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复合材料工学

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复合材料工学. 主讲人: 王晓钧 材料科学与工程学院. 目 录. 1 、绪论 6 、夹层结构 2 、玻璃纤维表面处理 7 、模压成型 3 、热固性树脂工艺性能 8 、缠绕成型 4 、手糊成型 9 、挤出注射成型 5 、喷射成型 10 、 连 续成型. 课间休息. 复合材料分类. 金属基复合材料. 树脂基复合材料. 无机非金属基. 绪 论. 金属基复合材料. 硼 / 铝复合材料. 碳化硅纤维 / 铝复合材料. 金属基复合材料. 树脂基复合材料. 玻璃 / 酚醛 高硅氧 / 酚醛 涤纶 / 酚醛 碳 / 酚醛 碳 / 环氧 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 复合材料工学

文库专用 1

复合材料工学

主讲人:王晓钧

材料科学与工程学院

Page 2: 复合材料工学

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目 录1、绪论 6、夹层结构2、玻璃纤维表面处理 7、模压成型 3、热固性树脂工艺性能 8、缠绕成型4、手糊成型 9、挤出注射成型5、喷射成型 10、连续成型

课间休息

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绪 论

金属基复合材料 树脂基复合材料 无机非金属基

复合材料分类

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金属基复合材料

硼 / 铝复合材料

碳化硅纤维 / 铝复合材料

金属基复合材料

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树脂基复合材料玻璃 / 酚醛高硅氧 / 酚醛涤纶 / 酚醛碳 / 酚醛碳 / 环氧蜂窝夹层结构复合材料经编复合材料多维整体编织织物复合材料耐高温树脂基复合材料特种不燃防(隔)热材料

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无机非金属基复合材料

碳基复合材料: 整体毡碳 / 碳 低密度碳 / 碳 多维整体编织碳 / 碳陶瓷基复合材料: 石英织物增强复合材料 高硅氧织物增强复合材料

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复合材料的发展概况1932 年 诞生于美国42~45 年 手糊军用雷达罩,远航飞机油箱材料 玻纤增强聚酯树脂。44 年 飞机机身、机翼 与上述改进:玻钢夹层结构46 年 纤维缠绕成型50 年 压制成型,直升机螺旋桨 49 年 玻纤预混,对模压制成型

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60 年代 机械式,计算机缠绕 玻纤、聚酯树脂喷射成型61 年 德国,片状模塑料( SMC )问世 63 年 FRP 板材工业化生产,美、法、日60 年代中 美、日 SMC 汽车部件,浴盆,船上构件60 年代 棒材、细管、定型截面制品70 年代 拉挤,环向缠绕 树脂反应注射成型( RIM ) 增强树脂反应注射成型( RRIM ) 卫生器具,汽车零件

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72 年 美国 PPG 公司,热塑性片状模塑料 (SMTC)

80 年 法国,湿法热塑性片状模塑料 (GMT)

60~80 年代 离心浇铸成型,瑞士 美国,大口负压管道

发展领域 军→民 美国 民→军 西欧

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主要国家 1990 年 CM 产量

种类国家

热固性复合材料(万 t )

热塑性复合材料(万 t )

美国 117 33.3

西欧 118.5 30

日本 45.4 18.9

中国 10.3 0.3

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应用范围 建筑 轻型房屋(日本) 装饰(雕塑、装饰件)

卫生洁具(淋浴室) 冷却塔(中国可见) 贮水箱(中国上海可见) 波形瓦(样品) 塑钢门窗 落水系统(落水管、雨蓬) 地面,墙布,桌椅,卫生桶

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化学工业 防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架交通 汽车构件、铁路客车、通讯器材、 高速公路格栅造船 各种小艇、无磁性小艇、破障艇电器 元器件、灯具(杯)、绝缘工具军事航空 弹体件、雷达罩、飞机附件体育 撑杆、弓箭、球拍、雪橇、赛车、 滑板、赛艇、 皮艇、划桨、渔杆、按摩舱农业 温室( FILON板,透光率99%) 食品级设备机械 机械零配件

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中国复合材料的状况:传统的福建漆器,漆雕现代的“玻璃钢”

复合材料性能:性能的可设计性力学性能、热学性能、耐腐性能。

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主要成型工艺 手糊、袋压、喷射、树脂注射、模压、缠绕、连续、离心手工 异形,小批量产品,投资低、效率低、 重复性差机械自动化 外形不复杂,批量大产品,连续性、 投资高、效率高、重复性好、性能好

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玻璃纤维表面处理

§1-1 、概述意义:纤维——基体界面的结构和性能对复合材料的力学性能和物理性能起主要作用。如断裂、韧性、腐蚀、刚度、膨胀等。

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§1-2 、表面复合材料的结构

1 、结构:数种弹性性能不同的材料薄片交替铺叠而成。如图所示:

A

A’

B’

B

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2 、决定因素:纤维的原子排列,化学性能高分子基体的分子结构和化学组成例:纤维的高模量、高强度性能使它成为理想的负荷载体,但必须有一种模量较低的基体把它牢固地粘结起来,使任何一根纤维的断裂,对整体的强度影响不大。这就要求纤维对基体有良好的浸润性,但玻纤和碳纤对树脂的浸润性是相当差的,表现在层间剪切上。

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§1-3 、处理剂作用理论 1 、耦联目的:增加玻纤与树脂间的粘结力2 、耦联作用:耦联剂具有两种或两种以上性质不同的官能团,一端亲玻纤,一端亲树脂。从而起到玻纤与树脂间的桥梁作用。※耦联剂的主要功能是在纤维表面的氧化物分子团和树脂的聚合物分子之间建立很强的化学键合,产生很强的耐水键。※耦联剂的部分作用是提高表面能以保证树脂很好的浸润。

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3 、耦联机理: 不吸湿,带羟基 SiO2,Al2O3,Fe2O3带羟基, —M—OH, M=Si, Fe, Al 。玻纤表面 水合完以后 ,分布基团 留下来由不

水合氧化物 网络构成的 疏松表面。 吸水基,形成水合氧化层

Page 20: 复合材料工学

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§1-4 、处理剂种类和作用机理

1 、种类有机硅烷型,非有机硅烷型2 、通式 R——SiX3

↑ ↑

与聚合物作用端 与 Si键合的可水解基团

Page 21: 复合材料工学

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3 、作用过程:(1) 水解R—SiX3+ H2O→R—Si ( OH ) 3+ 3HX

(2) 与纤维表面羟基结合

R

Si

O

HO OH

H H

O

M

R

Si

O

HO OH

H H

O

M

玻璃纤维

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(3)脱水

聚硅氧烷层

玻璃纤维

HO Si O Si OH

R R

O O

M M

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(4) 与树脂结合

R 基团与树脂基团相似相容

玻璃纤维

刚性键 HO Si O Si OH

R R

O O

M M

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(5)克服刚性键第一、形成改性区——改性树脂区:机械性能介于纤维和树脂的机械性能之间。产生方法:a 、硅烷耦联剂改变纤维表面区域基体树脂的固化行为。b 、用含有长链 R 基团的硅烷耦联剂,使得固化以后在纤维和树脂之间出现一层性能不同于块状树脂的树脂层。

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第二、 Plueddemann 机制核心:两个表面相互滑移但不产生永久性的联键破坏。1974 年 Plueddemann 提出界面上的运动或滑移

可以松弛局部应力,但却维持其化学键合。

如图:见下页

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H2O+

玻璃纤维

HO Si OH

R

O

M

R

Si

O

HO OH

H H

O

M

R

Si

O

HO OH

H H

O

M

Plueddemann 机制图存在分子水时,水会扩散透过树脂进入界面,共价键M—O便发生可递的水解过程。因为过程的可逆性,当水扩散出去之后,共价键重新恢复。

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当一个与界面相平行的简单剪应力作用时,两个表面会相互滑移,但不产生永久性的联键破坏。

R R R R

聚合物

玻璃 M M M M

聚合物R R R R

M M M M

玻璃

滑移

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总之:

纤维——硅烷界面和硅烷——树脂  ↑ ↑

化学键合 化学键合,相互扩散

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§1-5 、纤维的表面处理工艺 1 、玻纤前处理,后处理,迁移法三种。(1)前处理耦联剂代替石蜡型浸润剂,直接用于玻纤拉丝集束,使用时勿须脱蜡处理。强度完好,柔性较差。(2)后处理纤维先热处理脱蜡,然后浸渍耦联剂,再经预烘、蒸馏水洗涤、干燥工序。热处理导致强度下降。

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(3)迁移法耦联剂直接加入树脂配方中,让它在浸胶和成型过程中迁移到玻纤表面发生耦联作用。方法简便,可增加纤维与树脂间的粘结力,提高了强度与电性能。

2 、碳纤与玻纤不同,一般采用表面活化的办法,提高了碳纤与树脂复合材料的剪切强度。有液相氧化、气相氧化、阳极氧化、 Co60或中子辐照。

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热固性树脂工艺性能§2-1 、浸润性能

不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂三大类。用于制造纤维增强复合材料时有三条浸润途径。1 、湿法加工低粘度树脂浸润干燥的纤维。方法 1 :湿法铺糊,用辊压的方法将纤维毡用树脂浸渍。方法 2 :湿法缠绕或纤维缠绕,用纤维束通过树脂槽拉出缠绕在所需形状的芯轴或芯模上。

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方法 3 :树脂注塑,纤维在闭模中铺好,树脂在重力或外压的作用下注入模子。 工艺因素:(1) 树脂对纤维的完全浸润(2) 树脂粘度(3) 树脂与纤维之间的界面的表面张力(4) 纤维体积百分数高,直径细小,完全浸润需长时间和高压。

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2 、预浸润第一步:生产预浸料把纤维和树脂铺在两张硅化纸或塑料薄膜之间,再对它加压或辊压,确保压实和纤维浸润,然后部分固化得到浸有树脂的纤维带或片。该步工艺优点:单向层中的纤维定向程度极好。

第二步:去纸或薄膜移去纸或薄膜后,将预浸料铺叠成物件形状或把预浸带缠绕在芯轴上,通过加压压实,最后由加热加压实现固化。

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3 、改性预浸渍法

形成中间产物:片状模塑料 SMC

团状模塑料 DMC

SMC :是一种含有化学增稠剂和碳酸钙的薄片。DMC :含较多的填料和较低的纤维含量,并且纤维是三维取向的,在模中热压后,进一步压实并固化,得到结实又刚硬的 DMC 。

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§2-2 、粘接性能 发生在界面上的粘着认为有五种机理。1 、吸附和浸润两电中性的表面,粗糙,表面足够近地靠在一起。 物理吸引 两种现象孤立点接触

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要使纤维表面有效浸润,必须:液态树脂覆盖表面上的每个峰谷,空气完全排除。浸润方程: Wa=γSV+ γLV- γSL

Wa :由高度集中的分子间色散力引起的物理结合。理想状态,这种色散力能在树脂与碳纤维或玻璃纤维之间产生很强的粘结。

S

V

L

γLV

γSV

γSL

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它受下列因素影响:

(1) 纤维表面受沾污使有效表面能大大低于原固体的表面能。(2) 材料表面有截留的空气和其他气体存在。(3) 固化过程中形成很大的凝缩应力,在表面引起不可恢复的位移。这种强的物理结合在这些因素的影响下,往往不能成为理想状态的强结合。

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2 、相互扩散 两种聚合物表面有可能形成的,通过一个表面上聚合物分子向另一个表面的分子网络扩散形成粘结。——定义,也叫自粘着作用界面上分子缠绕的数量和所包含分子的数目——粘结强度的决定因素。溶剂和增塑剂的存在——有助于扩散。

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3 、静电吸引一个表面携有净正电荷而另一个表面携有净负电荷时,两个表面之间会产生吸引力——定义。控制 PH值→控制电荷密

度→最佳耦联效果→界面强度

+ + + + + +

- - - - - -

+ + + + +

- - - - -

+ + + + +

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4 、化学键结合耦联剂作用机理。

5 、机械粘着两粗糙表面形成的纯粹机械连锁作用。

A A A A A A

B B B B B B

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§2-3 、流动性能 树脂在熔融态经历了延展(拉伸)和剪切两种流动,这种简单的二维变形对纤维产生影响。延展流动:纤维朝延伸的方向转动,延伸量很大,纤维取向程度也大。剪切流动:一些纤维朝剪切方向转动,其他纤维朝相反方向转动,因此在纤维的取向上没有净变化。部分取向的材料中,剪切流动的作用使得一些纤维转离取向主方向。

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§2-4 、固化性能 1 、交联(1) 交联的作用热固性聚合物,通过化学交联由液态树脂转变成硬而脆的固体物质,交联导致了高分子链的三维网络的紧密键合的形成。(2) 交联的工艺因素机械性能取决于组成网络的分子单元和交联的长度与密度,前者由所用的化合物决定。后者受交联工艺,其中也包括固化工艺的控制。

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(3) 交联工艺程序:a 、设定温度、加热时间→最佳交联,最佳性能。b 、设定某一较高温度→进一步固化,提高性能。2 、热响应热固性树脂一般是各向同性的。热固性树脂的最大特点是对热的响应,它不因加热而熔化,这一点与热塑性塑料不同。不过,当加热到热变形温度时,热固性树脂会失去其刚度,这也就规定了热固性树脂在结构件上应用的有效上限温度。

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与热塑性塑料相比,在交联和热响应中两者有何不同?

热塑性塑料分子间没有交联。热塑性塑料的强度和刚度来源于单体链节所固有的性质及其高分子量。由此可以肯定,在非晶态热塑性塑料中存在着高度集中的分子缠结,这些缠结起着交联的作用,与热固性树脂不同。

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手糊成型工艺模具

涂脱模剂手糊成型

树脂胶液 增强材料

原材料

设备

固化 脱模

后处理 检验 制品

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手糊工艺视频

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定义:用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。特点:

优点 缺点形状任意、复杂 效率低下

设备简单、投资小、折旧低 工作环境差工艺简单 产品质量不稳

可任意添补 产品力学性能不好树脂量高,耐腐蚀 批量小

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§1 、原材料

要求:满足设计要求 手糊工艺要求 价低易得

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§1-1 、聚合物基体 要求: 1 、室温下固化、胶凝,生成高分子物 2 、胶液粘度: 0.2~0.5Pa•S (适合手糊) 3 、无毒或低毒 4 、价低种类:不饱和聚酯树脂 环氧树脂 双马来酰亚胺树脂 聚酰亚胺树脂

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§1-1-1 、不饱和聚酯树脂优点:常温迅速固化 ,粘度低,良好的性能。缺点:怕氧,固化收缩大,固化易受温度、湿度影响。品种:通用型 专用型

耐腐 阻燃 低收缩 耐候

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§1-1-2 、环氧树脂价格相对较高,但性能好。受力结构或耐碱、电性能等制品多用环氧树脂。自熄型环氧树脂,简称溴化环氧,有较好自熄效果,但粘度大,不适合手糊工艺。

品种 双酚 A 型 脂环族 自熄型 分子量 300~700

软化点 <30℃

牌号

E-51 (618) R-

122(6207) Ex-25

E-44 (6101)

300#

E-42 (634) 400#

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§1-1-3 、辅助材料 1 、稀释剂

活性稀释剂 非活性稀释剂 参与反应 不参与反应 少量 5~15%

对树脂固化后影响小 对树脂固化后有影响 用于较高要求 有毒 一般低毒

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2 、填料无机:粘土、 CaCO3 、白云石、滑石粉、石英粉、石墨有机:聚氯乙烯粉

3 、色料使用无机颜料。一般不用有机颜料,易与有机树脂反应。

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§1-2 、增强纤维 玻璃纤维、碳纤维、芳伦纤维、其它纤维。

E- 玻纤: 无碱纤维 成本高C- 玻纤: 耐酸性 成本低A- 玻纤:有碱纤维 成本低S- 玻纤: 高强纤维M- 玻纤: 高弹纤维L- 玻纤: 防辐射纤维

中国的中碱玻纤

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§1-2-1 、玻纤制品 ※玻纤无捻粗纱:由无捻络纱机将拉丝得到的原纱平行并股卷成圆筒形。 命名法: 无碱无捻纱 8 • 24 / 5

玻纤种类 单丝直径

原纱号数

并股纱数

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※短切纤维毡

将连续玻纤经浸润剂集束后,按一定长度切断,无序分散成一定厚度,再用粘结剂合成毡状。特点:成本低,使用方便,各向同性。缺点:强度低。衬里毡、表面毡。

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※无捻粗纱布方格布特点:经纬强度均衡,冲击强度高,成型容易,与短切毡合用。缺点: 45°方向强度低。 ※玻纤细布平纹布特点:变形量小,铺覆性好,曲率复杂制品。※单向织物单位宽度内经纱量远大于纬纱量。特点:管道、贮罐,适用于某单向需要加强。

Page 65: 复合材料工学

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§1-2-2 、碳纤维

特点 强度高、模量高、耐高温

品种 普通型 高强型 高模量型

超高强度型

超高断裂伸长型

生产原料

沥青纤维

聚丙烯腈

用途 航空、航天、汽车、体育用品

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§1-2-3 、 Kevlar 纤维 美国杜邦公司 (Dupont)开发的聚芳酰胺纤维

品种: Kevlar29 Kevlar49 特点:刚性模量很大,密度低,强度高,热膨胀系数低,耐高温性能优良,韧性好,表面缺陷影响小,价格比碳纤维低 。

缺点:抗压强度低,日照芳环链会解链 。

Page 67: 复合材料工学

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§1-3 、手糊工艺

§1-3-1 、原材料准备

§1-3-1-1 、胶液主要工艺参数:胶液粘度,凝胶时间1 、胶液粘度定义:表征流动特性。

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调节

粘度高(稠)不易涂刷和浸透

粘度低(稀)凝胶前胶液流失

邻苯二甲酸二丁酯

环氧丙烷丁基醚

0.2~0.8Pa•S

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2 、凝胶时间定义:指在一定温度条件下,树脂中加入定量引发剂、促进剂或固化剂,从粘流态到失去流动性,变成软胶状态的凝胶所需的时间。

凝胶时间过短 粘度迅速增大,不能浸透材料, 局部固化。凝胶时间过长 凝胶期过长,生产周期相应变长, 胶液流失,胶连剂挥发,贫胶、 固化难。

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受控因素:(1)胶液体积体积大,反应热不易散发,相当于给胶液加热,凝胶时间变短。(2) 环境温度与湿度气温高,凝胶短,气温低,凝胶长,气温太低,固化不良 (15 )℃ 。温度低,时间短;温度高,时间长。(3) 制品厚度与表面积大小厚度厚,表面积大,时间长。(4) 交联剂蒸发损失延长凝胶时间,对大表面积制品注意。

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(5) 树脂胶液中混入某些物质 聚合反应被抑制(交联聚合中毒),因此注意胶液的清洁,加盖。(6)填料加入量料大延长时间※书中不饱和聚酯树脂凝胶时间、环境温度、促进剂用量关系参考。经验 1 :配胶时将树脂与固化剂以外的组分先调好搅匀,施工前加入固化剂,搅匀后马上使用(如色素预混)。经验 2 :伯胺 + 低活性固化剂,控制环氧树脂胶凝时间。

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3 、不饱和聚酯树脂胶液配制

4 、环氧树脂胶液配方

树脂 + 引发剂 + 促进剂

预混 操作前

环氧 + 固化剂(胺类)

稀释剂,辅助剂

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§1-3-1-2 、增强材料 布,毡预处理:干:烘干,不潮湿净:无油污下料:按样下料注意点: 1 、布的方向性,设计规定排向。(例如:正交要求纵横交替,管道注意受力方向)

Page 74: 复合材料工学

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2 、同一铺层拼接

3 、圆形: 45° 成带 锥形:扇形4 、节约

搭接

错开对接 传(受)力均匀

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§1-3-1-3 、胶衣糊 1 、种类与功效 33号间苯二甲酸型胶衣树脂:耐水36PA 树脂:不透明、自熄39号胶衣树脂,间苯二甲酸 -HET酸酐:耐热、自熄21号胶衣树脂,新戊二醇:耐水煮、耐热、不污染、柔韧耐磨 2 、配置胶衣树脂 + 引发剂 + 促进剂

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§1-3-1-4 、手糊制品厚度与层数计算 1 、厚度

数学计算见书 P.26

t = m × k

制品厚度mm

材料质量

Kg/m2

厚度常数mm/Kg•m-2

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2 、层数计算

n = A /mf (kf + ckr)

A : 制品总厚度 (mm)

mf :增强纤维单位面积质量 (Kg/m2)

kf  :增强纤维厚度常数 (mm/Kg•m-2)

kr : 树脂基体的厚度常数 (mm/Kg•m-2)c : 树脂与增强材料的质量比(含胶量)n : 增强材料铺层层数

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§1-3-2 、工艺操作——糊制 §1-3-2-1 、表面层

定义:制品表面需要特制的面层——富树脂层。构成:

厚度: 0.25~0.5mm工艺:涂刷 横竖刷喷涂 左右平行喷

加有颜料的胶衣树脂粉末填料的普通树脂玻纤表面毡

三类

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喷涂影响因素: 1 、触变指数→影响雾化扇面宽度。喷射距离 400~500mm

此时触变指数 5~5.5以上 2 、温度 25~30℃,喷枪气压 0.3~0.4MPa

3 、气泡 杜绝 4 、苯乙烯 防止挥发 5 、水 杜绝

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§1-3-2-2 、铺层 连续,拼接时要对接,接缝错开,外包封,多层拼接用多次薄层法拼接。

详见书 P.27

接缝 布层

附加布

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§1-3-3 、工艺操作——固化

§1-3-3-1 、不饱和聚酯树脂固化

引发剂 游离基 树脂双键打开 聚合 产生 使 自行

(凝胶→定型→熟化)时间、温度、硬度

促进剂

迫使

烘箱、固化炉、模内加热、红外

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§1-3-4 、工艺操作——影响因素 配方、反应过程、后加工。1 、原材料方面纤维:质量不匀,扭结、断头、沾污、含湿,质量不达标,内应力高,石蜡浸润剂存在。树脂:粘度不宜,浸润性差,树脂的指标不合格(酸值、挥发分、分子量分布、环氧值等)2 、反应中:不按规程操作,固化剂纯度、用量,室温,湿度,加压时机等。 3 、后加工:脱模,机加工,连接不当。 4 、质量控制:避免上述影响因素。

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5 、常见缺陷: 胶衣 原因

起皱 胶衣层太薄,胶衣未固化就糊增强层,交联剂使胶衣溶胀

龟裂 胶衣层厚薄不均,厚部牵拉 变色 颜料含水量严格控制

书中详列原因与方法 制品 原因

皱缩 拐角或斜坡曲面(原因及防治参见书P.31 )

翘曲与变形 (原因及防治参见书 P.32 )

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喷射成型工艺

1 、定义:(1)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(或枪内混合)喷出,同时将玻纤无捻粗纱用切割机切断,并由喷枪中心喷出,与树脂一起均匀沉积到模具上。(2)待沉积到一定厚度,用手辊滚压,使纤维浸透树脂,压实并除去气泡,最后固化成产品。

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工艺流程:

玻纤无捻粗纱

聚酯树脂→加热 引发剂

促进剂

静态混合→切割喷枪→喷射成型

模具

辊压

固化

脱模

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喷射成型工艺

Page 87: 复合材料工学

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2 、分类 气动型 压缩空气的喷射将胶液雾化并喷 涂到芯模上 烟雾弥漫,浪费,污染液压型 内混 喷枪头紊流混合器内混 污染小,易堵枪,丙酮及时洗 外混 喷枪外混,类似气动 浪费,污染 先混 静态混合器,好,贵

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3 、优点:效率高,成本低,整体性(无 缝),产品壁厚可调节。

缺点:污染大,树脂用量大,制品强 度低(短切)

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§2-1 、喷射工艺控制 §2-1-1 、工艺参数

1 、纤维:含量为 28~33% ,长度 25~50mm<25% , <10mm ,强度低<45% , >50mm ,气泡多,不分散2 、含胶量: 60%左右3 、胶液粘度: 0.3~0.8Pa•S ,触变度 1.5~44 、喷射量:喷嘴直径Φ1.2~3.5mm ,喷胶量 8~60g/s5 、喷角、喷距:喷角 20° ,喷距 350~400mm ,粘度 0.2Pa•S ,雾化压力 0.3~0.5MPa

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§2-1-2 、工艺要点 1 、环境温度: 25±5℃

高:固化快,堵枪低:粘度大,浸渍不好,固化慢

2 、标准化作业3 、独立供气,除湿(国内难)4 、胶液罐恒温5 、调节割辊与气压同步

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6 、底胶先喷,初终光面(打薄)7 、均匀喷射8 、滚压、排气泡、修毛刺9 、旋转喷嘴,调喷射直径10 、特殊部位 曲面——法线方向 沟槽——四周向内 转角——由内向外

Page 92: 复合材料工学

文库专用 92

§2-1-3 、缺陷及防治

见书 P.36

“软”,“硬”,“快”,“过头”,“泡”。

Page 93: 复合材料工学

文库专用 93

§2-2 、树脂传递模塑与反应注射模塑

树脂传递模塑: Resin Transfer Molding

反应注射模塑: Reaction Injection Molding

RTM 定义:将液态热固性树脂(通常为不饱和聚酯)及固化剂,由计量设备分别从储桶内抽出,经静态混合器混合均匀,注入事先铺有玻纤增强材料的密封模内,经固化,脱模,后加工而成制品。

Page 94: 复合材料工学

文库专用 94

§2-2-1 、原材料 1 、树脂系统 低粘度,低放热,快固化,以适应树脂 RTM

的反应机理,设备需求。 低粘度 抽、注要求低放热 密封模固化要求快固化 生产周期要求

Page 95: 复合材料工学

文库专用 95

工艺参数:粘度 250~300 Pa•S

放热 80~140℃凝胶 5~30min

固化 2倍胶凝时间2 、增强材料玻纤毡,短切毡,无捻粗纱,预成型毡,表面毡。根据 RTM 的工艺流程,材料必须要(增强部分)(1)铺覆性好,在模内铺覆保持尺寸。(2)质量均匀(只在中国),制毡受力均匀。

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(3)容积压缩系数大,初试合模时均匀受力,注入树脂时也均匀受力。(4) 耐冲刷性能好,树脂用泵注入时,对于树脂的反复流动不变性。(5) 对树脂流动阻力小,让树脂均开。应用品种:连续毡,连续毡 +短切毡混合,无捻粗纱,表面毡。3 、填料无机填料为主

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§2-2-2 、工艺特点和基本性能 1 、主设备、模具、模压机投资少(低压),但模具要求高。 2 、在模具好的条件下,能保证制品光滑,尺寸稳定,组合容易。3 、可预加入物质。4 、模具制造周期短,更新品种容易。5 、可选多种树脂、填料,但要求树脂高。

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6 、单位产量高。7 、后处理少。8 、闭模生产,污染小。9 、 RRIM 制品抗压强度高,耐腐。

基本性能见书 P.50表 2-23 , 2-24 。

Page 99: 复合材料工学

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夹层结构诞生起因:减重,保温。 生产方式:手工,机械。1 、夹层性质:泡沫塑料夹层蜂窝玻璃布夹芯玻钢、玻纹板2 、夹层结构六边形,矩形,加强带六边形

Page 100: 复合材料工学

文库专用 100

§3-1 、蜂窝夹层结构

§3-1-1 、原材料

布、纸、箔 蒙皮,易成异型

芯材易拉伸,成网状

Page 101: 复合材料工学

文库专用 101

粘接剂:

蒙皮,芯材浸胶,胶接

环氧,不饱和聚酯

酚醛,有机硅

DAP 树脂

蜂窝夹芯制造 聚醋酸乙烯酯 聚乙烯醇缩丁醛胶

环氧树脂

Page 102: 复合材料工学

文库专用 102

§3-1-2 、蜂窝夹芯制造

芯材分类 低密度:纸、布(玻璃,棉)

高密度:钢材,合金钢

芯的制造 塑性胶接 模压 胶接拉伸

手工涂胶

机械涂胶

Page 103: 复合材料工学

文库专用 103

§3-1-2-1 、手工涂胶

胶条纸板如同丝网印花的丝网涂胶如同印彩色釉连接如此间隔叠层(见书)达到厚度,固化、切割、手拉开

Page 104: 复合材料工学

文库专用 104

§3-1-2-2 、机械涂胶 印胶法:同墙、地砖机械印花法类同,把底面再印一次胶。

Page 105: 复合材料工学

文库专用 105

§3-1-2-3 、金属蜂窝胶接拉伸法 工艺流程:

金属箔→表面处理→胶液涂刷→干燥→打通气孔

化学除油 化学粗化 水洗干燥

60~70 ℃洗涤剂 3~5min

磷酸钠硅酸钠液体皂

剪裁、定位、叠合

加压固化

拉伸 蜂窝

Page 106: 复合材料工学

文库专用 106

§3-2 、泡沫塑料夹层

§3-2-1 、基本性能 质量轻,绝热,隔音,均匀传递外力。

详见书 P.65表 3-4

Page 107: 复合材料工学

文库专用 107

§3-2-2 、泡沫塑料夹芯种类与工艺

§3-2-2-1 、种类1 、生产的树脂基体分 聚苯乙烯,聚氯乙烯,聚氨酯,聚乙烯,脲甲醛,酚醛,环氧,有机硅,聚丙烯,氯化或磺化聚乙烯,聚碳酸酯,聚四氟乙烯。

Page 108: 复合材料工学

文库专用 108

2 、泡沫塑料硬度压缩变形:

3 、密度

10% 硬质

2~10% 半硬质

<2% 软质

>0.4Kg/m3 低发泡

0.1~0.4 Kg/m3 中发泡

<0.1 Kg/m3 高发泡

Page 109: 复合材料工学

文库专用 109

§3-2-2-2 、发泡方法 1 、物理发泡 压入气体发泡低沸点液体蒸发发泡2 、机械混入“固化”气泡3 、化学发泡内部化学反应发泡

Page 110: 复合材料工学

文库专用 110

§3-2-2-3 、聚氨酯泡沫塑料制备工艺

聚醚或聚酯树脂

异氰酸酯

助剂

化学反应

Page 111: 复合材料工学

文库专用 111

C C

O

氧化烯烃 + 多元醇 聚醚 + H2O

1 、聚醚

C

C

OH

O HO

C

C C

O

O

C

Page 112: 复合材料工学

文库专用 112

R C OH

O

C

O

HO R

C

C

OH

OH

R C O

O

CC

O

HO

二元酸 + 多元醇 聚酯

2 、聚酯

Page 113: 复合材料工学

文库专用 113

3 、异氰酸酯

CH3

C

O

N26

4

甲苯二异氰酸酯

2 , 6 ,对称稳定性,形成开孔泡。 2 , 4 ,不稳定性,形成闭孔泡。

Page 114: 复合材料工学

文库专用 114

4 、催化剂 叔胺类 + 有机锡

异氰酸酯 +羟基化合物

异氰酸酯 +羟基化合物

异氰酸酯 +水

Page 115: 复合材料工学

文库专用 115

5 、发泡剂二氧化碳,卤化碳6 、表面活性剂水溶性硅油,磺化脂肪醇,磺化脂肪酸7 、其他助剂改善功能用

Page 116: 复合材料工学

文库专用 116

8 、工艺反应机理(1)链增长反应

(2)放气反应

(3)氨基与异氰酸酯反应

(4)交联和支化反应

(5)缩二脲

(6)羧基聚酯与异氰酸酯反应

Page 117: 复合材料工学

文库专用 117

(1)链增长反应

C N

O

OH N

H

C O

O

+

异氰酸酯 聚酯或聚胺酯

Page 118: 复合材料工学

文库专用 118

(2)放气反应

+

异氰酸酯 水

OHH N

H

C O

O

H

氨基甲酸

H

N H+ CO2↑

C N

O

Page 119: 复合材料工学

文库专用 119

(3)氨基与异氰酸酯反应

C N

OH

N H CN

H O

N

H

+

脲衍生物

Page 120: 复合材料工学

文库专用 120

(4) 交联和支化反应

N

H

C O

O

C N

O CO

O

N

C N

H

O

氨基甲酸酯 异氰酸酯 脲基甲酸酯

+

Page 121: 复合材料工学

文库专用 121

(5)缩二脲

CN

H O

N

H

脲衍生物

C N

O

异氰酸酯

CN

O

N

C N

H

O

H

+

缩二脲

Page 122: 复合材料工学

文库专用 122

(6)羧基聚酯与异氰酸酯反应

C O

O

C N

O

+ CO2↑C

O

N

H

+

二步放气,四步聚合

Page 123: 复合材料工学

文库专用 123

9 、制造步骤

一步法

预热混合加热发泡

二步法

预混合喷涂发泡

Page 124: 复合材料工学

文库专用 124

§3-2-3 、泡沫夹层结构制造 1 、预制粘接法 面层、泡沫芯材分别制造→粘接即可 2 、整体浇注法 复合材料的结构空腔内浇入待发泡料,经发泡、固化而成一整体。 3 、机械连续法 表层、结构、泡沫夹层同时生产。 结构与表层定位→浸粘结胶→向结构空腔喷泡沫

Page 125: 复合材料工学

文库专用 125

模压成型工艺

§5-1 、概述 定义:将一定量的模压料放入金属对模中,在一定的温度和压力作用下,固化成型制品的一种方法。工艺过程:加热和加压(高压)物料角度:塑化,流动,固化三阶段。模具要求:高强度,高精度,耐高温。

Page 126: 复合材料工学

文库专用 126

树脂在成型过程中的两个特定阶段:(1)粘流阶段:树脂受热熔化,在压力作用下粘裹

纤维一起流动至填满模腔的过程。——即物料塑化、流动阶段。(2)硬固阶段:树脂发生交联,硬固的过程。——即物料固化阶段。

工艺分类:是根据增强材料物态和模压料品种(模压方式)分类。

Page 127: 复合材料工学

文库专用 127

按模压材料物态分类: 纤维料模压:预混、预浸纤维料加热、加压成型。(单向、线性)织物模压:两向、三向、多向织物浸渍树脂后,加热、加压成型。(平面)优点:剪切强度明显提高,质量稳定。缺点:成本高碎布料模压:预浸碎布料加热、加压成型 。(多块,小平面)

Page 128: 复合材料工学

文库专用 128

SMC 模压: SMC 片材按制品尺寸、形状、厚度等要求剪裁下料,多层片材叠合加压而成型。(大面积,多层平面)

预成型坯模压:短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯,放入模中,倒入树脂混合物,压力成型。(大型、深型、高强、异型、体形、均厚度制品)

Page 129: 复合材料工学

文库专用 129

按模压成型方式分类: 层压:预浸胶布或毡剪成所需形状,层叠后放入金属模内,压制成型。

缠绕:预浸的玻纤或布带,缠绕在一定模型上,加热、加压。(管材)

定向铺设:单向预浸料(纤维或无维布)沿制品主应力方向铺设,然后模压成型。

Page 130: 复合材料工学

文库专用 130

§5-2 、模压料

树脂、增强材料、辅助剂构成模压料的三大块。

§5-2-1 、原料 1 、树脂:酚醛型(镁、氨酚醛,改性聚乙烯醇缩丁醛),环氧型( 634 , 648 , F-46 ),环氧酚醛型(也可列为酚醛型),聚酯型。

Page 131: 复合材料工学

文库专用 131

2 、增强材料:纤维型(玻纤,碳纤,尼龙纤),(形状有纤维状,短切毡,布或绳)3 、辅助材料:稀释剂,玻纤表面处理剂,填料,脱模剂及颜料等。目的:使模压料具有良好的工艺性和制品的特殊要求。

Page 132: 复合材料工学

文库专用 132

(1)稀释剂:丙酮、乙醇(非活性)用途:降低树脂粘度,改进树脂浸渍性能,有活性与非活性之分。(2)表面处理剂:改进树脂与增强材料的粘结及树脂——纤维界面状态。种类:对环氧及酚醛模压料,常用的玻纤表面处理剂有KH-550 ,用量为纯树脂重量的 1% ,不宜过多或过少。(3)粉状填料:提高模压料的流动性,降低制品收缩率,提高制品表面的光泽度、质量和均匀性及赋予制品以某种特殊性能。 MoS2 可提高制品的耐磨性。

Page 133: 复合材料工学

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§5-2-2 、模压料的制备 分为预混法和预浸法两种。1 、短切纤维模压料制备(1) 预混法(手混和机混)工艺流程:

玻璃纤维→热处理→切割→混合→撕松→烘干→ 模压料

树脂调配

Page 134: 复合材料工学

文库专用 134

机混法步骤:a 、 180℃ 处理 40~60min ( 350℃ 处理 10~15mi

n ),除去玻纤表面石蜡浸润剂,残油量 <0.3% 。b 、切割成 30~50mm长度,疏松。c 、按树脂配方配成胶液,用工业酒精调配胶液密度在 1.0g/cm3

d 、按纤维:树脂 =55 : 45 (质量比)在捏合机内充分混合。(图 4-1 )e 、捏合的预混料,逐渐加入撕松机撕松。(图 4-2 )

Page 135: 复合材料工学

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f 、撕松的预混料在网格屏上晾置。g 、 80℃烘房中烘 20~30min ,进一步除去水分和挥发物。h 、装入塑料袋中备用。

(2) 预浸法 a 、纤维从导架导出,经集束环经入胶槽浸渍。b 、浸渍后,过割胶辊进入第一、二级烘箱烘干。第一级温度 110~120℃,第二级温度 150~160℃。c 、牵引辊牵出、切割。

Page 136: 复合材料工学

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三个主要工艺参数:树脂溶液比重,环氧酚醛 (6 : 4) , d=1.00~1.025

烘箱温度牵引速度2 、模压料质量控制 模压料呈散乱状态,纤维无一定方向,模压时流动性好,适合制造形状复杂的小型制品。因此,控制好质量,对模压特性及制品性能有很大影响。(1)三项质量控制指标树脂含量,挥发物含量及不溶性树脂含量。

Page 137: 复合材料工学

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几种典型模压料质量指标

模压料

指标

预浸料 机械法 手工法

镁酚醛 环氧酚醛 环氧酚醛

树脂含量 40±5 45±3 42±4

挥发物含量 <3 <1.5 <2

不溶性树脂含量 <8 <4 <5

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文库专用 138

模压料

指标

预混料 机械法 手工法

镁酚醛 616 酚醛 616 酚醛

树脂含量 40~50 40±4 35±5

挥发物含量 2~3.5 2~4 <4

不溶性树脂含量 5~10 <15 3~20

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(2)指标控制方法 取模压料 1~1.5g ,称重G1 (精确至 0.001g ),放入105±2℃的烘箱内烘 30min ,取出后在干燥器内冷却至室温,称重G2 。挥发物含量: V%=(G1-G2)/G1×100%

取模压料 1~1.5g ,称重G1 (精确至 0.001g ),将其浸入丙酮溶液中浸泡 15min ,取出放入 105±2℃的烘箱内烘 30min ,在干燥器内冷却至室温,称重G3 。称重后将料放入 550~600℃炉中灼烧 10~20min ,将树脂全部烧尽,取出后在干燥器内冷却至室温,再称重G4 。

Page 140: 复合材料工学

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树脂含量: R= [G1 (1-V) - G4]/ G1 (1-V)×100% 不溶性树脂含量:C= (G3- G4)/ [G1 (1-V) - G4] ×100% 测量时要三份平行实验,如模压料中含有无机填料,上述公式需加以修正。 (3)影响模压料质量的几个主要因素 a 、树脂溶液粘度 降低粘度:有利于树脂对纤维的浸透和减少纤维强度损失。过低:导致纤维离析,影响树脂对纤维的粘附。用加入溶剂调整密度来实现,用密度控制粘度。酚醛预混料树脂胶液粘度控制在1.00~1.025g/cm3 。

Page 141: 复合材料工学

文库专用 141

b 、纤维长度过长易结团,机混法:长度 20~40mm ,手混法:长度 30~50mm 。c 、烘干条件一般快速固化酚醛型预混料(镁酚醛)烘干温度为 80℃,烘干 20~30min 。慢速固化酚醛型预混料(氨酚醛)烘干温度为 80℃烘干 50~70min 。环氧酚醛型预混料的烘干温度为 80℃,烘干 20~40 min 。d 、浸渍时间在确保纤维均匀浸透情况下,应尽可能缩短时间。

Page 142: 复合材料工学

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3 、模压料的工艺性及其影响因素 工艺性主要为模压料的流动性、收缩率和压缩性。(1)流动性流动性好:成型温度与压力较低,复杂制品。流动性差:成型温度与压力提高,不易复杂制品。 热固性聚合物熔体粘度:η=f (γ, T, α)γ :剪切速率, T :温度, α :固化度。流动度:Φ=1/η •A e-at

A, a :常数, t :加热时间。

Page 143: 复合材料工学

文库专用 143

外部影响因素:流动度与时间、温度、压力的相互关系。 加热初期

固化前期

固化期及后

温度升高

温度续升

压力升高

压力续升

综合评估

流动度增大

流动度相对稳定

流动度速降—交联

流动度增大—塑化

流动度快降—交联

流动度增大—提高剪切变形,剪切速率

流动度增缓—功耗速增

温度最重要

Page 144: 复合材料工学

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Arrhenius方程:η=A • e Hη/RT

详见图 4-3 , 4-4

解决方法:模压温度 Tk ,塑化,交联的交界温度。

Page 145: 复合材料工学

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内部影响因素:

a 、高聚物分子量,链结构,分子量分布相同温度下:分子量大、链段多,分子链重心难移——粘度大。η0=AMw

3.4

η0 :剪切速率较低时的表观粘度A :经验常数Mw :重均分子量解决方法:低分子量溶剂或增塑剂降低粘度。

Page 146: 复合材料工学

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分子量分布对粘度影响: 剪切速率小,分布宽高于分布窄。剪切速率大,分布宽低于分布窄。温度敏感性:分布宽,温敏低;分布窄,温敏高。

详见图 4-5 , 4-6

Page 147: 复合材料工学

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logγ

logη1

2

图 4-5 :分子质量分布不同对流动曲线的影响1-分子质量分布宽2-分子质量分布窄

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加热时间 min

流动速度g/

s

3

1 2图 4-6 :流动试验曲线1-纸浆填充脲醛2-纸浆填充三聚氰胺甲醛3-木粉填充酚醛

Page 149: 复合材料工学

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b 、模压料质量指标与组分

挥发份对流动性影响:挥发份增加,流动性增加挥发份过高,成型时树脂大量流失挥发份过低,流动性下降,成型难

Page 150: 复合材料工学

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c 、增强材料形态、含量线性好于平面性,短比长好,短长混用。

d 、合理的压制制度,模具的结构、形状及光洁度都会有影响流动性过大的,合模时产生溢料,局部聚胶、贫胶和纤维分布不均。

Page 151: 复合材料工学

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(2) 模压料的收缩性 定义:脱模后尺寸会减小是模压料的固有特性。 Q :收缩率A 、实际收缩率:模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下的尺寸之间的差值。Q 实=(a-b)/b×100%

a :模具空腔或制品在压制温度下的尺寸mm

b :制品在室温下的尺寸mm

Page 152: 复合材料工学

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B 、计算收缩率:在室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。 Q 计 =(c-b)/b×100%c :模具空腔在室温下的尺寸mm ,设计模具时的重

要数据。C 、收缩的主要原因:热收缩和结构(化学)收缩。热收缩:模压制品的线膨胀系数比模具材料大(塑料线膨胀系数 25~120×10-6℃-1 ,钢材线膨胀系数11×10-6℃-1 )因此制品脱模冷却后收缩率大于模具收缩率。制品小,模具大(与墙地砖热压后膨胀正好相反)见表 4-3

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结构收缩:固化过程中缩聚反应产生交联。一般高强度短纤维模压制品收缩率在 0~0.3% 。D 、影响收缩的因素※原材料的影响树脂与添加物的种类与含量※模具结构和制品形状的影响不溢式与溢式模具,模具刚度,薄壁制品※成型工艺条件温度制度,压力制度见表 4-4 , 4-5

Page 154: 复合材料工学

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(3) 模压料的压缩性 压缩比:模压料和模压制品二者比容的比值。压缩比 = 模压料(或坯体)的比容 / 制品比容 >1

SMC , BMC 压缩比较小。纤维状模压料压缩比达 6~10 (蓬松)处理方法:预成型纤维

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文库专用 155

§5-3 、 SMC 成型工艺 §5-3-1 、 SMC 的特点与种类

1 、 SMC 的特点 SMC—— 片状模塑料( Sheeting Molding Compoun

d )1953 年,美国 Rubber 发明不饱和聚酯的化学增稠。1960 年,德国 Bayer 公司实现 SMC 工业化生产。定义: SMC是不饱和聚酯树脂及辅助剂、填料所成树脂糊浸渍短玻纤粗纱或玻毡,并在两边用聚乙烯或聚丙烯包覆后形成的片状模压成型材料。

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特点:(1)干法生产 FRP 制品一种中间材料,它具有独特的增稠作用,即浸渍玻纤时体系粘度低,浸渍后粘度急剧上升,达到稳定。 (2)重现性好。 (3)操作处理方便,增稠剂化学增稠,使 SMC

处于不粘手状态,避免一般预成型的粘滞性。 (4)作业环境清洁。

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(5)SMC能使玻纤同树脂一起流动,可成型带有肋条和凸部的制品。 (6) 可压截面变化不大的大型薄壁制品。 (7) 制品表面光洁度高。 (8) 生产率高,成型周期短,成本低,易机械化、自动化。

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2 、 SMC 的种类 (1)BMC—— 块状 模 塑 料 ( Bulk Molding Compoun

d )相近:与 SMC组成近似。用途:压制和挤出成型。区别: BMC 中纤维含量低,纤维短,填料含量大,强度低,小型制品。(2)TMC——厚片状模塑料相近:组成与制作与 SMC 类似。区别:比 SMC厚的多 (0.63cm : 5.08cm) ,浸透性更好,成本更低。

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(3) 结构 SMC—— 纤维形态和分布不同的 SMC

SMC—R—— 纤维不规则分布SMC—C——连续纤维单向分布SMC—D—— 不连续纤维定向分布SMC—C/R , SMC—D/R区别:纤维含量高( Wt 达 30~70% ,多为 50%以上),树脂为高反应性间苯二甲酸聚酯树脂,强度大大提高。

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(4) 高强 SMC ,即 HMC和 XMCHMC——少填料,多短纤,少树脂的片状模塑料。XMC——少填料,多连续定向玻纤,少树脂的片状模塑料。代替钢材,铝材。(5)LS—SMC(Lom Shrinkage—SMC)— 低收缩 SM

C尺寸精度高,表面光洁度高。(6)ITP—SMC(Interpenetrating Thicking Process—SMC)——渗透增稠片状模塑料室温熟化,高刚性,耐冲击,尺寸稳定。(7) 高弹 SMC ,耐热 SMC ,耐燃 SMC

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§5-3-2 、 SMC 的组分及性能

SMC三大员

不饱和聚酯树脂及其助剂

玻纤

填料

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1 、不饱和聚酯树脂及其助剂(1) 不饱和聚酯树脂的工艺要求a 、低粘度,便于浸渍b 、易同增稠剂反应c 、固化迅速e 、热强度高牌号,不同的用途决定。

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(2) 交联剂机理:与聚酯发生共聚反应,使聚酯大分子通过交联单体自聚的“链桥”而交联固化改善树脂固化后的性能。工艺上使树脂糊初始粘度降低。种类:苯乙烯,甲基丙烯酸甲酯,乙烯基甲苯,邻苯二甲酸二丙烯酯。 253厂的促进剂 E 。

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(3)引发剂贮存,操作安全,室温不分解,制得 SMC

贮存期长。如引发剂 H (白色糊状), 25℃凝胶时间,12~20min 。引发剂 L (无色透明液体), 25℃凝胶时间, 12~22min 。实例:促进剂与引发剂配方使用。

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(4)阻聚剂阻止不饱和聚酯在室温下的交联聚合,必须在引发剂和所用树脂的临界温度内不失效,但又不极大影响固化、成型周期。PBO 、 HQ 、 CL—PBO 、 TBC…… (5) 增稠剂贮存和成型 SMC时要求坯体粘度较高,目的是满足模压要求和使制品的收缩率降至最低。

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工艺要求: SMC粘度由很低迅速增高,达熟化粘度并长期稳定。控制 SMC 生产到模压制品全过程各阶段的粘度变化。

时间

粘度

理想增稠曲线

1-浸渍阶段2-增稠阶段3-贮存阶段1

2

3

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a 、增稠剂选择原则:制备 SMC时,粘度低→树脂对玻纤、填料的充

分浸渍此后粘度迅速升高→贮运、模压增稠坯料迅速充满模腔→树脂、纤维不离析增稠后粘度,贮存期内保证模压生产中稳定的重现性

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b 、增稠剂的品种及使用:ⅡA族金属氧化物或氢氧化物混合增稠剂效果更理想过量 MgO加入引起制品自我潮解,耐水性下降c 、影响增稠效果的因素:※聚酯树脂酸值酸度越高,粘度变化越大,详见图 4-10

253厂树脂从 16~32变化,实际以mg KOH/g表示酸值

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时间 h

酸值: 29

6

0

粘度(P

a·S

)

图 4-10 :树脂酸值对增稠速度的影响

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※增稠剂活性碘吸附值表示活性※微量水分0.1~0.8%微量水迅速增稠(初期)>1.0%则不如不加水的快(初期)因此必须对填料、增稠剂、低收缩添加剂与玻纤使用前测定含水量※温度的影响温度升高,增稠加快,详见图 4-12

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时间 h

粘度(P

a·S

)

5545

35 25℃

图 4-12 :树脂增稠与温度的关系

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d 、增稠机理第一阶段:酸碱反应,生成碱式盐。

C O Mg O H

O

…COOH+MgO

C O MgO H

O

…COOH+Mg(OH)2 +H2O

Ca再进行脱水

…COOMeOH + HOOC… …COOMeOOC…+ H2O

…COOMeOH + HOMeOOC… …COOMeOMeOOC…

+ H2O

熟化

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第二阶段:以配位键形成络合物

C

O

归于 基存在剩余自由电子,顾可形成配位键,而配位键在压力时可消除。

M e O C

O O

C O Me

C O Me

O

稠化、熟化

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(6) 低收缩添加剂克服聚酯树脂固化时将发生的 7~10% 体积收缩,并使表面光滑,无裂缝,收缩量低。a 、机理:聚酯树脂发生热膨胀,交联中产生固化收缩,在固化收缩时,低收缩剂热膨胀力就阻止收缩。稍迟于树脂固化收缩,而其收缩时,周围已固化。低收缩效果图详见书 P.88图 4-13b 、选择PVC 聚氯乙烯, PS 聚苯乙烯, PE 聚乙烯, PVA

c聚醋酸乙烯酯,添加量 5%左右。

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(7) 无机填料a 、分类氧化硅及硅酸盐类:石棉,滑石粉,瓷土,氧化硅,硅藻土,火山灰等碳酸盐类:碳酸钙硫酸盐类:硫酸钡,硫酸钙氧化物类:氢氧化铝

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b 、性能选择细度: 325 目 (44μm) 。大:分离、沉淀。小:吸油量高的填料加入量少。油吸附量:被亚麻仁油润湿的质量百分比,一般要求要求填料具有较低的油吸附量。触变性:物料受到外力作用(如剪切力、振荡)时,粘度显著下降,除去此力时,物料又逐渐恢复到原来粘度的一种物理现象。不宜选用灵敏度大的填料。

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c 、填料对制品成本影响单位体积成本为:Rc = Km + K - (Km - Kc)·Xc

Km, Kc :树脂糊、填料的单位体积成本。K :加填料的操作成本。Xc :填料的体积分数。不加填料的成本 Rc=Km

Rc 的意义:加填料的操作成本小于这部分填料替代树脂糊而降低的成本。

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则K - (Km - Kc)<0才能盈利, K - (Km - Kc)>0亏损。 Km 与 Kc差值越大, K越小,无亏损点 Xc0

越小,经济效益高。Xc还与填料密度有关:Xc=1/[1+ρc/ρm·(1-yc)/ yc]

ρc, ρm :填料、树脂的密度。yc :填料的质量分数。ρc/ρm越小: Xc越大。

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(8)内脱模剂机理:是一些熔点比普通模制温度稍低的化合物,它与液态树脂相容,与固化后的树脂不相容,固化时从内部逸到模具界面形成障碍,从而脱模。国内用硬脂酸锌,熔点 133℃日本用硬脂酸亚铅欧、美用硬脂酸钙,熔点 150℃,硬脂酸镁,熔点

145℃。

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(9) 增强材料

短切玻纤、毡,石棉纤维,麻,有机纤维。玻纤性能:易切割、分散,浸渍性好,抗静电,流动性好,强度高。

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§5-3-3 、 SMC 生产工艺 1 、生产过程详见图 4-18 , 4-19(1) 树脂糊制备批混法(国内),连续计量混合法(国外)。批混法:树脂和除增稠剂外的各组分计量后先混合,再通过计量和混合泵加入MgO增稠剂。

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树脂

固化剂 增稠剂 填料 低收缩添加剂

其它树脂糊制备 薄膜

粗纱 切割 沉降 浸渍 收卷

稠化包装

图 4-18 : SMC 生产工艺流程

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粘度控制指标:

树脂原始粘度 3.5Pa·S

引发剂、单体加入后 8Pa·S

填料加入后 15Pa·S

增稠剂加入后 30Pa·S

增稠剂加入 30min后(加入玻纤成片) 50Pa·S

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连续计量混合法:将树脂与其他部分分为两部分单独制备,计量后进入静态混合器,均匀后再成型。(2) 玻纤切割与沉降粗纱切割速度 80~130m/min防静电,玻纤分布均匀。(3)浸渍、压实反复挤压捏合,达到充分混合和充分浸渍。

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(4)收卷收卷装置的转速、转矩随卷径的变化规律:M=A·1/n=T·v/2πnr=B·1/n=v/2π·1/nT :收卷张力v :收卷线速度r :片料卷绕半径n :收卷转速M :转矩

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(5)熟化与存放熟化使粘度达到模压粘度范围并稳定后才能交付使用。存放要防止苯乙烯挥发,非渗透性薄膜密封包装。2 、配方满足制品性能要求,考虑可模压性。均匀性(制品性能),流动性(可模压性)关键:选择树脂与填料的搭配。吸收能力高的填料与吸收能力低的填料的合理搭配,解决均匀性和流动性的有效途径。

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3 、工艺参数(1)一般参数见书 P.96

(2)参数计算上糊量与纤维输送量切割机转速和纱团数刮板间隙所有参数均应根据实际情况选择适当系数。

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§5-4 、模压工艺 模压工艺流程见书 P.97图 4-26 。

模具预热 涂脱模剂

料的称量 料预热成预成型

装模 压制

脱模

打底及辅助加工

检验

成品

后处理

压制前准备 压制

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§5-4-1 、压制前准备

增加流动性

便于装模

降低制品收缩率

降低成型压力

1 、预热和预成型压制前对模压料预先加热处理称为预热。 目的:改善模压料的工艺性能

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预热方法:

t<30min ,将模压料在室温下预先压成与制品相似的形状称为预成型。可提高生产率。

加热板预热 红外线预热 电烘箱预热(热鼓风) 80~100℃ 远红外预热, 60~80℃

高频预热

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2 、装料量估算装料量 = ( ρ 模压料 + V 制品) ×103~105%(1)简化计算法复杂制品简化成一系列几何形状进行估算。(2) 密度比较法:其它材料比较ω 模压 =ω 材 /ρ·ρ 模压 (1+α)ρ :密度ω :质量α : 3~5%

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(3) 铸型比较法:与密度比较法近似

3 、脱模剂选用内脱模剂,外脱模剂外脱模剂多用机油、油酸、硬脂酸用于酚醛型模压料。硅酯或有机硅用于环氧及环氧酚醛型模压料。

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§5-4-2 、模压工艺参数 温度制度、压力制度1 、温度制度包括:装模温度,升温速度,最高模压温度和恒温、降温以及固化温度。(1) 装模温度:镁酚醛 150~170℃,氨酚醛、酚醛环氧型 80~90℃,结构复杂及大型制品装模温度在室温 ~90℃。(2) 升温速度一般采用 10~30 /h℃ ,氨酚醛小尺寸制品 1~2 /min℃ 。

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(3)最高模压温度主要依树脂放热曲线来确定,如:氨酚醛80℃开始缩聚, 140~150℃最为激烈, 180℃固化反应逐渐完成,应将模压温度定在 180℃左右。工艺上温度的确定:升温速率趋于零的峰值温度,先选取稍大于树脂固化温度,再通过工艺—性能试验最后制定合理的模压制度。

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(4)保温时间指在成型压力和模压温度下保温的时间。作用是使制品固化完全和消除内应力。取决于模压料固化反应时间,不稳定导热时间。影响因素:模压料品种,制品结构尺寸,加热装置的热效率及环境温度等。书中列举了几种典型模压料的保温时间。见表 4-14

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(5)后固化处理目的是提高制品固化反应程度,又称老化过程。温度过高或时间过长反而使制品性能下降。2 、压力制度(1) 成型压力取决于两个因素:填压料的种类及质量指标制品结构形状尺寸由工艺——性能试验确定。成型压力是用单位压力表示的。

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单位压力定义:制品在水平投影方向上单位面积所承受的力 P 单,选用压力时需知这几个参数。压机最大压力: T , KN(1KN=0.1吨力 )

表压: P 表, MPa

最大允许表压: P 最大, MPa

制品水平投影面积: f 制品, cm2

压机柱塞截面积: F 柱塞, cm2

压机效率系数: k

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P 单 ·f 制品——制品承受总压

P 表< P 最大

P 最大 /T——最大允许表压与最大压力关系

k·P 表 ·F 柱塞= P 单 ·f 制品

T=9.8×10-2 P 最大 ·F 柱塞

P 表= P 单 ·f 制品 ·P 最大 ×9.8/T×10-2

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(2)加压时机合理选择加压时机是保证制品质量的关键之一。加压过早、过迟的缺陷。确定加压时机的三种方法:a 、经验,树脂拉丝时b 、温度指示,近凝胶温度( DSC测定)c 、在大量气体放出之前(3)排气防起泡、分层等。图 4-33表示了压制过程压机行程的变化过程。

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§5-4-3 、典型模压工艺与制品

1 、典型模压工艺快速、慢速两种,由模压料类型决定。书中列举的快、慢速成型工艺的实例。2 、模压制品常见缺陷分析这是工艺学必须学会解决的问题。见书 P.104~105

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缠绕成型工艺

§6-1 、概述 定义:将浸过树脂胶液的连续玻璃纤维或布带,按照一定规律缠绕到芯模上,然后固化脱模成为增强材料制品的工艺过程。因此三大过程:预浸、缠绕、固化脱模。细节见图 7-1

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纱团

胶液配置

浸胶 烘干 络纱 胶纱纱锭

张力控制

纵、环向缠绕芯模制造

张力控制

加热粘流

纵、环向缠绕

集束

湿法缠绕成型工

干法缠绕成型工

固化 脱模 打磨喷漆 成品

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缠绕成型工艺

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§6-1-1 、缠绕工艺分类及特点 1 、干法缠绕预浸纱带(布带),加热粘流后缠绕。特点:严格控制纱带含胶量和尺寸,质量稳定,速度快,劳卫条件好,投资大。2 、湿法缠绕浸渍无捻粗纱直接缠绕。特点:材料经济,质量不稳。3 、半干法缠绕预浸渍粗纱(或布带)随即缠绕到芯模上。特点:无需整套设备,烘干快,室温操作。

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§6-1-2 、缠绕制品特点 1 、比强度高F : 3Ti , 4Steel 。原因:(1)表面缺陷小(2)避免纵横交织点和末端的应力集中(3) 可控方向与数量,实现等强(4) 纤维含量高 80%

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2 、可靠性高克服材料的韧性不够及缺口带来的可靠性降低。3 、生产率高机械化,大批量。4 、成本低无捻减少了纺织等其它工费。缺点:形状限制,投资大,必须大批量。

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§6-1-3 、原材料 纤维增强材料,树脂基体选择原则:满足设计性能指标,工艺性参数及经济性要求。1 、增强材料玻纤(无碱,中碱无捻粗纱,高强纤维),碳纤维,芳纶纤维等。

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纤维要求:(1) 高档产品:碳纤维,芳纶纤维(2) 制品性能要求(3)表面处理(4) 与树脂浸渍性好(5)各股张力均匀(6) 成带性好

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2 、树脂基体指合成树脂与各种助剂组成的基体体系。选用要求:(1) 工艺性好,粘度与适用期最重要,适用量 >4小时 ,η=0.35~1Pa·S 。(2) 树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配,方能获得满意效果。(3) 固化收缩率低和毒性刺激小(4)来源广、价格低

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§6-1-4 、应用

航天、导弹、军用飞机、水下装置,高强度、质量轻的高压容器,壳体。民用管道,贮罐,质轻,耐腐,费低。

形成缠绕工艺的两部分——空间技术及民用部分。

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§6-2 、缠绕规律 §6-2-1 、缠绕规律的内容

由导丝头(绕丝嘴)和芯模的相对运动实现。1 、纤维不重叠不离缝,均匀连续布满芯模表面。2 、纤维在芯模表面位置稳定,不打滑。这是缠绕线型必须满足的两点。所谓缠绕规律:是描述纱片均匀稳定连续排布芯模表面以及芯模与导丝头间运动关系的规律。

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§6-2-2 、缠绕线型的分类 环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕1 、环向缠绕芯模绕轴匀速转动,导丝头在筒身区间作平行于轴线方向运动。环向缠绕参数关系:W=π D ctgα

b=π D cosα

b/D=π cosα

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这其中:D :芯模直径b :纱片宽α :缠绕角W :纱片螺距 2 、螺旋缠绕芯模绕自轴匀速转动,导丝头依特定速度沿芯模轴线方向反复运动。

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3 、纵向缠绕(平面缠绕)导丝头在固定平面内做匀速圆周运动,芯模绕自轴慢速旋转。图 7-19

α α

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tgα=(r1+r2)/(lc+le1+le2)

两封头极孔相同时:tgα=2r/(2le + lc)

即: α=tg-12r/(2le + lc)

平面缠绕的速比:单位时间内,芯模旋转轴数与导丝头绕芯模旋转的圈数比。(即芯模转一周时,导丝头绕芯模旋转的圈数)

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纱片宽度为 b ,缠绕角为 α ,则速比为:i=b/π D cosα0

i=(Δθ/360°·1/t)/(1/t)

由图 π D : 360°=S : Δθ , S=b/cosα 代入 i

纵向、环向缠绕视作螺旋缠绕的特例。纤维在芯模表面上排布规律的研究是通过研究切点在极孔周围上的分布和出现的规律来解决。——切点法描述缠绕规律的基本思路。

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§6-3-3 、线型

线型的定义:——即连续纤维缠绕在芯模表面上的排布形式。完整循环定义:——由导丝头在芯模上完成一次不重复的纤维布线称为“标准线”。——反应规律的基本线型。完成一个标准纹缠绕称为一个完整循环。

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1 、切点及分布规律每条纱片在芯模极孔圆周上只有一个切点,在一个完整循环中,极孔圆周上只有一个切点,称为单切点。在一个完整循环中,有两个以上切点称为多切点。

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切点排布顺序: 1

单切点: n=1

1

2

n=2

n=3,n=4,n=5 ,见图 7-21

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2 、芯模转角与线型关系导丝头一个单程,芯模转角 θt

导丝头往返一次,芯模转角 θn

则 θn=2θt

一个完整循环(导丝头 n次往返),芯模转角 θ ,θn=θ/n

(1)单切点:芯模转角 θ1=1个完整循环缠绕的芯模转角 θ

θ1’=360°±Δθ

以后的 θ1=(1+N) 360°±Δθ

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(2)两切点:芯模转角 θ2’=1/2·(360°±Δθ)

以后的 θ2=1/2·(360°±Δθ)+N·360°

=(1/2+N) 360°±Δθ/2

(3)三切点:(4)四切点:(5)五切点:(6)n切点:

见书 P173

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θn=(K/n + N)360°±Δθ/nK/n最简真分数各切点不同排布顺序的个数暂不考虑微调量,线型以导丝头往返一次时,芯模旋转的转数来表示。S0=K/n + N= θn/360°=M/n其中 M=K + n NM :一个完整循环的芯模转数则六切点以内的线型 S0所对应的 n , K , N , θ

n

值由表 7-3表示。

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例如:

4切点的线型 S0

n=4 , K=3 , N=3

芯模转角 θn=1350°

M/N=15/4

芯模转数为 15 ,导丝头往返数为 4 。

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§6-3-3 、转速比

1 、转速比定义:简称速比,单位时间内,芯模转数与导丝头往返次数之比。i0=M/n考虑速比微调部分,实际转速为:i=θn/360°±Δθ/(n·360°)=(K/n + N) ±Δθ/(n·360°)

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2 、 i0 与 S0 的关系

i0 S0

共同点 同层缠绕规律问题

不同点 纤维在芯模表面的排布型式

芯模与导丝头相对运动关系

关系 一一对应, i是 S0 的代号,数值上 i0 =S

0

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3 、 i 的计算Δθ 的计算较不方便,采用直观的工艺参数进行计算,即: Δθ转化为与纱片宽度、缠绕角、芯模尺寸等直观参数相关联的式子。如图 7-22

AC=BC/cosα0=b/cosα0

Δθ/360°=AC/πD

Δθ= AC·360°/πD= b/(πD·cosα0)×360°

i= i0±Δi=(K/n+N)±b/(nπD·cosα0) ,Δi=Δθ/n

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这里把各物理量归纳一下:b :纱片设计宽度α0 :缠绕角n :切点数N :正整数D :芯模圆筒段直径K :使 K/N为最简真分数,各切点不同排布顺序数Δθ取 >0时,纱片滞后,脱线。Δθ取 <0时,纱片超前,压线。为避免打滑, Δθ<0 。

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§6-3-4 、线型设计

设计的缠绕成型,对应于某个缠绕角,除满足前面的①不重叠、不离缝,均匀布满芯模表面②纤维位置稳定,不打滑,还必须满足③封头不滑线的条件,要求缠绕在表面上的每条纤维都是相应曲面的测地线。

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封头曲面上,由微分几何的克列络定理,测地线方程为:Sinα=r0/r (7-19)α :测地线与封头曲面上子午线夹角r0 :封头极孔圆半径r :测地线与子午线交点处平行圆半径r= r0 ,测地线与子午线交点处的平行圆就是极孔圆,此时 α=π/2 。r↑ , Sinα↓ ,一直小到筒身段时, Sinα最小,再往下 Sinα 不变。

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说明:(1)封头曲面上满足 (7-19) 式的就是测地线。(2)在筒身段,由于缠绕纤维的连续性,筒身段的任意缠绕角螺旋线都是测地线。(3) 通过上式求得的缠绕角所确定的纤维位置,无论在封头和筒身段都是测地线,且是稳定缠绕。(4)以均匀、布满且稳定缠绕时,芯模的转角也相应固定。

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1 、由测地线求芯模转角芯模转角通过单程线芯模转角 θt’来得到 ,θn’=θt’ 。θt’由单程初始的封头缠绕转过的角度 β (包角)和单程后期的筒身缠绕转过的角度 γ (进角)。θt’=β+γ (7-20)(1)γ 的求解Wγ1=l1

Wγ=lγ=l/W=l/W×360°

W=πD/tgα0

γ=l·tgα0/πD×360° (7-21)

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(2)β 的求解由图 7-25 ,上极圈,转过Φ+90°

相应下极圈Φ+90°

β=2(Φ+90°) (7-22)

a 、过 D点作平面Ⅱ∥平面 HBC

→DF∈(平面Ⅱ∩平面 HBC )b 、过 D点作平面Ⅰ与筒体相切→DE∈(平面Ⅰ∩平面 HBC ),DG∈(平面Ⅰ∩平面Ⅱ)

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c 、过 G点作平面 EFG DG⊥→EG∈(平面 EFG∩平面Ⅰ),FG∈(平面 EFG∩平面Ⅱ),EF∈(平面 HBC∩平面 EFG )d 、∠ FDG= HBC=α∠ 0’

一平面与两平行平面交角相同,∠ EDG=α0

纤维在赤道圆处的缠绕角,∠ EGF= Φ∠互余角,平面与两平行线交角转换。

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e 、 tgα0’=FG/DG=EG/DG·FG/EG= tgα0·cosΦ

当Φ=0时, α0’=α0 ,就是平面 FDG 与平面 EDG

重合,即 α0’=α0 代表截平面与轴线夹角等于纤维在赤道圆的缠绕角,此时 β=180°

而 SinΦ=(h tgα0’-r0)/R=(h tgα0·cosΦ-r0)/R (7-23)转化成一个三角方程求解问题。工程上常用近似式计算:Φ=Sin-1 (h tgα0-r0)/R (7-24)将 (7-21) , (7-24) 代入 (7-20)

θt’= l·tgα0/πD×360°+2[90°+Sin-1 (h tgα0-r0)/R]

θn’=2 θt’

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2 、线型的确定 在实际生产中,用控制线型和转数比这两个宏观参数来实现正常的生产。已知极孔半径 r0 ,芯模半径 R ,设计一定切点的线型,求出 θt’ ,再算出 θn’ ,与该切点的线型对照,再进行调整。(1)变长不变角,适用于芯模还未设计之前l’ = [γ - (θt’ - θt ) ] πD / (360°·tgα0)或者l’ =l [γ - (θt’ - θt ) ] / γ

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(2)变角不变长容器尺寸不许变,而湿法缠绕角根据实际经验略偏离时,纤维仍不至滑移。θt=l·tgα/πD×360°+ 2[ 90°+ Sin-1

(h tgα-r0)/R]

(3)变径,不变长变径, α也相应变Sinα0=r0/R

θt= l·tgα0/πD×360°+ 2 [ 90°+ Sin-1

(htgα0-r0)/R]

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3 、标准线展开在实际缠绕前进行模拟,高级的用计算机数字模拟。(1) 交叉点数,交带数交叉点定义:交叉点数: Xn=(M-1)n交带定义:交带数: Yn=M-1(2) 交叉点及交带分布规律a 、筒身被 K等分b 、交带间距相等 例题:

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§6-4 、缠绕工艺 缠绕工艺内容包含:1 、产品的使用、设计、技术质量要求,进行结构造型、缠绕线型和芯模设计2 、选择原材料3 、产品强度、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数计算4 、选定的原材料和工艺方法,为工艺流程制定工艺参数5 、由线型选设备,为设备设计提供参数

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§6-4-1 、内压容器的结构选型 属结构设计,目的是高比强度。 1 、形状

筒身

球形

圆筒形

理论上 : 结构效率最高,最省料

理论上 :纵环向压力不均, 不充分利用材料

球形

圆筒形

实际上 :线型、设备复杂,不易

实际上 : 可设计性、成型工艺简单,易等强度

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2 、筒形容器的封头外形封头:均衡型等张力封头,均衡型平面缠绕封头,扁椭球形封头(1) 均衡型等张力封头特点:纤维沿该封头曲面测地线缠绕并与极孔相切,各点经纬向等强度亦能同时得到满足,材料用量最少,重量最轻,较理想。工艺条件:a 、封头曲线必须是等张力封头曲线b 、纤维缠绕轨迹必须是测地线(测地线决定缠绕角)

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等张力封头曲线方程:

ρ , ρ0 , ζ :整化值ρ=r/R

ρ0=r0/R , ρ0=0“ 零周向应力”封头曲线ζ=Z/R

ζ=

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(2)均衡型平面缠绕封头特点:倾斜平面和封头曲面相截的交线。R2/R1=2-tg2α

R1 :封头曲面经线方向的曲率半径R2 :封头曲面纬线方向(平行圆)的曲率半径α :封头缠绕角,封头纤维与经线(子午线)交点处的纤维切线与该点经线切线的夹角。

(参阅结构设计)

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(3)扁椭球形封头方程:

2121

2122

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§6-4-2 、缠绕类型的选择 1 、制品的结构形状与几何尺寸螺旋缠绕——长管状制品平面缠绕——球形、扁椭球、长径比小于 1/4 的筒形容器通常用预浸纱(干法)缠绕,极孔直径不超过筒体的 30% 。2 、强度螺旋缠绕:剪切强度降低平面缠绕:高强度,质轻

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3 、荷载特性螺旋:对内压以外的荷载适应性差,多用螺旋加环向的组合缠绕。平面:减轻适应性差的情况。4 、设备螺旋、螺旋加环:卧式小车环链式缠绕机平面及平面加环:摇臂式或跑道式缠绕机

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§6-4-3 、螺旋缠绕型参数选择

1 、缠绕角等于或接近测地线缠绕角。湿法缠绕实际缠绕角可控制在测地线缠绕角 Sinα0=r0/R 的偏离 8~10°内。2 、切点数选可切点线型

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3 、封头包络圆极孔包络圆应逐渐扩大,纤维在极孔周围排布均匀,减轻极孔周围附近纤维堆积。4 、缠绕顺序螺旋向与环向交替进行。5 、链条长度小车环链式缠绕机,缠绕角不宜选太小(否则链长增大,设备笨重)

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§6-4-4 、缠绕工艺参数 缠绕工序组成:芯模与内衬制造,胶液配制,纤维烘干和热处理,浸胶,胶纱烘干,缠绕,固化,检测等。主要①纤维热处理和烘干②浸胶与胶液含量③缠绕④固化

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1 、纤维热处理和烘干通常无捻纱在 60~80℃烘干 24h 。例如:石蜡乳剂型浸润剂除油用热处理法时,处理条件与残油量,处理条件与强力关系如图 7-31 ,7-32所示。同样时间,热处理温度越高,残油量越低;热处理时间越长,相同处理温度条件下,残油量越低,但相对应强力也降低。处理条件适中:温度 350±5℃,处理时间 6±1S 。处理结果:残油量 <0.3% ,强力损失 <15% 。

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300℃

350℃400℃450℃500℃

时间 (S)

残油量

图 7-31 :热处理条件与残油量的关系

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200 ℃

300 ℃

400 ℃600 ℃

时间 (S)

强力

(N)

图 7-32 :热处理条件与强力的关系

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2 、浸胶与胶液含量

(1)含胶量:胶量过高——制品复合强度降低。胶量过低——制品孔隙率增加,气密性、耐老化、剪切强度下降。最佳树脂含量约为 20% ,粘度 0.35~1.0Pa·S 。

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(2)浸胶a 、机理:两阶段:第一、表面涂敷,第二、内部扩散、渗透b 、方式:浸胶式(图 7-33 )表面带胶式(图 7-34 )(高温固化树脂基体,胶槽水温参数 40℃左右,常温固化树脂基体,水温参数 20℃左右)

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图 7-33 :沉浸式浸胶

挤胶辊 纤维

胶槽

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图 7-34 :表面带胶式浸胶

纤维

胶槽

胶辊 刮刀

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3 、缠绕张力缠绕张力定义:在纤维缠绕过程中,纤维所受的紧张力称为缠绕张力。(1)张力——制品机械性能(强度、疲劳性能)张力小:强度低,疲劳低。张力大:纤维强度损失大,制品温度下降。张力均匀:束间、束内纤维张力均匀。工艺措施:低捻度,张力均匀的纤维,纱片内各束纤维平行。

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(2)张力——制品密实程度

缠绕张力将产生垂直于芯模表面使制品致密的向心力,工艺上称接触成型压力。N=T0/r·Sin2α×104 (Pa)

T0 :缠绕张力 N/cm

r :芯模半径 cm

α :缠绕角

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解释说明:使制品致密的成型压力与缠绕张力成正比,但并非成型压力越大越好,某种玻璃钢管的成型压力大到一定值时,体积密度则不再有明显变化。因此,干法生产密实制品要控制张力。湿法生产中,树脂粘度影响大,粘度越低,成型压力越小,粘度越高,成型压力越大。孔隙率与密实程度成正比。

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(3)张力——含胶量张力大,含胶量低。湿法中存在外高内低的胶液现象,用分层固化或预浸可减轻或避免。

(4)张力的施加最佳张力与芯模结构,增强材料强度,胶液粘度及芯模加热等有关。

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4 、胶纱烘干作用:(1)除去树脂胶液中溶剂挥发份,防止起泡。(2) 产生初凝,提高制品强度。表 7-11说明一定温度及一定时间下,试件性能最好。5 、缠绕速度两个基本运动:芯模旋转,导丝头往复直线运动。纱线速度——缠绕速度湿法: 0.9m/s干法:小车速度 <0.75m/s

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6 、固化制度(1)加热:从高分子聚合反应角度看,随聚合进行,分子量增大,分子运动困难,位阻增大,活化能较高。加热比常温强度提高 20~25% ,提高 10℃,速度加快 2倍。(2) 升温速度:平稳,通常 0.5~1 /min℃(3)恒温最高固化温度由 DTA , DSC决定。一是树脂聚合反应所需时间二是传热时间

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(4)降温:缓冷(5) 固化制度树脂系统性质和制品的物化性能。固化程度超过 85%认为制品已固化。(6) 分层固化分层固化优点:力学角度:抵消压应力,使初始应力保持一致。工艺角度:提高质量均匀性。(7) 环境温度环境温度 >15℃表面温度 ~40 ℃

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§6-4-5 、缠绕张力制度

1 、概述后上去的纤维对前面的纤维产生径向压力,内外层纤维压力差异,不能同时承载,大大降低制品强度和疲劳性能。工艺上采用逐层递减的张力制度,具体说控制后一层和前一层削减后的张力相同。

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张力制度应考虑:(1)保证各层纤维初应力相等(2)内衬刚度(3) 纤维强度和磨损(4)胶液流失(5)张力装量性能

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2 、张力制度的假定(1)内衬、缠绕纤维在内压下具有相同变形(2) 树脂固化收缩不引起纤维收缩变形,固化前后纤维应力相同。(3)外层纤维的缠绕张力使内层全部缠绕层与内衬产生压缩变形,压缩力值与外层缠绕张力值相等。

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3 、确定纤维初应力原则

(1)控制内衬压力(2)内衬材料恒定弹性(3)容器零内压,内衬压缩(4)内衬从压缩至拉伸(5)内衬材料不能超弹性极限

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4 、设计(1) 环向缠绕各层厚度相等 tθ

(2)给定各层纤维初应力均为(3) 金属内衬厚度与纤维厚度转化折算纤维当量厚度: tof=E0/Ef·t0

t0 :金属内衬厚度E0 :金属内衬材料弹性模量Ef :纤维材料弹性模量

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(4)纱片应力σ=T/tθ , T :缠绕张力, N/cm

每条纤维纱片的缠绕张力(环向)fi = Tj / m ( N/条)环向与螺旋向交替缠绕时,任意环向缠绕层缠绕张力为:

各物理参数意义见书 P.192

n

of

ffofj T

SinJtjtt

SintttT

2

( N/cm )

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§6-5 、定长管非测地线稳定缠绕

封头测定线缠绕的缺点:每根管浪费两个封头,生产率低。不用封头,两端不是测地线,可能滑线,纤维与芯模或前一层表面的摩擦力及合理的导丝头运动控制。轨迹方程:Z = R / μ[1/Sinα0 – ch (μθ+ ln tgα0/2)]

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§6-6 、锥体缠绕

对于头锥形产品,玻璃布带分为三种:重叠、斜叠、垂直缠绕。工艺参数:含胶量、布带预热温度及缠绕温度,缠绕张力,缠绕压力,固化温度。

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挤出注射成型工艺§7-1 、挤出成型

工艺过程:树脂 + 纤维→粒料→挤出机→塑化→挤出→冷却定型用途:增强塑料管,棒材,异形断面型材优点:可加工热塑料、部分热固性复合材料,生产过程连续,自动化程度高,工艺易掌握,产品质量稳定。缺点:只能线型制品。

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§7-2 、粒料生产

1 、长纤维料纤维长 3~13mm

生产工艺见书 P.291图 11-2

纤维与树脂在机头包裹至挤出机再切粒。

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图 11-2 :长纤维增强粒料生产工艺流程

玻璃纤维束

包覆机头

冷却

牵引

树脂及助剂

挤出

切粒 包装 成品

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2 、短纤维粒料生产工艺 (1)短切纤维原丝单螺杆挤出法主要是挤出机为单螺杆,顾得名。优点:纤维与树脂混合均匀,适应柱塞式注射机生产。缺点:玻纤受损伤严重,料筒和螺杆磨损严重,生产速度低,劳动条件差。(2)单螺杆排气式挤出机回挤造粒法(3)排气式双螺杆挤出机造粒法(见书)

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§7-3 、影响 FRTP 性能的因素

1 、基体树脂用玻纤增强的树脂,都有较好的结果。产品物理性能升高。(力学,热变形强度,尺寸线膨胀率、吸水率低,耐疲劳性,抗蠕变性,防开裂,电性能)

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2 、纤维含量最佳纤维含量增强聚甲醛玻纤为 20% ,增强尼龙为 30% 、 ≯ 40%

3 、纤维质量(1) 纤维直径:细,强度高(复杂的问题)(2) 纤维长度:纤维均匀分布,越长,制品强度越高 (>0.04mm)

(3) 纤维表面处理:处理后,力学性能明显提高

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§7-4 、挤出成型工艺 加料、塑化、成型、定型四个过程。粒料在机内螺杆方向划为加料、压缩、均匀三个阶段。1 、加料段的工作原理加料区,固体输送区和迟后区。作用:对加入的粒料进行压实和输送。粒料主要是受热、前移、保持原状。当 f 螺 >f 筒,粒料随螺杆转动 f 螺 <f 筒,粒料随螺杆前移

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2 、压缩段工作原理

压缩比:螺杆在加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。物料经强烈搅拌、混合、剪切,温度升高,熔融态增加,固态减少,压缩段末端,全部变为粘流态。

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3 、均化段熔融物料进一步塑化均匀,定量、定压、挤出,亦称计量段、压出段。物料分四种方向:正流:物料沿螺槽向机头方向运动。逆流:与正流方向相反。横流:与螺纹相垂直的方向漏流:缝隙中向加料口方向流动

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§7-5 、 FRTP 挤出工艺 工艺流程:物料→机筒→机头→孔型→定型套→冷却槽→牵引装置→切断装置成型工艺参数:热学、机械、产品。热学:机筒温度,机头温度,孔型温度。机械:螺杆形式、转速、内径、外径、孔型平直部分长度, L/T 。产品:管材内、外径,拉伸比,直孔定型直径,孔型间隙,冷水温度。

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调节措施:(1) 温度部分开车前比正常操作高 10~20℃。(2) 型孔温度比机头温度稍低,有利于管材中气泡排除及防止软化时自重下垂。(3)开车慢转,出料后正常。(4)开始不加足料,型孔出料后再正常。(5)控制冷却水温。(6)一些疵病及解决方法。

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§7-6 、注射成型工艺概述

注射成型是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,经冷却定型后,脱模得到制品。——这是一种间歇式操作过程,适用于热塑性和热固性复合材料。

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1 、工艺特点

(1) 成型周期短(2) 热耗量少(3)闭模成型(4) 复杂产品一次成型,防变形或位移(5) 生产效率好,成本低

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2 、工艺参数特点表 12-1

3 、缺点(1) 不适用于长纤维的产品(2) 模具质量要求高

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§7-7 、注射成型工艺 1 、 FRTP 注射成型原理主要产生物理变化,即加热、冷却过程,物料不发生化学变化。2 、 FRP 注射成型原理一个复杂的物理和化学过程物料的过程:升温粘度下降,再升温粘度又上升,随即开始交凝和固化。

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热固性树脂纤维混合料加热过程特点:

(1) 不需冷却阶段(2)严格控制各阶段的温度(3) 注射充模应控制在粘度最低点(4)FRP 固化为放热反应,耗能低

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3 、两者比较

FRTP FRP

反复性 √ ×

温度 分段控制 严格控制

传压补料 √ ×

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4 、注射成型特性(1)挥发物(低分子量物质)的控制处理方法:注射料必须干燥处理,热塑性 (FRTP)含水量在 0.5~2% , FRP挥发物总量 2~7% 。(2)流动特性FRTP有玻纤存在,纤维越多,流动性越差。( 纤维阻力 )用加大浇口及流道直径,增加注射压力 ( 压力影响 ) ,提高料筒温度及模具温度等改善 FRTP流动性。对 FRP ,减少注模前的加热时间,防止树脂过早凝胶固化。

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(3) 纤维长度FRTP 中,长度增加,拉伸强度增加。螺杆转快长度变短,强度降低。(再生与回料量)(4) 纤维定向定向会使产品各向收缩不均和各向异性,要减少各向异性程度。提高模具温度和注射料流体温度,缩短浇口长度,注射压力和充模时间,把浇口放在型腔的最低部位来减少定向作用。 (5)拼缝强度拼缝处强度降低,改善设计

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(6) 体积收缩冷却出模后的 FRTP 制品,制品与模具模腔之差值的比,称收缩率。收缩率 =(D-D1)/ D1 ×100%

D :常温下模腔尺寸D1 :常温下制品尺寸成型 2~4h后为初期收缩率,成型 24~48h为成型收缩率。

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影响收缩率的因素:a 、玻纤含量:量高,收缩率低b 、制品壁厚:壁厚,收缩率大c 、浇口尺寸:尺寸大,收缩率低d 、熔融温度影响:增强尼龙 6 :随物料温度升高,收缩率增大。聚碳酸酯复合材料:物料升温,收缩率略降。e 、模温:模温升高,厚制品减少收缩率,薄制品增大收缩率。f 、成型压力:压力大对收缩率的降低有利g 、硬化速度:慢,周期长;快,成型缺陷。

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5 、工艺过程准备工作,工艺条件选择,后处理。(1) 注射料选择与预处理注射料的工艺性能预处理的目的:粘度要均匀,粉碎(2) 料筒清洗加料清洗(3)脱模剂选择硬脂酸锌,液体石蜡,硅油

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(4)嵌件预热嵌件温度一般控制在 110~130℃之间,镀铬、铝合金、铜嵌件, 150℃,但都不高于物料分散温度。

(5) 工艺条件在注射成型工艺中包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化、开模、出料等工序。

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在上述工序中应注意下列条件:

①加料及剩余量定时加料,适量剩余 10~20mm ,传压、补

料。②成型温度

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与下面因素有关a 、注射机种类螺杆式注射机的料筒温度比柱塞式低。b 、产品厚度薄壁产品料筒和喷嘴温度高,厚壁产品可稍低。c 、注射料品种、性能热塑性树脂,料筒温度高于模具温度热固性树脂,料筒温度低于模具温度增强材料,料筒、喷嘴温度比未用纤维的物料提高 10~20 ℃

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③螺杆转速及背压必须根据所选用的树脂热敏程度及熔体粘度等进行调整转速↑,剪应力↑,摩擦热↑,→塑化转速↑,纤维短↓,→借助背压分散背压:螺杆转动推进物料塑化时,传给螺杆的反向压力。背压作用:能提高树脂和纤维的混炼效果,使纤维分散均匀,但熔体温度较低时,会引起玻纤粉化,降低制品机械性能。螺杆转速在 15~100r/min ,一般热塑性料用 25~50 r/min ,热固性料用 30~60r/min 。

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④注射速度与注射压力压力:热塑性塑料的注射压力为 40~130MPa ,纤维增强的为 50~150MPa 。粘度较高的聚砜、聚苯醚及热固性复合材料注射压力为 80~200MPa 。保压时间一般为 20~120s ,特别厚的制品可高达5~10min 。注射压力与制品性能成正比关系。注射速度:慢,粘度增加,压力传递困难;快,耗能,气泡。低压→高压递进,时间 15~60s ,热固性 5~10s 。

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⑤周期定义:完成一次注射成型所需要的时间。关键:注射加压时间,冷却时间。⑥后处理热、调湿处理两种。热处理定义、实质、作用调湿处理定义、作用(6) 注射成型中出现的缺陷、原因及处理方法凹陷,飞边,起泡,变形,裂纹,脱模困难等。

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连续成型工艺§8-1 、概述

1 、连续成型工艺定义:指从添加原材料到制成玻璃钢制品的整个过程都是在连续不断的进行。种类:连续制管连续制板拉挤成型复合管生产

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2 、四种工艺简介(1)连续制管连续管——效率高,投资大,品种少连续复合管—— EPF 法,品质高,高强,高性能,多用途(2)连续制板浸胶毡定形固化而成。(3)连续拉挤——生产型材(4) 离心法制管——低成本玻钢管

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§8-2 、连续制管

§8-2-1 、概述 60 年代 丹麦“德罗斯索”公司第一台凸轮

钢带式纤维缠绕机70 年代 美、日引进丹麦技术改进80 年代 中国引进八道纤维缠绕大口径生 产线发展

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§8-2-2 、卧式干法缠绕机 预浸无纬带或玻璃布带缠绕工艺程序: 纵向、环向布带缠绕 芯轴内加热 预固化 第二次固化(高频加热) 外牵引脱模 切割特点:连续玻纤,浸胶铺放,先纵后环,环是相间反向。

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§8-2-3 、卧式湿法环向浸胶缠绕特点:预浸,均铺,环向纱层,纵向靠环向纱的余胶浸渍,环、纵交错缠绕,二次固化,自动脱模。

§8-2-4 、立式垂直向上表面抛光镀铬的钢芯轴,由下向上垂直移动,表面涂脱模剂,缠预浸纱,达厚度后,表面一层玻璃纸,缠完,切断,固化,脱芯。

§8-2-5 、立式低熔点金属芯模缠绕低熔点金属(铅—铋合金)向上移动的芯轴,缠绕,固化,上端熔化自动向下脱落。

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§8-3 、工艺特点

1 、连续化2 、定制长度3 、一芯即可4 、工艺稳定5 、结构多样

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§8-4 、原材料 1 、增强材料连续玻纤粗纱,布带,短切毡,表面毡,有机纤维(尼龙、涤纶、聚丙烯),石棉纤维2 、树脂不饱和聚酯树脂:间苯二甲酸系列,双酚 A 系列,含卤素树脂,环氧丙烯酸树脂,乙烯基酯树脂。特性:较长的凝胶,较短的固化时间,较低的固化放热峰。添加低收缩率添加剂。

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§8-5 、工艺参数 1 、缠绕规律纤维纱均匀、稳定、平整地排布在芯轴表面是关键。排布方式:平接,搭接。搭接方式 =(n-1)/nn=1 ,平接n=2 ,搭接 1/2n=3 ,搭接 2/3……n=k ,搭接 (k-1)/k

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2 、纵向纱片数m=πD / bm

bm——纱片宽度3 、螺旋缠绕角

4 、特有的配方,高效的加热方式合理布置固化装置

1mbD

tg

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§8-6 、热塑性和热固性复合结构管 EPF ,是挤出、拉挤和缠绕相结合的连续制管方法,用紫外线辐射引发固化。1 、工艺特点整个过程连续,生产效率高,制品强度高,耐腐,质轻,抗渗,耐热,电绝缘优良特点。2 、 EPF 工艺流程以挤出成型的塑料管为芯材,沿轴向铺设拉挤成型的热固性玻璃钢层,在周向用纤维缠绕法铺设热固性玻璃钢层,最后在管材表面涂热固性或热塑性的富树脂层。

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挤出塑料管芯材→冷却→定型→纵向纤维纱铺层→环向纤维缠绕铺层→预固化→富树脂表面层→紫外和远红外固化→冷却→牵引切割→产品3 、树脂光敏引发剂引发的树脂。Polylite HY-201 ,对内衬材料 PVC有优良的粘接性。

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§8-7 、拉挤成型工艺 §8-7-1 、概述

1 、历史48 年起源于美国。60 年代后发展起来。70 年代后,连续纤维毡,螺旋无捻粗纱机出现,可生产宽为 1m以上的中空制品。高频加热、树脂固化系统的改进,生产速度可达 3~4m/min 。美国以计算机控制的“拉挤之星”系列产品。国内是哈玻钢所,西安绝缘材料厂,引进设备。

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2 、拉挤优点:生产效率高,自动化,增强材料含量高,性能可靠,后加工量少,树脂损耗少,可调纵向、横向强度,可定长。3 、应用领域耐腐,电工,建筑,运输,运动娱乐,能源开发,航空航天。

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§8-7-2 、拉挤工艺

1 、工艺流程

玻纤粗纱排布→浸胶→预成型→挤压模塑及固化→牵引→切割→制品

独特之处:外力拉拨,挤压模塑

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拉挤成型工艺

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2 、拉挤工艺分类(1) 间歇式拉挤成型工艺间歇固化定型牵出,模具成本高(2)连续式拉挤成型工艺牵引与模塑连续进行(3)立式拉挤用熔融或液体金属槽代替钢制热成型模具,槽内金属液面上浇注乙二醇等有机保护层。

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3 、拉挤原材料(1) 树脂不饱和聚酯树脂(美国)五种:a 、硬质高反应性间苯型不饱和聚酯树脂 Polylite 1-20-5 与低收缩性填料相容性好,拉挤速度高 5倍。b 、中反应性间苯型不饱和聚酯树脂 Polylite 92-310 耐腐,大直径型材。c 、硬质高反应性间苯型不饱和聚酯树脂 Polylite 92-311 耐水、韧性。

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d 、中反应性间苯型不饱和聚酯树脂,耐腐蚀。e 、硬质高反应性间苯型不饱和聚酯树脂。环氧树脂室温固化的双酚 A 型环氧树脂,热固性甲基丙烯酸酯树脂,改性酚醛树脂,热塑性聚丙烯, ABS ,尼龙,聚碳酸酯,聚砜,聚醚砜,聚亚苯基硫醚。

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(2) 增强材料玻纤,聚酯纤维,芳纶纤维,碳纤维,都采用增强型浸润剂。

横向连续原丝毡,组合毡,无捻粗纱织物和针织物。

玻纤无捻粗纱

合股原丝直接无捻粗纱

膨体无捻粗纱

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4 、工艺参数固化温度,固化时间,牵引张力及速度,纱团数量。(1) 固化温度和时间不饱和聚酯树脂,多采用有机氧化物为引发剂,固化温度一般略高于有机过氧化物,最好通过固化放热曲线来确定。(2)浸胶时间一般不饱和聚酯树脂的浸胶时间在 15~20s 。(3)张力及牵引力取决于制品的几何形状,由实验决定。

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(4) 玻纤纱用量求混合物密度:

ρ 混:树脂和填料混合物密度 , ρ 混 =W 混 /V 混

Wt :填料质量分数 ρt :填料密度 g/cm3

ρR :树脂密度 g/cm3

Vg :树脂与填料混合物孔隙率

)1)(1

(

1

gR

t

t

t VWW

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玻纤体积百分含量:

纱团数: N=100 A βf ρf Vf / K

A :制品截面积βf :玻纤支数ρf :玻纤密度K :玻纤股数N :制品所用纱团数

)1)(1

( gcf

f

f

f

f

f

VWW

W

V

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5 、成型设备送纱架,胶槽,模具,固化炉,牵引设备,切割装置。

§8-8 、连续制板工艺 §8-8-1 、概述

1 、克服手糊、喷射波形瓦和平板厚度不均匀,有气泡等问题。由一片发展到二片重叠的双层连续技术,尺寸方面到二幅、三幅宽。

2 、美国费龙公司的生产线

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§8-8-2 、原材料 耐候性波板, G 类。难燃场合波板, S 类。耐候性:减少苯乙烯用量,用甲基丙烯酸甲酯代替。难燃性:选择阻燃树脂的等级及阻燃配方,近年来发展了聚丙烯酸酯,聚氯乙烯等热塑性树脂。增强材料:无捻粗纱,短切毡。其中短切毡含微毒物质,几年后会产生白浊。结构:朝双面覆盖氟薄膜技术发展。

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§8-8-3 、技术规范标准板形,连续异形波形,不连续异形波形。

§8-8-4 、制板工艺横向波板成型纵向波板成型

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§8-9 、离心法制管工艺 §8-9-1 、概述

60 年代起源于欧洲,在发达国家广泛应用,中国是空白。定义:树脂、玻纤及填料按一定比例加到旋转的模具内,依靠高速旋转产生离心力,使物料在模内挤压密实,固化成型。分类:压力管与非压力管,耐压 0~1.8MPa优点:高强,质轻,防腐,防锈,耐磨,大口径管造价低,综合成本低于钢管,而缠绕管综合成本高于钢管。

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用途:污水管,下水管主干线,给水管,盐水管,工业废水管,油田注水管,重点是耐腐和压力输水管。

§8-9-2 、原材料树脂:不饱和聚酯树脂增强材料:直径 9~13μm 玻纤,玻璃毡,玻纤纱,连续毡,网格布,单向布填料:石英砂,石英粉,辉绿岩粉,增加刚度、厚度,节约树脂

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§8-9-3 、工艺过程

原材料→配料→装模、离心成型→固化→脱模→后固化→成品 1 、配料强制搅拌2 、模具清洗,涂模3 、施转模具

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4 、加料每次厚 0.5~1.0mm ,均匀,排气5 、固化加热、加速固化6 、脱模巴柯硬度 15时脱模

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§8-9-4 、工艺要求 1 、增强材料铺设方法(1) 预混法15mm短切纤维与树脂、填料搅拌混合,加入旋转模具(2)自由铺设松散玻毡卷筒,离心力和人工铺层(3) 预成型法增强纤维套管,滑动旋转铺设(4) 机械铺设伸壁有纤维切断器,往复运动铺放

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2 、添加树脂方法(1) 预混法树脂糊 +粉状填料 + 纤维(2) 树脂泵树脂泵和长管,打入模腔(3) 喷射成型喷枪喷撒3 、排气措施(1)调整离心机转速(2) 机械压实

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4 、设备参数模具旋转速度和转速F=P·AN=60 v/π dP :压力 MPaA :受压面积 cm2

g :重力加速度 m/s2

r :旋转半径 mn :转速

WFgrv

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你们

正在奋斗… ...