第四章 聚合物复合材料成型方法

干法缠绕： 预浸纱 湿法缠绕： 纤维纱 半干法缠绕： 纤维纱
加热软化 浸胶 浸胶 缠绕
缠绕
烘干
缠绕
3. 缠绕规律（导丝头与芯模之间相对运动的规律） 增强材料在芯模表面上的铺放形式称为缠绕线型。 1) 环向缠绕：芯模每转一周，丝束沿芯模轴向移动一 个纱片螺距。只缠绕筒身段，承受径向载荷。
2）纵向缠绕（平面缠绕）：导丝头绕轴转一周，芯模 转动一个角度，芯模表面转动一个纱片宽度。 承受 纵向载荷。
拉挤工艺。 主要用于制作椅子、小船、汽车部件、飞机 机身、机翼等结构复合材料。
(6)纤维缠绕成型
1. 定义 将浸渍树脂的纤维丝束或带，在一定张力下，按照一 定规律缠绕到芯模上，然后加热或常温下固化成制品的方法。
2.分类
湿法是将增强材料浸渍基体和缠绕成型相继进行；干法 又称预浸带缠绕，浸渍工艺和缠绕成型分别进行；湿干法是 干法工艺的发展。
树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很 柔软，依靠模具容易制得所要求的形状和尺寸。 一种复合材料可以用多种方法成型，在选择成 型方法时可以根据制品结构、用途、生产量、 成本以及生产条件综合考虑，选择最简单和最 经济的成型工艺。
4.1.3.2 聚合物基复合材料的制造技术
一、主要工艺过程 大体过程包括：预浸料的制造，制件的铺层（定 型），固化（成型），制件的后处理和机械加工等。
的发展和应用。

1965年，碳纤维在美国诞生，显示出强大 的生命力；碳纤维增强树脂基体复合材料得到 迅速发展和广泛应用。

1972年，美国杜邦公司研制出高强度、高模 量的有机纤维——聚芳酰胺纤维，使树脂基复合 材料的发展和应用更为迅速。 从20世纪60年代中期到80年代初，是复合材 料发展的第二阶段，也是复合材料日益成熟和发 展的阶段。
3）螺旋缠绕（测地线缠绕） 芯模绕轴匀速转动，导丝头沿芯模轴向往返运动。缠绕筒 身和封头
4. 工艺过程（湿法）
芯模准备 胶液配制 纤维烘干 浸胶 缠绕 固化 检验 修整 产品
5. 工艺特点 1）纤维能保持连续完整，制品强度高 2）可连续化、机械化生产，生产周期短，劳动强度小 3）产品尺寸、外形准确，不需机械加工 4）设备较为复杂，技术难度大，工艺不易控制
3. 工艺流程
模具预热 涂刷脱模剂 装模 压制 脱模
模压料称量
预热 制品 检验 后处理
一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压及 块状模塑料模压。
坯料模压工艺是将预浸料或预混料先制成样品 的形状，然后放入模具中压制（通常为热压）成制 品的过程。适合尺寸精度要求高，需要量大的制品 生产。
片状模塑料（SMC）：树脂、填料和其它添加 剂先行混合成糊，再和纤维增强材料进行复合，是 以片状形式应用。 块状模塑料（BMC）：与SMC的制备过程类似， 最后采用Z型捏合机或行星式混合机处理，是以团 状、木节状或散状形式应用。
（2）干法浸渍（热熔预浸法）：在热熔预浸机
上进行。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胶膜，经导向 辊与经过整合后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，再经辊压使树脂充分 浸渍，冷却收卷。
热塑性预浸料 1、预浸渍技术
特点：树脂完全浸渍 （1）溶液浸渍：将热塑性高分子树脂溶于适当 的溶剂中进行浸渍，除去溶剂后既得到浸渍良好的 预浸料。类似于热固性树脂的湿法浸渍技术。
二、压力袋成型 向真空袋外通入压缩空气或氮气等对预制件 进行加压。
三、真空袋-热压罐成型
将真空袋压法的抽气、加热以及固化放在压 力罐中进行。 优点:制品孔隙率低，增强纤维填充量大， 致密性好，尺寸稳定、性能优异，适应性强等；
缺点:生产周期长，效率低、袋材料昂贵， 制件尺寸受热压罐体积限制等。
该法主要用于制造航空、航天领域的高性能 复合材料结构件。
该方法制备的预浸料有一定柔软性，铺层
工艺好，比膜层叠技术浸渍质量高，成型工艺 性好，是一种被广泛采用的纤维增强热塑性树 脂复合材料的制造技术。
（3）纤维混杂、混编：将基体先纺织成纤
维，在使其与增强纤维共同纺成混杂纱线或编
织成适当形式的织物，在物品成型过程中，树 脂纤维受热熔化并浸渍增强纤维。
该技术工艺简单，预浸料有柔性，易于铺

2、后浸渍技术
（1）膜层叠：将增强剂和树脂薄膜交替铺层，
在高温高压下使树脂浸渍纤维，制成平板或其它 形状简单的制品的方法。增强剂一般选用织物， 在高温、高压下不易变形。 特点：具有适用性强、工艺及设备简单。

（2）粉末浸渍：将热塑性树脂制成粒度与 纤维直径相当的微细粉末，通过流态化技术使 树脂粉末直接分散到纤维束中，经热压熔融即 可制成充分浸渍的预浸料。
优点:纤维完全被树脂浸渍并获得良好的纤维 分布，可采用热固性树脂的设备和类似浸渍工艺。 缺点:成本高并造成环境污染，残留溶剂很难 完全除去，影响制品想能，只适用于可溶性高聚物。

（2）熔融浸渍：将熔融态树脂由挤出机挤到 特殊的模具中浸渍连续通过纤维束和织物。 原理上是一种最简单和效率最高的方法，适 用于所有的热塑性树脂；但要使高粘度的熔融态 树脂在较短的时间内完全浸渍纤维却十分困难。 要求树脂的熔融态粘度要足够低，且高温长 时间内稳定性要好。
20世纪80年代后，聚合物复合材料的工艺、 理论逐渐完善，除了玻璃钢的普遍使用以外，复 合材料在航空航天、船舶、汽车、建筑、文体用 品等各个领域都得到了全面的应用；形成了复合 材料发展的第三阶段。


4.1.1.1 分类
按聚合物的特征可分为树脂基复合材料和橡胶 基复合材料，树脂基复合材料又分为热固性树脂基 复合材料和热塑性树脂基复合材料； 根据增强剂的类型，又可分为玻璃纤维增强塑 料，碳纤维增强塑料，芳纶纤维增强塑料，硼纤维 增强塑料等； 按增强纤维在复合材料中的分布状态，又可以 分为连续纤维和不连续纤维增强复合材料，单向铺 层及多项铺层复合材料等。
一、真空袋成型：在纤维预制件上铺覆柔性橡胶或塑料薄
膜，使其与模具之间形成密闭空间，将组合体放入热压罐或 热箱中，在加热的同时对密闭空间抽真空形成负压，进行固 化。 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封
抽真空
固化
制品
2. 特征
1）工艺简单，不需要专用设备； 2）压力较小，最大为0.1MPa，只适用厚度 1.5mm以下复合材料制品 3）多采用环氧树脂体系
溶剂挥发后，沿轮鼓母线将纤维切断，可得到一定 长度和宽度的单向预浸料。
适用于实验室研究性的工作或小批量生产。
2、陈列排铺法：连续生产单向或织物预浸料 的制造工艺，有湿法和干法两种。
（1）湿法原理：平行排列的纤维束或织物同时 进入胶槽，浸渍树脂后由挤胶器除去多余胶液，经 烘干炉除去溶剂后，加隔离纸并经辊压整平，最后 收卷。
3. 工艺流程
来自百度文库
4. 喷射成型特点 1）生产效率较高（手糊3-5倍），劳动强度低 2）玻纤为无捻粗纱，材料成本低 3）制品整体性好，无搭接缝 4）产品形状和尺寸不受限制 5）可调节产品厚度，纤维与树脂比例
6）施工现场污染大，产品树脂含量高，强度小
耐腐性好。
喷射法是基于手糊成型开发出的一种半机
械化成型技术，主要是采用了喷射设备，仍为
切边加工
模具上应预先涂覆脱模剂（石蜡、黄油、甲基硅油、 聚乙烯醇溶液、聚氯乙烯薄膜等），常用的树脂是能在室 温固化的不饱和聚酯树脂和环氧树脂。
手糊成型工艺的特点
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容易满足产品设计要求。 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
使用时具有合适的粘度、铺覆性和凝胶时间等工
艺性能，复合材料制品的力学性能及化学性质在
很大程度上取决于预浸料的质量。按树脂基体又
可分成热固性预浸料和热塑性预浸料。
热固性预浸料 1、轮鼓缠绕法：间歇式湿法工艺
从纱团引出的连续纤维束，经导向轮进入胶槽
浸渍树脂，经挤胶器除去多余树脂后由喂纱嘴将纤
维依次整齐排列在衬有脱模纸的轮鼓上，待大部分
间歇性生产方式。 喷射法的用途; 可以制作浴盆、汽车壳体、船身、广告模 型、舞台道具、储藏箱、建筑构件、机器外罩、
容器、安全帽等。
（4）袋压成型：
最早及最广泛应用于预浸料成型的工艺之一。 将纤维预制件铺放于模具中，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 成型和热压罐成型，
缺点： ①生产周期长，效率低，劳动强度大，卫生 条件差。 ②产品质量不易控制，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。 用途： 手糊成型法可以制作汽车车体，各种渔 船和游艇、储罐、槽体、卫生间、舞台道具、 波纹瓦、大口径管件、机身蒙皮、整流罩、 火箭壳体、隔音板等复合材料制品。
(3)喷射成型工艺
1. 定义 通过喷枪将短切纤维和雾化树脂同时喷射到模具 表面，经辊压、固化制得复合材料制件的方法。 2. 工艺示意图
4.1.3.1 聚合物基复合材料的工艺特点
1、材料的形成与制品的成型是同时完成的， 复合材料的生产过程也就是复合材料的制品的生 产过程。
可以实现大型制品一次整体成型，简化了制 品结构，减少了组成零件和连接件的数量，对减 轻质量，降低工艺消耗和提高结构使用性能十分 有利。
2、树脂基复合材料的成型比较方便。
过程 生产准备
湿法
预成型
固化
脱模
整修
（毛坯） 预浸料 干法
要求
纤维均匀地按设计要求分布在制品各个部分； 树脂适量、均匀地分布在制品各个部位，并适当固化； 尽量减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性； 掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。
（1）预浸料及其制造方法
预浸料是将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物 上，通过一定的处理过程后储存备用的半成品， 它是一个总称。一般预浸料在-18℃下存储以保证
热压罐组成 罐体、真空泵、压气机、 储气罐、控制柜
(5)模压成型
1、定义 将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在温度和 压力作用下，材料充满模腔，固化成型，脱模制得产品的 方法。
2、特点
①生产效率较高，制品尺寸准确， 表面光洁，产品无需二次加工，易 于机械化、自动化； ②模具设计制造复杂，压机及模具 投资高，产品尺寸受设备限制，只 适于大批量中小型制品。
模压工艺特别是用于制造大批量以及精度
和重复性要求比较高的制品，广泛应用于生产
家用制品、机壳，电子设备和办公设备的外壳， 卡车门和轿车仪表板等汽车部件，也可用于制 造连续纤维增强制品，但连续纤维会阻止了预 浸料在模内的流动。
模压成型工艺： 树脂传递模塑（resin transfer moulding, RTM）
4.1.1.2
性能特点
聚合物基复合材料的性能 1、比强度大、比模量大 2、耐疲劳性能好 3、减震性好 4、耐烧蚀性能好 5、工艺性好 6、过载安全性能好
复合材料的性能 1、比强度大、比模量高 2、抗疲劳性能好 3、减震性能高 4、过在安全性好 5、高温性能 6、具有可设计性
4.1.3 聚合物基复合材料的制造方法
1. 定义 将纤维增强材料预先放在模腔内，合模后注入聚合 物，经固化成型为复合材料制品，又称为树脂转移成型。 2. 工艺流程
模具清理
启模
预成型坯制造和安放
脱模 后处理
合模
制品
树脂注入
树脂迁移法成型工艺的优点：
复合材料制品厚度与增强材料含量准确，两
面光滑，材料浪费少，能成型尺寸大，形状复杂
的制品，其经济性在各种复合材料工艺中仅次于
层操作，但与膜层叠技术一样，在制品成型阶
段，需要足够的温度、压力及时间，且浸渍难
以完全。
（2）手糊成型工艺
一、定义
手糊成型又称接触成型，采用手工方法将纤维增强材 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。是最早 采用和最简单的方法。
工艺流程
模具清理 补强层制作 固化 涂脱模剂 增强层制作 脱模 涂胶衣 表面层制作 产品检验 胶液配制 织物剪裁
第4章 纤维复合材料及其制造方法
4、1 聚合物基复合材料
4.1.1 发展概况
聚合物基复合材料是以有机高分子化合物为基 体，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。它是结 构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广、规 模最大的一类复合材料。

20世纪40年代初到20世纪60年代中期，是 聚合物复合材料发展的第一阶段，以1942年玻 璃钢的出现为标志，1946年出现玻璃纤维增强 尼龙。此阶段主要是玻璃纤维增强塑料（GFRP）