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复合材料工艺与设备复习

0常用的增强材料0常用的树脂基体(包括热塑性、热固性)0常用的成型工艺典型的液体成型:树脂传递模塑(RTM)、树脂膜渗透(RFI)、VARTM、VARI、SCRIMP、RLI典型的热固性树脂成型:模压、喷射、RTM、RIM、拉挤、缠绕…典型的热塑性成型:挤出、GMT、LFT、注射…0工艺流程及其特点0成型工艺参数及其控制CM 复合材料FRP 纤维增强塑料FRTP 纤维增强热塑性塑料SMC 片状模塑料DMC 团状模塑料BMC 块状模塑料RTM 树脂传递模塑RIM 反应注射模塑RRIM 增强反应注射模塑GMT 热塑性片状模塑料AS AS树脂,丙烯腈—苯乙烯共聚物CM是指由两种或两种以上的不同材料,通过一定的工艺复合而成的,性能优于原单一材料的多相固体材料。

高性能:高强度、高模量、耐高温、低密度、轻质高强、力学性能好、耐热性好、介电性能好。

有些热防护功能、透波功能、吸波功能、阻尼功能等。

高性能树脂基复合材料的制备:1)选材好,选用耐热性能、力学性能好的树脂基体;2)选材好,选用力学性能比较好的碳纤维或者高性能的玻璃纤维;3)成型方法要选择合适;4)关键的成型设备要选择好;5)成型工艺控制好,通过优化成型工艺条件,可以大幅提升材料性能。

第三章夹层结构由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的一种结构材料。

弥补玻璃钢弹性模量低、刚度差的不足。

在同样承载能力下,大大减轻结构的自重。

加芯材的目的:维持两面板之间的距离,使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。

优缺点泡沫:质量轻、刚度大、保温隔热性能好、强度不高蜂窝:质量轻、强度大、刚度大//应用:构件尺寸较大、强度要求较高的部件波板:制作简单,节省材料,但不适用于曲面形状的制品,质量轻、刚度大。

第四章模压成型∙什么是模压?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模压料的工艺性:流动性、收缩性、压缩性。

流动性。

在一定温度和压力下模压料充满模腔的能力。

如流动性好,可用较低成型温度、压力,较容易成型复杂制品。

过大,会导致树脂流失或纤维局部聚集,制品性能下降。

过小,物料不能充满模腔或局部缺料,无法成型。

成型压力↑,剪切速率↑,流动性↑。

在较低温度范围内T↑,η↓,流动性↑,T继续升高,流动性↓。

在开始一段时间内t↑,流动性↑,继续延长t,流动性↓。

分子结构压缩性原材料、模具结构和制品形状、成型工艺条件∙模压料的组成:短纤维增强材料、树脂基体材料、辅助材料控制:树脂溶液浓度,纤维长度,浸渍时间,烘干条件制备:预混、预浸,浸毡法与质量控制∙短纤维模压料质量控制指标:树脂含量;挥发物含量;不溶性树脂含量SMC基本组成:不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合物浸渍短切玻纤粗纱或玻纤毡,两表面加上保护膜(聚乙烯或聚丙烯薄膜)形成的片状模压成型材料。

SMC的增稠、低收缩作用、 SMC生产工艺:树脂糊制备,上糊操作,纤维切割沉降、浸渍、稠化及其控制、模压工艺参数第六章层压成型∙胶布制备工艺参数:胶液粘度、浸胶时间、烘干温度与时间、牵引张力∙干燥:1)表面气化阶段,表面气化速度决定干燥速度,随周围介质浓度增加而减小。

2)内部扩散阶段,内部扩散速度大小决定了胶布干燥速度的快慢。

物料层厚度、结构对干燥速度有很大影响。

//采用较低温度到较高温度的干燥过程原因:保证使树脂不过早的由A阶转变为B阶,使干燥过程能很好地按表面气化来控制,充分地将物料内的挥发物排除,同时使部分树脂缓慢均匀地由A阶段转变为B阶段。

∙层压工艺:将浸有或涂有树脂的片材按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后,放入两个抛光的金属模具之间,在加热加压条件下,固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。

//预浸胶布制备、胶布裁剪、叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序//参数:成型压力、温度、时间升温示意图预热阶段,从室温到开始显著反应时的温度。

目的是使胶布中的树脂熔化,使挥发物跑掉,熔融树脂进一步浸渍玻璃布,压力为全压的1/3~1/2。

中间保温阶段,作用是使胶布在较低的反应速度下进行固化。

升温阶段,作用在于逐步提高反应温度,加速固化反应速度。

热压保温阶段,作用在于使树脂获得充分固化。

冷却阶段,在保压的情况下,采用自然冷却或强制冷却到室温,而后去除压力取出制品。

第七章缠绕成型: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,然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。

∙纤维缠绕特点:优点:规整度和精度高,制品比强度和比模量高,质量稳定、生产效率高、材料成本低。

缺点:设备投资费用大,只有批量生产时才可能降低成本∙分类:干法:制品质量稳定;缠绕速度快; 缠绕设备清洁,劳动卫生条件好;预浸设备投资大。

//湿法:不需要预浸渍设备,设备投资少;对材料要求不严,便于选材;纱片质量不易控制和检验;张力不易控制;胶液中存在大量溶剂,固化时易产生气泡;浸胶辊、张力辊等要经常维护刷洗。

//半干:与湿法相比,增加了烘干工序,除去了溶剂。

与干法相比,无需整套的预浸设备,缩短了烘干时间,使缠绕过程可在室温下进行。

提高了制品质量。

缠绕方法(环向缠绕、纵向、螺旋)、影响缠绕性能的因素(原材料性能及缠绕线型、缠绕张力)、制造方法;∙工艺控制1根据产品使用和设计要求、技术质量指标,进行结构造型、缠绕线型和芯模设计;2选择原材料;3产品强度要求、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数计算;4根据选定的原材料和工艺方法,确定工艺流程及工艺参数;5根据缠绕线型选定缠绕设备,或为缠绕设备设计提供参数。

第九章拉挤成型拉挤成型特点:1)自动化、连续化生产工艺2)生产效率高,可多模多件3)拉挤制品中纤维含量可高达80%,浸胶在张力下进行,能充分发挥连续纤维的力学性能,产品强度高4)制品纵、横向强度可任意调整,可以满足不同力学性能制品的使用要求5)制品性能稳定可靠,波动范围在±5%之内6)原材料利用率在95%以上,废品率低7)不能利用非连续增强材料8)产品形状单调,只能生产线形型材(非变截面制品),横向强度不高。

∙分类:卧式拉挤成型:间歇式、连续式。

立式∙、工艺流程;纤维区、浸渍、预成型、固化、拉拔∙∙工艺控制:工艺参数:模腔温度、树脂温度、模腔压力、树脂粘度、固化速度、固化程度、牵引张力及速度、纱团数量第十章热压罐成型∙热压罐成型特点:罐内压力均匀、空气温度均匀,适用范围广,成型工艺温度可靠。

投资大,成本高。

∙组成:罐体、控制系统、电气系统、气体产生系统、真空系统∙分类:真空袋、压力袋、双真空袋∙成型制备方法;第十一章挤出成型∙挤出成型特点:单螺秆挤出机主要是靠机头压力产生均质熔体,双螺杆挤出机完全是靠螺杆作用使树脂充分塑化,并与纤维均匀复合。

因此,它除具有排气式单螺杆挤出造粒的优点外,比单螺杆挤出机更有效地挤出造粒和利用松散物料。

∙∙、分类、挤出成型制备方法、影响挤出成型性能的因素:基体树脂、纤维含量、纤维质量。

用纤维增强后,其性能有很大提高//纤维直径越细,强度越高//纤维越长,制品强度越高//纤维分散越均匀,机械强度和热性能就越好1、模压/层压,温度制度和压力制度的确定温度制度:装模温度、升温速度、最高模压温度、恒温时间、降温速度、后固化温度(模压料挥发物含量高,不熔性树脂含量低时,装模温度应较低,反之装模温度应较高。

厚度。

树脂的放热曲线。

反应固化时间(模压料的种类),热量传递的时间(模压料的种类制品结构尺寸、加热装置的热效率、环境温度))压力制度:成型压力、加压时机、放气充模等(模压料的种类、质量指标,制品的结构形状尺寸。

确定加压时机: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。

快速压制)加温的作用:增加分子热运动和分子间化学反应的能力,促使树脂塑化和固化。

2、缠绕成型对增强材料的要求:1)航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的碳纤维和芳纶纤维,民用产品多选用连续玻璃纤维2)满足制品的性能要求3)纤维都必须进行表面处理4)树脂浸渍性好,浸透速度快5)各股纤维张力均匀6)成带性好,不起毛,不断头。

3、真空辅助成型工艺的特点:衍生自RTM工艺,基本特点与RTM相同;树脂流动由真空压力驱动;仅需半面模具,另一面为真空袋;制品一面光滑;低成本工装设备;模具通常需要加热固化树脂,生产周期较长,机械化、自动化程度低;制品力学性能较高,缺陷少;适合制造大型,超大型部件4、热塑性树脂基复合材料挤出成型的特点:螺秆挤出机主要是靠机头压力产生均质熔体,双螺杆挤出机完全是靠螺杆作用使树脂充分塑化,并与纤维均匀复合。

因此,它除具有排气式单螺杆挤出造粒的优点外,比单螺杆挤出机更有效地挤出造粒和利用松散物料。

5、FRP注射成型过程:预浸渍料加入料筒,适当加温加压,当物料运动到喷嘴时,粘度应达到最低值,并被迅速注入模腔。

在热压作用下固化定型,然后开模取出制品。

6、层压制品的收缩因素:原材料、模具结构和制品形状、成型工艺条件的影响7、热压罐成型工艺的特点:罐内压力均匀、空气温度均匀,适用范围广,成型工艺温度可靠。

投资大,成本高。

8、模压成型工艺对树脂的要求:有良好的流动特性,在室温常压下处于固体或半固体状态(不沾手),在压制条件下具有一定的流动性,使模压料能均匀地充满压模模腔;适宜的固化速度,在固化时副产物少,体积收缩率小,工艺性好(如粘度易调,与各种溶剂互溶性好,易脱模等);满足模压制品特定的性能要求9、简述GMT材料特性及优点:高机械性能和低密度,设计自由,循环时间短,可回收,抗化学和抗腐蚀能力强,很好的振动性能,优秀的抗裂纹生长能力,低温冲击下无大面积破裂,吸能效果显著10、阐述长纤维增强热塑料在线模压成型技术的优势:在线模压成型工艺是以化工材料和增强纤维直接成型生产最终制品,省却半成品制造11、试分析VARI成型工艺对树脂的要求:1)黏度低,便于浸渍2)足够长时间内黏度不变,有利于浸透、排气3)可在较低温度下完全固化4)固化时无需额外压力,只需真空压力5)具有良好的力学性能,满足结构使用要求6)具有较高的玻璃化转变温度,满足耐热要求。

12、低收缩、高强度复合材料线材/板材/管复合材料成型工艺管:手糊,拉挤,缠绕,层压板材:层压13、低收缩添加剂的作用机理树脂受热时膨胀,热固性树脂与热塑性树脂的固化时间不同,热固性树脂首先聚合固化,其在热塑性树脂的热膨胀压力下不能收缩;待温度下降时,热塑性树脂固化收缩,而周围的热固性树脂已固化定型,使得热塑性树脂只能在局部收缩造成微孔,而不会使整体收缩变形。

14、低粘度树脂增稠的办法;增稠速度与树脂酸值成比例。

酸值愈高,增稠效果愈明显。

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