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復合材料工藝

文章附圖

復合材料成型工藝是復合材料工業的發展基礎和條件。隨著復合材料應用領域的 拓寬,復合材料工業得到迅速發展,老的成型工藝日臻完善,新的成型方法不斷 涌現,目前聚合物基復合材料的成型方法已有 20多種,并成功地用于工業生產。 如:

(1)手糊成型工藝-濕法鋪層成型法;

(2)噴射成型工藝;

(3)樹脂傳遞模塑成型技術(RTM技術);

(4)袋壓法(壓力袋法)成型;

(5)真空袋壓成型;

(6)熱壓罐成型技術;

(7)液壓釜法成型技術;

(8)熱膨脹模塑法成型技術;

(9)夾層結構成型技術;

(10)模壓料生產工藝;

(11) ZMC模壓料注射技術;

(12)模壓成型工藝;

(13)層合板生產技術;

(14)卷制管成型技術;

(15)纖維纏繞制品成型技術;

(16)連續制板生產工藝;

(17)澆鑄成型技術;

(18)拉擠成型工藝;

(19)連續纏繞制管工藝;

(20)編織復合材料制造技術;

(21)熱塑性片狀模塑料制造技術及冷模沖壓成型工藝;

(22)注射成型工藝;

(23)擠出成型工藝;

(24)離心澆鑄制管成型工藝;

(25)其它成型技術。

視所選用的樹脂基體材料的不同,上述方法分別適用于熱固性和熱塑性復合材料 的生產,有些工藝兩者都適用。

復合材料制品成型工藝特點:與其它材料加工工藝相比,復合材料成型工藝具有 如下特點:

(1)材料制造與制品成型同時完成

一般情況下,復合材料的生產過程,也就是制品的成型過程。材料的性能必須根 據制品的使用要求進行設計,因此在選擇材料、設計配比、確定纖維鋪層和成型 方法時,都必須滿足制品的物化性能、結構形狀和外觀質量要求等。

(2)制品成型比較簡便

一般熱固性復合材料的樹脂基體,成型前是流動液體,增強材料是柔軟纖維或織 物,因此用這些材料生產復合材料制品,所需工序及設備要比其它 材料簡單的 多,對于某些制品僅需一套模具便能生產。

?成型工藝層壓及卷管成型工藝

1、層壓成型工藝

層壓成型是將預浸膠布按照產品形狀和尺寸進行剪裁、疊加后,放入兩個拋光的 金屬模具之間,加溫加壓成型復合材料制品的生產工藝。 它是復合材料成型工藝 中發展較早、也較成熟的一種成型方法。該工藝主要用于生產電絕緣板和印刷電 路板材?,F在,印刷電路板材已廣泛應用于各類收音機、電視機、電話機和移動 電話機、電腦產品、各類控制電路等所有需要平面集成電路的產品中。

層壓工藝主要用于生產各種規格的復合材料板材,具有機械化、自動化程度高、

產品質量穩定等特點,但一次性投資較大,適用于批量生產,并且只能生產板材, 且規格受到設備的限制。

層壓工藝過程大致包括:預浸膠布制備、膠布裁剪疊合、熱壓、冷卻、脫模、加 工、后處理等工序。

2、卷管成型工藝

卷管成型工是用預浸膠布在卷管機上熱卷成型的一種復合材料制品成型方法,    其

原理是借助卷管機上的熱輾,將膠布軟化,使膠布上的樹脂熔融。在一定的張力 作用下,輾筒在運轉過程中,借助輾筒與芯模之間的摩擦力,將膠布連續卷到芯 管上,直到要求的厚度,然后經冷輾冷卻定型,從卷管機上取下,送入固化爐中 固化。管材固化后,脫去芯模,即得復合材料卷管。

卷管成型按其上布方法的不同而可分為手工上布法和連續機械法兩種。    其基本過

程是:首先清理各輾筒,然后將熱輾加熱到設定溫度,調整好膠布張力。在壓輾 不施加壓力的情況下,將引頭布先在涂有脫模劑的管芯模上筑上約 1圈,然后放 下壓輾,將引頭布貼在熱輾上,同時將膠布拉上,蓋貼在引頭布的加熱部分,與 引頭布相搭接。引頭布的長度約為 800?1200mm,視管徑而定,引頭布與膠布 的搭接長度一般為150?250mm。在卷制厚壁管材時,可在卷制正常運行后,將 芯模的旋轉速度適當加快,在接近設計壁厚時再減慢轉速,至達到設計厚度時, 切斷膠布。然后在保持壓輾壓力的情況下,繼續使芯模旋轉    1?2圈。最后提升

壓輾,測量管坯外徑,合格后,從卷管機上取出,送入固化爐中固化成型。

3、預浸膠布制備工藝

預浸膠布是生產復合材料層壓板材、卷管和布帶纏繞制品的半成品。

(1)原材料

預浸膠布生產所需的主要原材料有增強材料(如玻璃布、石棉布、合成纖維布、 玻璃纖維氈、石棉氈、碳纖維、芳綸纖維、石棉紙、牛皮等)和合成樹脂(如酚 醛樹脂、氨基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅樹脂等)。

(2)預浸膠布的制備工藝

預浸膠布的制備是使用經熱處理或化學處理的玻璃布,經浸膠槽浸漬樹脂膠液, 通過刮膠裝置和牽引裝置控制膠布的樹脂含量,    在一定的溫度下,經過一定時間

的洪烤,使樹脂由A階轉至B階,從而得到所需的預浸膠布。通常將此過程稱 之為玻璃的浸膠。

?成型工藝 樹脂傳遞模塑成型(RTM )

樹脂傳遞模塑成型簡稱 RTM (Resin Transfer Molding) 。 RTM起始于50年代, 是手糊成型工藝改進的一種閉模成型技術, 可以生產出兩面光的制品。在國外屬 于這一工藝范疇的還有樹脂注射工藝 (Resin Injection)和壓力注射工藝(Pressure Infection)。

RTM的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內,用壓力將樹脂膠 液注入模腔,浸透玻纖增強材料,然后固化,脫模成型制品。

從上前的研究水平來看,RTM技術的研究發展方向將包括微機控制注射機組, 增強材料預成型技術,低成本模具,快速樹脂固化體系,工藝穩定性和適應性

RTM成型技術的特點:①可以制造兩面光的制品;②成型效率高,適合于中等 規模的玻璃鋼產品生產(20000件/年以內);③RTM為閉模操作,不污染環境, 不損害工人健康;④增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況鋪放 增強材料;⑤原材料及能源消耗少;⑥建廠投資少,上馬快。

RTM技術適用范圍很廣,目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛生、航空航天 等工業領域。已開發的產品有:汽車殼體及部件、娛樂車構件、螺旋漿、    8.5m

長的風力發電機葉片、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、 電話亭、電線桿、小型游艇等。

(1)RTM工藝及設備

成型工藝RTM全部生產過程分11道工序,各工序的操作人員及工具、設備位 置固定,模具由小車運送,依次經過每一道工序,實現流水作業。模具在流水線 上的循環時間,基本上反映了制品的生產周期,小型制品一般只需十幾分鐘,大 型制品的生產周期可以控制在1h以內完成。

成型設備

RTM成型設備主要是樹脂壓注機和模具。

①樹脂壓注機

樹脂壓注機由樹脂泵、注射槍組成。樹脂泵是一組活塞式往復泵,最上端是一個 空氣動力泵。當壓縮空氣驅動空氣泵活塞上下運動時,樹脂泵將桶中樹脂經過流 量控制器、過濾器定量地抽入樹脂貯存器,側向杠桿使催化劑泵運動,將催化劑 定量地抽至貯存器。壓縮空氣充入兩個貯存器,產生與泵壓力相反的緩沖力,保 證樹脂和催化劑能穩定的流向注射槍頭。 注射槍口后有一個靜態紊流混合器,可 使樹脂和催化劑在無氣狀態下混合均勻, 然后經槍口注入模具,混合器后面設計 有清洗劑入口,它與一個有0.28MPa壓力的溶劑罐相聯,當機器使用完后,打開 開關,溶劑自動噴出,將注射槍清洗干凈。

②模具

RTM模具分玻璃鋼模、玻璃鋼表面鍍金屬模和金屬模 3種。玻璃鋼模具容易制 造,價格較低,聚酯玻璃鋼模具可使用2000次,環氧玻璃鋼模具可使用4000次。

表面鍍金屬的玻璃鋼模具可使用10000次以上。金屬模具在RTM工藝中很少使 用,一般來講,RTM的模具費僅為SMC的2%?16%。

(2)RTM原材料

RTM用的原材料有樹脂體系、增強材料和填料。

樹脂體系:RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂。

增強材料:一般RTM的增強材料主要是玻璃纖維,其含量為 25%?45% (重量 比);常用的增強材料有玻璃纖維連續氈、復合氈及軸向布。

填料:填料對RTM工藝很重要,它不僅能降低成本,改善性能,而且能在樹脂 固化放熱階段吸收熱量。常用的填料有氫氧化鋁、玻璃微珠、碳酸鈣、云母等。

?成型工藝

袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法成型

袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法統稱為低壓成型工藝。其成型過程 是用手工鋪疊方式,將增強材料和樹脂(含預浸材料)按設計方向和順序逐層鋪 放到模具上,達到規定厚度后,經加壓、加熱、固化、脫模、修整而獲得制品。

四種方法與手糊成型工藝的區別僅在于加壓固化這道工序。    因此,它們只是手糊

成型工藝的改進,是為了提高制品的密實度和層間粘接強度。

以高強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維和環氧樹脂為原材料,用低壓成 型方法制造的高性能復合材料制品,已廣泛用于飛機、導彈、衛星和航天飛機。 如飛機艙門、整流罩、機載雷達罩,支架、機翼、尾翼、隔板、壁板及隱形飛機

(1)袋壓法

袋壓成型是將手糊成型的未固化制品,通過橡膠袋或其它彈性材料向其施加氣體 或液體壓力,使制品在壓力下密實,固化。

袋壓成型法的優點是:①產品兩面光滑;②能適應聚酯、環氧和酚醛樹脂;③產 品性能比手糊高。

袋壓成型分壓力袋法和真空袋法2種:

①壓力袋法

壓力袋法是將手糊成型未固化的制品放入一橡膠袋,    固定好蓋板,然后通入壓縮

空氣或蒸汽(0.25?0.5MPa),使制品在熱壓條件下固化。

②真空袋法

此法是將手糊成型未固化的制品,加蓋一層橡膠膜,制品處于橡膠膜和模具之間, 密封周邊,抽真空(0.05?0.07MPa),使制品中的氣泡和揮發物排除。真空袋 成型法由于真空壓力較小,故此法僅用于聚酯和環氧復合材料制品的濕法成 型。

(2)熱壓釜和液壓釜法

熱壓釜和液壓釜法都是在金屬容器內,通過壓縮氣體或液體對未固化的手糊制品 加熱、加壓,使其固化成型的一種工藝。

熱壓釜法

熱壓釜是一個臥式金屬壓力容器,未固化的手糊制品,加上密封膠袋,抽真空,

然后連同模具用小車推進熱壓釜內,通入蒸汽(壓力為    1.5?2.5MPa),并抽真

空,對制品加壓、加熱,排出氣泡,使其在熱壓條件下固化。它綜合了壓力袋法 和真空袋法的優點,生產周期短,產品質量高。熱壓釜法能夠生產尺寸較大、形 狀復雜的高質量、高性能復合材料制品。產品尺寸受熱壓釜限制,目前國內最大 的熱壓釜直徑為2.5m,長18m,已開發應用的產品有機翼、尾翼、衛星天線反 射器,導彈載入體、機載夾層結構雷達罩等。此法的最大 缺點是設備投資大,重 量大,結構復雜,費用高等。

液壓釜法

液壓釜是一個密閉的壓力容器,體積比熱壓釜小,直立放置,生產時通入壓力熱 水,對未固化的手糊制品加熱、加壓,使其固化。液壓釜的壓力可達到    2MPa或

更高,溫度為80?100C。用油載體、熱度可達200 C 0此法生產的產品密實, 周期短,液壓釜法的缺點是設備投資較大。

(3)熱膨脹模塑法

熱膨脹模塑法是用于生產空腹、薄壁高性能復合材料制品的一種工藝。 其工作原 理是采用不同膨脹系數的模具材料,利用其受熱體積膨脹不同產生的擠壓力, 對 制品施工。CgAG0mJl9muAVGS2AADqLZR0rM4476.jpg


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