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聚酰亚胺碳纤维复合材料改善多吸头排污泵,成功地解决了客户的问题,主要有以下两点: 1)聚醚醚酮碳纤维复合材料是一种高强度、高性能的热塑性材料。聚酰胺酰亚胺易于注塑,能够吸收振动及冲击,而在被替代的金属是会引起振动及轴的磨损。www.pumpmade.com; thpump.net; www.spacepump.net; www.hnthpump.com 2)聚酰亚胺碳纤维复合材料是一种无金属磨损、不咬合的材料。这使得运转间隙缩小(只有API规定的金属材质隙间的一半),较小间隙的衬套可以稳定轴,较小间隙的口环可以进一步限制泄漏及泄漏速度。零部件:配用可移动的密封轴套及Teflon的滚针轴承单向轴承,制造优质的岩棉板
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玻璃纤维基础知识-玻璃纤维纱工艺
作者:伟乐环保所有权 发布于:2012-3-13 22:09:53 点击量:

 

纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺
一、前言
相比传统材料,复合材料具有一系列不可替代的特性,自二次大占以来发展很快。尽管产量小(据法国Vetrotex公司统计,2003年全球复合材料达700万吨),但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%,以中国(含台湾省)、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料(玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”)逾90万吨,已居世界第二位(美国2003年为169万吨,日本不足70万吨)。
复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成:
增强材料:在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能,如玻璃钢中的玻璃纤维,CFRP(碳纤维增强塑料)中的碳纤维素就是增强材料。
基体:构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢(GRP)中的树脂(本文谈到的环氧树脂)就是基体。 y
按基体材料不同,复合材料可分为三大类:
树脂复合材料
金属基复合材料
无机非金属基复合材料,如陶瓷基复合材料。
本文讨论环氧树脂基复合材料。
1、为什么采用环氧树脂做基体?
固化收缩率代低,仅1%-3%,而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%;
粘结力强;
有B阶段,有利于生产工艺;
可低压固化,挥发份甚低;
固化后力学性能、耐化学性佳,电绝缘性能良好。
值得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳,然耐酸性差;固化后一般较脆,韧性较差。
2、环氧玻璃钢性能(按ASTM)
以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例,将其与钢比较。
表1 GF/EPR与钢的性能比较

玻璃含量 GF/EPR(玻纤含量80wt%) AISI1008 冷轧钢
相对密度 2.08 7.86 V
拉伸强度 551.6Mpa 331.0MPa
拉伸模量 27.58GPa 206.7GPa
伸长率 1.6% 37.0%
弯曲强度 689.5MPa
弯曲模量 34.48GPa
压缩强度 310.3MPa 331.0MPa
悬臂冲击强度 2385J/m
燃烧性(UL-94) V-O
比热容 535J/kg•k 233J/kg•k
膨胀系数 4.0×10-6k-1 6.7×10-6k-1
热变形温度 204ºC(1.82MPa)
热导率 1.85W/m•k 33.7W/m•k
介电强度 11.8×106V/m
吸水率 0.5%(24h)

表2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量

材料名称 密度g/cm3 拉伸强度×104MPa 弹性模量×106MPa 比强度×106cm 比模量×109cm
钢 7.8 10.10 20.59 0.13 0.27
铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26
钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25
玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21
碳纤维/环氧树脂 1.45 14.71 13.73
碳纤维/环氧树脂 1.6 1049 23.54
芳纶纤维/环氧树脂 1.4 13.73 7.85
硼纤维/环氧树脂 2.1 13.53 20.59
硼纤维/铝 2.65 9.81 19.61 0.75 c2

二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介
1、手糊成型 (hand lay up)
(1)概要 依次在模具表面上施加
脱模剂
胶衣
一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)
一层纤维增强材料(玻纤、芳纶、碳纤维......),纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料,并驱除气泡,压实基层。铺层操作反复多次,直到达到制品的设计厚度。
树脂因聚合反应,常温固化。可加热加速固化。
(2)原材料 F gb NG ^
树脂 不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。
纤维 玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透,亦可用。
芯材 任意。
(3)优点
1)适合少量生产;
2)可室温成型,设备投资少,模具折旧费低;
3)可制造大型制品和型状复杂产品;
4)树脂和增强材料可自由组合,易进行材料设计;
5)可采用加强筋局部增强,可嵌入金属件;
6)可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面(如开模成型则一面不平滑);
7)玻纤含量较喷射成型高。
无捻粗纱布 50%左右
织物 35%-45%
短切原丝毡 30%-40%
(4)缺点
1)属于劳动密集型生产,产品质量由工人训练程度决定; ;
2)玻纤含量不可能太高;树脂需要粘度较低才易手工操作,溶剂/苯乙烯量高,力学与热性能受限制;
3)手糊用树脂分子量低;通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
(5)典型产品
舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。
2、树脂传递成型(RTM)
(1)概要
RTM是一种闭模低压成型的方法。
将纤维增强材料置于上下模之间;合模并将模具夹紧;在压力下注射树脂;树脂固化后打开模具,取下产品。
树脂胶凝过程开始前,必须让树脂充满模腔,压力促使树脂快速传递到模个内,浸渍纤维材料。
RTM是一低压系统,树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量(体积比超过50%)的制品,如航空航天用零部件时,压力甚至达0.7MPa。
纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状(带粘结剂),再在第二个模具内注射成型。 为了提高树脂浸透纤维能力,可选择真空辅助注射(VARI-vacuum saaistedrsin injection)。
注意树脂一经将纤维材料浸透,树脂注口要封闭,以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料 制作。若采用加热工艺。宜用钢模。
(2)原材料
树脂:一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛;当加温时,高温树脂台双马列来酰亚胺树脂亦可用。
法国 Vetrotex公司开发了热塑性树脂RTM。
纤维:任意。常用玻纤连续毡、缝编材料(其纤维间的缝隙得于树脂传递)、无捻粗纱布;玻纤与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材(法国Vetrotex商品名TWINTEX)。
芯材:不用蜂窝,因蜂窝空格全被树脂填满,压力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC等。
(3)优点
1)制品纤维含量可较高,未被树脂浸得部分非常少;
2)闭模成型,生产环境好;
3)劳动强度低,对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低;
4)制品两面光,可作有表面胶衣的制品,精度也比较高;
5)成型周期较短;
6)产品可大型化;
7)强度可按设计要求具有方向性;
8)可与芯村、嵌件一体成型;
9)相对注射设备与模具成本较低。
(4)缺点
1)不易制作较小产品;
2)因要承压,故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂,价位也高一些;
3)能有未被浸渍的材料,导致边角料浪费。
(5)典型产品
小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳
3、纤维缠绕(FW)
(1)概要
通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕,通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴,由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴(模)上。纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计,并由芯轴(模)转速与小车往复速度之比,精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。
对某些两端密闭的产品不用脱模,芯模即包在复合材料产品内,作为内衬。
(2)原材料
树脂:任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。
纤维:任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时,常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。
芯材:可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体,一般不用。
(3)优点
1)因为纤维迳直以合理的线形铺设,承担负荷,故复合材料制品的结构特性可非常高;
2)由于同内衬层组合,可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品;
3)可制造两端封闭的制品;
4)铺放材料快、经济、用无捻粗纱,材料费用低;
5)可采用树脂计量,然浸胶后的纤维通过挤胶或口模,控制树脂含量;
6)可大理生产和自动化;
7)机械成型,复合材料材质及方向性均匀,质量稳定。
(4)缺点
1)制品形状限于圆柱形或其它回转体;
2)纤维不易沿制品长度方向精确排列;
3)对于大型制品,芯模成本高;
4)成品外表不是“模制”的,不尽人意;
5)对于承受压力的制品,如选择树脂不合适或无内衬,就易发生渗漏。
(5)典型产品 '
管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)、固体火箭发动机壳体。
4、RIM(Reaction Injection Molding一反应注射成型)
(1)概要
将两种或两种以上的组分在混合区低压(0.5MPa)混合后,即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反应成型,此即为工艺过程。若组分一为多元醇,一为异氰酸酯,则反应生成聚氨酯 。为增加强度,可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料。弈可采用长纤维(如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等)增强,在注射前,将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。这种工艺称为SRIM(Structural Reaction Injection Molding-结构反应注射成型)。
(2)原材料
树脂:常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系;亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本;
纤维:常用长0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维;
芯材:不用。
(3)优点
1)制造成本比热塑性塑料注射工艺低;
2)可制造大尺寸、开头复杂的产品;
3)固化快,适于快速生产。
(4)缺点
采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高,荐用矿物复合材料取代之。
(5)主要产品
汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。
5、拉挤成型 (Pultrusion)
(1)概要
主要采用玻璃纤维无捻粗纱(使用前预先放置在纱架上),它提供纵向(沿生产线方向)增强。
其它类型的增强有连续原丝毡、织物等,它们补充横向增强,表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料,改进型材料性能(如阻燃),并降低成本。
拉挤成型的程序是
1)使玻璃纤维增强材料浸渍树脂;
2)玻璃纤维预成型后进入加热模具内,进一步浸渍(挤胶)、基本树脂固化、复合材料定型;
3)将型材按要求长度切断。 现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。 拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式:
胶槽浸渍法:通常采用此法,即将增强材料通过树脂槽浸胶,然后进入模具。此法设备便宜作业性好,适于不饱和聚酯树脂,乙烯基酯树脂。
注入浸渍法(图6):玻纤增强材料进入模具后,被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体,如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。
(2)原材料
树脂:常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂;
纤维:拉挤用玻璃纤维无捻粗纱、连续毡、缝编毡、缝编复合毡、织物、玻纤表面毡、聚酯纤维表面毡等;
芯材:一般不用,现有以PU发泡材料为芯材,外为连续拉挤框型型材,作为保温墙板的。
(3)优点
1)典型拉挤速度0.5-2m/min,效率较高,适于大批量生产,制造长尺寸制品;
2)树脂含量可精确控制;
3)由于纤维呈纵向,且体种比可较高(40%-80%),因而型材轴向结构特性可非常好;
4)主要用无捻粗纱增强,原材料成本低,多种增强材料组合使用,可调节制品力学性能;
5)制品质量稳定,外观平滑。
(4)缺点
1)模具费用较高;
2)一般限于生产恒定横截面的制品。
(5)典型产品
建筑屋顶横梁、椽子、门窗框架型材、墙板、石油开采抽油杆、帐篷竿、梯子、桥梁、工具把、手机微波站罩壳、汽车板簧、传动轴、电缆管、光纤光缆芯、钓鱼竿、隔栅、汽车空调器罩、扩轨罩。 0}1x p* V
6、真空袋法法成型(Vacuum bag process)
(1)概要 :
此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在树脂的A阶段与模具在一 起,在积层上覆以橡胶袋,周边密封,在后用真空泵抽真空,积层从而受到不大于1个气压的压力,而被压实、成型。
(2)原材料
树脂:主要采用环氧树脂、酚醛树脂。不饱和聚酯树脂与乙烯基酯树脂则因真空泵将树脂中的苯乙烯(交联剂)过度抽出,可能会造成问题,故一般不用;
纤维:同手糊法;
芯材:任意。
(3)优点
1)采用普通的湿法铺层技术,通常可获得高纤维含量的制品;
2)可制造大尺寸产品;
3)产品两面光;
4)较湿法铺层浸胶孔隙率低;
5)由于压力,树脂流经结构纤维,纤维得以较好地浸渍树脂;
6)有利于操作人员健康和安全;真空袋减少了固化时逸出的挥发性物质。
(4)缺点
1)额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本;
2)要求操作人员有较高的技术熟练水平;
3)树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技术;
4)生产效率不高。
(5)典型产品
艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、方向舵。
7、树脂膜熔浸成型(RFI-Resin Film Infusion)
(1)概 要
将干强物与树脂片(树脂片系放在一层脱模纸上提供)交替铺放在模具内。铺层被真空袋包覆,藉真空泵抽真空,将干织物内空气抽出。然后加热,令树脂熔化并流浸已抽出空气的织物,然后经过一事实上时间即固化。
(2)原材料
树脂:一般仅用环氧树脂; ¬
纤维:任意;
芯材:许多种芯材都可以使用,由于工艺过程中温度高,对PVC泡沫需要专门处理,以免泡沫损坏。
(3)优点
1)空隙率低,可精确获得高的纤维含量;
2)铺层清洁,有利于健康和安全(似预浸);
3)可较预浸法成本低,此为主要的优点;
4)由于树脂仅能过织物厚度方向传递,故树脂未浸到白斑区可较SCRIMP(西曼复合材料公司树脂参入成型法—Seeman Composite Resin Infusion Molding Process)少。
(4)缺点
1)目前仅用于宇航工业,还未推广;
2)虽然宇航工业用高压釜系统产非总是需要,但加热室和真空袋系统对于复合材料固化,总是不可少的;
3)模具要求能经受树脂膜片的工艺温度(低温固化即需60-100ºC);
4)要求所用芯材能经受工艺温度和压力;
(5)典型产品
飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩。
8、预浸料(高压釜)成型
(1)概要

预先在加热、加压或使用溶剂的条件下,将织物和(或)纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下,让预浸材料贮存几周或几个月,仍能保质使用。当要延长保持期,材料须在冷冻条件下贮存。树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感,象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来,与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺于模具表面,通过真空袋抽真空,并通常加热到120-180ºC。使树脂重新流动,并最终固化。盛开附加压力通常藉助高压釜(实际上是一座压力加热罐)提供,它能对铺层施加达5个大气压的压力。
(2)原材料
树脂:通常用环氧树脂,不饱和聚酯树脂、酚醛树脂及高温树脂,如聚酰亚胺、氰酸酯、双马来酰亚胺树脂等;
纤维:任意。虽然由于在工艺过程中,高温分对芯材有些影响,需要采用某些专门的泡沫芯材。
(3)优点
1)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量;可以可靠地得到高纤维含量。
2)材料于操作人员十分安全,无碍健康,操作清洁;
3)单向带纤维成本最低,因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程;
4)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂,树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的;
5)材料有效时间长(室温下可保质数月),这意味着可优化结构、复合材料易铺层;
6)可能实现自动化和节省劳动力。
(4)缺点
1)对于预浸织物,材料成本高;
2)通常要对高压釜固化复合材料制品,耗费大、作业慢、制品尺寸受限制;
3)模具需能承受作业温度;
4)芯材需要承受作业温度和压力。
(5)典型产品
飞机结构复合材料(如机翼和尾翼)、卫星与运载火箭结构件(太阳能电池基板、夹层结构板、卫星接口支架、火箭整流罩等)、赛车、运动器材(如网球拍、滑雪板等)。
9、低温 固化预浸料成型
(1)概要
低温固化预浸料完全按通常的预浸料方法制备,但树脂的化学性质使其得以在60-100ºC温度下固化。在60ºC时,材料可操作保持期可小到限于1个星期,但亦可延长到几个月。树脂系统的流动截面适于采用真空袋压力,避免采用高压釜。
(2)材料 |
树脂:一般仅采用环氧树脂;
纤维:任意,同通常的预浸料;
芯材:任意,虽然一般 的PVC泡沫需要特别注意。
(3)优点
1)具有传统预浸料法所具备的(1)-(6)条优点;
2)模具材料较便宜,如木材亦可用,因其固化温度较低故;
3)可容易地制造大型结构。因为仅需真空袋压力;固化温度低,可采用简单的热空气循环加热室(经常就地建造大于制品的加热室 )
4)可采用普通的PVC泡沫芯材,略作处理即可;
5)能耗低。
(4)缺点
1)材料成本仍高于预浸织物;
2)需加热室和真空袋系统,以固化制品;
3)模具需能经受高于环境温度的温度(常用60-100ºC);
4)仍有能耗,因需高于环境温度固化。
(5)典型产品
高性能风力发电机叶片、赛艇、救生艇、火车用零部件。
10、SCRIMP,RIFT,VARTM

图11 SCRIMP,RIFT,VARTM示意图
(1)概要
SCRIMP(Seeman Composite Infusion Molding Process—西曼复合材料公司树脂渗透成型法),RIFT(Resin Infusion umder Flexibe Tooling—柔性模具树脂渗透法) ,VARTM(Vscuum Assisted Transfer Molding—真空辅助树脂传递成型)这三种工艺原理相似。
将织物作为干铺层材料入模内,如同RTM。然后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。整个铺层用真空袋覆罩好。袋无渗漏后,让树脂流到积层。树脂很容易流经非结构织物而在整个铺层分布。SCRIMP法在真空袋与铺层之间可置加压模块,利于提高制作表观与结构密实度。
(2)材料
树脂:常和环氧树脂、不饱和聚酯和乙烯基酯树脂;
纤维:任意种类普通织物。这些工艺方法缝编材料很好用,因其间隙使得树脂快速流动;
芯材:除蜂窝外,各种芯材均可用。
(3)优点
1)同RTM,但制品仅一面光,不似RTM两面光;
2)由于模具一半是真空袋,主模具仅需较低强度,故模具成本甚低;
3)可制造大尺寸产品;
4)通常的湿法铺层工具可改进以用于这些成型法;
5)一次作业即可生产芯材结构。
(4)缺点
1)要完成好相对复杂的操作过程;
2)树脂粘度必须非常低,限制了制品的力学性能;
3)铺层未浸到树脂而造成的废品浪费甚大;
4) SCRIMP的一些工艺要素已被专利所限。
(5)典型产品
小艇半成品、列车和卡车车身面板。
 

 

 
 
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