聚合物基复合材料成型工艺
复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析
复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析摘要：本文简述了聚合物基复合材料模压成型工艺特性，对模压成型的设备、预浸料、工装模具、工作环境条件等提出相应要求，着重对成型工艺过程中模压成型温度、压力、保温时间等工艺参数对复合材料制品性能影响做了分析，且简要介绍了复合材料模压制品可能出现的质量问题、产生原因、预防措施等内容。
关键词：复合材料；模压成型；工艺特性；影响因素现今社会复合材料越来越受到重视，并不断朝着更高比刚度、耐更苛刻工作环境等超高性能方向发展。
因此复合材料在材料科学中占据着重要地位，它的发展大大丰富了材料科学的内容。
复合材料成型工艺方法主要有手糊、注射、缠绕、真空导流、模压、热压罐、软模、树脂传递模塑等。
复合材料成型工艺是其重要环节，通常包括两个阶段，首先是使原材料在一定温度和压力下产生变形或流动，获取所需的形状，然后设法保持其形状。
本文着重对复合材料模压成型工艺特性、成型过程、影响制品质量因素及制品缺陷的产生原因及预防措施等内容作了简单叙述。
一、模压成型工艺特性模压成型工艺是将一定量预浸料放入到金属模具的对模腔中，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满流动、充满模腔成型和固化，从而获得复合材料制品的一种工艺方法。
模压成型工艺的特点是在成型过程中需要加热，加热的目的是使预浸料中树脂软化流动，充满模腔，并加速树脂基体材料的固化反应。
预浸料充满模腔过程中，不仅树脂基体流动，增强材料也随之流动，树脂基体和增强纤维同时填满模腔的各个部位。
只有树脂基体粘度很大、粘结力很强才能与增强纤维一起流动，因此模压工艺所需的成型压力较大，这就要求金属模具具有高强度、高精度和耐腐蚀，并要求用专用的热压机来控制固化成型的温度、压力、保温时间等工艺参数。
模压成型方法生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，尤其对结构复杂的复合材料制品一般可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。
聚合物基复合材料成型
❖ 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。
2020/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 (12)注射成型 (13)热塑性片状模塑料热冲压成型
2020/6/19
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8
❖ 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。
2020/6/19
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❖ 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，在树脂凝胶
（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（30％~40％)、
偏硼酸钠(5％~8％)、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。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是一种由聚合物基体（如聚合物树脂）和强化材料（如纤维、颗粒等）组成的复合材料。
这种复合材料结合了聚合物的可塑性和强度，以及强化材料的刚度和强度，具有优异的力学性能和工程性能。
聚合物基复合材料的制备通常包括以下几个步骤：
1. 选择合适的聚合物基体，常用的包括聚丙烯、聚酯、环氧树脂等。
2. 选择适当的强化材料，常用的有玻璃纤维、碳纤维、纳米颗粒等。
3. 基体和强化材料进行混合，可以通过热压、挤出、注塑等方法将它们混合在一起。
4. 根据需要进行后续的加工和成型，如冷却、切割、修整等。
聚合物基复合材料具有许多优点，包括：
1. 轻质高强度：与金属相比，聚合物基复合材料具有较低的密度和较高的强度，可以实现轻量化设计。
2. 耐腐蚀性：聚合物基复合材料对化学品和湿气的腐蚀性能较好，不容易受到腐蚀和氧化。
3. 良好的耐热性：聚合物基复合材料通常具有较高的耐热性和耐高温性能。
4. 良好的绝缘性能：聚合物基复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气和电子领域。
5. 自润滑性：聚合物基复合材料中的聚合物基体可以提供良好的自润滑性能，减少了摩擦和磨损。
由于聚合物基复合材料具有以上优点，因此广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、医疗等领域，成为现代工程材料中的重要一类。
复合材料成型工艺接触低压成型工艺
复合材料成型工艺接触低压成型工艺接触低压成型工艺的特点是以手工铺放增强材料，浸清树脂，或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。
接触低压成型工艺的另一特点，是成型过程中不需要施加成型压力（接触成型），或者只施加较低成型压力（接触成型后施加0.01～0.7MPa压力，最大压力不超过2.0MPa）。
接触低压成型工艺过程，是先将材料在阴模、阳模或对模上制成设计形状，再通过加热或常温固化，脱模后再经过辅助加工而获得制品。
属于这类成型工艺的有手糊成型、喷射成型、袋压成型、树脂传递模塑成型、热压罐成型和热膨胀模塑成型（低压成型）等。
其中前两种为接触成型。
接触低压成型工艺中，手糊成型工艺是聚合物基复合材料生产中最先发明的，适用范围最广，其它方法都是手糊成型工艺的发展和改进。
接触成型工艺的最大优点是设备简单，适应性广，投资少，见效快。
根据近年来的统计，接触低压成型工艺在世界各国复合材料工业生产中，仍占有很大比例，如美国占35%，西欧占25%，日本占42%，中国占75%。
这说明了接触低压成型工艺在复合材料工业生产中的重要性和不可替代性，它是一种永不衰落的工艺方法。
但其最大缺点是生产效率低、劳动强度大、产品重复性差等。
1、原材料接触低压成型的原材料有增强材料、树脂和辅助材料等。
（1）增强材料接触成型对增强材料的要求：①增强材料易于被树脂浸透；②有足够的形变性，能满足制品复杂形状的成型要求；③气泡容易扣除；④能够满足制品使用条件的物理和化学性能要求；⑤价格合理（尽可能便宜），来源丰富。
用于接触成型的增强材料有玻璃纤维及其织物，碳纤维及其织物，芳纶纤维及其织物等。
（2）基体材料接触低压成型工艺对基体材料的要求：①在手糊条件下易浸透纤维增强材料，易排除气泡，与纤维粘接力强；②在室温条件下能凝胶，固化，而且要求收缩小，挥发物少；③粘度适宜：一般为0.2～0.5Pa·s，不能产生流胶现象；④无毒或低毒；⑤价格合理，来源有保证。
复合材料工艺
F-35
战 斗 机
复合材料进气道 预形件的编织是在一个大心轴上进行的，将其共分为35块， 以便在固化后分别从心轴上取下。心轴是由五层连续石墨 纤维编织而成，局部达八层厚。编织为一种自动化的经纬 编织法，零件表面纤维拉紧。
接触低压成型工艺
• 接触低压成型工艺的特点是以手工铺放增强材料，浸清树 脂，或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。接触低压 成型工艺的另一特点，是成型过程中不需要施加成型压力 （接触成型），或者只施加较低成型压力（接触成型后施 加0.01～0.7MPa压力，最大压力不超过2.0MPa）。
原理1、纤维路径在整个缠绕过程中不打滑。 原理2、整个成型过程中，纤维不架桥。 原理3、纤维路径与芯模端部相切。
原理4、整条纤维尽可能均匀地完全覆盖芯模。
大型玻璃钢现场微控整体缠绕贮槽、贮罐，缠绕直径 4000mm-10000mm，缠绕长度为3000--12000mm。
（1）干法缠绕
• 干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软 化至粘流态后缠绕到芯模上。
模具检验 及涂脱模 剂
图纸资料 胶液配制
玻璃布处理
预浸料制备
湿法铺陈 干法铺陈
装袋
固化炉 热压罐
模具
脱模 制件 加工和 修饰
试验片
检验区
检验
成
品
性能测试
真空袋成型
②真空袋法 此法是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡 胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.05～0.07MPa），使制品中的气泡 和挥发物排除。真空袋成型法由于真空压力较小，故此法仅用于聚酯和环氧 复合材料制品的湿法成型。
1层贴法
2 沉积法
3 缠绕法 4 编织法
聚合物基复合材料2
19
四、袋压成型工艺 袋压成型是最早及最广泛应用于预浸料成型的工艺之一。 将纤维预制件铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压 下固化，经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构 的构件。 袋压成型可分为三种：真空袋压成型、压力袋压成型和热 压罐成型
▼当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，帮助纤维进一步浸 透树脂，排除气泡，
▼再进行加热或常温固化， ▼固化后脱模即获得制品。
17
喷射成型的工艺参数
☆喷射成型工艺参数主要有：
树脂含量：制品中树脂含量应控制在60%左右； 喷雾压力：当树脂黏度为0.2Pa·s,树脂罐压力为
0.05~0.15MPa时，雾化压力为0.3~0.35MPa；
（1）轮鼓缠绕法
适用于实验室的研究性工作或小批量生产
5
（2）陈列铺排法 湿法：许多平行排列的纤维束或织物同时进入胶槽，浸渍 树脂后由剂胶器除去多余胶液，经烘干除去溶剂后，加隔 离纸并经辊压整平，最后收卷。 干法：熔融态树脂从漏槽流到隔离纸上，通过刮刀后在隔 离纸上形成一层厚度均匀的薄膜，经导向辊与平行排列的 纤维或织物叠合，通过热鼓时树脂熔融并浸渍纤维，再经 过辊压使树脂充分浸渍纤维，冷去后收卷。
2.2 纤维增强复合材料的制备方法
2.2.1 聚合物基复合材料的工艺特点
聚合物基复合材料在性能方面有许多独到之处，其成型工
艺与其它材料加工工艺相比也有其特点： （1）材料的成型与制品的成型是同时完成的，复合材料的
5.聚合物基复合材料的制备工艺汇总
包括过滤、吸磁、干燥、研磨、称量、预热等
初混合
塑炼
造粒
粒料
初混合
在聚合物熔融温度以下、较缓和的剪切力作用，用捏合机、高 速混合机等设备将物料按顺序加入、混合均匀。
塑炼
在高于树脂熔融温度和较大的剪切力作用下 ，在双滚筒炼胶 机、密炼机、单螺杆挤出机等设备使物料热熔、剪切混合达到适当 的柔软度和可塑性，同时除去挥发物。
5.2 复合材料制品成型工艺
5.2.1 手糊工艺
5.2.2 模压成型工艺
5.2.3 RTM成型工艺 5.2.4 喷射成型工艺 5.2.5 连续缠绕成型工艺 5.2.6 拉挤成型工艺
5.2.7 挤出成型工艺
5.2.8 RRIM成型工艺
手糊成型工艺—流程
模具 准备
涂脱膜剂 手糊成型
连续纤维预浸料的制造
5.1 复合材料半成品制造工艺
5.1.1 热塑性塑料粒料
5.1.2 热固性模塑料 5.1.3 连续纤维预浸料
模塑粉 短纤维增强热固性模塑料 片状模塑料（SMC）
5.1.4 增强热塑性塑料片材
增强热塑性塑料片材（RTPS）
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料以其良好韧性、 快速成型和可回收利用的优势倍受重视。将增强材料和热塑 性树脂预先制成半成品板材，再将它剪裁成坯料，模压或冲 压成各种制品。这种半成品称为增强热塑性塑料片材
4
树脂糊
6
9
顶部PE薄膜
割刀
中空钢鼓轮
7
粗纱切割器 5
割刀
3
粗纱
10
树脂糊 2
1
低部PE薄膜
8
11
压紧辊
聚合物基复合材料的成型工艺流程
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第四章聚合物基体复合材料
0.4 0.8
0.6 0.8 0.2 0.4 0.14 0.20 0.4 0.10 0.4 0.1 0.1 0.6
63 155
50 127 80 96 140 149 85 240 70 250 83 100
1.3~1.6 0.2~0.8
1.5~2.5 0.3~1.0 0.3~0.6 0.1~0.3 0.5~0.7 0.1~0.3 0.8~2.0 0.3~0.6 0.7~1.4 0.4~0.8 0.4~0.6 0.1~0.3
可以通过手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺制备复合 材料。可根据制品性能要求和成型工艺方法来选择不同 牌号的树脂。 固化时收缩率较大，预浸料贮存期限短，含苯乙烯，有刺 激性气体，长期接触对身体健康不利。树脂的耐热性差。 但价格便宜、制备工艺性好。 广泛应用于电器、建筑、防腐、交通等诸多领域。
环氧树脂（EP）
聚酯
尼龙66
ABS树脂
高强度高模量纤维增强塑料
各种高强、高模纤维增强复合材料性能
常用的热固性树脂其它物理性能
热固性高聚物一直在连续纤维增强树脂基复合材
料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主
要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，
约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀
性或先进复合材料基体。
传统的聚合物基体，固化前热固性树脂粘度很 低，宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的 温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐 药品性和抗蠕变性。缺点是热固性树脂所用的 预浸料需要低温冷藏，且贮存期较短；成型周 期长，材料的韧性差。
35 85
21 90 70 110 95 200 130 200 110 260 67 130
45 60
20 35 100 130 88 150 130 150 34 170 80 100
聚合物基复合材料的工艺
3.聚合物基复合材料的工艺（重要）（1）预浸料的制备工艺1.热固性预浸料的制备1）溶液浸渍法。
将树脂基体个组分按规定的比例溶解于低沸点的溶剂中，使之成为一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以规定的速度通过基体溶液，使其浸渍上定量的基体溶液，并通过加热除去溶剂，使树脂得到合适的黏性。
2）热熔法。
分为直接熔融法和胶膜压延法。
2.热塑性预浸料制备。
可分为预浸渍技术与后浸渍技术两类。
（2）手糊成型工艺。
先在磨具上涂刷一层脱膜剂，后加入含固化剂树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。
然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。
（3）模压成型工艺。
是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。
是广泛使用的对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。
（4）喷射成型工艺。
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测(或在喷枪内混合)喷出，同时将玻璃纤维无捻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。
持沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。
（5）连续缠绕工艺。
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。
是一种生产各种尺寸回转体的简单有效的方法。
（6）注射成型。
将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。
6.陶瓷基复合材料的制备工艺（成型工艺）（1）等静压成型。
一般等静压指的是湿袋式等静压（也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的坯体。
（2）热压铸成型。
热压铸成型是将粉料和蜡（或其他有机高分子黏结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分子黏结剂）熔化，使混合料具有一定流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的较硬实的坯体。
复合材料概论第5章--聚合物基复合材料讲解
械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种 。耐低温度性能好，超过了FR-PA6，在温度高低交替变化时 ，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件 ；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好 ，所以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强 度下降。不适于在高温水蒸气下使用。
• 2．玻璃纤维聚酰胺(代号FR-PA) • 聚酰胺是一种热塑性工程塑料，本身的强度就比
一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但因吸水率 太大，影响了尺寸稳定性，耐热性也较低。用玻 璃纤维增强的聚酰氨，这些性能就会大大改善。 玻璃纤维增强聚酰胺的品种很多。有玻璃纤维增 强尼龙6(FR-PA6)、玻璃纤维增强尼龙66(FRPA66)、玻璃纤维增强尼龙1010(FR-PA1010)等。
• 3．玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料
• 聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改 性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯 腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯 共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙 烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改 性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些 聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其 机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高 。也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤 维粘结不牢。影响强度。
械强度，并有增重现象。
• 2．玻璃纤维增强聚酰胺
• 在聚酰胺中加入玻璃纤维后，唯一的缺点是 使本来耐磨性好的性能变差了。因为聚酰胺 的制品表面光滑，光洁度越好越耐磨。而加 入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工 或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上 ，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控聚合物基复合材料是由聚合物基体和填料相互作用形成的新型材料。
它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、热稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
本文将讨论高性能聚合物基复合材料的制备方法以及如何通过性能调控来提高材料的综合性能。
一、制备方法1.浸涂法：该方法常用于纤维增强复合材料的制备。
首先，将预先处理的纤维浸入聚合物基体中，待基体固化后，形成复合材料。
这种方法制备的材料具有良好的界面结合性能和强度。
2.热塑性复合法：该方法适用于高分子材料的制备。
首先，将填料与聚合物基体混合均匀，然后通过热塑性加工方法，如挤出、注塑等，使复合材料成型。
相比于其他方法，热塑性复合法制备的材料可以实现大规模、高效率的生产。
3.原位聚合法：该方法通过在填料表面进行原位聚合反应来实现聚合物基复合材料的制备。
首先，在填料表面引发聚合反应，形成聚合物基体，然后通过加热或其他处理方式，使基体与填料形成强烈的物理结合。
这种方法制备的材料具有良好的亲和力和增强效果。
二、性能调控1.界面改性：填料与聚合物基体的界面性能直接影响复合材料的综合性能。
通过表面处理、增加界面黏合剂等方式，可以增强界面粘结力，提高复合材料的强度和耐热性能。
2.填料选择：不同填料对复合材料的性能有着不同的影响。
例如，炭纤维填料可以增强材料的强度和刚度，而纳米颗粒填料可以提高材料的硬度和耐磨性能。
因此，在制备复合材料时，根据所需性能选择合适的填料对于提高材料性能至关重要。
3.添加剂调控：通过添加适量的增韧剂、抗氧化剂、阻燃剂等，可以改善聚合物基复合材料的力学性能、耐热性能和阻燃性能。
这种方法在航空航天等领域得到了广泛应用。
4.多组分共混：将两种或多种不同的聚合物基体以及不同的填料进行共混，可以得到具有优秀综合性能的复合材料。
多组分共混方法可以改善材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等，提高材料的适用范围。
综上所述，高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控是一个复杂而关键的过程。
聚合物基复合材料(PMC)
05
PMC的制造设备与工具
预处理设备
混合设备
用于将各种组分（如树脂、填料、增强材料等） 混合均匀，形成预浸料或浆料。
切割和裁剪设备
用于将纤维材料切割成所需的尺寸和形状，以便 与树脂进行混合。
清洁和干燥设备
用于确保所有原材料在使用前都已清洁并干燥。
复合设备
热压成型机
用于将预浸料或浆料在高温和压力下固化，形成复合材料部件。
切割与加工
根据需要，对复合材料进行切割、 打磨、钻孔等加工，以满足实际应 用需求。
质量检测
对复合材料进行外观、尺寸、性能 等方面的检测，确保其符合设计要 求。
03
PMC的性能与优化
力学性能
1 2 3
高强度和刚度
聚合物基复合材料具有较高的抗拉、抗压和抗弯 强度，以及良好的刚性，能够满足各种复杂应力 条件下的应用需求。
复合工艺
层叠铺放
根据设计要求，将预浸料 层叠铺放在模具或制件上。
热压成型
在一定温度和压力下，使 预浸料熔融流动并均匀填 充模具或制件，形成致密 的复合材料。
固化
使聚合物基体在一定温度 和压力下进行固化反应， 形成稳定的复合材料。
后处理工艺
冷却
将热压成型的复合材料缓慢冷却 至室温，防止材料内部产生应力。
聚合物基复合材料 (PMC)
• PMC的概述 • PMC的制造工艺 • PMC的性能与优化 • PMC的设计与选材 • PMC的制造设备与工具 • PMC的市场与发展前景
目录
01
PMC的概述
PMC的定义与特性
定义
聚合物基复合材料（PMC）是由两种或两种以上材料组成的一种复合 材料，其中一种材料为聚合物基体，其他材料为增强剂或填料。
第四章聚合物基复合材料成型工艺
3
第四章 聚合物基复合材料成型工艺
第一节 概述
一、聚台物基复台材料成型工艺的发展概况
我国复合材料工业主要产品为玻璃钢冷却塔、防腐贮罐、管道工 程、卫生洁具、SMC及BMC模压制品、环保设备、汽车部件、游艇及 渔船、运动器材等。
6
第四章 聚合物基复合材料成型工艺
第一节 概述
二、 复合材料成型工艺的选择原则及方法
⑵成型方法选择
一般来讲，产品尺寸精度和外观质量要求高的大批量、中 小型产品，应选择模压成型工艺；大型产品，如渔船、雷达等， 则常采用于糊工艺；压力容器及管道，可采用缠绕成型工艺。
7
第四章 聚合物基复合材料成型工艺
18
第四章 聚合物基复合材料成型工艺
第二节 接触低压成型工艺
二、喷射成型技术(Spray Up Molding)
喷射成型技术是手糊成型的改进，半机械化程度。国外 60年代已有成套喷射设备出售：如美国维纳斯公司生产的HIS 喷 射 成 型 机 ， 英 国 Dowuland 纤 维 树 脂 喷 射 机 ， 瑞 典 的 Aplicator喷射机等。
8
第四章 聚合物基复合材料成型工艺
第二节 接触低压成型工艺
接触低压成型工艺过程: ⑴先将材料在阴模、阳模或对模上制成设计形状; ⑵然后施加较低压力或不加压，使树脂浸透增强材料; ⑶再通过加热或常温固化，脱模后再经过辅助加工而
获得制品。 属于这类成型工艺的有手糊成型、喷射成型、袋压成
型、树脂传递模塑成型、热压罐成型和热膨胀模塑成型 (低压成型)等。
聚合物基复合材料(PMC)
成型固化工艺（续）
模压成型工艺优缺点
优点：较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，
多数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 机械化和自动化等。
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。
预浸渍技术包括溶液预浸和熔融预浸两种，其特 点是，预浸料中树脂完全浸渍纤维。 后预浸技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混杂、 纤维混编等，其特点是，预浸料中树脂是以粉末、 纤维、或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要 在复合材料成型过程中完成。
预浸料及预混料制造工艺（续）
对于制造的预浸料，评价和选择要考虑的参数主要是， 纤维与基体类型、预浸料规格(厚度、宽度、单位面 积重量等)、性能指标(如树脂含量、粘性、凝胶时间 等)。 纤维与基体类型是复合材料性能的决定因素，要根据 制件的使用要求(如强度、刚度、耐热性、耐腐蚀性 等)选择不同类型预浸料。 同一类型预浸料，通常有不同规格以满足用户需要。 预浸料厚度一般在0.08一0.25mm，标准厚度为0.13mm； 宽度在25—1500mm。 评价其性能指标包括树脂含量、粘性、凝胶时间、贮 存期、挥发份含量等，是确定复合材料生产工艺、控 制制品质量的重要参数。
预浸料及预混料制造工艺（续）
SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产 上，一般先把除增强纤维以外的其它组分配成树脂糊， 再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。
成型固化工艺
复合材料及其制件的成型方法，是根据产品 的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺 性来确定的。 已在生产中采用的成型方法有：1）接触成型 类：手糊成型、湿法铺层成型、注射成型；2） 压力成型类：真空袋压法成型、压力袋成型、 热压罐成型、模压成型、层压或卷制成型；3） 其他成型：纤维缠绕成型、拉挤成型、连续 板材成型、热塑性片状模塑料热冲压成型、 树脂注射和树脂传递成型、喷射成型、真空 辅助树脂注射成型、夹层结构成型、挤出成 型、离心浇铸成型等。
聚合物基复合材料及其成型工艺 北京航空航天大学 第4章 热压罐成型工艺
抽真空
隔离材料 复合材料毛 坯 隔离材料 模 具 密封胶带 挡块
1.热压罐工艺原理
热压罐内的气源示意图
z z的待成型构件
构件推入热压罐内
1.热压罐工艺原理
（1）升温速率α1、α2 （2）降温速率β （3）第一恒温平台Tcons1-tcons1 （4）第二恒温平台Tcons2-tcons2 （5）真空压力Pvac （6）外加压力Papp （7）加压时机tapp
罐内温度
要求达到：罐内各点温差≤5oC，升温速率1-8oC/min 可调 罐内温度制度可按树脂体系的固化温度和制件大小确定， 一般为两阶段加温、恒温工艺
热压罐 的冷却
降温过程对复合材料制造质量也有重要影响 循环水冷却，降温速率0.5-6oC/min 可调
3 热压罐系统的组成
罐内 压力 真空 系统
压力可达1.5-2.5MPa，误差不大于0.05MPa 设有安全防爆装置
3 模具材料
一般性要求
• • • • • • •
耐温性：180℃长期使用 耐压性：0.7MPa长期使用 升温速率均匀 尺寸精度要求 表面光洁度与硬度要求 能够定位和支撑成型构件 热膨胀系数尽量与复合材料相近
• • • • • •
耐溶剂清洗 便于机械加工 气密性好 重量轻 尺寸与运输空间相容 使用方便，易维护
钢
橡胶
碳纤维 其热膨胀系数与所成型复合材料构件一致，质量轻，材料模量高，模具 刚度大；适用于高精度的大型构件的成型，但材料成本高，耐温低，表 复合材料 面易划伤，有吸湿问题 玻璃纤维 质量轻，材料价格低；但材料模量低，模具刚度差；一般用于简单成型 复合材料 或型面要求不高的结构
3 模具材料－模具的分类
相关术语
复合材料聚合物基复合材料
5.工艺性好。
制造工艺简单，过载时安全性好。
设计性强
由于纤维复合材料的各向异性，与之相关的是性 能的可设计性。由于控制其性能的因素很多，增强剂 类型、基体类型、纤维的排列方向、铺层次层、层数、 成型工艺等都可以根据使用目的和要求不同而进行选 择，因而易于对PMC结构进行最优化设计，做到安全 可靠，经济合理。
•复合材料的破坏有明显预兆，可以在事先检 测出来，而金属的疲劳破坏则是突发性的。
•复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的 扩展，其疲劳总是从纤维的薄弱环节开始， 裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，所以破 坏前有明显的预兆。
3.阻尼减振性好
受力结构的自振频率除了与结构本身形状 有关外，还同结构材料的比模量平方根成 正比。所以复合材料有较高的自振频率。
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制 品，而后逐渐扩展到民用。
1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压 和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。 1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚 醛树脂烧蚀防热弹头。 1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂 窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直 升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠 绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。
同时，复合材料基体与纤维的界面有较大 的吸收振动能量的能力，致使材料的振动 阻尼较高，一旦振起来，在短时间内也能 停下来。
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手糊成型工艺优点
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工艺简单； 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。
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手糊成型工艺缺点
① 生产效率低，劳动强度大 ②产品质量不易控制，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。
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用作基体材料的树脂以热固性树脂为 主，要求树脂的粘度低和适用期长等。
大量使用的基体材料有不饱和聚酯树 脂和环氧树脂等。
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另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的 热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了 很大进展。
其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。
30
拉挤成型的优点
①生产效率高，易于实现自动化； ②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的作用，制品 性能稳定可靠；
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连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用大，只有大批量生产时 才可能降低成本。
47
连续纤维缠绕法适于制作承受一定 内压的中空型容器，如固体火箭发动机 壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、 大型贮罐、各种管材等。
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近年来发展起来的异型缠绕技术，可 以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈 矩形、方形以及不规则形状容器的成型。
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模压成型工艺缺点
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。
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模压成型工艺已成为复合材料的重要 成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅 次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。
近年来随着专业化、自动化和生产效 率的提高，制品成本不断降低，使用范围 越来越广泛。
最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可 固化的不饱和聚酯等。
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喷射法使用的模具与手糊法类似， 而生产效率可提高数倍，劳动强度降低， 能够制作大尺寸制品。
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用喷射成型方法虽然可以制成复杂 形状的制品，但其厚度和纤维含量都较 难精确控制，树脂含量一般在60%以上， 孔隙率较高，制品强度较低，施工现场 污染和浪费较大。
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当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱 混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤 维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成 制品。
其具体工艺流程图如下：
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玻璃纤维无捻粗纱
脱模 模 具
聚酯树脂 加热
固化
切
喷
引发剂 静态混合Байду номын сангаас
割 喷
射 成
辊压
枪
型
促进剂
喷射成型工艺流程图
20
喷射成型对所用原材料有一定要求，例如 树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除 气泡和浸润纤维以及不带静电等。
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2．模压成型工艺
模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世 纪初就出现了酚醛塑料模压成型。
模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂 都适用的纤维复合材料成型方法。
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模压成型工艺过程
将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合 物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化， 并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的 模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固 化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合 材料制品。
5.3 聚合物基复合材料的制备工艺
聚合物基复合材料的性能在纤维与树 脂体系确定后，主要决定于制备工艺。
制备工艺主要包括以下两个方面：
1
一是成型，即将预浸料按产品的要求， 铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;
二是固化，即把已铺置成一定形状的 叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素 影响下使形状固定下来，并能达到预期的 性能要求。
(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。主要用于太阳能收集器、 支架、风力发电机叶片和抽油杆等。
(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管， 飞船用电机零部件等。
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目前，随着科学和技术的不断发展，正向 着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使 用的复合结构材料和方向发展。
生产大型制品，改进产品外观质量和提高 产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发 展方向。
36
5. 连续缠绕工艺
将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一 定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑 料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。
缠绕工艺流程图如下图所示：
37
胶液配制
纱团 集束 浸 胶
湿
法 缠
张力控制
31
③不需要或仅需要进行少量加工，生 产过程中树脂损耗少；
④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，其长度可根 据需要定长切割。
32
拉挤制品的主要应用领域
(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工 业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和 冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。
26
一般情况下，只将预制品在成型模中加热到 预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。
纤维
挤 胶
预 成
热
器型 模
拉 拢
切割
制品
树脂槽
卧式拉挤成型过程原理图
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拉挤成型过程中，要求增强纤维的强 度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树 脂胶液浸润。
常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族 聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。
2
生产中采用的制备工艺
(1) 手糊成型
(2)喷射成型
(3)模压成型
(4)拉挤成型
(5)连续缠绕工艺
(6)树脂注射和树脂传递成型
(7)真空辅助注射成型
3
(1)手糊成型工艺
手糊成型工艺是复合材料最早的一 种成型方法，也是一种最简单的方法， 其具体工艺过程如下：
4
首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混 合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维 织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均 匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺 贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所 需厚度为止。
绕
成
型 纵、环向缠绕
工
艺
烘干
络纱
胶纱纱绽
干
张力控制
法 缠
绕 加热粘流 成
型
芯模
纵、环向缠绕
工 艺
固化
脱模
打模喷漆
成品
缠绕工艺流程图 38
利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时， 有两种不同的方式可供选择：
一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯 模上；
二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。 目前普遍采用前者。
43
常用的芯模材料有石膏、石蜡、金 属或合金、塑料等，也可用水溶性高分 材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。
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连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度 高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等 强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维 抗张性能优异的特点，
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其次，用连续纤维缠绕技术所制得 的成品，结构合理，比强度和比模量高， 质量比较稳定和生产效率较高等。
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缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后， 用轧辊除去纤维中多余的树脂。
为改善工艺性能和避免损伤纤维，可预先 在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者 直接使用预浸料。
40
纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计 算机控制。
缠绕达到要求厚度后，根据所选用的树脂类 型，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材 料制品。
5
然后，在一定压力作用下加热固化成 型（热压成型）或者利用树脂体系固化时 放出的热量固化成型（冷压成型），最后 脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下 图所示：
6
模具 准备
树脂胶 液配制
增强材 料准备
涂脱模剂
手糊成型
固化
脱模
手糊成型工艺流程图
制品 检验 后处理
7
为了得到良好的脱模效果和理想 的制品，同时使用几种脱模剂，可以 发挥多种脱模剂的综合性能。
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模压制品主要用作结构件、连接件、防护件 和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运 输、电气、化工、建筑、机械等领域。
由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导 弹、卫星上也都得到应用。
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3．喷射成型工艺
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，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切 断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉 积到模具上。
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金属对 模准备
模塑料、 颗粒树脂
短纤维
涂脱模剂
加热、加压
膜压成型 加热 冷却
固化
脱模
制品 检验 后处理
膜压成型工艺流程图
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模压成型工艺优点
模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸 准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成 型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好， 容易实现机械化和自动化等。
(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电 缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零 部件等。
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(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、 桁架、桥梁、栏杆、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、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船 舶甲板、电气火车轨道护板等。
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利用纤维缠绕工艺制造压力容器时， 一般要求纤维具有较高的强度和模量， 容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以 及缠绕时不起毛、不断头等。
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另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应 有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过 程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、 自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以 及容易与固化制品分离等。