复合材料课程设计.docx
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复合材料课程设计
复合材料成型加工课程设计
姓名
专业
学号
指导教师
二○一四年十二月
《复合材料成型加工》课程设计任务书
一、课程设计的目的
复合材料成型加工课程设计是材料学教学计划的组成部分，是在完成课堂学习、生产实习和其它相关专业课程学习之后进行的，是对本课程的综合知识掌握情况的一次全面检验。
通过课程设计，可以进一步培养学生综合应用所学知识的能力，使学生能熟悉复合材料工艺设计、生产工艺流程图制定、合理选择制材设备的方法，加强自学能力，为今后从事相关工作打下坚实基础。
二、设计任务和设计依据
设计任务：
日产量1500件树脂基复合材料注塑工艺设计
设计依据：
1.每天工作班制：
三班，8小时/班。
2.每件样品不超过500g，一模一件。
3.原料自选。
三、设计要求
1、查阅文献资料，了解注塑机结构及操作规程，按照设计要求合理选用设备，设置生产参数；
2、根据生产任务，制作典型生产工艺流程。
聚乙烯/碳纤维复合材料注射成型工艺设计
一、设计背景以及国内外发展现状
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。
纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。
目前常用的有：
热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。
热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。
热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。
复合材料的树脂基体，以热固性树脂为主。
早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。
60年代美国在F—4、F—111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。
在导弹制造方面，50年代后期美国中程潜地导弹“北极星A—2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%；后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A—3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A—3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。
70年代后采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。
碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到越来越广泛的应用。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。
良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外。
多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。
碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。
由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。
[11] 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。
聚乙烯/碳纤维复合材料是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等热塑性塑料为原料，热塑性塑料可采用新塑料或工业、生活废弃的各种塑料，而碳纤维可采用因此木塑复合材料的研制和广泛应用有助于减缓塑料废弃物的公害污染，也有助于减少农业废弃物焚烧给环境带来的压力。
木塑复合材料的生产和使用不会向周围环境散发危害人类健康的挥发物，材料本身还可以回收进行二次利用，因此它是一种全新的绿色环保复合材料。
二、聚乙烯/碳纤维复合材料配方（生产原料）
2.1原材料的选择
2.1.1聚乙烯树脂
作为聚乙烯/碳纤维复合材料挤出发泡的原料，选择分子质量适当的聚乙烯非常重要，因为分子质量影响聚合物的流变性，从而对气泡的生长影响很大。
分子质量过低，熔体强度较差，熔体对发泡气体逃逸的阻碍能力差，很难得到泡孔均匀细密的泡沫塑料；若分子量过高，熔体的拉伸强度很大，抑制泡孑L的生长，致使发泡不充分，也难以得到高发泡率的泡沫塑料。
故选择K值为57～60的聚乙烯较为合适。
2.1.2碳纤维
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得，应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。
主要通过纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程制得。
2.1.3固化剂
固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。
树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。
固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。
固化剂的品种对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响。
固化剂的品种对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响，例如芳香多胺、咪唑、酸酐等固化剂固化环氧树脂的耐热性高于脂肪族多胺、低分子聚酰胺固化剂；芳香族酸酐固化环氧树脂的耐水性优于芳香二胺和脂肪族多胺固化剂；三亚乙基四胺固化剂耐碱性好，但耐酸性和耐甲醛溶液性较差。
脂环族多胺（如异佛尔酮二胺）固化环氧树脂的耐药品性优良。
酸酐固化剂固化环氧树脂的耐碱性优于耐酸性。
应根据不同的用途和性能要求选择适当的固化剂。
对光泽来说，芳香族最好，脂肪族最差。
此性质受固化温度的影响，随温度升高，光泽变好。
至于柔软性，官能基间距离长的聚酰胺更优良一些，而交联密度高的芳香胺则差。
耐热性与柔软性正好相反，而粘接性则与柔软性一致。
耐药品性（耐酸性）受化学结构影响，芳香族比较优良，脂肪胺和聚酰胺则易受化学药品腐蚀。
耐水性受官能基质量浓度的支配，官能基质量浓度低、疏水度高的聚酰胺类更耐水，而官能基质量浓度高的芳香族则差一些。
2.1.4阻聚剂
为了避免烯类单体在贮藏、运输等过程中发生聚合，单体中往往加入少量阻聚剂，在使用前再将它除去。
一般，阻聚剂为固体物质，挥发性小，在蒸馏单体时即可将它除去。
常用的阻聚剂对苯二酚能与氢氧化钠反应生成可溶于水的钠盐,所以可用5%～10%的氢氧化钠溶液洗涤除去。
氯化亚铜和三氯化铁等无机阻聚剂也可用碱洗除去。
阻聚剂分子与链自由基反应，形成非自由基物质或不能引发的低活性自由基，从而使聚合终止。
2.1.5脱模剂
脱模剂（molddischargingagent）是一种介于模具和成品之间的功能性物质。
脱模剂有耐化学性，在与不同树脂的化学成份（特别是苯乙烯和胺类）接触时不被溶解。
脱模剂还具有耐热及应力性能，不易分解或磨损；脱模剂粘合到模具上而不转移到被加工的制件上，不妨碍喷漆或其他二次加工操作。
由于注塑、挤出、压延、模压、层压等工艺的迅速发展，脱模剂的用量也大幅度地提高按脱模剂的化学成分可分为三类：
无机物、有机物和高聚物。
①无机物脱模剂如滑石粉、云母粉以及陶土、白黏土等为主要成分配制的复合物。
②有机物脱模剂如脂肪酸皂（钾皂、钠皂、铵皂等）、脂肪酸、石蜡、甘油及凡士林等。
③高聚物脱模剂如硅油、硅酯、聚乙二醇、低分子聚乙烯等。
其脱模效果和热稳定性比有机脱模剂好得多。
硅油、硅酯是最主要的脱模剂。
2.2工艺流程图
。
2.3具体生产原料及配方
实验原料
用量/phr
备注
聚乙烯树脂
100
SG一8型
碳纤维
45
EVA-g-MAH/POE-g-MAH
9
接枝率0.8%
CaCo3
15
纳米级
复合稳定剂
4.5
SP-01型
改性剂
10
固化剂
3
阻聚剂
0.3
脱模剂
0.5
因每件样品质量不超过500g，故按照生产配方，取聚乙烯树脂200g，碳纤维90g,碳酸钙30g,其它原料依次类推。
此样品质量ｍ=（200+90+18+30+9+20+6+0.6+1）g=374.6g
该课程设计过程中主要实验仪器和设备，如图：
实验设备
型号
用途
高速混合机
SHR-10A
物料预混，分散
单螺杆造粒挤出机
SJ180X25
挤出造粒，以便注塑
注射成型机
HTF200J/TJ
注射成型
干燥箱
101-5型
烘干聚乙烯树脂等
2.4单螺杆挤出造粒机
本次课程设计采用的是SJSH-57C型双螺杆挤出造粒机，主要技术参数，挤出造粒时各段机筒温度，母粒效果等，下表。
单螺杆挤出造粒机主要参数
螺杆直径/mm
转速/rpm
长径比/（L/D）
驱动功率/KW
180
25-120
25:
1
90
单螺杆挤出造粒机加热温度
加料段/℃
熔化段/℃
均化段/℃
机头体/℃
口模/℃
140-150
160-170
170-180
180-185
180-185
2.5注塑机结构及操作流程
2.5.1注射成型机的结构
2.5.2注塑机的基本参数
注塑机的性能通常采用一些参数加以表示，其基本参数有注射量、注射压力、注射速度、注射时间、塑化能力、锁模力、移模速度和合模装置基本尺寸等。
这些参数能较好地反映出注塑件的大小、物料种类和品级范围，又是注塑模具设计和注塑机选用的依据。
型号
Unit
YT-300T-G
射出系统
螺杆直径
mm
60
65
70
理论射出容量
Cm
848
848
1154
射出量（PS）
g/0z
788/27.8
788/27.8
1073/37.8
射出率
Cm2/see
288
338
392
射出压力
Kgf/cm2
2022
1723
1486
螺杆转速
rpm
0-200
锁模系统
锁模力
tf
300
开模行程
mm
500
最小模厚
mm
400/450
最大开模距
mm
900/950
模板尺寸
mm
1440*1060
转盘直径
mm
1590
模柱间距
mm
1060*680
顶出行程
mm
150
顶出力量
tf
5.8
其它
最大液压压
Kgf/cm
175
作动油量
l
720
马达电力
kw
37.5（50HP）
电热容量
kw
20
机器外形尺寸
mm
4930*1930*3800
机器总重
kg
13000
要求日产1500件树脂基复合材料样品，8h/班，一天24h，每小时的产量为：
1500件/24h=62.5件/h，则每分钟的产量为：
62.5/60=1.04件。
每件产品的质量是381.6g，本课程设计选用的是HTF200J/TJ—C。
2.5.3碳纤维/聚乙烯复合材料制备工艺路线
碳纤维/聚乙烯复合材料注射成型可采用两步法和一步法两种工艺路线。
两步法即先造粒后成型，其工艺流程如图2-1所示。
将经干燥处理和表面改性的碳纤维与基体树脂置于高速混合机中，经充分搅拌后由单螺杆或双螺杆挤出机挤出造粒，再注射成型。
该方法可提高碳纤维在树脂基体中的分散性，且造粒后加料也较容易，但会使整个工艺过程比较复杂。
一步法（图2-2）即采用表面改性后的碳纤维与树脂经高速混合后直接加料注射，可省去造粒这一工序，但这对设备的要求较高。
具体的操作流程如下：
（1）将碳纤维在恒温110℃的干燥箱中烘干3h，其目的在于除去碳纤维中的水分和易挥发的组分。
（2）将干燥好的碳纤维与聚乙烯以及其他辅料按配比称量好后在高速混合机中混合8-10min，取出后在造粒机中造粒。
（3）将所得的母粒放入恒温的80℃的干燥箱中烘干12h，取出冷
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