張明煜，鄭世勛，張麗琴，康慧

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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復(fù)合材料基體固化成型工藝研究

張明煜，鄭世勛，張麗琴，康慧

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鄭世勛，內(nèi)蒙古科技大學(xué)，礦業(yè)與煤炭學(xué)院，地質(zhì)工程專業(yè)。

張麗琴，內(nèi)蒙古科技大學(xué),礦業(yè)與煤炭學(xué)院，安全工程專業(yè)。

康慧，內(nèi)蒙古科技大學(xué) ，礦業(yè)與煤炭學(xué)院，地質(zhì)工程專業(yè)。

摘要：樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能優(yōu)良、工藝性能良好及具有可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn),一直受到工業(yè)界的重視,各種復(fù)合材料產(chǎn)品被應(yīng)用到各行各業(yè),尤其是在航空航天領(lǐng)域。復(fù)合材料從原材料到形成制品的過程,都需經(jīng)過固化與成型,方法已經(jīng)有幾十種。文中介紹了國內(nèi)外復(fù)合材料主要的基體固化方法、成型工藝和相關(guān)研究;固化方法主要有熱固化、輻射固化與微波固化等,成型工藝主要有模壓成型、滲透成型、纏繞成型與拉擠成型等;同時(shí),對工藝研究與應(yīng)用也進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;基體固化;成型工藝

引言

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,復(fù)合材料固化成型方法已經(jīng)有幾十種,每種工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),有各自的適用范圍,但是它們之間存在著共性,從原材料到形成制品的過程,都需經(jīng)過固化與成型工藝。本文介紹了國內(nèi)外復(fù)合材料主要的固化方法、成型工藝,并對其研究與應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1復(fù)合材料基體固化

高性能復(fù)合材料如碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的固化過程是基體材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程,這個(gè)過程是一個(gè)復(fù)雜的熱、化學(xué)和力學(xué)性能急劇變化的過程,由于熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生,因此復(fù)合材料基體的固化相當(dāng)重要。

1.1傳統(tǒng)的熱固化。復(fù)合材料的固化過程就是將預(yù)制件放入烘箱(或熱壓機(jī)或熱壓罐)中對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行加熱和加壓的過程,是熱固性樹脂與纖維結(jié)合,形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的過程。但是要想得到質(zhì)量好的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,必須選擇最佳的固化工藝參數(shù),工藝參數(shù)主要指溫度、壓力及加壓點(diǎn)、升降溫速率和保溫時(shí)間等。可以利用示差掃描量熱法(DSC)對樹脂在固化過程中的反應(yīng)歷程及其樹脂的流變學(xué)性能黏度變化進(jìn)行分析來加以確定。

1.2輻射固化。輻射源很多,如:α、β—、β+、γ和中子射線。主要的輻射固化(radiation curing)有電子束固化(EB)和紫外線固化(UV)2種。

1.2.1電子束固化。即高能量電子束碰撞目標(biāo)分子,釋放足夠的能量使其產(chǎn)生一系列活潑的粒子,當(dāng)鄰近分子發(fā)生這一過程時(shí),活潑粒子釋放出能量,形成化學(xué)鍵。電子束固化可使聚合物體系性能如模量、強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、耐熱性及抗沖擊、抗蠕變等都會(huì)有一定程度的提高。

1.2.2光固化。運(yùn)用光敏樹脂浸漬纖維增強(qiáng)材料制成柔性預(yù)浸料修理補(bǔ)片,用黏結(jié)的方法貼補(bǔ)到破壞損傷區(qū),在紫外光的照射下迅速固化,從而在短時(shí)間內(nèi)完成結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)。

1.3微波固化。微波是頻率為109～ 1 011 Hz的電磁波,其固化機(jī)理是極性物質(zhì)在外加電磁場的作用下,內(nèi)部介質(zhì)極化產(chǎn)生的極化強(qiáng)度矢量落后于電場一個(gè)角度,導(dǎo)致與電場相同的電流產(chǎn)生,構(gòu)成物質(zhì)內(nèi)部功率耗散,從而將微波能轉(zhuǎn)化為熱能,致使固化體系快速均勻升溫而加速反應(yīng)。

2復(fù)合材料成型工藝

2.1模壓成型工藝。模壓成型的基本過程是將一定量的經(jīng)過預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的壓模內(nèi),施加較高的壓力使模壓料充滿模腔,在預(yù)定的溫度條件下,模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化,然后將制品從壓模中取出,再進(jìn)行必要的輔助加工。模壓成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、制品尺寸準(zhǔn)確、表面光潔,適用于大批量生產(chǎn);結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可以一次成型,無需有損于制品性能的輔助加工(如車、銑、刨、磨、鉗等),制品的外觀及尺寸的重復(fù)性好。

2.2滲透成型技術(shù)。滲透成型技術(shù)包括:樹脂傳遞模塑(RTM)、真空樹脂傳遞模塑(VRTM)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型

(SRTM)、射頻干擾(RFI)和西曼樹脂浸漬模塑工藝(SCRIMP)等。它們的共同特點(diǎn)是:一般情況下可不采用熱壓罐;僅真空壓或低外壓;要求樹脂有低的黏度;制造周期短;不用預(yù)浸料;勞動(dòng)工時(shí)少;輔助材料消耗少;邊角料少,結(jié)構(gòu)整體性高。

2.3纏繞成型工藝。第一個(gè)纖維纏繞技術(shù)專利于1946年在美國注冊,即固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和壓力容器開發(fā)系統(tǒng)研究。此后,發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器、飛機(jī)雷達(dá)罩、導(dǎo)彈頭錐、魚雷發(fā)射管及玻璃鋼制品等都應(yīng)用該項(xiàng)專制。

2.4拉擠成型工藝。復(fù)合材料的拉擠成型工藝是將已浸潤樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶,在牽引結(jié)構(gòu)拉力作用下,通過成型模成型,在模中或在固化爐進(jìn)行固化,連續(xù)引拔出長度不受限制的復(fù)合材料型材。由于在成型過程中需經(jīng)過成型模的擠壓和外牽引拉拔,而且生產(chǎn)過程和制品長度是連續(xù)的,故又稱為拉擠連續(xù)成型工藝[26-27]。拉擠成型工藝具有生產(chǎn)效率高、工藝易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn);而且拉擠制品中纖維按縱向布置,又是在引拔預(yù)張力下成型,因此纖維的單向強(qiáng)度得到了充分的發(fā)揮,制品具有高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

3展望

21世紀(jì)初,國外生產(chǎn)應(yīng)用的復(fù)合材料中90%以上是樹脂基復(fù)合材料,樹脂基復(fù)合材料的自動(dòng)化鋪設(shè)技術(shù)、壓注成型技術(shù)、樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝、柔型樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)、智能擠壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)、纖維自動(dòng)纏繞技術(shù)等將是發(fā)展和應(yīng)用的重要技術(shù)?？梢钥隙?隨著研究的深入和技術(shù)的開發(fā)成熟,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,特別是高壓容器將會(huì)被應(yīng)用到更廣泛的軍事與民用領(lǐng)域。

指導(dǎo)教師：應(yīng)吉日木吐

參考文獻(xiàn):

[1]高峰,李勇,肖軍,等.M46J/BMP-316復(fù)合材料的成型工藝及其性能.纖維復(fù)合材 料,2005(4):3-6.

[2]趙鴻漢.環(huán)氧基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用面面觀.玻璃纖維,2006(1):42-46.

[3]王曉潔,張煒,劉炳禹.高性能碳纖維復(fù)合材料耐壓容器研究進(jìn)展,2003(4):20-23.

中圖分類號(hào):TQ322

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)02-009-01

作者簡介：張明煜，內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，材料成型與控制技術(shù)專業(yè)