复合材料工艺简述

  复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽,复合材料工业得到迅速发展,其老的成型工艺日臻完善,新的成型方法也不断涌现,目前复合材料的成型方法大概有以下工艺在国内广泛地用于工业化生产,如:

(1)手糊成型工艺;

(2)喷射成型工艺;

(3)浇铸成型技术;

(4)定长缠绕制管工艺;

(5)连续缠绕制管工艺;

(6)拉挤成型工艺;

(7)袋压法(压力袋);

(8)片状模压成型工艺(SMC);

(9)团装模压成型工艺(BMC);

(10)热塑性片状模塑料制造技术(GMT);

(11)真空袋压成型(真空导流工艺);

(12)树脂传递模塑成型技术(rtm);

(13)真空辅助轻质rtm(L-RTM)

(14)其他成型工艺(略)。

  (一)、RTM

树脂传递模塑成型简称rtm,起始于50、60年代,是手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。RTM的基本原理是将玻璃纤维增强材料铺放到闭模的模腔内,用专用压力设备将树脂胶液注入模腔,浸透玻纤增强材料,然后固化,脱模成型制品。rtm成型技术的特点:

1、可以制造两面光的制品;

2、成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(20000件/年);

3、rtm为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;

4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;

5、原材料及能源消耗少;

6、建厂投资相对少,项目容易上马。

rtm技术适用范围很广,目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。已开发的产品有:汽车壳体及部件、娱乐车构件、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、小型游艇等。

RTM工艺设备、模具、原材料   

RTM成型工艺过程中,注射设备是必须的,要求设备的固化剂的比例可调,一般从0.5% 到 3.5%之间不等比例的产品,每分钟流量5-10升左右,注射压力从 0.1到8个大气压。可以预设置注射树脂量,带自循环的通过循环泵的简易通道,能够实现简单的设备维护。一般RTM模具模腔内是3-6公斤正压 ,因此对于模具的刚度有一定要求,如若模具刚度不够的话,不能够保证产品的尺寸精确性也很容易出现爆模意外。RTM用的原材料有树脂、增强材料和填料。 树脂体系 RTM工艺用的树脂主要是不饱和聚酯树脂,要求粘度适中 。一般RTM的增强材料主要是玻璃纤维,其含量为45%~55%;常用的增强材料有玻璃纤维连续毡、复合毡及方格布。 填料对RTM工艺很重要,它不仅能降低成本,改善性能,而且能在树脂固化放热阶段吸收热量。常用的填料有氢氧化铝、玻璃微珠、碳酸钙、云母等。其用量为20%~40%。RTM全部生产过程各工序的操作人员及工具、设备位置固定,模具由小车运送,依次经过每一道工序,实现流水作业。模具在流水线上的循环时间,基本上反映了制品的生产周期,小型制品一般只需十几分钟,大型制品的生产周期可以控制在1小时以内完成。

(二)、真空导流工艺

真空导流工艺分为干法盒湿法2种。湿法是将手糊或者喷射成型未固化的制品,加盖一层真空袋膜,制品处于薄膜和模具之间,密封周边,抽真空(0.07MPa),使制品中的气泡和挥发物排除。干法是将增强玻纤铺放到模具上,将真空袋膜与模具周边密封,在抽真空的同时将树脂从模具的另一端由管路导入到模具中,将增强玻纤浸润。2种工艺的区别在于干法的玻纤含量可以做的更高。真空导流成型技术的特点:

1、可以制造单面光的制品;

2、成型效率一般,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(1000件/年);

3、为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;

4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;

5、一次性耗材较多、垃圾回收是个问题,成本相对高;目前用于船艇、风能等大型制品;如豪华游艇,风电叶片、机舱罩等等。工艺过程根据制品的形状复杂程度以及面积的大小而有所差异,一般从1—4、5小时不等。

真空导流工艺设备、模具、原材料   

真空导流成型工艺过程中,不需要注射设备,只需要一台真空泵就可以了;模具只需要单模一般模腔内是负压0.1Mpa ,真空导流工艺所用的原材料有树脂体系、增强材料,不添加填料。 该工艺用的树脂主要是要求粘度要低,在180—300厘泊左右。增强材料主要是玻璃纤维,其含量为50%~65%;常用的增强材料有玻璃纤维短切毡、复合毡及方格布等。

(三)、软模RTM工艺

软模RTM工艺兼顾了RTM和真空导流工艺的优点,将RTM的刚性上模改成硅胶或者橡胶的软模,其作用相当于一层真空袋膜,制品处于软模和模具之间,密封周边,抽真空(0.1MPa左右),在抽真空的同时将树脂从模具的另一端由管路导入到模具中,将增强玻纤浸润。固化后脱模。

软模RTM成型技术的特点:

1、可以制造两面光的形状结构复杂的制品;

2、成型效率一般,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(1000件/年以内);

3、为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;

4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;

5、软模的使用寿命在10—50次左右,成本介于RTM和真空导流工艺之间目前用于船艇、汽车零部件、工程车覆盖件等等。

软模RTM工艺设备、模具、原材料   

软模RTM成型工艺过程中,同样不需要注射设备,只需要一台真空泵就可以了;模具需要单面刚性模一般模腔内是负压0.1Mpa ,所用的原材料与真空导流的材料基本一样。 该工艺效率介于RTM和真空导流之间,其可取之处主要在于所使用真空辅助材料的可重复利用性,以及其在施工过程中提现出来的方便性,优点一、耗材可多次重复利用,降低成本;优点二、可根据模具做成各种复杂形状,便于铺敷,且可有效地避免架桥和干区;优点三、韧性极好,注射过程如有白斑和干区,可大力扯动,人为制造树脂导流路线,不用担心真空袋被破坏。

(四)、L-RTM

在液体闭模工艺发展过程中,真空辅助RTM工艺(L-RTM)的开发成功可谓具有里程碑意义,真空辅助成型L-RTM技术是一种新型的低成本的复合材料大型制件的成型技术,它主要原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体,采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔,模具具有周边密封和紧固以及注射从排气系统以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维,是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动,渗透,实现对纤维及织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定的树脂及纤维比例的工艺方法。其技术路线上与传统RTM的不同之处,在于有一半模具是半刚性的,模具的厚度可以做到很薄。

L-RTM工艺的特点:

1、可以制造两面光的制品;

2、成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(3000件/年);

3、L-RTM为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;

4、增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;

5、原材料及能源消耗少。

对于尺寸、大面积的复合材料制件,L-RTM是一种十分有效的成型方法,采用以往的复合材料成型工艺,大型模具的选材困难,而且成本昂贵,制造十分困难,尤其是对于大厚度的船舶、汽车、飞机等结构件。L-RTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙率含量小、成型过程中产生的VOC挥发气体少、环境污染小(有机挥发份小于50ppm,是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺)。产品的性能好等优点,并且工艺具有很大的灵活性。被广泛应用于中小型游艇、风电机舱罩、汽车大包围、工程车覆盖件等等领域。

L-RTM工艺设备、模具、原材料   

L-RTM成型工艺过程中,除了真空泵是必须的以外,注射设备是可选的,设备要求同RTM所用设备基本一样。如果不采用树脂注射设备也可以达到相同的目的,只是效率上稍有差异。L-RTM模具模腔内是0.2-0.8公斤正压 ,因此对于产品内表面模具的刚度要求不高,主要是为了体现一个“轻”字。L-RTM用的原材料有基体树脂、增强玻纤材料。L-RTM工艺用的树脂可以是不饱和聚酯树脂,也可以是乙烯基或者环氧树脂,主要要求:

(1) 低粘度,仅借助真空即可在增强剂堆积的高密度预成型体中流动、浸润、浸透。(粘度指标180—300厘泊 )

(2) 适用周期长,较长的凝胶时间,较快的固化速度,这样有利于浸透、排气。

(3) 可在室温下固化,树脂工作寿命满足结构要求。

(4) 固化时无需额外压力,只需真空负压。

(5) 具有良好的韧性与高于一般树脂的弹性模量,以及抗腐蚀性。

一般L-RTM的增强材料主要是玻璃纤维,其含量为45%~55%;常用的增强材料也是玻璃纤维连续毡、复合毡及方格布。L-RTM工艺过程因产品不同,操作的时间过程也不尽相同。

由此可看出,L-RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺,工人只需将设计好的干纤维或者预成型体放到模具中并合模,随后的工艺则完全靠模具和注射系统来完成和保证,没有任何树脂的暴露,并因而对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。L-RTM成型技术在国外的应用非常广泛,很多公司都采用该技术制造大型结构制件,在船舶制造工业中应用尤为突出。另外,航天飞机舱壁、导弹的鼻锥、导弹自动瞄准头的整流罩、雷达罩、扫雷艇、推进器、火箭发射简等均在采用L-RTM技术成型。由于L-RTM工艺采用闭模成型工艺,也特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片 (纤维、夹芯和接头等可一次在模腔中共成型),而无需二次粘接。与手糊工艺生产叶片相比,不但节约了粘接工艺的各种工装设备,而且节约了工作时间,提向了生产效率。降低了生产成本。同时由于采用了低粘度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺,大大提高了复合材料质量和生产效率。L-RTM工艺生产较少的依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数,产品质量易于保证,产品的废品率低于手糊工艺。因此,目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用模压、L-RTM、缠绕及预浸料/真空导流工艺制造。其中模压工艺投资较大,适宜小尺寸风机叶片的大批量生产(>10000片/年);L-RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产(1000~5000片/年);缠绕及预浸料/真空导流工艺适宜大型风机叶片批量生产。