復合材料基體固化成型工藝研究

張明煜，鄭世勛，張麗琴，康慧

(內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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復合材料基體固化成型工藝研究

張明煜，鄭世勛，張麗琴，康慧

(內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鄭世勛，內(nèi)蒙古科技大學，礦業(yè)與煤炭學院，地質(zhì)工程專業(yè)。

張麗琴，內(nèi)蒙古科技大學,礦業(yè)與煤炭學院，安全工程專業(yè)。

康慧，內(nèi)蒙古科技大學 ，礦業(yè)與煤炭學院，地質(zhì)工程專業(yè)。

摘要：樹脂基復合材料具有比強度高、比模量高、抗疲勞性能優(yōu)良、工藝性能良好及具有可設計性等特點,一直受到工業(yè)界的重視,各種復合材料產(chǎn)品被應用到各行各業(yè),尤其是在航空航天領域。復合材料從原材料到形成制品的過程,都需經(jīng)過固化與成型,方法已經(jīng)有幾十種。文中介紹了國內(nèi)外復合材料主要的基體固化方法、成型工藝和相關研究;固化方法主要有熱固化、輻射固化與微波固化等,成型工藝主要有模壓成型、滲透成型、纏繞成型與拉擠成型等;同時,對工藝研究與應用也進行了展望。

關鍵詞：復合材料;基體固化;成型工藝

引言

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展,復合材料固化成型方法已經(jīng)有幾十種,每種工藝都有各自的優(yōu)缺點,有各自的適用范圍,但是它們之間存在著共性,從原材料到形成制品的過程,都需經(jīng)過固化與成型工藝。本文介紹了國內(nèi)外復合材料主要的固化方法、成型工藝,并對其研究與應用進行了展望。

1復合材料基體固化

高性能復合材料如碳纖維環(huán)氧復合材料的固化過程是基體材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程,這個過程是一個復雜的熱、化學和力學性能急劇變化的過程,由于熱效應和化學反應效應會導致殘余應力和變形產(chǎn)生,因此復合材料基體的固化相當重要。

1.1傳統(tǒng)的熱固化。復合材料的固化過程就是將預制件放入烘箱(或熱壓機或熱壓罐)中對預制構件進行加熱和加壓的過程,是熱固性樹脂與纖維結合,形成復合材料結構件的過程。但是要想得到質(zhì)量好的復合材料結構件,必須選擇最佳的固化工藝參數(shù),工藝參數(shù)主要指溫度、壓力及加壓點、升降溫速率和保溫時間等?？梢岳檬静顠呙枇繜岱?DSC)對樹脂在固化過程中的反應歷程及其樹脂的流變學性能黏度變化進行分析來加以確定。

1.2輻射固化。輻射源很多,如:α、β—、β+、γ和中子射線。主要的輻射固化(radiation curing)有電子束固化(EB)和紫外線固化(UV)2種。

1.2.1電子束固化。即高能量電子束碰撞目標分子,釋放足夠的能量使其產(chǎn)生一系列活潑的粒子,當鄰近分子發(fā)生這一過程時,活潑粒子釋放出能量,形成化學鍵。電子束固化可使聚合物體系性能如模量、強度、沖擊強度、硬度、耐熱性及抗沖擊、抗蠕變等都會有一定程度的提高。

1.2.2光固化。運用光敏樹脂浸漬纖維增強材料制成柔性預浸料修理補片,用黏結的方法貼補到破壞損傷區(qū),在紫外光的照射下迅速固化,從而在短時間內(nèi)完成結構的修補。

1.3微波固化。微波是頻率為109～ 1 011 Hz的電磁波,其固化機理是極性物質(zhì)在外加電磁場的作用下,內(nèi)部介質(zhì)極化產(chǎn)生的極化強度矢量落后于電場一個角度,導致與電場相同的電流產(chǎn)生,構成物質(zhì)內(nèi)部功率耗散,從而將微波能轉(zhuǎn)化為熱能,致使固化體系快速均勻升溫而加速反應。

2復合材料成型工藝

2.1模壓成型工藝。模壓成型的基本過程是將一定量的經(jīng)過預處理的模壓料放入預熱的壓模內(nèi),施加較高的壓力使模壓料充滿模腔,在預定的溫度條件下,模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化,然后將制品從壓模中取出,再進行必要的輔助加工。模壓成型工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高、制品尺寸準確、表面光潔,適用于大批量生產(chǎn);結構復雜的制品可以一次成型,無需有損于制品性能的輔助加工(如車、銑、刨、磨、鉗等),制品的外觀及尺寸的重復性好。

2.2滲透成型技術。滲透成型技術包括:樹脂傳遞模塑(RTM)、真空樹脂傳遞模塑(VRTM)、結構反應注射成型

(SRTM)、射頻干擾(RFI)和西曼樹脂浸漬模塑工藝(SCRIMP)等。它們的共同特點是:一般情況下可不采用熱壓罐;僅真空壓或低外壓;要求樹脂有低的黏度;制造周期短;不用預浸料;勞動工時少;輔助材料消耗少;邊角料少,結構整體性高。

2.3纏繞成型工藝。第一個纖維纏繞技術專利于1946年在美國注冊,即固體火箭發(fā)動機殼體和壓力容器開發(fā)系統(tǒng)研究。此后,發(fā)動機殼體、壓力容器、飛機雷達罩、導彈頭錐、魚雷發(fā)射管及玻璃鋼制品等都應用該項專制。

2.4拉擠成型工藝。復合材料的拉擠成型工藝是將已浸潤樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶,在牽引結構拉力作用下,通過成型模成型,在模中或在固化爐進行固化,連續(xù)引拔出長度不受限制的復合材料型材。由于在成型過程中需經(jīng)過成型模的擠壓和外牽引拉拔,而且生產(chǎn)過程和制品長度是連續(xù)的,故又稱為拉擠連續(xù)成型工藝[26-27]。拉擠成型工藝具有生產(chǎn)效率高、工藝易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點;而且拉擠制品中纖維按縱向布置,又是在引拔預張力下成型,因此纖維的單向強度得到了充分的發(fā)揮,制品具有高的拉伸強度和彎曲強度。

3展望

21世紀初,國外生產(chǎn)應用的復合材料中90%以上是樹脂基復合材料,樹脂基復合材料的自動化鋪設技術、壓注成型技術、樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝、柔型樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術、智能擠壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術、纖維自動纏繞技術等將是發(fā)展和應用的重要技術?？梢钥隙?隨著研究的深入和技術的開發(fā)成熟,復合材料結構件,特別是高壓容器將會被應用到更廣泛的軍事與民用領域。

指導教師：應吉日木吐

參考文獻:

[1]高峰,李勇,肖軍,等.M46J/BMP-316復合材料的成型工藝及其性能.纖維復合材 料,2005(4):3-6.

[2]趙鴻漢.環(huán)氧基纖維增強復合材料應用面面觀.玻璃纖維,2006(1):42-46.

[3]王曉潔,張煒,劉炳禹.高性能碳纖維復合材料耐壓容器研究進展,2003(4):20-23.

中圖分類號:TQ322

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)02-009-01

作者簡介：張明煜，內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院，材料成型與控制技術專業(yè)