復(fù)合材料的原材料包括樹脂、纖維和芯材等有多種選擇,各種材料又有其獨特的強度、剛度、韌性和熱穩(wěn)定性等性能,成本和產(chǎn)量也不盡相同。然而,復(fù)合材料作為一個整體,其最終性能不僅與樹脂基體和纖維(以及夾芯材料結(jié)構(gòu)中的芯材)有關(guān),而且與結(jié)構(gòu)中材料的設(shè)計方法和制造工藝有密切聯(lián)系。本文將對常用的復(fù)合材料制造方法、每種方法的主要影響因素和不同工藝如何選擇原材料進行介紹。
一、噴涂成型
方法描述:
把短切纖維增強材料與樹脂體系同時噴涂在模具內(nèi),然后在常壓下固化成熱固性復(fù)合材料制品的一種成型工藝。
材料選擇:
樹脂:主要為聚酯
纖維:粗玻璃纖維紗
芯材:無,需要單獨與層合板結(jié)合
主要優(yōu)點:
1) 工藝歷史悠久
2) 低成本、可快速鋪覆纖維和樹脂
3) 模具成本低廉
主要缺點:
1) 層合板易形成樹脂富集區(qū),重量偏高
2) 只能使用短切纖維,嚴(yán)重限制了層合板的力學(xué)性能
3) 為了便于噴涂,樹脂粘度需足夠低,損失了復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能
4) 噴涂樹脂中的高苯乙烯含量意味著對操作人員的潛在危害較高,低粘度則意味著樹脂易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚
5) 空氣中揮發(fā)的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定要求
典型應(yīng)用:
簡易圍欄,低載荷結(jié)構(gòu)板,如敞篷車車身、卡車整流罩、浴缸和小型船艇
二、手糊成型
方法描述:
手動將樹脂浸潤纖維,纖維可以為機織、編織、縫合或粘結(jié)等增強方式,手糊成型通常用滾輪或刷子完成,然后用膠滾擠壓樹脂使之滲入纖維。層合板置于常壓下固化。
材料選擇:
樹脂:無要求,環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯、酚醛樹脂均可
纖維:無要求,但是基重較大的芳綸纖維難以手糊浸潤
芯材:無要求
主要優(yōu)點:
1) 工藝歷史悠久
2) 簡單易學(xué)
3) 如果使用室溫固化樹脂,模具成本低廉
4) 材料和供應(yīng)商選擇空間大
5) 高纖維含量,所用纖維比噴涂工藝長
主要缺點:
1) 樹脂混合、層合板樹脂含量和品質(zhì)與操作人員的熟練程度密切相關(guān),難以獲得低樹脂含量且低孔隙率的層合板
2) 樹脂的健康和安全隱患,手糊樹脂分子量越低,潛在的健康威脅就越大,粘度越低意味著樹脂越容易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚
3) 如果沒有安裝良好的通風(fēng)設(shè)備,從聚酯和聚乙烯基酯揮發(fā)到空氣中的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定的要求
4) 手糊樹脂的黏度需要非常低,因此苯乙烯或其他溶劑的含量必須較高,這樣就損失了復(fù)合材料的機械/熱性能
典型應(yīng)用:
標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電葉片,批量制作的船艇,建筑模型
三、真空袋工藝
方法描述:
真空袋工藝是上述手糊工藝的延伸,即在模具上封一層塑料膜將手糊好的層合板抽真空,給層合板施加一個大氣壓的壓力,達(dá)到排氣緊實的效果,以提高復(fù)合材料的品質(zhì)。
材料選擇:
樹脂:主要為環(huán)氧和酚醛樹脂,聚酯和聚乙烯基酯不適用,因為它們含有苯乙烯,揮發(fā)進入真空泵
纖維:無要求,即使基重較大的纖維也可以在壓力下被浸潤
芯材:無要求
主要優(yōu)點:
1) 可以達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝更高的纖維含量
2) 空隙率比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝低
3) 負(fù)壓條件下,樹脂充分流動提高了纖維的浸潤程度,當(dāng)然部分樹脂會被真空耗材吸收
4) 健康和安全:真空袋工藝可以減少固化過程中揮發(fā)物的釋放
主要缺點:
1) 額外的工藝增加了勞動力和一次性真空袋材料的成本
2) 對操作人員的技術(shù)要求較高
3) 樹脂混合及樹脂含量的控制很大程度上取決于操作人員的熟練程度
4) 盡管真空袋減少了揮發(fā)物的釋放,操作人員受到的健康威脅仍然高于灌注或預(yù)浸料工藝
典型應(yīng)用:
大尺寸、單次限定版的游艇,賽車零部件,船舶制造過程中芯材的粘結(jié)
四、纏繞成型
方法描述:
纏繞工藝基本用于制造中空、圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)件,如管道和槽。纖維束經(jīng)過樹脂浸潤后沿各種方向纏繞在芯軸上,工藝過程由纏繞機和芯軸轉(zhuǎn)速控制。
材料選擇:
樹脂:無要求,如環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等
纖維:無要求,直接使用線軸架的纖維束,不需要機織或縫織成纖維布
芯材:無要求,但蒙皮通常為單層復(fù)合材料
主要優(yōu)點:
1) 生產(chǎn)速度快,是一種經(jīng)濟合理的鋪層方式
2) 可通過測定穿過樹脂槽的纖維束攜帶樹脂量控制樹脂含量
3) 纖維成本最小化,無中間編織工藝
4) 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異,因為直線纖維束可以沿各個承載方向鋪層
主要缺點:
1) 此工藝僅限于圓形中空結(jié)構(gòu)
2) 纖維不易沿部件軸向準(zhǔn)確排布
3) 大型結(jié)構(gòu)件的芯軸陽模成本較高
4) 結(jié)構(gòu)外表面非模具面,因此美觀性較差
5) 使用低粘度樹脂,需要注意力學(xué)性能和健康安全性能
典型應(yīng)用:
化學(xué)品儲藏罐和輸送管,氣缸,救火員呼吸罐
五、拉擠成型
方法描述:
從線軸架抽出的纖維束浸膠后穿過加熱盤,在加熱盤完成樹脂對纖維的浸潤,并且控制樹脂含量,最終將材料固化成要求的形狀;這種形狀固定的固化產(chǎn)品被機械切割為不同長度。纖維也可以沿0度以外的方向進入熱盤。擠拉成型是一個連續(xù)的生產(chǎn)過程,制品截面通常有固定形狀,允許有微小變化。將通過熱盤的預(yù)浸潤材料固定并鋪入模具立即固化,雖然這樣的流程連續(xù)性較差,但可以實現(xiàn)截面形狀的改變。
材料選擇:
樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等
纖維:無要求
芯材:未普遍使用
主要優(yōu)點:
1) 生產(chǎn)速度快,是一種經(jīng)濟合理的預(yù)浸潤及固化材料的方式
2) 樹脂含量控制精確
3) 纖維成本最小化,無中間編織工藝
4) 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異,因為纖維束沿直線排布,纖維體積分?jǐn)?shù)較高
5) 纖維浸潤區(qū)域可完全密閉,減少揮發(fā)物釋放
主要缺點:
1) 此工藝限制了截面形狀
2) 加熱盤成本較高
典型應(yīng)用:
房屋結(jié)構(gòu)的梁和桁架,橋梁,梯子和圍欄
六、樹脂傳遞模塑工藝 (RTM)
方法描述:
將干纖維鋪覆在下模內(nèi),可以預(yù)先施加壓力使纖維盡量與模具形狀貼合,并予以粘合綁定;然后,把上模固定在下模上形成型腔,再將樹脂注入型腔。通常采用真空輔助樹脂的注入和對纖維的浸潤,即真空輔助樹脂注入工藝(VARI)。一旦纖維浸潤完成,即關(guān)閉樹脂導(dǎo)入閥,并將復(fù)合材料進行固化。樹脂注入和固化既可以在室溫下進行,也可以在加熱條件下完成。
材料選擇:
樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯和酚醛樹脂,雙馬來酰亞胺樹脂可以在高溫下使用
纖維:無要求??p合纖維更適合此工藝,因為纖維束間隙利于樹脂傳送;有專門研發(fā)的纖維可以促進樹脂流動
芯材:蜂窩泡沫不適用,因為蜂窩單元將被樹脂充滿,壓力也會導(dǎo)致泡沫塌陷
主要優(yōu)點:
1) 纖維體積分?jǐn)?shù)較高,孔隙率低
2) 由于樹脂被完全密封,健康安全,操作環(huán)境干凈整潔
3) 減少勞動力使用
4) 結(jié)構(gòu)件上下兩面均為模具面,易于后續(xù)表面處理
主要缺點:
1) 搭配使用的模具價格昂貴,為了承受較大壓力,重量大,相對笨重
2) 僅限于小型部件的制造
3) 易出現(xiàn)未浸潤區(qū)域,導(dǎo)致大量報廢
典型應(yīng)用:
小型而復(fù)雜的航天飛機和汽車零部件,火車座椅
七、其他灌注工藝 - SCRIMP,RIFT,VARTM等
方法描述:
將干纖維以類似與RTM工藝中的方式鋪覆,然后鋪上剝離布和導(dǎo)流網(wǎng)。鋪層完成后,用真空袋完全密封,在真空度達(dá)到一定要求時,將樹脂導(dǎo)入整個鋪層結(jié)構(gòu)。樹脂在層合板中的分布依靠導(dǎo)流網(wǎng)引導(dǎo)樹脂流動來實現(xiàn),最后自上而下將干纖維完全浸潤。
材料選擇:
樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯樹脂
纖維:任何常見纖維。縫合纖維更適合此工藝,因為纖維束間隙加速樹脂傳送
芯材:蜂窩泡沫不適用
主要優(yōu)點:
1) 同RTM工藝,但僅其中一面為模具面
2) 模具一面為真空袋,大大節(jié)省模具成本,且對模具承受壓力的要求降低
3) 大型結(jié)構(gòu)件也可以具有很高的纖維體積分?jǐn)?shù)和較低的孔隙率
4) 標(biāo)準(zhǔn)的手糊工藝模具改造后可用于此工藝
5) 夾芯結(jié)構(gòu)可一次成型
主要缺點:
1) 對于大型結(jié)構(gòu),工藝相對復(fù)雜,且修補無法避免
2) 樹脂粘度必須非常低,也降低了力學(xué)性能
3) 易出現(xiàn)未浸潤區(qū)域,導(dǎo)致大量報廢
典型應(yīng)用:
試制小型船艇,火車和卡車的車身板,風(fēng)電葉片
八、預(yù)浸料 - 高壓釜工藝
方法描述:
纖維或纖維布由材料制造商使用含有催化劑的樹脂預(yù)先浸潤,制造方法為高溫高壓法或溶劑溶解法。催化劑為室溫潛伏型,使材料在室溫下有幾周或幾個月的有效期;冷藏條件可以延長其儲存期限。預(yù)浸料可以手工或機器鋪入模具表面,然后覆蓋真空袋,加熱至120-180°C。加熱后樹脂可以再次流動,并最終固化。可以用高壓釜對材料施加額外的壓力,通??梢赃_(dá)到5個大氣壓。
材料選擇:
樹脂:通常為環(huán)氧、聚酯、酚醛樹脂,耐高溫樹脂如聚酰亞胺、氰酸酯和雙馬來酰亞胺也可使用
纖維:無要求。纖維束或纖維布均可
芯材:無要求,但泡沫需耐高溫高壓
主要優(yōu)點:
1) 樹脂和固化劑比例以及樹脂含量均由供應(yīng)商準(zhǔn)確設(shè)定,很榮易獲得高纖維含量和低孔隙率的層合板
2) 材料具有優(yōu)良的健康安全特性,工作環(huán)境潔凈,潛在地節(jié)省了自動化和人工成本
3) 單向材料纖維成本最小化,無需中間工藝將纖維織成布
4) 制造工藝要求樹脂高粘度浸潤性良好,也優(yōu)化了力學(xué)和熱學(xué)性能
5) 室溫下可工作時間的延長意味著,結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及復(fù)雜形狀的鋪層亦很容易實現(xiàn)
6) 潛在地節(jié)省了自動化和人工成本
主要缺點:
1) 材料成本增加,但為了滿足應(yīng)用需求也是難以避免的
2) 需要高壓釜完成固化,成本較高,操作時間較長且有尺寸限制
3) 模具需要承受高的工藝溫度,對芯材有同樣的要求
4) 對于較厚部件,預(yù)浸料鋪層時需預(yù)抽真空,以排除層間氣泡
典型應(yīng)用:
航天飛機結(jié)構(gòu)件(如機翼和尾部),F(xiàn)1賽車
九、預(yù)浸料 - 非高壓釜工藝
方法描述:
低溫固化預(yù)浸料制造工藝與高壓釜預(yù)浸料完全相同,不同的是樹脂的化學(xué)特性允許其在60-120°C實現(xiàn)固化。對于低溫60°C固化,材料的工作時間僅一周;對于高溫催化劑(>80°C),工作時間可達(dá)到幾個月。樹脂體系的流動性允許僅使用真空袋固化,避免使用高壓釜。
材料選擇:
樹脂:通常僅環(huán)氧樹脂
纖維:無要求,與傳統(tǒng)預(yù)浸料一樣
芯材:無要求,但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意
主要優(yōu)點:
1) 具備傳統(tǒng)高壓釜預(yù)浸料((i.))-((vi.))全部優(yōu)點
2) 模具材料便宜,如木材,因為固化溫度較低
3) 大型結(jié)構(gòu)件制造工藝簡單化,只需真空袋加壓,循環(huán)烤箱的熱空氣或者模具本身的熱空氣加熱系統(tǒng)即可滿足固化要求
4) 常見的泡沫材料也可使用,工藝較為成熟
5) 相比于高壓釜,能耗更低
6) 先進的工藝保證了良好的尺寸精度和可重復(fù)性
主要缺點:
1) 材料成本仍然高于干纖維,盡管樹脂成本低于航空航天用預(yù)浸料
2) 模具需要承受高于灌注工藝的溫度(80-140°C)
典型應(yīng)用:
高性能風(fēng)電葉片,大型賽艇和游艇,救援飛機,火車部件
十、半預(yù)浸料SPRINT/梁用預(yù)浸料SparPreg 非高壓釜工藝
方法描述:
較厚結(jié)構(gòu)(>3mm)中使用預(yù)浸料很難在固化過程中將層間或重疊鋪層部分的氣泡排出,為了克服這一困難,預(yù)抽真空被引入了鋪層工藝,卻顯著增加了工藝時間。近年來,固瑞特推出了一系列具有專利技術(shù)的改進型預(yù)浸料產(chǎn)品,使高品質(zhì)(低孔隙率)較厚層合板的制造實現(xiàn)了一步完工藝即可完成。半預(yù)浸料SPRINT由兩層干纖維夾一層樹脂膜的夾芯結(jié)構(gòu)組成,材料鋪入模具后,真空泵即可將其中的空氣在樹脂升溫變軟并浸潤纖維前完全抽干,然后再進行固化。梁用預(yù)浸料SparPreg是一種改進的預(yù)浸料,在真空條件下固化時,可以很容易地將氣泡從粘合的兩層材料間排除。
材料選擇:
樹脂:多為環(huán)氧樹脂,其他樹脂也可用
纖維:無要求
芯材:大部分,但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意高溫
主要優(yōu)點:
1) 對于較厚的部件(100mm),依然可以精確獲得高纖維體積分?jǐn)?shù)和低孔隙率
2) 樹脂體系的起始狀態(tài)為固體,高溫固化后性能優(yōu)異
3) 允許使用成本較低的高基重纖維布(如1600克/平方米),提高鋪層速度,節(jié)約制造成本
4) 工藝十分先進,操作簡單且樹脂含量精確控制
主要缺點:
1) 材料成本仍然高于干纖維,盡管樹脂成本低于航空航天用預(yù)浸料
2) 模具需要承受高于灌注工藝的溫度(80-140°C)
典型應(yīng)用:
高性能風(fēng)電葉片,大型賽艇和游艇,救援飛機
(來源:復(fù)材應(yīng)用技術(shù))
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