玻璃纤维复合材料构件的模具要求与制作流程.docx

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玻璃纤维复合材料构件的模具要求与制作流程

玻璃纤维复合材料构件的模具要求与制作流程

1.模具

设计模具时，必须综合考虑以下要求：

①满足产品设计的精度要求，模具尺寸精确、表面光滑；②要有足够的强度和刚度；③脱模方便；④有足够的热稳定性；⑤重量轻、材料来源充分及造价低。

模具材料应满足以下要求：

①能够满足制品的尺寸精度，外观质量及使用寿命要求；②模具材料要有足够的强度和刚度，保证模具在使用过程中不易变形和损坏；③不受树脂侵蚀，不影响树脂固化；④耐热性好，制品固化和加热固化时，模具不变形；⑤容易制造，容易脱模；⑥昼减轻模具重量，方便生产；⑦价格便宜，材料容易获得。

脱模剂基本要求：

①不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘接力小于0.01MPa；②成膜时间短，厚度均匀，表面光滑；③使用安全，无毒害作用；④耐热、能以受加热固化的温度作用；⑤操作方便，价格便宜。

2.手糊成型

（1）原材料

增强材料

手糊成型对增强材料的要求：

①增强材料易于被树脂浸透；②有足够的形变性，能满足制品复杂形状的成型要求；③气泡容易扣除；④能够满足制品使用条件的物理和化学性能要求；⑤价格合理（尽可能便宜），来源丰富。

用于接触成型的增强材料有玻璃纤维及其织物，碳纤维及其织物，芳纶纤维及其织物等。

其中常用的玻璃纤维增强材料有以下几种：

无捻粗纱、无捻粗纱布、加捻布、短切玻璃纤维毡、玻璃纤维织物。

基体材料

手糊成型工艺对基体材料的要求：

①在手糊条件下易浸透纤维增强材料，易排除气泡，与纤维粘接力强；②在室温条件下能凝胶，固化，而且要求收缩小，挥发物少；③粘度适宜：

一般为0.2～0.5Pa·s，不能产生流胶现象；④无毒或低毒；⑤价格合理，来源有保证。

在手糊成型技术中，最常用的是不饱和聚酯树脂，其次是环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂，乙烯基树脂等也有少数应用。

辅助材料

接触成型工艺中的辅助材料，主要是指填料和色料两类，而固化剂、稀释剂、增韧剂等，归属于树脂基体体系。

（2）工艺流程

生产准备

场地：

手糊成型工作场地的大小，要根据产品大小和日产量决定，场地要求清洁、干燥、通风良好，空气温度应保持在15～35℃之间，后加工整修段，要设有抽风除尘和喷水装置。

模具准备：

准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。

树脂胶液配制：

配制时，要注意两个问题：

①防止胶液中混入气泡；②配胶量不能过多，每次配量要保证在树脂凝胶前用完。

增强材料准备：

增强材料的种类和规格按设计要求选择。

糊制与固化

铺层糊制：

手工铺层糊制分湿法和干法两种：

①干法铺层用预浸布为原料，先将预学好料（布）按样板裁剪成坏料，铺层时加热软化，然后再一层一层地紧贴在模具上，并注意排除层间气泡，使密实。

此法多用于热压罐和袋压成型。

②湿法铺层直接在模具上将增强材料浸胶，一层一层地紧贴在模具上，扣除气泡，使之密实。

一般手糊工艺多用此法铺层。

湿法铺层又分为胶衣层糊制和结构层糊制。

固化：

制品固化分硬化和熟化两个阶段：

从凝胶到三角化一般要24h，此时固化度达50%～70%（巴柯尔硬性度为15），可以脱模，脱后在自然环境条件下固化1～2周才能使制品具有力学强度，称熟化，其固化度达85%以上。

加热可促进熟化过程，对聚酯玻璃钢，80℃加热3h，对环氧玻璃钢，后固化温度可控制在150℃以内。

加热固化方法很多，中小型制品可在固化炉内加热固化，大型制品可采用模内加热或红外线加热。

脱模和修整

脱模：

脱模要保证制品不受损伤。

脱模方法有如下几种：

①顶出脱模在模具上预埋顶出装置，脱模时转动螺杆，将制品顶出。

②压力脱模模具上留有压缩空气或水入口，脱模时将压缩空气或水（0.2MPa）压入模具和制品之间，同时用木锤和橡胶锤敲打，使制品和模具分离。

③大型制品（如船）脱模可借助千斤顶、吊车和硬木楔等工具。

④复杂制品可采用手工脱模方法先在模具上糊制二三层玻璃钢，待其固化后从模具上剥离，然后再放在模具上继续糊制到设计厚度，固化后很容易从模具上脱下来。

修整：

修整分两种：

一种是尺寸修整，另一种缺陷修补。

①尺寸修整成型后的制品，按设计尺寸切去超出多余部分；②缺陷修补包括穿孔修补，气泡、裂缝修补，破孔补强等。

3.喷射成型

（1）分类

喷射成型机按喷射方式分类，可分为:

（1）高压型:

①用泵把树脂送入喷枪，借泵压进行喷射;②用空压机将树脂罐和固化剂罐加压，在该压力下，将树脂和固化剂压入喷枪进行喷射。

（2）气动型:

树脂、固化剂或它们的混合物借压缩空气喷出的力与空气雾化、喷出。

按混合形式分类，可分为:

（1内部混合型:

在喷枪内部混入引发剂后进行喷射。

（2）外部混合型:

分别含有促进剂和引发剂的树脂由喷枪喷出呈雾状相互混合，有单独喷射引发剂和喷射含引发剂树脂的两种类型。

（3）已混合型:

事先调配好含促进剂和引发剂的树脂，由喷枪喷出。

（2）工艺流程

在喷射成型开始以前，应该先检查树脂的凝胶时间，测定方法是将少量的树脂喷入小罐中，测定其凝胶时间;还必须检查树脂对玻璃纤维的比例，一般树脂对玻璃纤维的比例在2.5比1到3.5比1之间。

待胶衣树脂凝胶后{发软而不粘手），就可以开始喷射成型操作。

如果没有胶衣树脂，应先在模具上喷一层树脂。

然后开动切割器，开始喷射树脂和纤维的混合物。

第一层应该喷射得薄一些（约1mm厚），并且仔细滚压，首先用短的马海毛滚，然后用螺旋滚.以确保树脂和固化剂混合均匀以及玻璃纤维被完全浸润。

仔细操作，确保在这一层中没有气泡，而且这一层必须完全润湿胶衣树脂，待这一层凝胶后再喷下一层。

接下来的每一层约喷射2mm厚，如果太厚，则气泡难以除去，制品质量不能保证。

每喷射一层都要仔细滚压除去气泡。

如此重复，直至达到设计厚度。

要获得较高强度的制品，则必须与粗纱布并用，在使用粗纱布时，应先在模具上喷射足够量的树脂，再铺上粗纱布，仔细滚压，这样有利于除去气泡。

对大多数喷射设备，其喷射速率一般是2-10kg/min。

与手糊成型一样，最后一层可以使用表面毡，再涂上外涂层。

固化、修整、后固化及脱模等工序与手糊成型法相同。

4.RTM成型工艺

RTM用树脂体系应满足：

1）粘度低，浸润性好，便于树脂在模腔内顺利均匀地通过并浸渍纤维；

2）固化放热峰低，以100~180℃为宜；

3）活性高，凝胶时间和固化时间短，但在注射时又要有较长的适用期；

4）树脂系统不含溶剂，固化时无低分子物析出，同时又适宜增加填料，尤其是树脂消泡性要好；

5）收缩率低，以保证制品尺寸准确，且所需的树脂应为预促进型。

RTM使用的高性能树脂基体包括：

不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂，环氧树酯，双马来酰亚胺树脂，热塑性树脂。

目前主要为环氧树脂。

RTM成型对增强材料的要求是：

1）增强材料的分布应符合制品结构设计的要求，要注意方向性；

2）增强材料铺好后其位置和状态应固定，不动不应因合模和注射树脂而动；

3）对树脂的浸润性要好；

4）利于树脂的流动并能经受树脂的冲击。

RTM成型工艺的原理

复合材料树脂传递模塑（ResinTransferMolding，RTM）法是从湿法铺层和注塑工艺中演变而来的一种新的复合材料成型工艺[6]。

所谓树脂传递模塑，一般是指在闭合模腔中预先铺覆好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体（包括螺栓、螺帽、聚氨酯泡沫塑料等嵌件），夹紧后，从置于适当位置的注入孔在一定温度及压力下将配好的树脂注入模具中，在室温或升温条件使之与增强材料一起固化，最后启模、脱模而得到成型制品。

图1为RTM成型工艺示意图。

图1RTM成型工艺示意图

RTM工艺通常包括以下四个步骤：

一、从卷材上裁剪增强材料并铺叠在一起；二、使增强材料具有一定的形状、按照制品的形状修剪预成型体；三、充模（包括预成型体的铺放，树脂的注射以及固化）；四、脱模及加工。

5.缠绕成型

（1）分类

根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。

干法缠绕干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。

由于预浸纱（或带）是专业生产，能严格控制树脂含量（精确到2%以内）和预浸纱质量。

因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。

干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。

其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。

湿法缠绕湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。

湿法缠绕的优点为：

①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）。

湿法缠绕的缺点为：

①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。

半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。

（2）原材料

增强材料缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：

如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。

树脂基体树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。

缠绕制品的耐热性，耐化学腐蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能，同时对工艺性、力学性能也有很大影响。

缠绕成型常用树脂主要是不饱和聚酯树脂，也有时用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂等。

对于一般民用制品如管、罐等，多采用不饱和聚酯树脂。

对力学性能的压缩强度和层间剪切强度要求高的缠绕制品，则可选用环氧树脂。

航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿性能好的双马来酰亚胺树脂。

填料填料种类很多，加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。

在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。

在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，借以提高产品的刚性和降低成本。

为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。

（3）芯模

成型中空制品的内模称芯模。

一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。

芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。

芯模材料缠绕成型芯模材料分两类：

熔、溶性材料和组装式材料。

熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用。

组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。

另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。

（4）缠绕机

缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：

①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低。

缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。

为了消除绕丝嘴反向运动时纤维松线，保持张力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确，实现小缠绕角（0°～15°）缠绕，在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给（伸臂）机构。

为防止绕丝嘴反向运动时纱带转拧，伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构。

（5）缠绕成型工艺：

缠绕的工艺过程一般包括芯模和内衬的制造、树脂胶液的配制、纤维热处理和烘干、浸胶、胶纱烘干、在一定张力下进行缠绕、固化、检验、加工成制品等工序。

影响缠绕制品性能的主要工艺参数有纤维的浸胶、胶液含量及分布、胶纱烘干、缠绕张力、纱片缠绕位置、固化制度、缠绕速度、环境温度等，这些因素多半紧密地联系在一起。

合理的选择工艺参数是充分发挥原料的特性、制造高质量的缠绕制品的重要环节。

纤维浸胶：

含胶量高低直接关系到制品的重量和厚度。

含胶量过高，制品的强度降低，成型和固化时流胶严重；含胶量过低，制品孔隙率增加，气密性、耐老化性、剪切强度均下降。

缠绕张力：

张力的大小、各纤维束之间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性，对制品的质量影响极大、合适的缠绕张力可以使树脂产生预应力，从而提高树脂抵抗开裂的能力。

各纤维束之间如果张力不匀，当承受载荷时，纤维会被各个击破，使总体强度的发挥大受影响。

为使制品各缠绕层在张力作用下不出现内松外紧现象，应使缠绕张力有规律的递减，以保证各层都有相同的初始应力。

缠绕张力将直接影响制品的密实程度和空隙率，且对纤维浸渍质量和制品的含胶量影响很大。

缠绕速度：

缠绕速度是指纱线速度应控制在一定的范围之内。

速度过小则生产效率低，速度过快则树脂容易溅洒、胶液浸不透或杂质易吸入。

固化制度：

固化制度是指保证树脂充分固化的重要条件，直接影响制品的物理力学性能。

固化制度包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及时间、降温冷却等。

要根据制品的不同性能要求采用不同的固化制度，且不同的树脂系统，固化制度也不相同，一般都要根据树脂的配方、制品性能要求以及制品的形状、尺寸及构造情况，通过实验来确定合理的固化制度。

6.挤压成型

拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。

这种工艺最适于生产各种断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。

拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：

①生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；②拉挤成型制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；③制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；④生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原料，省能耗；⑤制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。

拉挤成型工艺的缺点是产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。

（1）拉挤工艺用原材料

树脂基体在拉挤工艺中，应用最多的是不饱和聚酯树脂，约占本工艺树脂用量的90以上，另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙烯酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等。

增强材料拉挤工艺用的增强材料，主要是玻璃纤维及其制品，如无捻粗纱、连续纤维毡等。

为了满足制品的特殊性能要求，可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。

不论是哪种纤维，用于拉挤工艺时，其表面都必须经过处理，使之与树脂基体能很好的粘接。

辅助材料拉挤工艺的辅助材料主要有脱模剂和填料。

（2）拉挤成型模具

模具是拉挤成型技术的重要工具，一般由预成型模和成型模两部分组成。

①预成型模具在拉挤成型过程中，增强材料浸渍树脂后（或被浸渍的同时），在进入成型模具前，必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具，预成型模的作用是将浸胶后的增强材料，按照型材断面配置形式，逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体，然后进入成型模，这样可以保证制品断面含纱量均匀。

②成型模具成型模具横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于或等于10，以保证模具有足够的强度和刚度，加热后热量分布均匀和稳定。

拉挤模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定，以保证制品拉出时达到脱模固化程度。

一般采用钢镀铬，模腔表面要求光洁，耐磨，借以减少拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具的使用寿命。

（3）拉挤成型工艺

拉挤成型工艺过程是由送纱、浸胶、预成型、固化定型、牵引、切断等工序组成。

无捻粗纱从纱架引出后，经过排纱器进入浸胶槽浸透树脂胶液，然后进入预成型模，将多余树脂和气泡排出，再进入成型模凝胶、固化。

固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出，最后由切断机定长切断。

在成型过程中，每道工序都可以有不同方法：

如送纱工序，可以增加连续纤维毡，环向缠绕纱或用三向织物以提高制品横向强度；牵引工序可以是履带式牵引机，也可以用机械手；固化方式可以是模内固化，也可以用加热炉固化；加热方式可以是高频电加热，也可以用熔融金属（低熔点金属）等。

（4）其它拉挤成型工艺

拉挤成型工艺除立式和卧式机组外，尚有弯曲形制品拉挤成型工艺，反应注射拉挤工艺和含填料的拉挤工艺等。

考虑到所制造产品为复合材料火箭壳体，故优先选择缠绕成型工艺

本阶段任务：

了解玻璃纤维复合材料构件生产工艺

下阶段任务：

模具建模