韧性高、吸湿性小、容易修补、可作二次成型、成型工艺简单、预浸料在室温下可无限期贮存等优点。由于热塑性树脂和增强材料种类不同,其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。热塑性树脂基复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类,其生产工艺也有所区别:短纤维增强复合材料主要的成型方法有挤出成型工艺、注射成型工艺、离心成型工艺;连续纤维增强及长纤维增强复合材料主要的成型方法有预浸料模压成型、片状模塑料冲压成型、片状模塑料真空成型、预浸纱缠绕成型和拉挤成型。热塑性树脂基复合材料成型时,基体树脂不发生化学变化,而是靠树脂的物理变化来完成。其过程主要由加热熔融、流动成型和冷却硬化三个阶段组成。已成型的坯件或制品,在加热熔融后还可以二次成型。
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