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复合材料制造工艺简介.pdf

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  • 上传时间:2018-06-08
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    • 纤维增强聚合物基复合材料制造工艺 • 复合材料制造工艺简介 • 手糊成型(Hand layup) • 喷射成型 (Spray layup) • 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) • 树脂传递模塑成型RTM (Resin transfer moulding) • 真空树脂注入成型 (Vacuum Infusion 或 Infusion) • 片状模塑成型SMC (Sheet moulding compound) • 纤维缠绕成型 (Filament Winding) • 拉挤成型 (Pultrusion) • 玻璃毡增强热塑性塑料 GMT (Glass mat thermoplastic) • 其他几种主要成型工艺 纤维增强聚合物基复合材料制造工艺简介 纤维纤维 树脂树脂 纤维预浸纤维预浸 成型工艺成型工艺 压力下成形压力下成形 固化固化 复合材料制件复合材料制件 基本原理基本原理 纤维增强聚合物基复合材料制造工艺简介 • 小批量大尺寸部件:树脂真空注入成型 (Infusion) -真空袋闭模低压成型 • 中批量中等尺寸部件:树脂传递模塑成型 (RTM)-闭模低压成型 • 大批量小尺寸部件:片状模塑成型 (SMC)-闭模高压成型 工艺选择工艺选择 手糊成型 (Hand layup) • 手糊成型特点: -手工铺放纤维涂覆树脂辊压 -简便易行,成本低 -常压常温固化, -大型壳或板类部件, -开模成形 (制品单面光滑) - 采用纤维织物或者纤维毡 -劳动强度高,生产效率低,产量低 - 产品力学性能低,内部缺陷多 - 挥发份直接排放环境,污染大 喷射成型(Spray layup) • 喷射成型特点: -基本与手糊成型特点相同 -短切纤维 -生产效率高于手糊成型 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) • 预浸料热压罐成型特点: -一般采用连续纤维织物(单向布,编织布等) -高性能高质量复合材料制品(纤维体积含量可达70%[单向],孔隙率小于1%) -工艺控制严格 (温度,压力,真空度,时间) -预浸料低温贮藏和运输 -复合材料产品成本高(多步工艺,低效率,高能耗,设备造价高,生产周期长) 半成品预浸料制备与铺放半成品预浸料制备与铺放 热压罐中固化成型热压罐中固化成型 (T, P) 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) 预浸料分类 • 单向预浸料(纱线缠绕),织物预浸料 • 溶液预浸,热熔预浸 • 热固性预浸料,热塑性预浸料 不同分类预浸料 不同的预浸设备 第一步:预浸料制备(纤维浸润树脂)第一步:预浸料制备(纤维浸润树脂) 中科院宁波材料技术与工程研究所课件 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) 第二步:预浸料剪裁铺放第二步:预浸料剪裁铺放 人工铺放人工铺放 自动化剪裁自动化剪裁 自动化铺放自动化铺放 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) 第三步:预浸料于真空袋内铺层密封第三步:预浸料于真空袋内铺层密封 抽真空 密封橡胶 真空袋 透气毡 有孔隔离膜1 吸胶毡 有孔隔离膜2 脱模布 预浸料 脱模布 脱模剂 模具 • 真空袋:提供真空环境 • 透气毡:保持真空袋内均一的真空压力(分压) • 有孔隔离膜1:防止树脂流动至透气毡,但是需要小分子气体能够通过至透气毡 • 吸胶毡:吸收被挤出而过剩的树脂 • 有孔隔离膜2:让树脂和小分子气体能够通过 • 脱模布:让复合材料制品表面具有布纹便于后续粘接或喷漆工序,同时脱模布应 能够从制件表面剥离 • 脱模剂:防止树脂粘住模具表面 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) 第四步:热压罐内固化成型第四步:热压罐内固化成型 热压罐固化工艺的设定 • 树脂粘度变化 • 温度,压力,时间,真空度,升温速率等参数 设定 • 不同树脂体系,固化工艺不同 预浸料热压罐成型(Prepregging, Autoclave) 应用领域应用领域 树脂传递模塑(RTM) 树脂传递模塑特点: • 连续纤维织物 • 要求树脂粘度低流动性好 • 要求纤维预成型体渗透性好 • 低压,常温或中温固化成型 • 纤维在模具内浸润树脂 • 复合材料制品质量稳定性较高 • 中低成本 树脂 固化剂 压力泵 混合注射枪 排气孔 模具 (注射前合模) 纤维预成型体 (Preform) • 制品力学性能较高,适合生产中小型尺寸部件 • 制品表面两面光滑(上下合模) • 脱模后制品一般需要在烘箱内后固化处理 • 自动化程度较高,工艺效率较高(cycle time~30min) 可中批量生产 • 环境污染小(模具内固化) 树脂传递模塑(RTM) 1. 预成型体铺放 2. 合模 3. 树脂注入 4. 模具内固化 5. 脱模 树脂传递模塑(RTM) 纤维织物的覆布性(Drapability): • 覆布性好  制品表面无皱褶 • 平纹布 < 斜纹布 < 缎纹布 树脂传递模塑(RTM) 纤维织物的渗透率(Permeability): • 渗透率好坏直接影响工艺时间和浸润结果 • 封闭织物 <标准织物<开放织物 封闭织物 开放织物 标准织物 树脂 树脂传递模塑(RTM) 应用领域应用领域 真空树脂注入成型(Infusion) 树脂 固化剂 压力泵 混合注射 真空袋 模具 纤维预成型体 (Preform) 真空树脂注入成型特点: • 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(与RTM不同) • 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 • 模具通常需要加热以固化树脂 • 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 真空树脂注入成型(Infusion) • 真空袋:提供真空环境 • 导流网,管:提供树脂流动通道 • 隔离膜/脱模布:让复合材料制 品表面具有布纹便于后续粘接或 喷漆工序,同时应能够从制件表 面剥离 • 脱模剂:防止树脂粘住模具表面 • 密封胶带:防止空气进入 • 真空管路与接头 真空树脂注入成型(Infusion) 纵向流动 横向流动(导流网) 横向流动(螺旋管) 横向层间流动 真空 树脂 流动方式 • 纵向流动特点:低成本,要求树脂粘度很低(20—400 cps),织物渗透率好 • 横向流动特点:成本高(需要辅助材料),纤维体积含量高于纵向流动,成品质量 好,隔离膜必须,树脂粘度可以略高,工艺重复性好, 真空树脂注入成型(Infusion) 应用领域应用领域 大型,超大型壳类部件 风机叶片 船体 容器壳体 片状模塑成型 SMC (Sheet moulding compoud) 压机 树脂 添加剂 填料 纤维 收卷 隔离膜 隔离膜 切割机 SMC片状模塑成型特点: • 短切纤维毡与树脂混合的片材 • 模具内高压成型 • 制件几何形状复杂,力学性能要求不高 • 生产周期短(<1min)生产效率高 • 成本较低,可大批量生产 • 自动化程度高 SMC片材制造片材制造 压机模压成型压机模压成型 切碎 片状模塑成型 SMC SMC片材制造片材制造 短切纤维+ 不饱和聚酯+ 填料 红色为PE或PP隔离膜 片状模塑成型 SMC 模压成型模压成型 片状模塑成型 SMC 应用领域应用领域 广泛应用于汽车工业 汽车后备箱盖汽车后备箱盖 各种板类,框架类,支撑类零部件各种板类,框架类,支撑类零部件 纤维缠绕成型 (Filament winding) 缠绕成型是一种将浸渍了树脂的 纱或丝束缠绕在回转芯模上、常 压下在室温或较高温度下固化成 型的一种复合材料制造工艺 缠绕成型特点: • 制品为圆柱,圆锥,或球形等回转体 • 浸渍树脂 • 生产周期长 • 成本较高 • 自动化程度高 芯模 横向车架 树脂浸润 纤维卷轴 纤维缠绕成型 (Filament winding) 放卷 浸渍树脂 纤维牵伸 纤维缠绕于芯模上 固化 脱模 纤维缠绕成型 (Filament winding) 三种缠绕方式: 螺旋缠绕 极向缠绕 环向缠绕 纤维缠绕成型 (Filament winding) 应用领域应用领域 传动轴传动轴 气瓶气瓶 自行车前叉自行车前叉 火箭,导弹内各种罐体,结构件等火箭,导弹内各种罐体,结构件等 • 碳纤维缠绕成型 纤维缠绕成型 (Filament winding) 应用领域应用领域 各种化学品,油品,水的输送管道各种化学品,油品,水的输送管道 • 玻璃纤维缠绕成型 拉挤成型 (Pultrusion) 纤维丝轴架纤维丝轴架 纤维布架纤维布架 拉挤模具和加热器拉挤模具和加热器 树脂浸渍树脂浸渍 拉伸机构拉伸机构 切割切割 超声波检测超声波检测 制成品制成品 拉挤成型特点: • 制品为型材,管材 • 浸渍树脂 • 不间断连续生产 • 成本较低 • 自动化程度高 拉挤成型 (Pultrusion) 1. 丝轴架,布架丝轴架,布架 2. 模具模具 3. 4. 拉伸,切割拉伸,切割 拉挤成型 (Pultrusion) 应用领域应用领域 各种型材管材 玻璃毡增强热塑性塑料GMT (Glass mat thermoplastic) GMT成型特点: • 热塑性复合材料成型 • 衍生自热塑性片材热压成型工艺(Thermoforming) • 高压成型 • 树脂流动距离短 • 生产效率高,生产周期短,适合大批量生产 • 自动化程度高,生产成本低 加热过的热塑性玻璃毡传送至模具内加热过的热塑性玻璃毡传送至模具内 合模成型,冷却后脱模合模成型,冷却后脱模 玻璃毡增强热塑性塑料GMT (Glass mat thermoplastic) 产品:各种薄壁壳类制件 大型压机和模具 其他几种主要成型工艺 • 团状模塑成型 BMC (Bulk moulding compound) - 衍生自SMC -采用团状混料,短纤维,含量低,树脂流动距离长 -可生产复杂形状制件 • 注射成型 (Injection moulding) - 衍生自塑料制品注射成型 -热塑性树脂 -短纤维,生产效率高,制件形状复杂 • 真空辅助 RTM (Vacuum Assisted RTM) - 衍生自RTM - 树脂注入前模具内抽真空 • 反应注射成型 RIM (Reaction Injection Moulding) - 衍生自RMT -采用原位聚合型热塑性树脂 • 胶膜渗透成型 RFI (Resin Film Infusion) - 衍生自真空袋热压罐成型工艺 -采用纤维织物与树脂胶膜交替叠放来取代预浸料 复合材料成型工艺的选择: • 灵活多样 • 取决于制件形状,大小,力 学物理化学性能要求,纤维 类型形态,树脂种类,成本, 产量,质量需求等 。

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