复合材料基体固化成型工艺研究

张明煜，郑世勋，张丽琴，康慧

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)



复合材料基体固化成型工艺研究

张明煜，郑世勋，张丽琴，康慧

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

郑世勋，内蒙古科技大学，矿业与煤炭学院，地质工程专业。

张丽琴，内蒙古科技大学,矿业与煤炭学院，安全工程专业。

康慧，内蒙古科技大学 ，矿业与煤炭学院，地质工程专业。

摘要：树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能优良、工艺性能良好及具有可设计性等特点,一直受到工业界的重视,各种复合材料产品被应用到各行各业,尤其是在航空航天领域。复合材料从原材料到形成制品的过程,都需经过固化与成型,方法已经有几十种。文中介绍了国内外复合材料主要的基体固化方法、成型工艺和相关研究;固化方法主要有热固化、辐射固化与微波固化等,成型工艺主要有模压成型、渗透成型、缠绕成型与拉挤成型等;同时,对工艺研究与应用也进行了展望。

关键词：复合材料;基体固化;成型工艺

引言

经过半个多世纪的发展,复合材料固化成型方法已经有几十种,每种工艺都有各自的优缺点,有各自的适用范围,但是它们之间存在着共性,从原材料到形成制品的过程,都需经过固化与成型工艺。本文介绍了国内外复合材料主要的固化方法、成型工艺,并对其研究与应用进行了展望。

1复合材料基体固化

高性能复合材料如碳纤维环氧复合材料的固化过程是基体材料从液态变为固态的过程,这个过程是一个复杂的热、化学和力学性能急剧变化的过程,由于热效应和化学反应效应会导致残余应力和变形产生,因此复合材料基体的固化相当重要。

1.1传统的热固化。复合材料的固化过程就是将预制件放入烘箱(或热压机或热压罐)中对预制构件进行加热和加压的过程,是热固性树脂与纤维结合,形成复合材料结构件的过程。但是要想得到质量好的复合材料结构件,必须选择最佳的固化工艺参数,工艺参数主要指温度、压力及加压点、升降温速率和保温时间等。可以利用示差扫描量热法(DSC)对树脂在固化过程中的反应历程及其树脂的流变学性能黏度变化进行分析来加以确定。

1.2辐射固化。辐射源很多,如:α、β—、β+、γ和中子射线。主要的辐射固化(radiation curing)有电子束固化(EB)和紫外线固化(UV)2种。

1.2.1电子束固化。即高能量电子束碰撞目标分子,释放足够的能量使其产生一系列活泼的粒子,当邻近分子发生这一过程时,活泼粒子释放出能量,形成化学键。电子束固化可使聚合物体系性能如模量、强度、冲击强度、硬度、耐热性及抗冲击、抗蠕变等都会有一定程度的提高。

1.2.2光固化。运用光敏树脂浸渍纤维增强材料制成柔性预浸料修理补片,用黏结的方法贴补到破坏损伤区,在紫外光的照射下迅速固化,从而在短时间内完成结构的修补。

1.3微波固化。微波是频率为109～ 1 011 Hz的电磁波,其固化机理是极性物质在外加电磁场的作用下,内部介质极化产生的极化强度矢量落后于电场一个角度,导致与电场相同的电流产生,构成物质内部功率耗散,从而将微波能转化为热能,致使固化体系快速均匀升温而加速反应。

2复合材料成型工艺

2.1模压成型工艺。模压成型的基本过程是将一定量的经过预处理的模压料放入预热的压模内,施加较高的压力使模压料充满模腔,在预定的温度条件下,模压料在模腔内逐渐固化,然后将制品从压模中取出,再进行必要的辅助加工。模压成型工艺的优点是生产效率高、制品尺寸准确、表面光洁,适用于大批量生产;结构复杂的制品可以一次成型,无需有损于制品性能的辅助加工(如车、铣、刨、磨、钳等),制品的外观及尺寸的重复性好。

2.2渗透成型技术。渗透成型技术包括:树脂传递模塑(RTM)、真空树脂传递模塑(VRTM)、结构反应注射成型

(SRTM)、射频干扰(RFI)和西曼树脂浸渍模塑工艺(SCRIMP)等。它们的共同特点是:一般情况下可不采用热压罐;仅真空压或低外压;要求树脂有低的黏度;制造周期短;不用预浸料;劳动工时少;辅助材料消耗少;边角料少,结构整体性高。

2.3缠绕成型工艺。第一个纤维缠绕技术专利于1946年在美国注册,即固体火箭发动机壳体和压力容器开发系统研究。此后,发动机壳体、压力容器、飞机雷达罩、导弹头锥、鱼雷发射管及玻璃钢制品等都应用该项专制。

2.4拉挤成型工艺。复合材料的拉挤成型工艺是将已浸润树脂胶液的连续纤维束或带,在牵引结构拉力作用下,通过成型模成型,在模中或在固化炉进行固化,连续引拔出长度不受限制的复合材料型材。由于在成型过程中需经过成型模的挤压和外牵引拉拔,而且生产过程和制品长度是连续的,故又称为拉挤连续成型工艺[26-27]。拉挤成型工艺具有生产效率高、工艺易于控制、产品质量稳定等优点;而且拉挤制品中纤维按纵向布置,又是在引拔预张力下成型,因此纤维的单向强度得到了充分的发挥,制品具有高的拉伸强度和弯曲强度。

3展望

21世纪初,国外生产应用的复合材料中90%以上是树脂基复合材料,树脂基复合材料的自动化铺设技术、压注成型技术、树脂转移模塑工艺、柔型树脂转移模塑技术、智能挤压树脂转移模塑技术、纤维自动缠绕技术等将是发展和应用的重要技术。可以肯定,随着研究的深入和技术的开发成熟,复合材料结构件,特别是高压容器将会被应用到更广泛的军事与民用领域。

指导教师：应吉日木吐

参考文献:

[1]高峰,李勇,肖军,等.M46J/BMP-316复合材料的成型工艺及其性能.纤维复合材 料,2005(4):3-6.

[2]赵鸿汉.环氧基纤维增强复合材料应用面面观.玻璃纤维,2006(1):42-46.

[3]王晓洁,张炜,刘炳禹.高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展,2003(4):20-23.

中图分类号:TQ322

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)02-009-01

作者简介：张明煜，内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，材料成型与控制技术专业