樹脂基復(fù)合材料內(nèi)襯成型工藝分析

杜政才（哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036）

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樹脂基復(fù)合材料內(nèi)襯成型工藝分析

杜政才
（哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036）

摘 要：隨著復(fù)合材料工藝和性能的不斷改善，其內(nèi)襯成型工藝及性能也在不斷的變化?，F(xiàn)對(duì)復(fù)合材料金屬內(nèi)襯成型工藝、橡膠內(nèi)襯成型工藝、塑料內(nèi)襯成型工藝進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；內(nèi)襯；分析

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料以其比強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、優(yōu)良設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在民用、軍工、航空航天領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。但樹脂基復(fù)合材料制品往往是非氣密性的，因此需要在其內(nèi)部制作內(nèi)襯層，另外，還有要求內(nèi)襯材料具有耐腐蝕和耐高低溫等性能，還必須與復(fù)合材料牢固粘結(jié)、變形協(xié)調(diào)、共同承載，具有適當(dāng)?shù)膹椥院洼^高的延伸率，從而來(lái)保證復(fù)合材料的使用性能。目前可以用作內(nèi)襯材料的有金屬、橡膠、塑料等。

1　金屬內(nèi)襯成型工藝

具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以其比強(qiáng)度和比剛度高，抗疲勞、抗震、耐腐蝕和密封性能好以及結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)成型過(guò)程一般需經(jīng)歷纏繞、固化和超壓三個(gè)工藝階段，此三個(gè)工藝階段是連續(xù)的，且對(duì)最終使用性能和承載能力帶來(lái)重要的影響。1970年美國(guó)NASA為滿足太空結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求，率先成功地設(shè)計(jì)和制作了具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料纖維纏繞壓力容器的工藝和設(shè)計(jì)研究工作，并已取得了良好的工程效益。

目前具有金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)方法大致可分為如下兩類：（1）厚壁高強(qiáng)度金屬內(nèi)襯的纏繞壓力容器。其金屬內(nèi)襯是作為該容器的主要承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯的厚度約占整體厚度的1/4-1/2。（2）薄壁金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纖維纏繞壓力容器。其金屬內(nèi)襯的設(shè)計(jì)原理僅僅是確保滿足加工方便和在裝載高壓氣體或液體時(shí)容器不出現(xiàn)泄漏的要求，由于在工作中內(nèi)襯所承受的結(jié)構(gòu)載荷較小，故內(nèi)襯厚度都較薄，而其材料亦均選擇強(qiáng)度較低但塑性良好的材料，比如鋁、不銹鋼、鈦等。用作內(nèi)襯的鋁氣密性好，延展性能、可焊接性能及耐疲勞性和耐腐蝕性均好。哈爾濱玻璃鋼研究院林再文等研制了鋁內(nèi)襯芳綸纖維纏繞的高壓氣瓶，并取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

2　橡膠內(nèi)襯

與其它內(nèi)襯材料相比，橡膠內(nèi)襯的特點(diǎn)是氣密性好、彈性高、耐疲勞性亦佳，且制造工藝簡(jiǎn)單等。隨著橡膠行業(yè)的快速發(fā)展，各式橡膠層出不窮，性能不一，通用型橡膠綜合性能較好，作為內(nèi)襯材料有著較大的選擇余地。一般在民用領(lǐng)域一般選用通用橡膠作為內(nèi)襯材料，通用橡膠來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜，主要有天然橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠五大類。天然橡膠可耐一般非氧化性強(qiáng)酸、堿溶液、有機(jī)酸和鹽溶液，強(qiáng)度高，彈性好，綜合性能好，使用溫度可達(dá)70℃，聚酯樹脂的固化溫度和時(shí)間與天然橡膠的硫化溫度的時(shí)間相適應(yīng)，所以天然橡膠與聚酯復(fù)合材料具有良好配合。

對(duì)于在較高使用溫度情況下，橡膠內(nèi)襯可選擇三元乙丙橡膠，三元乙丙橡膠是合成橡膠屬于乙丙橡膠的一種，與天然橡膠相似，耐化學(xué)腐蝕大大超過(guò)天然橡膠，可在150℃下長(zhǎng)期使用，間歇耐溫可達(dá)到200℃，價(jià)格適中，被廣泛應(yīng)用。特種橡膠是指一般應(yīng)用在某些特定環(huán)境下的一類橡膠，如在復(fù)合材料燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、復(fù)合材料發(fā)射筒的使用過(guò)程中，就要求內(nèi)襯材料起到耐高溫、隔熱的作用，以免對(duì)結(jié)構(gòu)層造成損傷。特種橡膠一般可分為丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚硫橡膠四大類。丁腈橡膠耐油、耐老化性、氣密性、粘結(jié)性能較好、最高使用溫度可達(dá)150℃。引入苯基的硅橡膠可在180℃下長(zhǎng)期工作，最高可耐300℃瞬時(shí)高溫。 無(wú)論是通用型橡膠還是特種橡膠硫化壓力都可通過(guò)復(fù)合材料層的纏繞張力來(lái)提供，因?yàn)橄鹉z內(nèi)襯一般厚度為1～2mm左右，是一層很薄的橡膠片，橡膠內(nèi)襯本身不具備剛性，所以需要包覆在具有一定剛度的芯模上，才能固定成型，芯模作為橡膠內(nèi)襯的內(nèi)部承載體，對(duì)橡膠內(nèi)襯的表面質(zhì)量起了關(guān)鍵性的作用，所以芯模表面的光潔度要很高，且不能有毛刺，以免對(duì)橡膠內(nèi)襯造成損傷，由于是一層薄片橡膠，橡膠硫化在不大的纏繞張力下就可以達(dá)到致密的要求。

對(duì)于內(nèi)襯材料起著關(guān)鍵作用的芯模材料有以下幾點(diǎn)要求：（1）芯模具有較高的剛度且在高溫下不發(fā)生形變；（2）能夠與產(chǎn)品較易拆分，并對(duì)復(fù)合材料及內(nèi)襯不產(chǎn)生有害影響；（3）芯模制作簡(jiǎn)單，原材料較易獲得。 能夠滿足上述要求的芯模材料種類很多，主要有金屬、石蠟、石膏砂、低熔點(diǎn)硝酸鹽等等。橡膠內(nèi)襯的硫化主要有以下四種方法： （1）橡膠包覆完后，直接纏繞成形，復(fù)合材料固化時(shí)橡膠跟隨一起硫化； （2）橡膠包覆在芯模上，放入硫化罐中，通過(guò)氣體加熱使橡膠硫化； （3）將橡膠片貼在金屬陽(yáng)模上后，安裝真空袋，送入熱壓釜中硫化； （4）將橡膠片貼在金屬陽(yáng)模上，趕出氣泡，合上陰模，進(jìn)行模壓硫化。實(shí)踐表明，真空袋加壓硫化可獲得較高的內(nèi)表面質(zhì)量，直接包覆纏繞成型效率較高適用于大批量生產(chǎn)。

3　塑料內(nèi)襯

塑料內(nèi)襯相對(duì)而言，具有更突出的靈活性，可通過(guò)不同的使用環(huán)境選用不同的塑料內(nèi)襯，如在酸性介質(zhì)中可選用乙烯基樹脂，在堿性介質(zhì)中可采用雙酚A型樹脂，如197號(hào)樹脂，需要在耐水環(huán)境下使用時(shí)則采用189號(hào)樹脂。

塑料內(nèi)襯具有如下優(yōu)點(diǎn)（1）能節(jié)省成本。（2）高壓下循環(huán)壽命長(zhǎng)。（3）防腐蝕。（4）原材料豐富，可選擇性相對(duì)較大。當(dāng)然塑料內(nèi)襯也具有以下不利因素：（1）可能通過(guò)接頭浸漏。（2）碰撞強(qiáng)度低。（3）氣體可能透過(guò)。（4）內(nèi)襯與復(fù)合材料粘接脫落。（5）塑料內(nèi)襯對(duì)溫度比較敏感。塑料內(nèi)襯的特點(diǎn)與橡膠內(nèi)襯基本相同，也需要芯模定型。在航空航天領(lǐng)域，高溫氣流沖刷環(huán)境下，內(nèi)襯材料的性能至關(guān)重要，要求內(nèi)襯材料具有耐高溫沖刷、良好的機(jī)械性能、且具有高殘?zhí)柯省?/p>

4　結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著樹脂基復(fù)合材料的飛速發(fā)展，各高校和科研單位在復(fù)合材料內(nèi)襯研發(fā)上投入也在不斷增大，新的內(nèi)襯層品種、新的工藝手段、新的合成方法也在不斷涌現(xiàn)，相信在不久的將來(lái)我們?cè)趦?nèi)襯材料上會(huì)取得更大的成就。

參考文獻(xiàn)：

［1］賈曉龍，李剛等.碳纖維/環(huán)氧樹脂在橡膠內(nèi)襯表面的全纏繞工藝設(shè)計(jì)［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2009（02）：61-64.

［2］任明法.具有金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)成型和使用過(guò)程的一體化分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005： 2-10.

［3］許家忠，喬明等.纖維纏繞復(fù)合材料成型原理及工藝［M］.北京：科學(xué)出版社，2013：79-94.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.046

作者簡(jiǎn)介：杜政才（1986-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，研究方向：復(fù)合材料。