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1、2023/10/4,1,第11章 聚合物基复合材料成型,2023/10/4,2,11.1 概述,1、制造过程：（1）原辅材料准备阶段：树脂、溶剂、固化剂、促 进剂、填料和颜料等的配制；增强材料的处理 及浸渍；模具的清理及涂覆脱模剂。（2）成型阶段：采用某种成型方法而成型，并进行 固化定型和脱模，得到初级制件；（3）制件的后处理与机械加工阶段：制品热处理、加工修饰和检验。,2023/10/4,3,2、采用的成型方法：(1)手糊成型(2)模压成型(3)层压或卷制成型(4)缠绕成型(5)拉挤成型(6)离心浇铸成型(7)树脂传递成型(8)夹层结构成型(9)喷射成型(10)真空浸胶成型（11）挤出成型(
2、12)注射成型(13)热塑性片状模塑料热冲压成型,2023/10/4,4,11.2 手糊成型,手糊成型：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型，室温(或加热)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的工艺方法。,手糊成型工艺流程,2023/10/4,5,1、优点：(1)不受产品尺寸和形状限制适宜尺寸大、批量小、形状 复杂产品的生产；(2)设备简单、投资少、设备折旧费低；(3)工艺简便；(4)易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补 增强材料；(5)制品树脂含量较高，耐腐蚀性好；2、缺点：(1)生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差(2)产品质量不易控制，性能稳定性不高；(3)产品力学性
3、能偏低。,2023/10/4,6,11.2.1 原材料的选择(聚合物基体和增强材料)(1)产品设计的性能要求；(2)手糊成型工艺要求；(3)价格便宜，材料容易取得。基体的选择应满足：能在室温下凝胶、固化，并在固化过程中无低分子物产生；能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为0.2Pas0.5Pas；无毒或低毒；价格便宜。增强材料的选择：纤维及其织物，它赋予复合材料以优良的机械性能。玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和其它纤维。,2023/10/4,7,树脂类型:不饱和聚酯（80）,其次是EP树脂。稀释剂：调节树脂粘度分活性稀释剂和非活性稀释剂两类。非活性稀释剂不参与固化反应，仅起降低粘度作用，
4、一般加入量为树脂质量的515%，在树脂固化时大部分逸出，从而增大了树脂固化收缩率，降低力学性能和热变形温度。活性稀释剂参与树脂固化反应，对树脂固化后性能影响较小。填料：降低成本，改善树脂基体性能(如低收缩性、自熄性、耐磨性等)，（粘土、碳酸钙、白云石、滑石粉、石英砂、石墨、聚氯乙烯粉）。触变剂：在糊制垂直或倾斜面层时，避免“流胶”，可加入少量活性SiO2。由于活性SiO2比表面积大，树脂受到外力触动时才流动，这样在施工时既避免树脂流失，保证制品质量。,2023/10/4,8,11.2.2 手糊成型模具与脱模剂 1.模具结构与材料 1）模具结构 分单模和对模两类。单模又分阳模和阴模两种，对模由阴
5、、阳模两部分组成。,成型模具分类,2023/10/4,9,2）模具材料 最普遍的是玻璃钢。可供选用的其它模具材料：（1）木材：要求质地均匀，不易收缩变形；常用木材有红松、杉木等。缺点是不耐久吸湿、不耐热。模具表面须进行封孔处理。适用于小批量生产的中小型制品。（2）石膏和砂：砂：石膏1：8，加入20%水，混合均匀后制模。模具制造简单，造价低。但不耐用，易吸湿，模具表面也需进行封孔处理。适合量少或形状复杂制品。（3）石蜡：适合形状复杂数量小的制品。（4）可溶性盐：由磷酸铝(60%70%)、碳酸钠（3040)、偏硼酸钠(58)、石英粉（2%)等组分(质量比)，加工成粉料压制烧结成型。在80水中能迅速
6、溶解脱模。用于形状复杂不易脱模的制品。（5）低熔点金属：由58的铋与42的锡(质量比)制成，熔点为135，制模周期短，可重复使用。（6）金属：常用的有钢材、铸铝等(不能用铜)。模具不变形，精度高。适用于大批量小型高精度制品，因制造周期长、成本高。,2023/10/4,10,2.脱模剂 脱模剂的使用温度应高于固化温度。脱模剂分外脱模剂和内脱模剂两大类。外脱模剂主要应用于手糊成型和冷固化系统，内脱模剂主要用于模压成型和热固化系统。,2023/10/4,11,11.2.3 手糊工艺过程 1.原材料准备 1）胶液准备 胶液的工艺性:胶液粘度和凝胶时间。粘度过高不易涂刷和浸透增强材料；粘度过低，在树脂凝
7、胶前发生胶液流失，使制品出现缺陷。在0.2Pas0.8Pas之间为宜。粘度可通过加入稀释剂调节。凝胶时间:在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间。2）增强材料淮备 布和毡。为提高同基体的粘结力，必须进行表面处理。3）胶衣糊准备 胶衣糊是用来制作表面胶衣层的。具有耐水煮、耐热、不易污染及柔韧耐磨。,2023/10/4,12,2.糊制 1)表面层 胶衣层采用涂刷和喷涂两种方法。涂刮胶衣为两遍，第一遍胶衣基本固化后，刷第二遍。两遍涂刷方向垂直为宜。胶衣层开始凝胶时，立即铺放一层较柔软的增强材料，最理想的为玻璃纤维表面毡。既能增强胶
8、衣层(防止龟裂)，又有利于胶衣层与结构层(玻璃布)的粘合。胶衣层全部凝胶后，即可开始手糊作业，否则易损伤胶衣层。但胶衣层完全固化后再进行手糊作业，又将影响胶衣层与制品间的粘结。涂刷胶衣的工具是毛刷，毛要短、质地柔软。注意防止漏刷和裹入空气。,2023/10/4,13,2）铺层控制 对于外形要求高的受力制品，同一铺层纤维尽可能连续，切忌随意切断或拼接，否则将严重降低制品力学性能。铺层拼接的设计原则：制品强度损失小，不影响外观质量和尺寸精度；施工方便。拼接的形式有搭接与对接两种，以对接为宜。对接式铺层可保持纤维的平直性，产品外形不发生畸变，并且制品外形和质量分布的重复性。为不致将低接续区强度，各层
9、的接缝必须错开，并在接缝区多加一层附加布,铺层接缝处理,2023/10/4,14,3.固化 引发剂是一种活性较大含有共价键的化合物(游离基聚合)。临界温度（产生游离基的最低温度）大都在60130。手糊成型大多是室温固化，应选择活化能和临界温度较低的引发剂。固化过程可分为三个阶段：凝胶阶段、定型阶段(硬化阶段)、热化阶段(完全固化阶段)。固化度：热固性树脂固化反应的程度，用百分率表示。控制固化度是保证制品质量的重要条件之一。固化度愈大，表明树脂的固化程度愈高。,2023/10/4,15,11.3 模压成型,11.3.1 概述 1、模压成型：将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下
10、固化成型。在模压成型过程中需加热和加压，使模压料塑化、流动充满模腔，并使树脂固化反应。在模压料充满模腔的流动过程中，不仅树脂流动，增强材料也要随之流动，所以模压成型工艺的成型压力较其它方法高，属于高压成型。2、优点：较高的生产效率、制品尺寸准确、表面光洁、结构复杂的制品可一次成型、无需有损制品性能的二次加工、制品外观及尺寸的重复性好、容易实现机械化和自动化。3、缺点：模具设计制造复杂、压机及模具投资高、制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。,2023/10/4,16,4、按增强材料物态和模压料品种分为下列几类：(1)纤维料模压：将预混或者预浸的纤维模压料装在金属模具中加热加压
11、成型制品。(2)织物模压：将预先织成所需形状的两向、三向以及多向织物浸渍树脂后在金属对模中加热加压成型。通过配制不同方向的纤维使制品层间剪切强度明显提高质量稳定、成本高、适用于有特殊性能要求的制品。(3)层压模压：将预浸胶布或毡剪成所需形状，经过叠层后放入金属对模中加热加压成型制品。它适于成型薄壁制品。(4)碎布料模压：将预浸胶布剪成碎布块放入模具中加热加压成型制品。,2023/10/4,17,(5)缠绕模压：将预浸渍的玻璃纤维或布带缠绕在一定模型上，再在金属对模中加热加压定型。这种方法适用于有特殊要求的制品及管材。(6)SMC模压：将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层
12、片材叠合后放入模具加热加压成型制品。此法适于大面积制品成型，目前在汽车工业、浴缸制造等方面得到了迅速发展。(7)预成型坯模压：先将短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯，然后将其放入模具中倒入树脂混合物，在一定温度压力下成型。它适用于制造大型、高强、异形、深度较大、壁厚均一的制品。(8)定向铺设模压：将单向预浸料(纤维或无纬布)沿制品主应力方向取向铺设，然后模压成型。制品中纤维含量可高达70，适用于成型单向强度要求高的制品。,2023/10/4,18,11.3.2 模压料 1.原料:短纤维增强材料、树脂基体和辅助材料。树脂：各种类型的酚醛树脂和环氧树脂。酚醛树脂有氨酚醛、镁酚醛、钡酚醛、硼
13、酚醛以及由聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂等。环氧树脂有双酚A型、酚醛环氧型及其它改性型。短纤维增强材料：玫璃纤维、高硅氧纤维也使用碳纤维、尼龙纤维以及两种以上纤维混杂材料。纤维长度多为30mm50mm。含量一般在5060范围内(质量比)。辅助材料：使模压料具有良好的工艺性和满足制品的持殊性能要求。如改善流动性、尺寸稳定性、阻燃性、耐化学腐蚀性等。,2023/10/4,19,2.短纤维模压料的制备与质量控制 短纤维模压料呈散乱状态，纤维无一定方向。模压时流动性好，适宜制造形状复杂的小型制品。缺点：制备过程中纤维强度损失较大、比容大、模压时装模困难、模具需设计较大的装料室并需采用多次预压程序合模。,
14、2023/10/4,20,11.3.3 SMC成型1.成型过程 SMC(片状模塑料)：不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊，浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压成型材料。特点:(1)操作处理方便;(2)作业环境清洁;(3)可成型带有肋条和凸部的制品。(4)片材的质量均匀，适宜压制截面变化不大的大型薄壁制品。(5)SMC成型品表面光洁度高。(6)生产率高，成型周期短，成本低，易于实现机械自动化,是重现性好。,2023/10/4,21,2.SMC的种类 BMC(块状模塑料):与SMC的组成极为相似
15、，可用于压制和挤出成型。两者的区别仅在于材料形态和制作方法。BMC中纤维含量较低，纤维长度较短，填料含量较大，BMC的强度较SMC低。BMC适用于制造小型制品，SMC则用于生产大型薄壁制品。TMC(厚片状模塑料):组成与SMC类似。SMC一般厚0.63cm，而TMC厚度达5.08cm。由于厚度增大，纤维随机分布，增强了物料混合效果，流动性提高，改善了浸透性。,2023/10/4,22,3.模压工艺 1）压制前准备:模压料预热和预成型、装料量估算、选用脱模剂。2）工艺过程:粘流、凝胶和后固化三个阶段。由线型变成了网状体型结构。需一定的外部条件-温度、压力及时间。,模压成型工艺流程,2023/10
16、/4,23,11.4 层压成型,11.4.1 概述 层压成型:将浸有或涂有树脂的片材，组成叠合体，送入层压机，在加热和加压下，固化成型玻璃钢板材。特点:产品质量稳定，一次性投资较大。适用于批量生产，机械化、自动化程度高。,2023/10/4,24,11.4.2 层压过程 主要工序:胶布裁剪、叠合、热压、冷却、脱模、加工和后处理等工序。层压工艺参数：热压成型时的温度、压力、时间，取决于合成树脂的和固化特征。,层压工艺五个阶段的升温曲线,2023/10/4,25,第一阶段：预热阶段。目的:是使胶布中的树脂熔化，使挥发物跑掉。熔融树脂进一步浸渍玻璃布。第二阶段：中间保温阶段。作用:使胶布在较低的反应
17、速度下进行固化。保温时间的长短主要取决于胶布老嫩程度以及板料的厚度。在这一阶段应密切注意树脂沿钢板边缘流出情况。当流出的树指已经凝胶。即不能拉成细丝时应立即加全压，并随即升温。第三阶段：升温阶段。作用:逐步提高反应温度，加快固化反应速度。第四阶段：热压保温阶段。作用:使树脂获得充分固化。第五阶段：冷却阶段。,2023/10/4,26,11.5 缠绕成型,11.5.1 概述 1、缠绕成型:将浸过树脂胶液的连续纤维或布带。按照一定规律缠绕别芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程。,2、优点:(1)比强度高;(2)可靠性高;(3)生产率高;(4)材料成本低。缺点:不能适用于任何结构形状的制品
18、，必须借助缠绕机才能 实现，而缠绕设备投资较大，只有大批量生产时，成本 才能降低。3、芯模材料：为了获得一定形状和结构尺寸的纤维缠绕制品，必 须采用一个外形同制品内腔形状尺寸一致的芯模。在制品固化 后能把它脱下来而又不损伤缠好的制品。石膏、钢、铝、低熔点金属和低熔点盐类(此两种材料国外较多 用。制造芯摸时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入热水搅拌溶 解或用蒸气熔化)、木材、水泥、石蜡、聚乙烯醇、塑料等。,2023/10/4,27,11.6 拉挤成型,11.6.1 概述 1、拉挤成型：将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过开模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长
19、度不受限制的复合材料型材。2、优点：生产效率高，便于实现自动化；制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分发挥增强材料作用，制品性能稳定可靠；不需要或仅需要进行少量后加工；生产过程中树脂损耗少；制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求。,2023/10/4,28,应用领域：(1)耐腐蚀领域，上、下水装置。(2)电工领域，主要用于高压电阻保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、电杆、灯柱、变压器和电机的零部件等。(3)建筑领域，主要用于门、窗结构用型材，桥梁、栏杆、帐蓬支架、天花板吊架等。(4)运输领域，主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车簧板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车
20、轨道护板等(5)运动娱乐领域，主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)能源开发领域，太阳能收集器、支架、风力发电机叶片和抽油杆等。(7)航空航天领域。宇宙飞船天线绝缘管、飞船用电机零部件。,2023/10/4,29,11.6.2 拉挤成型过程 工艺流程如下：玻璃纤维粗砂布浸胶预成型挤压模塑及固化牵引切割制品 11.6.3 拉挤成型工艺 根据所用设备的结构形式可分为卧式和立式两大类。卧式拉挤成型工艺由于模塑牵引方法不同，又可分为间歇式牵引和连续式牵引两种。,2023/10/4,30,1.间歇式拉挤成型工艺 间歇式：牵引机构间断工作，浸胶的纤维在热模中固化定型，
21、牵引出模。如此间歇牵引，制品是连续不断的，制品按要求的长度定长切割。特点：成型物在模具中加热固化，固化时间不受限制；所用树脂的范围较广。生产效率低，制品表面易出现间断分界线。若采用整体模具时，仅适用于生产棒材和管材类制品；采用组合模具时，可配有压机同时使用。而且制品表面可以装饰，成型不同类型的花纹。但控制型材时，其形状受到限制，而且模具成本较高。,2023/10/4,31,2.连续式拉挤成型工艺 连续式：制品在拉挤成型过程中，牵引机构连续工作。特点：牵引和模塑过程是连续进行的，生产效率高。在生产过程中控制胶凝时间和固化程度、模具温度和牵引速度的调节是保证制品质量的关键。此法所生产的制品不须二次
22、加工，表面性能良好，可生产大型构件，包括空心型制品。3.拉挤成型用原材料 1）树脂基体：不饱和聚酯、环氧树脂和乙烯基酯树脂等。其中不饱和聚酯树脂应用最多（90）。热塑性的聚丙烯、ABS、尼龙、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚亚苯基硫醚等用于拉挤成型热塑性玻璃钢、可以提高制品的耐热性和韧性，降低成本。2）增强材料：玻璃纤维，其次是聚酯纤维。玻璃纤维中，应用最多的是无捻粗纱。,2023/10/4,32,11.8 树脂传递模塑成型,11.8.1 树脂传递模型（RTM）1、工艺过程：将液态热固性树脂(通常为不饱和聚酯)及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的
23、密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品。2.原材料 1）树脂：粘度低为250Pa.s300Pa.s。固化时间短，凝胶时间控制在5min30min之间。固化时间为凝胶时间的2倍。2）增强材料：玻璃纤维为主25%40%(质量比)。玻璃纤维毡、短切纤维毡、无论粗纱布、预成型坯和表面毡等。3）填料：加入填料不仅能降低成本、能在树脂固化放热阶段吸收热量。碳酸钙、氢氧化铝、云母、粘土和微玻璃珠等。用量2040(质量比)。,2023/10/4,33,3.成型工艺的特点(1)设备投资小，低吨位压机能生产较大的制品；(2)制品两面光滑、尺寸稳定、容易组合；(3)允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物、可将制品制成泡
24、 沫夹层结构，设计灵活、获得最佳结构；(4)制造模具时间短(一般仅需几周），可在短期内投产；(5)对树脂和填料的适用性广泛；(6)生产周期短，劳动强度低，原材料损耗小；(7)产品后加工量少；(8)RTM是闭模成型工艺，因而单体（苯乙烯)挥发少，环境 污染少。,2023/10/4,34,11.10 喷射成型,1.喷射成型:将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧(或在喷枪内混合)喷出，同时将玻璃纤维无铅粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊液压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，固化成制品。2.优点：生产效率比手糊提高24倍，可用较少设备投资实现中批量生产。且用玻璃纤维无捻粗纱代替织物，材料成本低，产品整体性好，无接缝；可自由调变产品壁厚、纤维与树脂比例。缺点是现场污染大；树脂含量高，制品强度较低。,
