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對復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-09-20  來源:復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)  瀏覽次數(shù):124

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,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。

 一、對復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素

        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。

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 三、聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

 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。

表1 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
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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