以大型復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 件為例簡述了復(fù)合材料模壓制品主要工藝參 數(shù)和某些行之有效的工藝“訣竅”;總結(jié)了 復(fù)合材料模壓制品可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題、產(chǎn) 生的原因和預(yù)防措施;并介紹了目前國際復(fù) 合材料模壓制品自動化、連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的 某些新進展;希望對復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量 控制和工業(yè)自動化生產(chǎn)有所啟迪和促進。
復(fù)合材料由于其眾所周知的優(yōu)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(chǎn)者雙方的青睞,越來越多地取代傳統(tǒng)金屬材料,我們的時代已進入 了復(fù)合材料時代。據(jù)美國塑料工業(yè)協(xié)會復(fù)合材料所(Society of the Plastics Industry's Instit ute)1997年元月27日發(fā)表的年度統(tǒng)計報告表明:1996年美國復(fù)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(fù)合材料的銷售量連續(xù)第五年增長。據(jù)預(yù)測,1997年以及以后五年內(nèi)復(fù) 合材料銷售量仍會連續(xù)增長。
聚合物基復(fù)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(shè)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(guī)模的復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)所普遍采用,復(fù)合材料模壓工藝也幾乎為各生 產(chǎn)單位家喻戶曉。因此,本文并不打算對模壓復(fù)合材料制品工藝進行系統(tǒng)介紹,僅就影響復(fù)合材料 制品質(zhì)量的一些重要環(huán)節(jié)談?wù)勼w會,因為就復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)異型件而言,保證質(zhì)量、提高合格率 比一般制件更為重要,難度也更大。
模壓成形工藝的基本過程是將一定量的經(jīng)過一定預(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,然后將制品從壓模內(nèi) 取出,再進行必要的輔助加工即得到最終制品。
從上述過程看,完成最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;最 重要的當是壓制工藝,本文將單列一節(jié)予以重點講述;還有工作環(huán)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(yīng)使其按預(yù)定比例與樹脂均勻浸 漬。對經(jīng)溶劑稀釋的樹脂溶液,在浸漬纖維后應(yīng)充分晾置使溶劑揮發(fā)。晾置時間與環(huán)境溫度濕度有 關(guān)。
2.壓制模具
制品用的模具除應(yīng)保證在工作壓力下的強度、剛度條件以外,主要應(yīng)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(cè)向加壓的作用。模 具設(shè)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(shù)量。
在模具上應(yīng)開有流膠槽使多余的膠料順利排出。
壓模的成型表面應(yīng)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(yīng)在模具靠近型腔部位開設(shè)測溫孔。
模具本身,必要時考慮設(shè)計一定的附件以保證較方便地實現(xiàn)脫模。
3.壓機
壓機的尺寸和噸位應(yīng)能滿足制品及所選材料、模具結(jié)構(gòu)的要求。
壓機的溫度、壓力最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(yīng)盡量使工件保持水平以避免樹脂向一側(cè)流聚。加熱板在有效工作范圍內(nèi)溫度差控制在±5℃左右。
4.工作場地
工作場地應(yīng)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(shè)備齊全、工作安全可靠。
環(huán)境清潔、整齊。
二、復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝
復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝(以環(huán)氧樹脂基體復(fù)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(nèi)固化成制品的過程。它是溫度、壓力、時間綜合作用的結(jié)果,壓制工藝 條件的選擇及可靠控制是決定制品質(zhì)量的關(guān)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(huán) 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(fù)合材料制品的質(zhì)量,最好對每 一批次樹脂的固化特性進行測定,以確定最佳的壓制工藝。這一工作我們是通過DDA(動態(tài)介電分 析)和DMA(動態(tài)力學性能分析)來完成的。
環(huán)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(jù)制品材料制作的試片所測的DDA曲線,再 根據(jù)制件的厚度和模具結(jié)構(gòu)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(tài)力學性能最好的試片 的溫度、壓力與時間關(guān)系的固化特性確定壓制工藝。圖1、2、3分別為F46+BF3·MEA樹脂體試片的DDA、DMA測試曲線及該體系為基體的結(jié)構(gòu)制 品的固化曲線。由于該復(fù)合材料制品尺寸大、厚度厚、結(jié)構(gòu)復(fù)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(guān)鍵的工序?？紤]產(chǎn)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(chǎn)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(fù)合材料 熱物理性能的差異,為避免鋼模收縮造成復(fù)合材料制品的翹曲變形,在工藝文件中規(guī)定在產(chǎn)品溫度 降至70℃左右時松開模具四周的頂模螺釘,使產(chǎn)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。
影響復(fù)合材料制品質(zhì)量的因素很多,從原材料的選用到預(yù)浸料的制備、貯存,從生產(chǎn)環(huán)境到每道生產(chǎn)工序都會影響最終制品的性能。對熱固性樹脂基復(fù)合材料而言,最終產(chǎn)品一旦發(fā)現(xiàn)重大質(zhì)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(chǎn)周期,質(zhì)量問題造成的損失都將是巨大的。因此,總結(jié)實踐經(jīng)驗找出缺陷產(chǎn)生的原因,制定有效的預(yù)防措施都將是很有意義的。表1列出了聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、產(chǎn)生原因及預(yù)防措施,可供參考。
四、復(fù)合材料模壓制品工藝新進展
據(jù)1997年4月23日至25日在法國巴黎召開的第32屆“歐洲復(fù)合材料”和“先進材料與加工工程科學”大會報導(dǎo),德國凱瑟斯勞騰的復(fù)合材料研究所(Institut fur Verbundwerkstoffe,Kaiserslautern,簡稱IVW)從1993年起研制了一種雙面?zhèn)魉蛪簷C,可以壓制聚合物基復(fù)合材料連續(xù)薄板。該研究所用纖維布和熱塑性樹脂膜作原料,采用連續(xù)等壓工藝制出浸漬質(zhì)量良好的寬度達600mm的預(yù)制板(帶)。壓機的主要工作參數(shù)為:溫度高達410℃,壓力可達到5.5MPa。預(yù)制板在加熱條件下可在不到一分鐘的時間內(nèi)模壓或沖壓成最終制品,形成了預(yù)處理、塑化、模壓和后加工一條龍生產(chǎn)線。
雙面?zhèn)魉蛪簷C可用各種纖維增強各種樹脂制成預(yù)制板,再壓制成各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件,比RTM法、熱壓罐成形法等生產(chǎn)操作簡單,生產(chǎn)周期短,是一種很有前途的工業(yè)復(fù)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(chǎn)汽車內(nèi)外結(jié)構(gòu)件的研究工作。這種夾層材料用13mm的熱塑性發(fā)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,以估算其最大許用變形,采取防止層壓缺陷的措施等。整個產(chǎn)品的模壓至冷卻僅用40秒的時間即可完成。這種汽車結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料汽車在發(fā)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(zhì)的結(jié)構(gòu)功能材料。
總之,近幾年來隨著復(fù)合材料生產(chǎn)自動化和建立在二維與三維織物的先進工藝基礎(chǔ)上的復(fù)合材料半成品材料工業(yè)的發(fā)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(fù)合材料模壓制品工藝發(fā)展很快,產(chǎn)品性能價格比高,環(huán)境污染小,生產(chǎn)率高,已經(jīng)或正在不斷適應(yīng)汽車公交業(yè)、航空航天業(yè)、化工業(yè)、橋梁、通訊等領(lǐng)域工業(yè)化發(fā)展的需要。
| 缺陷 | 產(chǎn)生原因 | 預(yù)防措施 |
|---|---|---|
| 表面無光澤 | 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(jīng)預(yù)吸膠 |
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(yù)吸膠 |
| 外形尺寸不合格 | 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 |
1.修整模具 2.調(diào)整加料量 3.檢驗材料收縮率或更換材料 4.校正加熱板 |
| 翹曲變形 | 1.結(jié)構(gòu)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(fā)物含量太大 6.脫模不正確 |
1.改進制品設(shè)計或成形工藝 2.調(diào)整或嚴格控制固化制度,后處理得當 3.檢查并調(diào)整加熱器 4.合理選材 5.充分晾置后再裝?；虿捎妙A(yù)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(jié)構(gòu)或夾具進行冷卻 |
| 起泡膨脹 | 1.原材料中水分、揮發(fā)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 |
1.原材料充分晾置或采用預(yù)熱,放氣操作 2.控制環(huán)境溫度、濕度及成形溫度 3.選用合理的固化 |
| 制度裂紋 | 1.制品結(jié)構(gòu)不合理 2.脫模不正確 3.材料中水分、揮發(fā)成分含量大 4.模具結(jié)構(gòu)不合理(如排氣孔、流膠槽等) |
1.改進制品結(jié)構(gòu)設(shè)計或成形工藝 2.改進脫模方法 3.原材料充分晾置,采用預(yù)熱或放氣操作,控制環(huán)境溫度、濕度, 控制成形溫度 4.改進模具結(jié)構(gòu),預(yù)熱金屬嵌件 |
| 孔隙 | 1.纖維粗細不勻 2.水分、揮發(fā)物含量大 3.加壓時機不當 |
1.嚴格篩選纖維 2.原材料充分晾置,采用預(yù)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 |
| 夾雜 | 1.纖維,樹脂或溶劑中含雜質(zhì) 2.排布機不清潔 3.鋪層環(huán)境不清潔 4.預(yù)浸料晾置時未加保護膜 5.隔離紙質(zhì)量差、掉毛 6.操作時不慎,帶進雜質(zhì)或忘記去除預(yù)浸料保護膜 |
1.嚴格檢查原材料,去除雜質(zhì) 2.操作前、后清理排布機 3.工作環(huán)境干凈整潔,操作人員穿好工作服 4.預(yù)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(jīng)培訓(xùn)考核上崗 |
| 分層 | 1.鋪層時未壓實 2.鋪層時預(yù)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(yīng)力集中引起 |
1.鋪層時各層間切實壓實 2.嚴禁將脫模劑或油污粘在預(yù)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(yīng)力集中 |
| 富 樹 脂 | 1.樹脂含量過高 2.模具不平,加熱板不平行 3.未經(jīng)預(yù)吸膠 4.加壓時機不當 |
1.降低樹脂含量調(diào)整排布機縮小纖維間距 2.調(diào)平加熱板及模具 3.盡量預(yù)吸膠 4.選好加壓時機 |
| 貧 樹 脂 | 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 |
1.提高樹脂含量,調(diào)整排布機加大纖維間距 2.調(diào)平加熱板和模具 3.選好加壓點 |
| 夾層結(jié)構(gòu)脫膠 | 1.膠粘劑性能不好 2.脫接工藝執(zhí)行不當 3.膠粘劑與被膠材料不匹配 |
1.選好膠粘劑 2.按技術(shù)要求進行膠接 |
| 疏松 | 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 |
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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