纤维复合材料及其制造方法.pptx
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1、聚合物基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料(PMC)是以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体,连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低,但由于其粘接性能好,能把纤维牢固地粘接起来,同时还能使载荷均匀分布载荷均匀分布,并传递到纤维上去,并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合,各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求,充分展示各自的优点,并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。分类实用PMC通常
2、按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料;另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如:玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点,同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。性能特点性能特点比强度大,比模量大耐疲劳性能好减震性好工艺性好比强度大,比模量大比强度大,比模量大比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度越高,同一零件的自
3、重越小;比模量越高,零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大,例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料,其比强度是钢的七倍,比模量比钢大三倍。耐疲劳性能好耐疲劳性能好疲劳破坏是材料在变载荷作用下,由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。聚合物复合材料疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始,逐渐扩展到结合面上,破坏前有明显的预兆,而且纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗拉强度的20-50,而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳极限可为其抗拉强度的70-80。减振性好减振性好许多机器和设备如汽车、动力机械等的振动问题十分突出,而复合材料的减振性能好。原因是纤维增强复合材料比模量大
4、,则自振频率高,可避免产生共振而引起的早期破坏。另外纤维与界面吸振能力强,故振动阻尼性好,即便发生振动也会很快衰减。有很好的加工工艺性有很好的加工工艺性 连续纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能,可以通过手糊成型、缠绕成型和拉挤成型等复合材料特有的工艺方法制造制品。它能满足各种类型制品的制造需要,特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。聚合物基复合材料的制造方法 聚合物基复合材料的制造把复合材料的聚合物基复合材料的制造把复合材料的制造和产品的制造融合为一体。制造和产品的制造融合为一体。根据增强体和基体材料种类的不同,需根据增强体和基体材料种类的不同,需要应用不同的制造工艺和方法
5、。要应用不同的制造工艺和方法。根据基体材料不同分类:根据基体材料不同分类:热固性树脂复合材料的制造方法热固性树脂复合材料的制造方法:手糊成型法、喷射成:手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等。等。热塑性复合材料的制造方法:模压成型法、注射成型热塑性复合材料的制造方法:模压成型法、注射成型法、法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。模具准模具准备备树脂胶液树脂胶液配制配制增强材料增强材料准备准备涂脱模剂涂脱模剂手糊成型手糊成型固化固化脱模脱模后处理后处理检验检验制品制
6、品手糊成型工艺流手糊成型工艺流程程纤维增强材料和树脂胶纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型,液在模具上铺覆成型,室温室温(或加热或加热)、无压、无压(或或低压低压)条件下固化,脱模条件下固化,脱模成制品的工艺方法。成制品的工艺方法。待浸树脂的增待浸树脂的增强材料强材料压实辊压实辊树脂树脂可选用胶衣可选用胶衣手糊成型示意图手糊成型示意图 胶衣是赋予复合材料制品表面的一胶衣是赋予复合材料制品表面的一层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和层美观、耐化学品侵蚀、耐擦伤和耐老化等的对其起到保护作用的表耐老化等的对其起到保护作用的表面涂层。面涂层。优点优点:(1)不受尺寸、形状的限制,适宜尺寸大、批量小、形状复
7、杂产品不受尺寸、形状的限制,适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产;的生产;(2)设备简单、投资少、设备折旧费低,成本低;设备简单、投资少、设备折旧费低,成本低;(3)工艺简单;工艺简单;(4)可在任意部位增补增强材料,易满足产品设计要求;可在任意部位增补增强材料,易满足产品设计要求;(5)产品树脂含量高,耐腐蚀性能好。产品树脂含量高,耐腐蚀性能好。(1)生产效率低,劳动强度大,劳动卫生条件差;生产效率低,劳动强度大,劳动卫生条件差;(2)产品质量不易控制,性能稳定性差;产品质量不易控制,性能稳定性差;(3)产品力学性能较低。产品力学性能较低。缺点 为为改进改进手糊成型工艺而开发的一种半机械化
8、成型工艺,是手糊成型工艺而开发的一种半机械化成型工艺,是手糊工艺的变手糊工艺的变形形。工艺流程工艺流程玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂聚酯树脂引发剂引发剂促进剂促进剂加热加热静态混合静态混合切割喷切割喷枪枪喷射成喷射成型型模具模具辊压辊压固化固化脱模脱模(1)生产效率比手糊法提高生产效率比手糊法提高24倍;倍;(2)利用粗纱代替织物,降低了材料成本;利用粗纱代替织物,降低了材料成本;(3)成型过程中无接缝,制品的整体性好;成型过程中无接缝,制品的整体性好;(4)减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗;减少了飞边、裁屑和剩余胶液的损耗;(5)可自由调节产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维可自由调节
9、产品壁厚、纤维与树脂的比例及纤维的长度。的长度。(1)产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的产品的均匀程度在很大程度上取决于操作工人的熟练程度;熟练程度;(2)树脂含量高,增强纤维短,制品的强度较低,耐树脂含量高,增强纤维短,制品的强度较低,耐温性能差;温性能差;(3)因过量喷涂而造成原材料损耗大;因过量喷涂而造成原材料损耗大;(4)阴模成型比阳模成型难度大,小型制品比大型制阴模成型比阳模成型难度大,小型制品比大型制品难度大;品难度大;(5)现场粉尘大,工作环境恶劣;现场粉尘大,工作环境恶劣;(6)初期投资比手糊成型大。初期投资比手糊成型大。定义定义 将一定量的模压料放入金属对模中,将一定
10、量的模压料放入金属对模中,在一定温度、压力作用下,固化成型制品在一定温度、压力作用下,固化成型制品的方法。的方法。加热加压的作加热加压的作用用 使模压料塑化、流动,充满空腔,使模压料塑化、流动,充满空腔,并使树脂发生固化反应。并使树脂发生固化反应。有较高的生产效率,适于大批量生产,制品尺寸精确,有较高的生产效率,适于大批量生产,制品尺寸精确,表面光洁,可以有两个精制表面,价格低廉,容易实现机表面光洁,可以有两个精制表面,价格低廉,容易实现机械化和自动化,多数结构复杂的制品可一次成型,无需有械化和自动化,多数结构复杂的制品可一次成型,无需有损于制品性能的辅助加工,制品外观及尺寸的重复性好。损于制
11、品性能的辅助加工,制品外观及尺寸的重复性好。压模的设计与制造较复杂,初次投资较高,压模的设计与制造较复杂,初次投资较高,制品尺寸受设备限制,一般只适于制备中、小制品尺寸受设备限制,一般只适于制备中、小型玻璃钢制品。型玻璃钢制品。层压工艺:层压工艺:将将浸浸有有或或涂涂有有树树脂脂的的片片材材层层叠叠,送送入入层层压压机机,在在加加热热加加压压条条件件下下,固固化化成成型型玻玻璃璃钢钢制品的一种成型工艺。制品的一种成型工艺。缠绕工艺:缠绕工艺:将将浸浸过过树树脂脂胶胶液液的的连连续续纤纤维维或或布布带带,按按照照一一定定规规律律缠缠绕绕到到芯芯模模上上,然然后后固固化化脱脱模模成成为为复复合合材
12、材料料制制品的工艺过程。品的工艺过程。决定产品形状的模具决定产品形状的模具绕线筒绕线筒张力控制器张力控制器预浸槽预浸槽小小车车吐丝嘴吐丝嘴芯模芯模基本纤维缠绕机基本纤维缠绕机基本纤维缠绕机基本纤维缠绕机缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图浸胶浸胶胶纱纱锭胶纱纱锭张力控制张力控制固化固化打模喷漆打模喷漆脱模脱模芯模制造芯模制造胶液配制胶液配制纱团纱团集束集束烘干烘干络纱络纱加热粘流加热粘流纵、环向缠绕纵、环向缠绕张力控制张力控制纵、环向缠绕纵、环向缠绕成品成品湿湿法法缠缠绕绕成成型型工工艺艺干干法法缠缠绕绕成成型型工工艺艺干法缠绕干法缠绕 将预浸纱带将预浸纱带(或预浸布或预浸布),在缠绕机上经,在缠绕机
13、上经加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。工艺过程。湿法缠绕湿法缠绕 将无捻粗纱将无捻粗纱(或布带或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。的成型工艺过程。半干法缠绕半干法缠绕 将无捻粗纱将无捻粗纱(或布带或布带)浸胶后,随即预烘干,然后浸胶后,随即预烘干,然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。缠绕到芯模上的成型工艺方法。工工 艺艺 过过程:程:先将树脂和增强纤维制成粒料,然后再先将树脂和增强纤维制成粒料,然后再将粒料加入挤出机内,经塑化、挤出、冷却将粒料加入挤出机内,经塑化、挤出、冷却定型而成制品。定型而成制品。1、能加
14、工绝大多数热塑性复合材料及部分、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固性复合材料;热固性复合材料;2、生产过程连续,自动化程度高;、生产过程连续,自动化程度高;3、工艺易掌握及产品质量稳定等。、工艺易掌握及产品质量稳定等。只能生产线型制只能生产线型制品品 注注射射成成型型适适用用于于热热塑塑性性和和热热固固性性复复合合材材料料,以以热热塑塑性性复复合合材材料料应用最广。应用最广。注射成型注射成型 将将粒粒状状或或粉粉状状的的纤纤维维树树脂脂混混合合料料从从注注射射机机的的料料斗斗送送入入机机筒筒内内,加加热热熔熔化化后后由由柱柱塞塞或或螺螺杆杆加加压压,通通过过喷喷嘴嘴注注入入温温度度降降低低
15、的的闭合模内闭合模内,经过冷却定型后,脱模得制品。,经过冷却定型后,脱模得制品。间歇式操作过程间歇式操作过程注射成型相对于模压成型的特点:注射成型相对于模压成型的特点:(1)成型周期短,物料的塑化在注射机内完成。成型周期短,物料的塑化在注射机内完成。(3)闭模成型,能提高产品精度,保证质量,减少后加工闭模成型,能提高产品精度,保证质量,减少后加工工作量。工作量。(4)可使形状复杂的产品一次成型,能防止模腔内嵌件变形或可使形状复杂的产品一次成型,能防止模腔内嵌件变形或位移。位移。(5)生产效率高,成本低。生产效率高,成本低。注射成型的缺点:注射成型的缺点:(1)不适用于长纤维增强的产品,一般纤维
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