復(fù)合材料工藝簡述

  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

樹脂傳遞模塑成型簡稱rtm,起始于50、60年代,是手糊成型工藝改進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材料鋪放到閉模的模腔內(nèi),用專用壓力設(shè)備將樹脂膠液注入模腔,浸透玻纖增強材料,然后固化,脫模成型制品。rtm成型技術(shù)的特點:

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

5、原材料及能源消耗少;

6、建廠投資相對少,項目容易上馬。

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。已開發(fā)的產(chǎn)品有:汽車殼體及部件、娛樂車構(gòu)件、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、小型游艇等。

RTM工藝設(shè)備、模具、原材料   

RTM成型工藝過程中,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個大氣壓?？梢灶A(yù)設(shè)置注射樹脂量,帶自循環(huán)的通過循環(huán)泵的簡易通道,能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的設(shè)備維護。一般RTM模具模腔內(nèi)是3-6公斤正壓 ,因此對于模具的剛度有一定要求,如若模具剛度不夠的話,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用的原材料有樹脂、增強材料和填料。 樹脂體系 RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂,要求粘度適中 。一般RTM的增強材料主要是玻璃纖維,其含量為45%~55%;常用的增強材料有玻璃纖維連續(xù)氈、復(fù)合氈及方格布。 填料對RTM工藝很重要,它不僅能降低成本,改善性能,而且能在樹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)過程各工序的操作人員及工具、設(shè)備位置固定,模具由小車運送,依次經(jīng)過每一道工序,實現(xiàn)流水作業(yè)。模具在流水線上的循環(huán)時間,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小時以內(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,在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中,將增強玻纖浸潤。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:

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

5、一次性耗材較多、垃圾回收是個問題,成本相對高;目前用于船艇、風能等大型制品;如豪華游艇,風電葉片、機艙罩等等。工藝過程根據(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)流成型工藝過程中,不需要注射設(shè)備,只需要一臺真空泵就可以了;模具只需要單模一般模腔內(nèi)是負壓0.1Mpa ,真空導(dǎo)流工藝所用的原材料有樹脂體系、增強材料,不添加填料。 該工藝用的樹脂主要是要求粘度要低,在180—300厘泊左右。增強材料主要是玻璃纖維,其含量為50%~65%;常用的增強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,將RTM的剛性上模改成硅膠或者橡膠的軟模,其作用相當于一層真空袋膜,制品處于軟模和模具之間,密封周邊,抽真空(0.1MPa左右),在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導(dǎo)入到模具中,將增強玻纖浸潤。固化后脫模。

軟模RTM成型技術(shù)的特點:

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/年以內(nèi));

3、為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;

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

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、汽車零部件、工程車覆蓋件等等。

軟模RTM工藝設(shè)備、模具、原材料   

軟模RTM成型工藝過程中,同樣不需要注射設(shè)備,只需要一臺真空泵就可以了;模具需要單面剛性模一般模腔內(nèi)是負壓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,以及其在施工過程中提現(xiàn)出來的方便性,優(yōu)點一、耗材可多次重復(fù)利用,降低成本;優(yōu)點二、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)點三、韌性極好,注射過程如有白斑和干區(qū),可大力扯動,人為制造樹脂導(dǎo)流路線,不用擔心真空袋被破壞。

(四)、L-RTM

在液體閉模工藝發(fā)展過程中,真空輔助RTM工藝(L-RTM)的開發(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)計好的增強材料預(yù)成型體,采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹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)以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維,是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體,通過樹脂的流動,滲透,實現(xiàn)對纖維及織物的浸漬,并在室溫下進行固化,形成一定的樹脂及纖維比例的工藝方法。其技術(shù)路線上與傳統(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:

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

5、原材料及能源消耗少。

對于尺寸、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,尤其是對于大厚度的船舶、汽車、飛機等結(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、成型過程中產(chǎn)生的VOC揮發(fā)氣體少、環(huán)境污染小(有機揮發(fā)份小于50ppm,是唯一符合國際環(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,并且工藝具有很大的靈活性。被廣泛應(yīng)用于中小型游艇、風電機艙罩、汽車大包圍、工程車覆蓋件等等領(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。如果不采用樹脂注射設(shè)備也可以達到相同的目的,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“輕”字。L-RTM用的原材料有基體樹脂、增強玻纖材料。L-RTM工藝用的樹脂可以是不飽和聚酯樹脂,也可以是乙烯基或者環(huán)氧樹脂,主要要求:

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

(2) 適用周期長,較長的凝膠時間,較快的固化速度,這樣有利于浸透、排氣。

(3) 可在室溫下固化,樹脂工作壽命滿足結(jié)構(gòu)要求。

(4) 固化時無需額外壓力,只需真空負壓。

(5) 具有良好的韌性與高于一般樹脂的彈性模量,以及抗腐蝕性。

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

由此可看出,L-RTM工藝屬于半機械化的復(fù)合材料成型工藝,工人只需將設(shè)計好的干纖維或者預(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)來完成和保證,沒有任何樹脂的暴露,并因而對工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠遠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,航天飛機艙壁、導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)彈自動瞄準頭的整流罩、雷達罩、掃雷艇、推進器、火箭發(fā)射簡等均在采用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力發(fā)電機葉片 (纖維、夾芯和接頭等可一次在模腔中共成型),而無需二次粘接。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)約了工作時間,提向了生產(chǎn)效率。降低了生產(chǎn)成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤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)較少的依賴工人的技術(shù)水平,工藝質(zhì)量僅僅依賴確定好的工藝參數(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,目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風機葉片往往采用模壓、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,適宜小尺寸風機葉片的大批量生產(chǎn)(>10000片/年);L-RTM工藝適宜中小尺寸風機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)流工藝適宜大型風機葉片批量生產(chǎn)。