4_成型工艺特点

在线 浸润
自动铺丝法 拉挤成型
预成 型体 的 液体 成型
长程流 动
RTM
厚度方 向渗透
RFI
SCRIMP
了解工艺性的意义

确定最适宜的工艺参数，制定工艺规范。

指导实际生产，控制生产过程，保证产品质量。
创造和发现新的、先进的工艺方法。

原材料与 模具准备
成形固化
检测
机加与装配 密封与喷漆
检测
复合材料结构制造基本流程
γt
---已固化树脂的比重；
G ---试样和金属丝在空气中的重量（克）；g---金属丝在空气中的比重； G1---试样和金属丝在浸渍液中的重量（克）
根据树脂固化前后的比重，可由下式计算树脂在固化过程中的收缩率
树脂收缩 率的测定
体积收缩率
已固化树脂的比重 未固化树脂的比重 100%
已固化树脂的比重
密实compaction
渗透流动 infiltration flow
浸润impregnation 纤维在成型工艺中发生的物理变化
树脂基体在固化过程中的两个变化过程
线型结构 粘流态 体型结构（化学变化过程） 玻璃态（物理变化过程）
化学变化的结构往往是通过物理变化现象表现出来
对于化学变化过程而言，需要一定条件，促使反应的环境如何实 现——固化工艺解决的问题 对于物理变化过程而言，要得到一定形状的产品，是用什么样手 段——成形工艺解决的问题
成型工艺包含两个过程——成形与固化
成形 赋予构件形状
成型 工艺
Processing
form
——原材料如何制成所需结构形状（成形方法 ）
固化 固定构件形状
cure ——赋予复合材料结构件力学性能（固化方法） 物理变化（流动浸润）
成形
化学－物理耦合变化 （粘流，密实） 化学变化(固化反应)
固化
不同材料表现出不同的工艺性
评定材料工艺性的主要依据
• 产品质量、性能的波动程度。
• 经济性。包括制件制造工艺过程中全部费用多少（工艺
装备和设备的复杂昂贵程度、工艺路线长短、工人技术 水平、能源消耗等）和必要材料耗费的多少。 • 对人体的危害程度。 • 具体材料在制件制造工艺过程中所表现出的工艺性：如 热固性树脂的浸润性、粘结性、流动性、固化性，预浸 料挥发物含量、含胶量，模压料收缩率、压缩比等等。
纤 维 预 浸
软模成型
模压成型 自动铺带法 缠绕成型
适用于复杂结构的整体化成型过程，成型工艺对模具要求高。
尺寸精度高，表面光滑。产品质量稳定，重复性好。可生产形状复杂的制品，模具成型压力 大，适合大批量生产，模具费用大。但是对质量要求高的产品不合适。 一种预浸料自动化铺叠成型方法，产品精度高，废品率低，生产速度快，所用预浸料一般为 干法预浸料，设备投资昂贵，是复合材料工艺化的一个发展方向。 产品强度高，易实现机械化和自动化生产，产品质量稳定，重复性好。 高度自动化，适合于各种复杂结构，如S型进气道，生产效率低于自动铺带法。 适用生产等截面的线性型材，轴向强度大，生产效率高。 生产形状复杂的小型整体制件，可实现高精度、无余量制造，适用于缝纫和编织技术，辅助 材料用量极小，模具费用高，批量生产中可显著降低成本。 树脂膜熔渗成型工艺，在一定温度、压力下树脂膜熔融沿厚度方向浸渍纤维预成型体，可利 用现有模具在热压罐中成型，制件孔隙率低，质量好，适用于大型复杂壁板和加筋结构，成 本较低。 在低压下成型，多用于平板或小曲率层合板，成型设备要求低，模具费用低。
复合材料成型工艺的基本内涵浸润impregnation密实compaction渗透流动infiltrationflow纤维在成型工艺中发生的物理变化树脂基体在固化过程中的两个变化过程线型结构体型结构化学变化过程玻璃态物理变化过程化学变化的结构往往是通过物理变化现象表现出来对于化学变化过程而言需要一定条件促使反应的环境如何实现固化工艺解决的问题对于物理变化过程而言要得到一定形状的产品是用什么样手段成形工艺解决的问题成形方法固化方法复合材料成型工艺的分类常温固化热压机固化热压罐固化干燥箱加热红外灯加热短切纤维476mm长纤维127mm连续纤维smc喷射连续毡织物缠绕容易加工的程度材料性能赋形浸渍环节主要与增强纤维的预成型方法密切相关1按赋形方法分为
挥发分 含量
•
树脂流出量
• • 用以表征成型时树脂的流动性 流动性小，树脂渗透纤维难，层间接触不良； 流动性大，工艺不便，严重流胶，会使复合材料贫胶。 适当的流动性，可以在成型时驱除层间空气，降低空隙 率，保证树脂均匀性，提高复合材料层间剪切强度。 将正方形预浸料正交铺层在一定温度压力下加热，以 挤出树脂的重量百分数作为树脂流量。 或用预浸料固化后的试样对角线方向增加的长度(mm) 作为树脂流出量。
2)按成型压力大小分为：
接触成型
固化时不外加压力，如手糊成型、喷射成型， 也成为低压成型
用真空袋密封坯料和模具，通过抽去真空袋内的 真空袋成型 空气和挥发分对制品施加压力（＜0.1MPa）
气压室成型
热压罐成型
将压缩空气通入橡皮囊，借助橡皮囊对制品均匀加压 （0.25-0.5MPa）
通过热压罐内的压缩气体对真空袋中复合材料 坯料进行加压（0.5-2.5MPa)
这是由于不同的材料在工艺过程中表现出不同的物理化 学行为，而这种行为取决于材料的组分和各组分的结构。 同一制品可采用不同的材料，以及由材料决定的不同的 工艺过程。具体的制件结构和制造工艺方法，是表现材 料工艺性的条件。
使用性与工艺性不同
如PI高温性能好，但固化温度高； Kevlar纤维韧性好，但不易剪断；
•
•
凝胶时间
① 凝胶：微观上，聚合物分子链间的交联点迅速增加的现象； 宏观上，胶液粘度开始迅速增大的现象。 ②凝胶时间：在一定的温度条件下，树脂胶液从反应开始至凝胶的时 间间隔。 ③凝胶时间的测定 • 直接法：将预浸料放在两块玻璃片间，施压，挤出树脂测定，以 开始加压到树脂不再拉成丝作为凝胶时间。 • 间接法：用溶剂抽提出预浸料中的树脂，蒸发掉溶剂，再测定。 因需要去除溶剂，会容易使树脂部分固化。 ④ 凝胶化时间与凝胶化温度的关系:高温区，温度变化对凝胶化时间影 响不大；低温区，温度降低，凝胶化时间大大延长。
长纤维
12.7mm
连续纤维
织物 缠绕 预浸料
SMC 喷射
短切毡 连续毡
容易加工的程度 材料性能
1)按赋形方法分为：
• 采用预浸料在模具上铺覆成型的方法， 如热压罐成型
层贴法
• 采用连续纤维的增强材料（布、带、毡） 和低粘度胶液在模具上铺覆成型的方法， 如手糊成型
利用压缩空气或抽空气方法使短切纤维沉 积到模具表面上的方法，如喷射成型
CF力学性能好，但操作难、脆。
复合材料成型工艺的基本内涵
成型工艺三要素：赋形、浸渍、固化 赋形 • 赋予制品的最终形状和大小，主要保证增
强纤维的均匀分布以及在设定方向的高度 排列
• 通过增强材料首先赋予制品以外形，并在 固化过程通过模具和压力完成
复合材料成型工艺的基本内涵
目的：排除气体和浸润，以形成良好界 面粘结和控制孔隙率
沉积法
1)按赋形方法分为：

缠绕法


将浸胶后的连续长纤维增强材料（纱、布、带） 连续缠绕到芯模或内衬上的方法，如缠绕成型 适于成型回转体制件，如压力容器、管道等 特点：自动化程度高，制品纤维含量高、强度高
• 将增强材料编织成与产品形状尺寸基本一致的三维立体 编织物，称为纤维预成型体
编织法
• 用于RTM、RFI等各种液体成型(LCM)工艺中 • 厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度
2)按成型压力大小分为：
树脂传递模塑 利用压力使低粘度树脂在闭合模具内流动、浸 成型（RTM） 润增强材料，注射成型压力0.1-0.6MPa 将连续性增强材料经树脂浸润后，在牵引力作 用下通过具有截面形状的成型模具，在模腔内 固化成型或在模腔内凝胶出模后加热固化 • 通过加热使模压料塑化，并加压使树脂粘 裹纤维一起流动充满模腔 • 批量大，数量多及外形复杂的小产品
3.复合材料工艺确定及固化过程的监测与监控
热固化体系 的三T状态图
三类固化行为
Tgg
固化温度
（×10°C）
Tg∞
玻璃化转变
a) b)
T固化<Tgg ，仅有玻璃化作用 Tgg <T固化<Tg∞，有凝胶作用 和玻璃化作用 Tg∞<T固化，仅有凝胶化作用 Tgg
三个特征温度点，即峰始温度Ti、峰顶温度Tp和峰终温度Tf
Tp
Tf Ti 酚醛树脂差热分析曲线的固化部分
液体 树脂
树脂比重 的测定
通常在一定温度下用比重瓶称量试样的 重量与同体积水的重量，其比值即树脂 的比重。
已固化 树脂
G g 液 根据阿基米德原理： t G G1
γ液---温度t°C时的浸渍液比重；
2.预浸料性能指标的测定
粘性 树脂 含量
• • • 预浸料质量控制的关键指标 决定了预浸料的使用期 测定有三种方法（贴粘法）
• • •
•
空气灼烧法 计算法 溶剂法：沸腾分离法、抽提法
预浸料中适量的挥发分，可使树脂在成型时具有 一定的流动性；挥发分含量太大，会在复合材料 中形成很多孔隙。因而应严格控制和测定。 单层试样于恒温箱中挥发的方法测挥发分含量
复合材料成型工艺的重要性
分层 其他缺陷 固化不均匀 夹杂 脱粘 固化变形
孔隙
分散性 许用值 减重效率
设计要求可靠度0.99999 若材料强度离散系数0.15 设计许用值为平均强度34％
……
常见的复合材料制造缺陷
复合材料成型工艺的重要性
预浸料 10 ％ 树脂 5 ％ 纤维 13 ％
材料和制造
固化和装配
树 脂 适 用 期
用期，也称适用期。
意 避免成型时因树脂凝胶（失去使用价值） 义 而影响制件成型。
测 室温下测时间-粘度曲线确定树脂胶液的 适用期 定
通过测固化度、放热曲线等对凝胶点做出 判断，从而确定树脂的适用期
树脂的放热曲线
不饱和聚酯放热曲线图
固化度的测定 DSC曲线分析
① 硬度法 ② 丙酮溶剂萃取法 ③ DSC法
成型工艺特点
提纲
复合材料的材料工艺性概念 复合材料制件的固化特性 复合材料的质量控制和检测 复合材料制品成型方法的选择依据 复合材料制品作为飞机构件时的协调互换性要求
复合材料制品工艺设计内容
复合材料的材料工艺性
任何一种材料必须被加工成制品后才能发挥其特殊性。聚合 物基复合材料种类繁多，性能各异，其材料的制造过程就是 制品的制造过程，这使得对复合材料工艺性的了解和掌握显 得特别重要。
• • • • •
工艺性概念 了解工艺性的意义 改善材料工艺性的途径 评定材料工艺性的主要依据 工艺性指标及测定
工艺性概念
聚合物复合材 料的工艺性
指复合材料或其各组成部分，在通过 特定的工艺方法制造成特定制品的工 艺过程中，操作的难易程度及制品质 量保证的难易程度。
成形工艺
成型工艺
固化工艺
工艺性概念
工艺性指标及测定
1.
热固性树脂工艺指标的测定与控制
控 制
为了利于纤维被树脂浸润，要求树脂有较低的初 始粘度。如果室温下粘度过大，可采用提高树脂 温度、加入溶剂或控制胶液粘度等措施调节。
树 脂 粘 度
测 定
粘度计法 针入度法 浓度-比重法
液流粘度计法 落球粘度计法 旋转粘度计法
定 从配胶到粘度增至一定值而在工艺上失 义 去使用价值的这一段时间，称树脂的使
分为两类：先将原材料复合浸渍形成半 成品（预浸料），再固化成型；或复合 浸渍与固化成型一次完成

浸渍

.复合材料成型工艺的基本内涵
• 热固性树脂的固化：树脂由齐聚物(可溶可熔) 反应形成线性高分子，再交联形成三维网络结 构 (不溶不熔)
固化
• 热固性树脂的固化通常需要：固化剂、促进剂， 以及加热 • 除热引发外，还有辐射固化工艺 (如紫外光、 电子束等)，适应外场修补
复合材料成型工艺的分类
成型工艺 赋 形
成形方法
袋 热 R 缠 拉 模 手 喷 压 压 T 绕 挤 压 糊 射 罐 M
浸 渍
固化方法
固 化
常温固化 光 固 化
电 微 热 子 波 固 化 束
热压机固化 热压罐固化 干燥箱加热 红外灯加热
赋形、浸渍环节主要与增强纤维的预成型 方法密切相关
短切纤维
4.76mm
拉挤成型
模压成型
3)按开、闭模方式分为：
闭模成型
包括模压成型、树脂传递模塑、注射成型、 增强反应注射成型 包括手糊成型、喷射成型、真空袋成型、压 力袋成型、热压罐成型、缠绕成型、拉挤成 型、离心浇注成型
开模成型
闭模
复合材料成型工艺的分类
热压罐成型 真空袋成型 预 浸 料 压力袋成型
可制造各类复杂构件，零件质量优异。对工艺人员的技术要求高。生产效率低，设备投资大。 模具费用低，设备投资少。压力0.1Mpa，所以制件的质量比较低，一般用在民用产品上。 可产生大于0.1Mpa的压力，设备投资少，工艺实施容易。
制造 72％
制造成本分解
固化成型成本分解
复合材料结构制造成本高，比重大
复合材料成型工艺的重要性
结构效率
(高性能化)
制 造 是 关 键
可靠性
产品合格率
(性能稳定分散性小)
成型 工艺 直接 相关
低成本
成本效益
改善材料工艺性的途径
• 改进现有工艺方法，使其与材料已知的物理、化 学、力学性能相适应。 • 改善现有材料，使其具有与现行的工艺方法相适 应的性能。 • 挖掘材料的新性能，同时创造新工艺与新性能相 适应。 三条途径彼此不孤立，相互渗透、互相补充。