復合材料由于其眾所周知的優異性能及各種工藝的日益成熟、原材料來源豐富、成本下降、可靠性提高,使其受到用戶與生產者雙方的青睞,越來越多地取代傳統金屬材料,我們的時代已進入了復合材料時代。據美國塑料工業協會復合材料所(Society of the Plastics Industry's Instit ute)1997年元月27日發表的年度統計報告表明:1996年美國復合材料的銷售量為161萬噸,比1995年的158.5萬噸增長約1.6%,是復合材料的銷售量連續第五年增長。據預測,1997年以及以后五年內復合材料銷售量仍會連續增長。
聚合物基復合材料模壓成形工藝在各種成形工藝方法中占有重要地位,主要用于異型制品的成形,因而所用的成形壓力高于其它工藝方法。
由于模壓成形工藝所需設備簡單,又能對纖維料、碎布、氈料、層壓制品、纏繞制品、編織物進行模壓成形,因而被各種規模的復合材料生產企業所普遍采用,復合材料模壓工藝也幾乎為各生產單位家喻戶曉。因此,本文并不打算對模壓復合材料制品工藝進行系統介紹,僅就影響復合材料制品質量的一些重要環節談談體會,因為就復合材料復雜結構異型件而言,保證質量、提高合格率比一般制件更為重要,難度也更大。
一、對復合材料模壓制品質量產生影響的因素
模壓成形工藝的基本過程是將一定量的經過一定預處理的模壓料放入預熱的壓模內,施加較高的壓力使模壓料充滿模腔。在預定的溫度條件下,模壓料在模腔內逐漸固化,然后將制品從壓模內取出,再進行必要的輔助加工即得到終制品。
從上述過程看,完成終制品涉及的因素有模壓料本身、壓模模具、加壓加溫的熱壓機等;重要的當是壓制工藝,本文將單列一節予以重點講述;還有工作環境和輔助加工等。
1.模壓料
任何形式的模壓料(碎布料、氈料、長、短纖維),在裝模前均應使其按預定比例與樹脂均勻浸漬。對經溶劑稀釋的樹脂溶液,在浸漬纖維后應充分晾置使溶劑揮發。晾置時間與環境溫度濕度有關。
2.壓制模具
制品用的模具除應保證在工作壓力下的強度、剛度條件以外,主要應考慮能給制品的各部位、各方向較均勻地加上壓力。一定的拔模斜度既能保證制品順利出模,又能起到側向加壓的作用。模具設計盡量使制品整體成形,既可保證制品的強度、剛度,又可減少輔助加工工序和工裝模具數量。
在模具上應開有流膠槽使多余的膠料順利排出。
壓模的成型表面應至少進行拋光或鍍鉻,使光潔度在Δ9以上,以保證順利脫模。
應在模具靠近型腔部位開設測溫孔。
模具本身,必要時考慮設計一定的附件以保證較方便地實現脫模。
3.壓機
壓機的尺寸和噸位應能滿足制品及所選材料、模具結構的要求。
壓機的溫度、壓力好能有手控和自動控制兩種模式。
壓機的工作臺或上下加熱板應盡量使工件保持水平以避免樹脂向一側流聚。加熱板在有效工作范圍內溫度差控制在±5℃左右。
4.工作場地
工作場地應光線充足、通風良好,溫度、濕度滿足要求,吊升降叉車、真空泵、壓縮機、工作臺等配套設備齊全、工作安全可靠。
環境清潔、整齊。
二、復合材料模壓制品的壓制工藝
復合材料模壓制品的壓制工藝(以環氧樹脂基體復合材料為例)是指模壓料裝模后在固化劑存在或加熱的條件下在模腔內固化成制品的過程。它是溫度、壓力、時間綜合作用的結果,壓制工藝條件的選擇及可靠控制是決定制品質量的關鍵。
雖然原則上講某一種牌號的樹脂有一定的固化特性,但由于同牌號樹脂的分子量、軟化點,環氧值等都有一定的變化范圍,因而固化特性也會有所差異。為保證復合材料制品的質量,好對每一批次樹脂的固化特性進行測定,以確定佳的壓制工藝。這一工作我們是通過DDA(動態介電分析)和DMA(動態力學性能分析)來完成的。
環氧樹脂的固化過程從DDA曲線來看可分為軟化流動、凝膠、固化、熟化(后固化)四個階段。如將后兩個階段合并為固化階段也可視為三個階段。根據制品材料制作的試片所測的DDA曲線,再根據制件的厚度和模具結構情況,確定在一定的加熱速度下每個階段所需保溫時間和加壓時機。在對不同加熱速率、不同保溫時間和加壓時機的試片進行DMA測試后,選擇動態力學性能好的試片的溫度、壓力與時間關系的固化特性確定壓制工藝。圖1、2、3分別為F46+BF3·MEA樹脂體系試片的DDA、DMA測試曲線及該體系為基體的結構制品的固化曲線。由于該復合材料制品尺寸大、厚度厚、結構復雜,為保證接頭部位的強度和剛度又采用了難度很大的整體成形工藝,因而固化壓制工序成了特別關鍵的工序。考慮產品大而厚的因素及壓機中心位置與邊緣溫度的差異,為保證整個產品均勻固化,我們在80℃的軟化流動峰前增加了在 (45±5)℃時0.5小時的低溫保溫過程。另外,在固化后的自然降溫階段,考慮到鋼模與碳復合材料熱物理性能的差異,為避免鋼模收縮造成復合材料制品的翹曲變形,在工藝文件中規定在產品溫度降至70℃左右時松開模具四周的頂模螺釘,使產品自由降至室溫再卸模。在上述壓制工藝條件下壓制的制品合格率達到90%以上。
三、聚合物基復合材料模壓制品的缺陷、產生的原因及預防措施
影響復合材料制品質量的因素很多,從原材料的選用到預浸料的制備、貯存,從生產環境到每道生產工序都會影響終制品的性能。對熱固性樹脂基復合材料而言,終產品一旦發現重大質量問題則很難挽救。特別是整體成形的較大制品,無論從當前原材料仍然昂貴的價格,還是從制品的生產周期,質量問題造成的損失都將是巨大的。因此,總結實踐經驗找出缺陷產生的原因,制定有效的預防措施都將是很有意義的。表1列出了聚合物基復合材料模壓制品的缺陷、產生原因及預防措施,可供參考。
四、復合材料模壓制品工藝新進展
據1997年4月23日至25日在法國巴黎召開的第32屆“歐洲復合材料”和“先進材料與加工工程科學”大會報導,德國凱瑟斯勞騰的復合材料研究所(Institut fur Verbundwerkstoffe,Kaiserslautern,簡稱IVW)從1993年起研制了一種雙面傳送壓機,可以壓制聚合物基復合材料連續薄板。該研究所用纖維布和熱塑性樹脂膜作原料,采用連續等壓工藝制出浸漬質量良好的寬度達600mm的預制板(帶)。壓機的主要工作參數為:溫度高達410℃,壓力可達到5.5MPa。預制板在加熱條件下可在不到一分鐘的時間內模壓或沖壓成終制品,形成了預處理、塑化、模壓和后加工一條龍生產線。
雙面傳送壓機可用各種纖維增強各種樹脂制成預制板,再壓制成各種形狀復雜的結構件,比RTM法、熱壓罐成形法等生產操作簡單,生產周期短,是一種很有前途的工業復合材料制品模壓工藝。
由德國、意大利、西班牙、瑞典幾家公司合作,在歐共體的支持下還完成了用夾層板生產汽車內外結構件的研究工作。這種夾層材料用13mm的熱塑性發泡材料做骨架,用10層玻璃纖維浸漬聚酰胺樹脂,再上壓機壓成纖維體積含量為50%的2mm厚的板作為蒙皮。壓制前用計算機模擬三維夾層板模壓工藝過程,以估算其大許用變形,采取防止層壓缺陷的措施等。整個產品的模壓至冷卻僅用40秒的時間即可完成。這種汽車結構板抗壓能力強,骨架與蒙皮共固化,界面粘接良好,無需輔助粘接工藝。這種結構材料汽車在發生撞擊時可吸收能量,減輕車禍,增加乘客安全,是一種高強度、高剛度、輕質的結構功能材料。
總之,近幾年來隨著復合材料生產自動化和建立在二維與三維織物的先進工藝基礎上的復合材料半成品材料工業的發展,以長或短纖維為增強材料,以熱塑性、熱固性樹脂為基體材料的各類復合材料模壓制品工藝發展很快,產品性能價格比高,環境污染小,生產率高,已經或正在不斷適應汽車公交業、航空航天業、化工業、橋梁、通訊等領域工業化發展的需要。
參考文獻(略)
表1 聚合物基復合材料模壓制品的缺陷、產生原因及預防措施
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缺陷
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產生原因
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預防措施
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表面無光澤
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1.脫模劑涂刷不當,脫模布不平或漏洞造成粘膜
2.模溫過高或過低
3.模具型腔表面粗糙
4.未經預吸膠
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1.選用合適的脫模劑,嚴格脫模劑使用工藝,正確使用脫模布
2.控制好模溫
3.提高模具型腔表面光潔度
4.盡量采用預吸膠
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外形尺寸不合格
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1.模具尺寸超差
2.加料量不準
3.材料收縮率不合格
5.壓機加熱板不平行
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1.修整模具
2.調整加料量
3.檢驗材料收縮率或更換材料
4.校正加熱板
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翹曲變形
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1.結構厚薄懸殊
2.固化不完全
3.成形溫度不均
4.選材不當
5.成形材料中水分、揮發物含量太大
6.脫模不正確
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1.改進制品設計或成形工藝
2.調整或嚴格控制固化制度,后處理得當
3.檢查并調整加熱器
4.合理選材
5.充分晾置后再裝?；虿捎妙A熱放氣操作
6.改進脫模方法程序或脫模工裝
7.采用壓模結構或夾具進行冷卻
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起泡膨脹
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1.原材料中水分、揮發物含量大
2.成形溫度過高或過低
3.成形壓力小
4.加壓時間短
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1.原材料充分晾置或采用預熱,放氣操作
2.控制環境溫度、濕度及成形溫度
3.選用合理的固化
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制度裂紋
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1.制品結構不合理
2.脫模不正確
3.材料中水分、揮發成分含量大
4.模具結構不合理(如排氣孔、流膠槽等)
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1.改進制品結構設計或成形工藝
2.改進脫模方法
3.原材料充分晾置,采用預熱或放氣操作,控制環境溫度、濕度,
控制成形溫度
4.改進模具結構,預熱金屬嵌件
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孔隙
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1.纖維粗細不勻
2.水分、揮發物含量大
3.加壓時機不當
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1.嚴格篩選纖維
2.原材料充分晾置,采用預熱,放氣操作
3.鋪層時壓實
4.保持固化前真空度
5.適時加壓,不要過早,過遲
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夾雜
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1.纖維,樹脂或溶劑中含雜質
2.排布機不清潔
3.鋪層環境不清潔
4.預浸料晾置時未加保護膜
5.隔離紙質量差、掉毛
6.操作時不慎,帶進雜質或忘記去除預浸料保護膜
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1.嚴格檢查原材料,去除雜質
2.操作前、后清理排布機
3.工作環境干凈整潔,操作人員穿好工作服
4.預浸料晾置加蓋保護膜防止灰塵
5.選用合格隔離紙
6.操作人員經培訓考核上崗
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分層
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1.鋪層時未壓實
2.鋪層時預浸料上粘有脫模劑或油污
3.脫模不當
4.壓力不夠
5.膠、鉚接應力集中引起
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1.鋪層時各層間切實壓實
2.嚴禁將脫模劑或油污粘在預浸料上,操作人員帶手套
3.正確脫模,不許亂撬、亂鏟
4.適當加大壓力
5.盡量避免膠鉚接時的應力集中
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富 樹 脂
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1.樹脂含量過高
2.模具不平,加熱板不平行
3.未經預吸膠
4.加壓時機不當
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1.降低樹脂含量調整排布機縮小纖維間距
2.調平加熱板及模具
3.盡量預吸膠
4.選好加壓時機
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貧 樹 脂
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1.樹脂含量過低
2.模具不平,加熱板不平行
3.加壓過早樹脂流失過多
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1.提高樹脂含量,調整排布機加大纖維間距
2.調平加熱板和模具
3.選好加壓點
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夾層結構脫膠
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1.膠粘劑性能不好
2.脫接工藝執行不當
3.膠粘劑與被膠材料不匹配
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1.選好膠粘劑
2.按技術要求進行膠接
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疏松
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1.鋪層未壓實
2.加料量不足或裝料不勻
3.加壓過早或太遲
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1.鋪層時用壓板均勻壓實
2.均勻加足料量
3.適時加壓
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原創 小輕
