复合材料工艺与设备复习材料

复合材料工艺与设备复

习材料

-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

复合材料工艺与设备

增强纤维（CF,GF）的生产工艺与设备（表面处理工艺与设备）

玻璃纤维在生产过程中辅助材料的作用：浸润剂的种类，作用

种类：增强型浸润剂和纺织型浸润剂；

作用：1、润滑-保护作用；2、粘结-集束作用； 3、防止玻璃纤维表面静电荷的积累；4、为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性；5、使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能

C纤维生产工艺中，惰性气体和张力的作用

惰性气体作用：①保护新生产的纤维不受氧化②作为传热介质③排除裂解产物（非C元素）。

张力的作用：①使分子取向②使分子结构规整③产生轴向拉伸应力

增强纤维在表面处理工艺中的影响因素

玻璃纤维表面处理的影响因素：①处理剂的种类；②偶联剂的用量1~%；③处理方法（前处理法、后处理法、迁移法）；④烘焙温度与时间（偶联剂与GF的硅层结构的最佳结合程度）；⑤偶联剂溶液的配制（PH值的调节，一般用5%的氨水）。

手糊成型工艺与设备

手糊工艺的特点：优点：1、守护成型不受产品尺寸和形状的限制，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、易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；5、制品树脂含量高，耐腐蚀性好；缺点：1、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，性能稳定性不高；3、产品力学性能较低。

原材料选择原则：1、产品设计的性能要求；2、手糊成型工艺要求；3、价格便宜，材料容易取得。聚合物基体的选择原则：1、能在室温下凝胶、固化。并在固化过程中无低分子物得产生。2、能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为。3、无毒或低毒；4、价格便宜。增强纤维的选择原则：以玻璃纤维为例，工艺特点：1、很好的疏松性；2、铺覆的变形性；3、纤维的均匀性。先进手糊法的种类：喷射成型、热压釜、树脂传递模塑与反应注射模塑。RTM（树脂传递模塑）基本工艺过程：将液态热固性树脂及固化剂，由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品。

RTM的工艺特点：这要设备投资少，即用地吨位压机能生产较大的制品；生产的制品两面光滑、尺寸稳定、容易组合；允许制品带有加强筋、镶嵌件和附着物，可将制品制成泡沫夹层结构，设计灵活，从而获得最佳结构；制造模具时间短，可在短期内投产；对树脂和填料的适用性广泛；生产周期短，劳动强度低，原材料损耗少；产品后加工少；RTM是闭模成型工艺，单体挥发少，环境污染小。

玻璃钢高级模具的概念：指用玻璃钢制作的，可获得“镜面效果”的，高光泽度、高平整度的守护制品的模具。

高级模具的要求：有足够的强度和刚度；模具表面胶衣要有一定的硬度和耐热性，能够承受树脂固化时的收缩、放热等效果；模具工作表面外形尺寸准确、

平面平顺，无潜藏气泡和针孔等弊病；模具表面光泽度为80-90光泽单位，或侧目应有清晰的镜面反光；经抛光后的模具表面残留划痕度<.

脱模剂类型：薄膜型脱模剂、混合型脱模剂、蜡型脱模剂。

脱模剂应具备条件：不腐蚀模具，不影响树脂的固化，对树脂粘附力小；成膜时间短，成膜均与、光滑；操作简单，使用安全，价格便宜；选用脱模剂是应注意，脱模剂的使用温度应高于固化温度。

模压成型工艺：

概念：将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，固化成型制品的一种方法。

模压料：1、高强度短纤维模压料，其基本组成为：短纤维增强材料、树脂基体和辅助材料；

2、smc 片状模压料

两种模压料的区别：树脂基体的不同，前面一种主要是环氧，后面一种主要是UP ；工艺参数，尤其是成型压力不同，SMC 的成型压力相对较低；产品类型不同，前者为高精度的零部件，后者多为薄膜类产品；生产效率不同，SMC 由于增稠作用，其生产周期大大缩短；产品使用性能，前者力学、绝缘性突出，后者综合性能好，性价比好。

层压板典型的热压曲线分析：第一阶段：为预热阶段。一般从室温到开始显著反应时的温度，这一阶段称为预热阶段。预热的目的主要是使胶布中的树脂融化，使挥发物跑掉，熔融树脂进一步浸渍玻璃布。此时压力一般为全压的

1/3~1/2；第二阶段：为中间保温阶段。这一阶段的作用在于使胶布在较低的反应速度下进行固化。保温时间的长短主要取决于胶布老嫩程度及板料的厚度。在这一阶段应密切注意树脂沿钢板边缘流出情况。当流出的树脂已经凝胶，即不能拉成丝时，应立即加全压，并随即升温。第三阶段：为升温阶段。这一阶段作用在于逐步提高反应温度，加快固化反应速度。一般来讲升温速度不宜过快。因为加热过快，则引起固化反应激烈，放热集中，在玻璃钢板材中容易产生缺陷，如裂缝、分层等。第四阶段：为热压保温阶段。这一阶段的作用在于使树脂获得充分固化。所选择的温度主要取决于树脂的固化特性、时间和板材的厚度。第五阶段：为冷却阶段。在保压的情况下，采用自然冷却或强制冷却到室温，而后去除压力取出制品。

SMC 的组成材料及要求：其主要树脂糊（基体材料）和玻璃纤维（增强材料）组成，其中树脂糊由不饱和聚酯及辅助剂（引发剂、交联剂及阻聚剂）、增稠剂、低收缩填加剂、填料、颜料、内脱模剂等组分组成的。

不饱和聚酯树脂应满足要求：低粘度，便于浸渍玻璃纤维；易于同增稠剂反应，满足增稠要求；固化迅速，提高生产效率；热强度较高，保证制件脱模是不至于损坏；有足够的韧性，在制件发生某些变形是不致开裂。

增强材料（玻璃纤维）应满足的要求：易切割；易分散；浸渍性好；抗静电；流动性好；强度高。

引发剂应满足的要求：储存、操作安全；室温下不分解；制得的SMC储存时间长；达到一定温度时，分解速度快，交联效率高；价格低。

增稠剂应满足的要求：制备时，要求粘度低，以保证树脂对玻璃纤维和填料的充分浸渍；当纤维和填料被浸渍后，又要求粘度迅速提高，以适应贮运和模压操作；增稠后的胚料，在模压温度下能迅速充分冲面模腔，并使树脂与纤维不发生离析；增稠后的粘度，在贮存期内必须稳定在可模压的范围内；增稠作用在生产中应该有稳定的重要性。

填料应满足的要求：密度低；油吸附值低；不易腐蚀；成本低（SMC用量大）；易分散；颗粒具有广泛细度；无杂质，色泽洁白；满足制品性能要求。增稠机理：第一阶段，是金属氧化物或氢氧化物与聚酯反应，生产碱式盐。碱式盐或者不在反应而进行第二阶段的络合反应，或者进一步脱水而使分子质量成倍增大。脱水反应有两种方式：一是碱式盐同聚酯的羧基脱水；一是碱式盐之间进行脱水。第二阶段：是由于生成的碱式盐（金属原子）同聚酯分子中的酯基（氧原子）以配位键形成络合物，于是，不饱和聚酯分子质量由成盐反应而成倍提高，而众多络合键的形成提高了分子间力及摩擦力，粘度上升。

胶布的质量指标及控制方法：胶布的质量指标通常有含胶量、挥发分含量、可溶性树脂含量及流动度。胶布含胶量控制方法是：调节树脂胶液粘度；调节胶布的浸渍时间；调节胶锟的间距，这三种方法主要是调节胶锟间距，间距越大胶量越多。可溶性树脂含量控制方法：取决于胶布的使用要求，不同使用要求的胶布，其可溶性树脂含量不同；通常是通过控制烘干温度和时间来调整，温度高时间长，含量高。挥发分含量及其控制方法：通过调整烘干温度和时间来实现的。流动度及其控制方法：流动度是前三者指标的综合反应，胶布的流动度一般控制在20-30mm之间，同时随数值类型、环境温度适当调节。贮存条件：胶布的存放，其三者指标会随贮存条件及存放的时间长短而发生变化，所以不同类型的树脂浸渍的胶布，存放条件应不同。为保证胶布三项指标稳定，胶布应存放在干燥室内。

缠绕成型工艺

缠绕的规律：

缠绕规律的主要内容：表象是线形，其必须满足两点要求，一是纤维既不重复又不离缝，均匀连续布满芯模表面，二是，纤维在芯模表面位置稳定不打滑；是描述纱片均匀稳定连续排布芯模表面以及与导丝头间运动关系的规律。

缠绕线型：环向缠绕，螺旋缠绕，纵向缠绕

纤维在芯模表面均匀布满的条件：由于芯模上的每条纱片，都在极孔圆周上有一个切点，只要满足以下两个条件，就可以实现经过若干个完整循环后，纱片能一片挨一片的均匀布满整个芯模表面。1、一个完整循环的各切点等分芯模转过的角度。即各切点均分布在圆周上。2、前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱片在筒身段错开的距离等于一个纱片的宽度。

一个完整循环的概念；螺旋缠绕时，由导丝头得纤维自芯模上某点开始，导丝头经过若干次往返运动后，又回到原来的起始点上，这样，在芯模上所完成的一次（不重复）布线称为“标准线”，完成一个标准线的缠绕，称为一个完整循环。

一个完整循环缠绕的切点数及分布规律：在一个完整循环内，等分极孔切点排布顺序。

纤维缠绕规律以及切点法所描述得线型应满足的3个条件：（1）缠绕规律表面上是纤维在芯模上的排布方式即线型，实际上是芯模的转动与小车平移（或导丝头）间的运动关系。（2）线型满足的三个条件：均匀；布满；位置稳定切点法所描述的3个条件：①均匀条件：极孔圆周上的诸切点等分极孔圆周；

②布满条件：前后相邻的两个完整循环所对应的纱片在筒身错开的距离等于一个纱片宽度；③位置稳定：缠绕在芯模表面上的每条纤维轨迹都是相应曲面的测地线。

线型设计的内容与步骤：(1)根据产品结构尺寸，计算芯模的转角θ’(计算值)；（2）查线型表，根据计算值查出相近的表值，然后反差确定线型；（3）转角的调整（有3种方法：①筒身长度可调，缠绕角不可调，调前者；②容器尺寸不许变，调变缠绕角；③允许改变极孔径就改变极孔半径）；（4）根据选定的线型，画标准线展开图。

缠绕张力对制品性能的影响①对制品机械性能的影响，纤维缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切关系，张力过大，制品强度偏低。张力小，内衬在冲压时变形就大，而内容器的变形越大，其疲劳性能就越差。张力过大，纤维由于磨损而使强度损失增大，制品温度下降。纤维之间张力的均匀性对制品的性能影响也很大。为了使制品各缠绕层不出现内松外紧现象，应使张力逐层有规律的递减，以是内外层纤维的初始应力状态相同，从而使容器冲压后，内外层纤维能同时承受载荷。②张力对制品密实程度的影响，两者成正比。③张力对含胶量的影响，张力增大含胶量降低，为了避免出现胶液含量沿壁厚不均匀----内高外低，多采用分层固化或预浸材料。

缠绕张力制度：1、纤维初始应力值的确定；2、张力递减制度。张力制度必须考虑以下因素：保证各层纤维初应力相等，内衬刚度，纤维强度与磨损，胶液流失，张力装置性能。

缠绕制品的特点：（1）比强度高（①缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率，同时合股纤维束可遏制裂纹的扩展，并能使应力在纤维间通过摩擦而相互传递，连续纤维特别是无捻粗纱由于没有经过纺织工序，强度损失大大减少；

②避免了纤维的应力集中；③可以实现产品等强度结构设计④纤维含量高达80%）；（2）可靠性高；（3）生产率高，由于纤维制品质量高而稳定，可实现机械化自动化，生产率高，便于大批量生产；（4）材料成本低。

复材的夹层结构方法

概念：夹层结构是由高强度蒙皮和轻质夹芯材料所构成的一种结构形式。玻璃钢夹层结构为玻纤布蜂窝或泡沫塑料等所组成的结构材料。

分类：玻璃钢夹层结构按其所用夹芯材料类别通常可分为三种，即泡沫夹层结构、玻板夹层结构和蜂窝夹层结构。

GFRP的夹层结构的力学意义：简支梁的三点弯曲、分析挠度、跨距长度、P值、分材料E值与J惯性矩1bh3/12

硬质聚氨酯泡沫塑料夹心生产工艺原理

硬质聚氨酯泡沫塑料的制造分一步法和两步法。一步法是将所有的原料按配方混合在一起而形成泡沫塑料；二步法又分为预聚法和半预聚法两种，预聚法是使异氰酸酯先与聚酯或聚醚反应生成预聚体，在加入其他组分而形成泡沫塑

料；半预聚法是使部分聚酯或聚醚先与所有的异氰酸酯作用，而后再加入剩余的聚酯或聚醚与其他组分的混合物使其成为泡沫塑料。

⑴ 聚氨酯的生成：异氰酸酯+聚酯或聚醚的羟基，同时与水反应生成CO2而发泡。

⑵ 泡沫的形成：聚氨酯泡沫塑料在形成过程中，始终伴有复杂的化学反应，可归纳为6种。

① 链增长反应。指异氰酸酯或聚酯生成聚氨酯的反应，即异氰酸酯与羟基之间反应

……NCO+OH

②放气反应。指异氰酸酯与水作用放出

CO2的反应

……

NCO+HOH →{……N —C

—O ……}

H+CO2

氨基甲酸 胺

③ 与异氰酸酯的反应，这是②中生成的胺又与异氰酸酯作用形成脲

的衍生物反应。

……NH2+OCN

④ 联和支化反应。指氨基甲酸酯中的氮原子上的氢与异氰酸酯反应。这一反应可使线型聚合物形成支化和交联结构。

……O —C —NH ……+OCN ……→……O O=C —NH ……

⑤ 缩二脲的形成反应。它是由脲衍生物与异氰酸酯反应生成的。

……NH ……+OCN →…… O=C —NH

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