復(fù)合材料工藝簡(jiǎn)述

  復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展,其老的成型工藝日臻完善,新的成型方法也不斷涌現(xiàn),目前復(fù)合材料的成型方法大概有以下工藝在國(guó)內(nèi)廣泛地用于工業(yè)化生產(chǎn),如:

(1)手糊成型工藝;

(2)噴射成型工藝;

(3)澆鑄成型技術(shù);

(4)定長(zhǎng)纏繞制管工藝;

(5)連續(xù)纏繞制管工藝;

(6)拉擠成型工藝;

(7)袋壓法(壓力袋);

(8)片狀模壓成型工藝(SMC);

(9)團(tuán)裝模壓成型工藝(BMC);

(10)熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)(GMT);

(11)真空袋壓成型(真空導(dǎo)流工藝);

(12)樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)(rtm);

(13)真空輔助輕質(zhì)rtm(L-RTM)

(14)其他成型工藝(略)。

  (一)、RTM

樹(shù)脂傳遞模塑成型簡(jiǎn)稱(chēng)rtm,起始于50、60年代,是手糊成型工藝改進(jìn)的一種閉模成型技術(shù),可以生產(chǎn)出兩面光的制品。RTM的基本原理是將玻璃纖維增強(qiáng)材料鋪放到閉模的模腔內(nèi),用專(zhuān)用壓力設(shè)備將樹(shù)脂膠液注入模腔,浸透玻纖增強(qiáng)材料,然后固化,脫模成型制品。rtm成型技術(shù)的特點(diǎn):

1、可以制造兩面光的制品;

2、成型效率高,適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(20000件/年);

3、rtm為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;

4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放,容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料;

5、原材料及能源消耗少;

6、建廠(chǎng)投資相對(duì)少,項(xiàng)目容易上馬。

rtm技術(shù)適用范圍很廣,目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。已開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品有:汽車(chē)殼體及部件、娛樂(lè)車(chē)構(gòu)件、天線(xiàn)罩、機(jī)器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話(huà)亭、小型游艇等。

RTM工藝設(shè)備、模具、原材料   

RTM成型工藝過(guò)程中,注射設(shè)備是必須的,要求設(shè)備的固化劑的比例可調(diào),一般從0.5% 到 3.5%之間不等比例的產(chǎn)品,每分鐘流量5-10升左右,注射壓力從 0.1到8個(gè)大氣壓。可以預(yù)設(shè)置注射樹(shù)脂量,帶自循環(huán)的通過(guò)循環(huán)泵的簡(jiǎn)易通道,能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)備維護(hù)。一般RTM模具模腔內(nèi)是3-6公斤正壓 ,因此對(duì)于模具的剛度有一定要求,如若模具剛度不夠的話(huà),不能夠保證產(chǎn)品的尺寸精確性也很容易出現(xiàn)爆模意外。RTM用的原材料有樹(shù)脂、增強(qiáng)材料和填料。 樹(shù)脂體系 RTM工藝用的樹(shù)脂主要是不飽和聚酯樹(shù)脂,要求粘度適中 。一般RTM的增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維,其含量為45%~55%;常用的增強(qiáng)材料有玻璃纖維連續(xù)氈、復(fù)合氈及方格布。 填料對(duì)RTM工藝很重要,它不僅能降低成本,改善性能,而且能在樹(shù)脂固化放熱階段吸收熱量。常用的填料有氫氧化鋁、玻璃微珠、碳酸鈣、云母等。其用量為20%~40%。RTM全部生產(chǎn)過(guò)程各工序的操作人員及工具、設(shè)備位置固定,模具由小車(chē)運(yùn)送,依次經(jīng)過(guò)每一道工序,實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)。模具在流水線(xiàn)上的循環(huán)時(shí)間,基本上反映了制品的生產(chǎn)周期,小型制品一般只需十幾分鐘,大型制品的生產(chǎn)周期可以控制在1小時(shí)以?xún)?nèi)完成。

(二)、真空導(dǎo)流工藝

真空導(dǎo)流工藝分為干法盒濕法2種。濕法是將手糊或者噴射成型未固化的制品,加蓋一層真空袋膜,制品處于薄膜和模具之間,密封周邊,抽真空(0.07MPa),使制品中的氣泡和揮發(fā)物排除。干法是將增強(qiáng)玻纖鋪放到模具上,將真空袋膜與模具周邊密封,在抽真空的同時(shí)將樹(shù)脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中,將增強(qiáng)玻纖浸潤(rùn)。2種工藝的區(qū)別在于干法的玻纖含量可以做的更高。真空導(dǎo)流成型技術(shù)的特點(diǎn):

1、可以制造單面光的制品;

2、成型效率一般,適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(1000件/年);

3、為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;

4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放,容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料;

5、一次性耗材較多、垃圾回收是個(gè)問(wèn)題,成本相對(duì)高;目前用于船艇、風(fēng)能等大型制品;如豪華游艇,風(fēng)電葉片、機(jī)艙罩等等。工藝過(guò)程根據(jù)制品的形狀復(fù)雜程度以及面積的大小而有所差異,一般從1—4、5小時(shí)不等。

真空導(dǎo)流工藝設(shè)備、模具、原材料   

真空導(dǎo)流成型工藝過(guò)程中,不需要注射設(shè)備,只需要一臺(tái)真空泵就可以了;模具只需要單模一般模腔內(nèi)是負(fù)壓0.1Mpa ,真空導(dǎo)流工藝所用的原材料有樹(shù)脂體系、增強(qiáng)材料,不添加填料。 該工藝用的樹(shù)脂主要是要求粘度要低,在180—300厘泊左右。增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維,其含量為50%~65%;常用的增強(qiáng)材料有玻璃纖維短切氈、復(fù)合氈及方格布等。

(三)、軟模RTM工藝

軟模RTM工藝兼顧了RTM和真空導(dǎo)流工藝的優(yōu)點(diǎn),將RTM的剛性上模改成硅膠或者橡膠的軟模,其作用相當(dāng)于一層真空袋膜,制品處于軟模和模具之間,密封周邊,抽真空(0.1MPa左右),在抽真空的同時(shí)將樹(shù)脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中,將增強(qiáng)玻纖浸潤(rùn)。固化后脫模。

軟模RTM成型技術(shù)的特點(diǎn):

1、可以制造兩面光的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品;

2、成型效率一般,適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(1000件/年以?xún)?nèi));

3、為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;

4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放,容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料;

5、軟模的使用壽命在10—50次左右,成本介于RTM和真空導(dǎo)流工藝之間目前用于船艇、汽車(chē)零部件、工程車(chē)覆蓋件等等。

軟模RTM工藝設(shè)備、模具、原材料   

軟模RTM成型工藝過(guò)程中,同樣不需要注射設(shè)備,只需要一臺(tái)真空泵就可以了;模具需要單面剛性模一般模腔內(nèi)是負(fù)壓0.1Mpa ,所用的原材料與真空導(dǎo)流的材料基本一樣。 該工藝效率介于RTM和真空導(dǎo)流之間,其可取之處主要在于所使用真空輔助材料的可重復(fù)利用性,以及其在施工過(guò)程中提現(xiàn)出來(lái)的方便性,優(yōu)點(diǎn)一、耗材可多次重復(fù)利用,降低成本;優(yōu)點(diǎn)二、可根據(jù)模具做成各種復(fù)雜形狀,便于鋪敷,且可有效地避免架橋和干區(qū);優(yōu)點(diǎn)三、韌性極好,注射過(guò)程如有白斑和干區(qū),可大力扯動(dòng),人為制造樹(shù)脂導(dǎo)流路線(xiàn),不用擔(dān)心真空袋被破壞。

(四)、L-RTM

在液體閉模工藝發(fā)展過(guò)程中,真空輔助RTM工藝(L-RTM)的開(kāi)發(fā)成功可謂具有里程碑意義,真空輔助成型L-RTM技術(shù)是一種新型的低成本的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù),它主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體,采用注射設(shè)備將專(zhuān)用低粘度注射樹(shù)脂體系注入閉合模腔,模具具有周邊密封和緊固以及注射從排氣系統(tǒng)以保證樹(shù)脂流動(dòng)順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維,是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體,通過(guò)樹(shù)脂的流動(dòng),滲透,實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及織物的浸漬,并在室溫下進(jìn)行固化,形成一定的樹(shù)脂及纖維比例的工藝方法。其技術(shù)路線(xiàn)上與傳統(tǒng)RTM的不同之處,在于有一半模具是半剛性的,模具的厚度可以做到很薄。

L-RTM工藝的特點(diǎn):

1、可以制造兩面光的制品;

2、成型效率高,適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(3000件/年);

3、L-RTM為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;

4、增強(qiáng)材料可以任意方向鋪放,容易實(shí)現(xiàn)按制品受力狀況例題鋪放增強(qiáng)材料;

5、原材料及能源消耗少。

對(duì)于尺寸、大面積的復(fù)合材料制件,L-RTM是一種十分有效的成型方法,采用以往的復(fù)合材料成型工藝,大型模具的選材困難,而且成本昂貴,制造十分困難,尤其是對(duì)于大厚度的船舶、汽車(chē)、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)件。L-RTM工藝制造的復(fù)合材料制件具有成本低、空隙率含量小、成型過(guò)程中產(chǎn)生的VOC揮發(fā)氣體少、環(huán)境污染小(有機(jī)揮發(fā)份小于50ppm,是唯一符合國(guó)際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝)。產(chǎn)品的性能好等優(yōu)點(diǎn),并且工藝具有很大的靈活性。被廣泛應(yīng)用于中小型游艇、風(fēng)電機(jī)艙罩、汽車(chē)大包圍、工程車(chē)覆蓋件等等領(lǐng)域。

L-RTM工藝設(shè)備、模具、原材料   

L-RTM成型工藝過(guò)程中,除了真空泵是必須的以外,注射設(shè)備是可選的,設(shè)備要求同RTM所用設(shè)備基本一樣。如果不采用樹(shù)脂注射設(shè)備也可以達(dá)到相同的目的,只是效率上稍有差異。L-RTM模具模腔內(nèi)是0.2-0.8公斤正壓 ,因此對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)表面模具的剛度要求不高,主要是為了體現(xiàn)一個(gè)“輕”字。L-RTM用的原材料有基體樹(shù)脂、增強(qiáng)玻纖材料。L-RTM工藝用的樹(shù)脂可以是不飽和聚酯樹(shù)脂,也可以是乙烯基或者環(huán)氧樹(shù)脂,主要要求:

(1) 低粘度,僅借助真空即可在增強(qiáng)劑堆積的高密度預(yù)成型體中流動(dòng)、浸潤(rùn)、浸透。(粘度指標(biāo)180—300厘泊 )

(2) 適用周期長(zhǎng),較長(zhǎng)的凝膠時(shí)間,較快的固化速度,這樣有利于浸透、排氣。

(3) 可在室溫下固化,樹(shù)脂工作壽命滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求。

(4) 固化時(shí)無(wú)需額外壓力,只需真空負(fù)壓。

(5) 具有良好的韌性與高于一般樹(shù)脂的彈性模量,以及抗腐蝕性。

一般L-RTM的增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維,其含量為45%~55%;常用的增強(qiáng)材料也是玻璃纖維連續(xù)氈、復(fù)合氈及方格布。L-RTM工藝過(guò)程因產(chǎn)品不同,操作的時(shí)間過(guò)程也不盡相同。

由此可看出,L-RTM工藝屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝,工人只需將設(shè)計(jì)好的干纖維或者預(yù)成型體放到模具中并合模,隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來(lái)完成和保證,沒(méi)有任何樹(shù)脂的暴露,并因而對(duì)工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。L-RTM成型技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用非常廣泛,很多公司都采用該技術(shù)制造大型結(jié)構(gòu)制件,在船舶制造工業(yè)中應(yīng)用尤為突出。另外,航天飛機(jī)艙壁、導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)彈自動(dòng)瞄準(zhǔn)頭的整流罩、雷達(dá)罩、掃雷艇、推進(jìn)器、火箭發(fā)射簡(jiǎn)等均在采用L-RTM技術(shù)成型。由于L-RTM工藝采用閉模成型工藝,也特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片 (纖維、夾芯和接頭等可一次在模腔中共成型),而無(wú)需二次粘接。與手糊工藝生產(chǎn)葉片相比,不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備,而且節(jié)約了工作時(shí)間,提向了生產(chǎn)效率。降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)由于采用了低粘度樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維以及采用加溫固化工藝,大大提高了復(fù)合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。L-RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴(lài)工人的技術(shù)水平,工藝質(zhì)量?jī)H僅依賴(lài)確定好的工藝參數(shù),產(chǎn)品質(zhì)量易于保證,產(chǎn)品的廢品率低于手糊工藝。因此,目前國(guó)外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用模壓、L-RTM、纏繞及預(yù)浸料/真空導(dǎo)流工藝制造。其中模壓工藝投資較大,適宜小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的大批量生產(chǎn)(>10000片/年);L-RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量生產(chǎn)(1000~5000片/年);纏繞及預(yù)浸料/真空導(dǎo)流工藝適宜大型風(fēng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)。