复合材料制备技术讲义(4)-模压成型实例

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复合材料成型与加工技术 第4章模压制备技术4.1模压制备技术的主要特点半干法或干法成型－采用模压预浸料，工作环境好；金属对模成型，能精确保证模压制品的形状和尺寸要求，且内外表面光滑；加热加压成型，制品结构致密，固化程度高；需要具备高加热、高加压设备－电热板、液压机等；机械化程度中等；为获得高性能模压制品，工艺控制条件较为复杂；适宜成型制品尺寸较小，但形状相对复杂的制品－受设备尺寸所限； 4.2模压成型工艺的分类（按增强材料物态分）（1）纤维料模压－短纤维预浸料（2）织物模压－两向、三向或多向织物预浸料（提高制品层间剪切强度，成本高）；（3）层压模压－预浸织物或毡，叠层铺放（薄壁制品）；（4）碎布料模压－预浸织物剪成碎布块（具有一定深度或厚度，形状相对复杂的制品）；（5）SMC模压－SMC模压料片材；（6）预成型坯模压－将短纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯，在放入金属模具时加入树脂； 4.3模压成型工艺过程（1）模压工艺流程冷模具模具预热涂脱模剂嵌件放置加模压料合模排气保压固化脱模模具清理模压料计量、预热或预压后处理 ②模具预热目的模具温度与物料预热温度基本相同，因此两者之间不会产生温度差；降低模压压力，减少对型腔的磨损，延长模具的使用寿命；缩短固化周期，提高生产效率。①模压料预热目的提高物料流动性，可预压成型，便于装模；去除物料中大部分的水分和挥发物，提高制品性能；降低模压压力，减少对型腔的磨损，延长模具的使用寿命；压制温度（℃）预热情况冲击强度（kJ/m2）弯曲强度（MPa）马丁耐热（℃）24h吸水率（％）175未预热989.8100100预热10910.711074190未预热11110.3101.761预热11811.5124.350预热对线型酚醛模压料制品性能的影响 ③模压料的计量物料量直接影响制品的尺寸精度，量过多，模具无法闭合，制品增厚；量过少，可能无法压制出所要求的形状或制品不致密。目前对模压料的计量普遍的做法是预先对模具尺寸进行粗略的估算，然后通过试压，通过性能试验考核，找出相对合适的装料量。装料量等于模压料制品的密度×制品的体积，再加上3－5％的挥发物、毛刺等损耗。制品的体积粗略估算法：ⅰ、形状、尺寸简化法：将复杂形状的制品凭经验简化成一系列的标准几何形状，同时将尺寸也作相应变更后再进行计算。ⅱ、密度比较法：当模压料制品有相对应的金属或其它材料零件时。 ⅲ、铸型比较法先在成型制品的金属模具中，用树脂、石蜡等铸型材料，铸成制品形状并称其质量，再按铸型材料的质量及密度与模压料密度比较，求出模压料制品质量。④排气在模具闭合后，再将模具开启一段时间，以排除模内的空气、水气及挥发物。排气一定要在物料尚未塑化时完成。排气可以缩短固化时间，提高制品的力学性能和电性能。⑤保压时间树脂在模内固化的过程始终处于高温高压之下，从开始升温、加压到固化至降温、降压所需要的时间或称为保持温度和压力的时间。根据树脂性能制定适当的保压时间，过长过短均不适宜。过长，延长生产周期，使树脂交联过大，导致物料收缩过大，密度增加，树脂与填料间产生内应力，严重时会使制品破裂；过短，导致树脂固化不完全，降低制品性能，同时制品在脱模后会继续收缩而出现翘曲现象。 保压时间10min保压时间7min保压时间5min0246810变形/mm12010080604020制品热变形温度与保持时间的关系曲线变形温度/℃⑥后处理目的保证制品固化完全；消除制品的热应力； 4.4液压机（模压设备） 4.5模压工艺参数确定模压工艺参数：将模压料压制成合格制品所需要的适宜外部条件（温度、压力、时间），在生产上称为压制制度，包含温度制度和压力制度。（1）温度制度：包括装模温度、升温速度、最高模压温度和恒温、降温及后固化温度等。装模温度：模压料的挥发物含量高，不溶性树脂含量低时，装模温度低，反之则高；升温速度：由装模温度到最高压制温度的升温速率。对快速模压，装模温度＝压制温度，无升温速度；慢速模压，应选择适宜的升温速度。最高模压温度：主要依树脂放热曲线确定。编号固化过程峰始温度（℃）峰顶温度（℃）结束温度（℃）180145185280145175380145178480145180平均80145180 （2）压力制度：包括成型压力、加压时机、放气等成型压力：其作用是克服模压料的内摩擦及物料与模腔间的外摩擦，使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗力及压紧制品以保证精确的形状和尺寸。成型压力决定因素：模压料的种类及质量指标；制品结构形状尺寸；薄壁制品大于厚壁制品；圆柱形制品大于圆锥形制品；制品结构复杂度。成型压力高，有利于制品质量提高。但过大的成型压力，容易损伤纤维降低制品强度。模压料名称成型压力（Mpa）镁酚醛预混料28.8-49环氧酚醛模压料14.7-28.8环氧模压料4.9-19.6聚酯料团一般制品0.7-4.9复杂制品4.9-9.8片状模塑料特种低压成型料0.7-2.0一般制品2.5-4.9复杂深凹制品4.9-14.7几种模压料的成型压力 加压时机：其作用是克服模压料的内摩擦及物料与模腔间的外摩擦，使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗力及压紧制品以保证精确的形状和尺寸。模压料镁酚醛模压料氨酚醛模压料环氧酚醛模压料小制品中制品大制品加压时机合模10－50s在成型温度下加压。多次抬模放气反复充模在80－90℃装模后经30－90min在105±2℃下一次加全压。80－90℃装模后约20－40min在105±2℃下一次加全压。60－70℃装模后约60－90min在90－105℃下一次加全压。80－90℃装模后约90－120min在90－105℃下一次加全压。几种常用模压料的加压时机 实例1高速公路防眩板模压成型（SMC） 1、高速公路防眩板主要功能防止夜间行驶的车辆因车灯眩目而引起意外事故。2、防眩板的生产工艺原理将一定量的模压料装入模具后，在一定的温度和压力下模压料塑化、流动并充满模腔。同时，模压料发生交联团化反应，形成三维体型结构而得到预期的制品。在整个压制过程中，加压、赋形、保温等过程都依靠被加热的模具的闭合而实现。 3、防眩板的工艺制度（1）模压成型工艺有3个主要参数，即成型压力、压制温度和保温时间。成型压力的作用是克服物料中挥发物所产生的蒸汽压，避免制品产生气泡、结构疏散等缺陷，同时增加物料的流动性，便于物料充满模腔的各个部位，使制品的结构密实，机械强度得到提高。压制温度的作用是促进模压料塑化和固化。保温时间的作用是使制品充分固化并消除内应力。这3个参数的选择与模压料、制品性能、制品结构和形状以及生产效率有很大的关系。（2）模压工艺参数的主要影响因素模压料的流动性对工艺参数的选定有很大的影响。如果模压料的流动性好，则可采用较低的成型压力和温度，也易成型结构较为复杂的制品；相反，若模压料的流动性差，则应相应地提高成型压力和温度，也不易成型结构复杂的制品。因此，应根据模压料的流动性能来选定合适的工艺参数。 （3）防眩板模压工艺参数的确定防眩板各部位的厚度不一。根部厚度最大，为10mm。两边厚度次之，为6mm。中间厚度最薄，仅为3mm。制品属薄壁结构，形状较为复杂。当防眩板用铁架、螺栓固定竖立后，作为一种悬臂梁受力构件，要求制品具有较好的抗折强度和弹性，以满足使用要求。从制品性能、结构和形状要求来看，采用较大的成型压力和较高的成型温度是较理想的。压力大，温度高，有利于提高制品的强度，且容易成型薄壁制品。模温高，与固化放热峰的温差就大，制品的表面质量较好。考虑到模压料的性能与生产效率，合适的保温时间是非常重要的。保温时间太短，制品有可能固化不完全；保温时间过长，生产效率低。①成型压力，20±2MPa；②压制温度，上下模均为150±5°C；③保温时间，4min。 4、防眩板的工艺流程备料压制脱模定型磨边打孔检验包装入库备料工序分3个步骤，即切料、称料、叠料。切料：注意模压料中是否有分层、白纱、干料等问题，如严重时应剔除。称料：要准确，过多则会造成原材料的浪费，过少则会引起缺料。叠料：应将料叠成长条形，薄膜要撕尽，料块之间应尽量压紧，以防夹带大量气体。叠好的料放在切料台上，用薄膜覆盖好待用，防止苯乙烯大量挥发，并防止对料造成污染。 压制包括4个步骤：加料、加压、卸压、排气、保温。加料：形式保持一致，加料位置要合理。加压：时机要适当，迅速加压至成型压力。卸压、排气：重复4次，排除模压料中的挥发份所产生的蒸汽以及夹带的空气，以避免缺料。砂眼等缺陷的产生。保温：时间4min，以提高制品的固化程度和表面质量，消除内应力。 保温后开模取出产品，检查制品有无异常现象，如需加以调整，清理模具并涂抹脱模剂。待产品冷却后，用铁锉除去制品四周的飞边、毛刺。检查制品是否有缺料、砂眼、裂纹、翘曲变形等缺陷，检查制品的外观、形状是否符合要求。其方式是逐块检查。产品经检验合格后即可包装入库。包装时以10块板为一单位，板与板之间应头尾错开，用包装带紧好，整齐堆放。 实例2火箭发动机喷管耐热内衬模压成型 1、耐热内衬的结构特点（1）内衬高宽比相差不大，结构外形较复杂；（2）内衬中空，有一定的深度和厚度；（3）耐热性强，不能存在缺陷；2、选用模压成型的优势（1）内衬结构外形适合；（2）制造量较多；（3）对制品的密度和内形有严格要求； 3、耐热内衬材料选择火箭发动机喷管的典型使用环境是工作温度高、使用时间短、气流冲刷强。为防止喷管内的热量迅速传递到火箭外壳而致使其失效，需选用隔热效果好、耐瞬时烧蚀性强的材料。增强材料：高硅氧玻璃纤维布、3k碳纤维布－预浸后剪裁成碎布片树脂基体：616＃氨酚醛树脂材料产地主要性能指标616＃氨酚醛北京251厂游离酚（%）固体含量（%）粘度（Pa·s）11.2298.09%7.820.26#高硅氧布陕西玻璃纤维总厂SiO2含量（%）径向强力（N/mm）纬向强力（N/mm）≥96486/25292/253K碳纤维布吉林碳素纤维厂含碳量（%）径向强力（N/mm）纬向强力（N/mm）≥92800/25600/25火箭发动机喷管耐热内衬原材料性能指标 4、预浸料的状态参数挥发分含量/%树脂含量/%不溶性树脂含量/%凝胶时间/sec4.7241.25.2112（150℃）5、工艺流程高硅氧布烘干胶液配置定量浸胶室温晾干冷藏待用模具预热装模，初始压力成型压力，保温2h脱模，修整预浸料预热预浸料制备制品制备 6、模压工艺参数确定（根据树脂的放热曲线）616＃氨酚醛树脂DTA曲线特征温度编号固化过程峰始温度/℃峰顶温度/℃结束温度/℃187145180289147180385143180490148180平均88146180装模温度为90℃，升温速度30℃/h，120℃时保温1h，最高模压温度180℃，保温时间2h，初始压力10MPa，加压时机定为120℃时加压。 7、烧蚀试验（1）烧蚀实验条件气体表压/MpaO2C2H20.40.095气体流量/l·s-1O2C2H20.420.31喷嘴直径/mm2烧蚀距离/mm10 （2）实验结果两种制品的烧蚀试验结果材料序号原厚（mm）烧蚀时间（s）烧蚀率（mm/s）平均烧蚀率（mm/s）高硅氧玻璃纤维增强内衬110.4720.10.1500.131210.3620.20.125310.1620.10.122410.0820.30.125碳布/高硅氧布增强内衬110.4120.20.0360.034829.9820.00.044310.3220.30.030410.3820.10.029