复合材料LCM整体成型工艺发展及应用
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复合材料LCM整体成型工艺发展及应用
作者：马俊龙
来源：《科技创新与应用》2015年第10期
摘要：复合材料LCM工艺经过长久的发展，已经形成了RTM、RIM以及连续纤维增强热塑料性预浸料真空袋压缩成型等多种类型的工艺方法。各种的工艺方法由于特点的不同，需要发展的技术内容各有不同，RTM工艺向着高速成型的方向发展，RIM向着更大、更为复杂的结构部件整体成型发展，连续纤维增强热塑性预浸料真空袋压成型需要开发更多的品种借以拓展应用的领域。
关键词：复合材料；LCM RTM RIM；连续纤维
引言
较高的和比刚度、较好的抗疲劳性能以及较强的可设计性是纤维增强复合材料的主要特点，其在很多领域得以广泛应用，如风力发电、航空以及车辆制造等。因为纤维增强复合材料是一种有着极强的设计性的材料，再加上简单的工艺，这就使得其比较容易进行一次性整体成型，这便可以使得结构效率更高，这针对多数大型结构部件制造来说，具有很好的工艺优势。
1 RTM、VARTM以及HP-RTM介绍
1.1 RTM工艺模具
RTM成型模具是工艺得以成功的关键，为了使得模具投资得以降低，在一些大型部件制造中，通常会在母模型里面翻制的方式来进行模具的制造。模具结构主要部分有注射口、导向定位结构、成型面以及排气口等。在对早期模型加工时，是木制模型，这是通过手工技术以及木工机场来进行实现的。由于当前代木胶泥材料的生产，使得大型数控多轴成为进行模型加工的关键部分。
为了有效提升模具表面的耐久性，将电铸镍壳模具技术广泛应用到RTM技术中去，电铸工作主要是根据金属电解沉积的原理来进行的，用其来保证复制母模型的精确性，这在应用电镀中是比较特殊的。在制作电铸镍壳模具的过程中，首先需要加工一个精确的母模型，在其上进行导电材料的覆盖，之后在镍电铸槽内将其复制，而且要在模型表面将镍合金材料进行沉淀，在其厚度到5mm之上时，便取出模型，并制造刚度结构个增强层在其后面，最后进行脱模，就此电铸模具便完成了。在生产汽车软质内饰的时候，广泛运用了电铸镍模具。在比较大的生产量里面，RTM可以提供上万次的模具使用寿命。
1.2 模具操作机构
复合材料加工工艺综述
复合材料加工工艺综述 前言： 复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。 复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属
先进复合材料主要制造工艺和专用设备
先进复合材料主要制造工艺和专用设备 中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟 中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。 复合材料在飞机上的应用 随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点： （1）复合材料在飞机上的用量日益增多。 复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。A380上复合材料用量约30t。B787复合材料用量达到50%。而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。 （2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。 最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。 （3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。 飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。 （4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。 在飞机上大量采用复合材料的最直接的效果是减重，复合材料制件
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复合材料整体成型关键技术现状分析研究 摘要：复合材料具有减轻结构重量，适合整体成型，提升结构安全性，降低生产成本等诸多优势，目前复合材料已经成为航空工业的研究热点，未来航空市场的竞争，很大一部分也是先进复合材料应用的竞争，目前在这块市场上，我国的基础实力较为薄弱，而发达国家对于先进的复合材料技术对我国高度保密，因此充分利用专利信息，研究复合材料整体成型技术的发展现状具有非常重要的意义。本文从专利的角度对航空复合材料整体成型技术的应用进行了分析，并从几个关键技术点上进行重点专利分析，以期能给复合材料的研发应用提供指导。 关键词：复合材料自动铺放液态成型热压罐真空袋挤压成型 中图分类号：tb33 文献标识码：a 文章编号： 1674-098x(2011)12(a)-0000-00 复合材料整体成型技术正广泛的应用在航空航天及其他技术领域，由于复合材料的整体成型具有降低制造成本，减轻结构重量，提升航天器的经济环保性等诸多优点。飞机上的复合材料使用量已经成为衡量其先进性的重要标准[1]。 飞机设计领域向来有为减轻每1g重量而奋斗的原则，因此发展复合材料成型技术的符合民机技术发展的趋势，也反映了目前低碳节能，绿色环保的飞机设计理念的要求。
目前如空客公司的a350，波音公司的b787的复合材料的用量已经达到了50%。当前各国都将先进复合材料制造技术作为研发重点，而从“产品未动，专利先行”的角度出发，大量复合材料技术都可以在专利文献中找到，因此积极利用专利信息开展现状分析，挖掘具有借鉴价值的专利具有十分积极的意义。 1复材整体成型技术发展概况 现代先进复合材料起源于20世纪60年代，70年代复合材料开始应用在飞机结构上，复合材料的加入对飞机结构轻质化、模块化起着中重要的作用。近年来先进复合材料在现代飞机上的用量不断扩大，已经成为铝，钢、钛之外的第四大航空结构材料[2]。复合材料整体成型技术经过了几个阶段的发展，已经逐渐从次承力件过度到主承力件，波音空客两大民机巨头在民机市场竞争 日趋激烈，在复合材料方面也不断抢占技术制高点，推出的机型中无一不把提高复合材料用量作为经济性，先进性的象征性指标。从专利领域来看，近几年两大航空企业的复合材料相关专利的申请量也在不断剧增，波音公司凭借其一直以来在复合材料应用领域的雄厚基础，申请了大量极具技术价值的基础专利，同时针对这些基础专利不断进行改进形成新的专利申请。空客公司作为后起竞争者凭借欧洲航空工业在复材领域的雄厚基础，不断进行大胆创新，在该领域申请的大量的专利也大有后来居上的态势。可见现代民机企业都在不遗余力的提升复合材料的研发力度。 当前复合材料的成型技术主要包括真空袋-热压罐成型技术，自
复合材料工艺大全
复合材料工艺大全 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产。如： （1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法； （2）喷射成型工艺； （3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）； （4）袋压法（压力袋法）成型； （5）真空袋压成型； （6）热压罐成型技术； （7）液压釜法成型技术； （8）热膨胀模塑法成型技术； （9）夹层结构成型技术； （10）模压料生产工艺； （11）ZMC模压料注射技术； （12）模压成型工艺； （13）层合板生产技术； （14）卷制管成型技术； （15）纤维缠绕制品成型技术； （16）连续制板生产工艺； （17）浇铸成型技术； （18）拉挤成型工艺； （19）连续缠绕制管工艺； （20）编织复合材料制造技术； （21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺； （22）注射成型工艺； （23）挤出成型工艺； （24）离心浇铸制管成型工艺； （25）其它成型技术。 视所选用的树脂基体材料的不同，上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。
复合材料制品成型工艺特点：与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点： （1）材料制造与制品成型同时完成 一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。 （2）制品成型比较简便 一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。 ◇成型工艺层压及卷管成型工艺 1、层压成型工艺 层压成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后，放入两个抛光的金属模具之间，加温加压成型复合材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早、也较成熟的一种成型方法。该工艺主要用于生产电绝缘板和印刷电路板材。现在，印刷电路板材已广泛应用于各类收音机、电视机、电话机和移动电话机、电脑产品、各类控制电路等所有需要平面集成电路的产品中。 层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材，具有机械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点，但一次性投资较大，适用于批量生产，并且只能生产板材，且规格受到设备的限制。 层压工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。 2、卷管成型工艺 卷管成型工是用预浸胶布在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品成型方法，其原理是借助卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融。在一定的张力作用下，辊筒在运转过程中，借助辊筒与芯模之间的摩擦力，将胶布连续卷到芯管上，直到要求的厚度，然后经冷辊冷却定型，从卷管机上取下，送入固化炉中固化。管材固化后，脱去芯模，即得复合材料卷管。
复合材料成型工艺大全及说明
复合材料成型工艺大全及说明 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业 生产。 视所选用的树脂基体材料的不同，各方法适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。复合材料制品成型工艺特点：与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点： （1）材料制造与制品成型同时完成一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。（2）制品成型比较简便一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品仅 需一套模具便能生产。 ◇ 层压及卷管成型工艺1、层压成型工艺层压 成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后，
放入两个抛光的金属模具之间，加温加压成型复合材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早、也较成熟的一种成型方法。该工艺主要用于生产电绝缘板和印刷电路板材。现在，印刷电路板材已广泛应用于各类收音机、电视机、电话机和移动电话机、电脑产品、各类控制电路等所有需要平面集成电路的产品中。层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材，具有机械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点，但一次性投资较大，适用于批量生产，并且只能生产板材，且规格受到设备的限制。层压工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。2、卷管成型工艺卷管成型工是用预浸胶布在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品 成型方法，其原理是借助卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融。在一定的张力作用下，辊筒在运转过程中，借助辊筒与芯模之间的摩擦力，将胶布连续卷到芯管上，直到要求的厚度，然后经冷辊冷却定型，从卷管机上取下，送入固化炉中固化。管材固化后，脱去芯模，即得复合材料卷管。卷管成型按其上布方法的不同而可分为手工上布法和连续机械法两种。其基本过程是：首先清理各辊筒，然后将热辊加热到设定温度，调整好胶布张力。在压辊不施加压力的情况下，将引头布先在涂有脱模剂的管芯模上缠上约1圈，然后放下压辊，将引头布贴在热辊上，同时将胶布拉上，盖
热塑性复合材料成型工艺
热塑性复合材料成型工艺 热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称FRTP （Fiber Rinforced Thermo Plastics）。由于热塑性树脂和增强材料种类不同，其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。 从生产工艺角度分析，塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类：（1）短纤维增强复合材料①注射成型工艺；②挤出成型工艺；③离心成型工艺。（2）连续纤维增强及长纤维增强复合材料①预浸料模压成型；②片状模塑料冲压成型；③片状模塑料真空成型；④预浸纱缠绕成型；⑤拉挤成型。 热塑性复合材料的特殊性能如下： （1）密度小、强度高热塑性复合材料的密度为1.1～1.6g/cm3，仅为钢材的1/5～1/7，比热固性玻璃钢轻1/3～1/4。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。 （2）性能可设计性的自由度大热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都是通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。 （3）热性能一般塑料的使用温度为50～100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4～1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。其导热系数为0.3～0.36W(㎡·K)，与热固性复合材料相似。 （4）耐化学腐蚀性复合材料的耐化学腐蚀性，主要由基体材料的性能决定，热塑性树脂的种类很多，每种树脂都有自己的防腐特点，因此，可以根据复合材料的使用环境和介质条件，对基体树脂进行优选，一般都能满足使用要求。热塑性复合材料的耐水性优于热固性复合材料。 （5）电性能一般热塑性复合材料都具有良好的介电性能，不反射无线电电波，透过微波性能良好等。由于热塑性复合材料的吸水率比热固性玻璃钢小，故其电性能优于后者。在热塑性复合材料中加入导电材料后，可改善其导电性能，防止产生静电。 （6）废料能回收利用热塑性复合材料可重复加工成型，废品和边角余料能回收利用，不会造成环境污染。 由于热塑性复合材料有很多优于热固性玻璃钢的特殊性能，应用领域十分广泛，从国外的应用情况分析，热塑性复合材料主要用于车辆制造工业、机电工业、化工防腐及建筑工程等方面。 1、注射成型工艺 注射成型是热塑性复合材料的主要生产方法，历史悠久，应用最广。其优点是：成型周期短，能耗最小，产品精度高，一次可成型开关复杂及带有嵌件的制品，一模能生产几个制品，生产效率高。缺点是不能生产纤维增强复合材料制品和对模具质量要求较高。根据目前的技术发展水平，注射成型的最大产品为5kg，最小到1g，这种方法主要用来生产各种机械零件，建筑制品，家电壳
复合材料的预浸料模压成型工艺
复合材料的预浸料模压成型工艺 模压成型工艺基本过程是：将一定量经一定预处理的模压料放入预热的模具内，施加较高的压力使模压料填充模腔。在一定的压力和温度下使模压料逐渐固化，然后将制品从模具内取出，再进行必要的辅助加工即得产品。 1．压制前的准备 (1)装料量的计算 在模压成型工艺中，对于不同尺寸的模压制品要进行装料量的估算，以保证制品几何尺寸的精确，防止物料不足造成废品，或者物料损失过多而浪费材料。常用的估算方法有①形状、尺寸简单估算法，将复杂形状的制品简化成一系列简单的标准形状，进行装料量的估算：②密度比较法，对比模压制品及相应制品的密度，已知相应制品的重量，即可估算出模压制品的装料量：③注型比较法，在模压制品模具中，用树脂、石蜡等注型材料注成产品，再按注型材料的密度、重量及制品的密度求出制品的装料量。 (2)脱模剂的涂刷 在模压成型工艺中，除使用内脱模剂外，还在模具型腔表面上涂刷外脱模剂，常用的有油酸、石蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、有机硅油、硅脂和硅橡胶等。所涂刷的脱模剂在满足脱模要求的前提下，用量尽量少些，涂刷要均匀。一般情况下，酚醛型模压料多用有机油、油酸、硬脂酸等脱模剂，环氧或环氧酚醛型模压料多用硅脂和有机硅油脱模剂，聚酯型模压料多用硬脂酸锌、硅脂等脱模剂。 (3)预压 将松散的粉状或纤维状的模压料预先用冷压法压成重量一定、形状规整的密实体。采用预压作业可提高生产效率、改善劳动条件，有利于产品质量的提高。 (4)预热 在压制前将模压料加热，去除水分和其它挥发份，可以提高固化速率，缩短压制周期；增进制品固化的均匀性，提高制品的物理机械性能，提高模压料的流动性。
(5)表压值的计算 在模压工艺中，首先要根据制品所要求的成型压力，计算出压机的表压值。成型压力是指制品水平投影面上单位面积所承受的压力。它和表压值之间存在的函数关系： 复合材料的预浸料模压成型工艺 在模压成型工艺中，成型压力的大小决定于模压料的品种和制品结构的复杂程度，成型压力是选择压机吨位的依据。 2、压制工艺 (1)装料和装模 往模具中加入制品所需用的模压料过程称为装料，装料量按估算结果，经试压后确定。装模应遵循下列原则：物料流动路程最短：物料铺设应均匀；对于狭小流道和死角，应预先进行料的铺设。 （2）模压温度制度 模压温度制度主要包括装模温度、升温速率、成型温度和保温时间的选择。 ①装模温度 装模温度是指将物料放入模腔时模具的温度，它主要取决于物料的品种和模压料的质量指标。一般地，模压料挥发份含量高，不溶性树脂含量低时，装模温度较低。反之，要适当提高装模温度。制品结构复杂及大型制品装模温度一般宜在室温-90℃范围内。 ②升温速率 指由装模温度到最高压制温度地升温速率。对快速模压工艺，装模温度即为压制温度，不存在升温速率问题。而慢速模压工艺，应依据模压料树脂的类型、制品的厚度选择适当的升温速率。 ③成型温度
复合材料的手糊成型工艺
毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目：聚合物基复合材料手糊成型工艺 作者所在系部：材料工程系 作者所在专业：高分子材料应用技术 作者所在班级： 07841 作者姓名：赵向男 作者学号： 20073084128 指导教师姓名：彭燕 完成时间： 2010年5月25日 北华航天工业学院教务处制
随着社会科技与经济的飞速发展，复合材料在国内外有很大的应用与发展，并且在各个领域占据了越来越重要的地位。复合材料的成型工艺方法很多，本文着重介绍手糊成型工艺方法的特点、工艺流程以及成型过程中遇到的问题和解决方法等。 关键字：复合材料手糊成型工艺流程。
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复合材料结构及其成型原理
碳纤维复合材料 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：碳纤维复合材料与金属材料相比，其密度小、比强度、比模量高，具有优越的成型性和其他特性，具有极大的发展潜力。本文介绍了碳纤维复合材料的特点及其应用，总结了碳纤维复合材料的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。 关键词：复合材料；碳纤维；成型工艺；工艺流程 Carbon Fiber Reinforce Plastic (School of Mechatronics, Northwes tern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: Compared to metals, carbon fiber reinforce plastic has great potential for development with lower density, higher specific strength and modulus, and excellent moldability and other characteristics. This article describes the characteristics and applications of carbon fiber reinforce plastic and sum up the manufacturing process of carbon fiber reinforce plastic and their characteristics. Finally, this article points out the development of carbon fiber reinforce plastic from two aspects: material and manufacturing process. Key words: composites; carbon fiber; manufacturing process; process
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无机非金属复合材料的成型工艺—纤维增强水泥基复合材料 【摘要】纤维增强水泥基复合材料作为新型工程材料已在土木工程多领域中得到广泛地应用。目前在水泥复合材料中掺加一定量的纤维，可以改善并且提高水泥复合材料的物理、力学等性能指标。 【关键词】纤维增强复合材料水泥 1、发展及应用 自60年代开始，纤维增强水泥基复合材料的研究和开发有较大进展。1964年，丹麦科学家应用复合材料理论探讨纤维增强无机与有机凝胶材料的机理。1967年英国人试制成功抗碱玻璃纤维增强波特兰水泥砂浆。随后美、日等国也相继投产。我国进入80年代用抗碱玻璃纤维增强低碱铝硅酸盐水泥，现已取得一定成效。目前广泛用于各种建筑物中以及工程装备中。 2、特点 纤维增强水泥基复合材料与普通混土相比，其显著特点是轻质高强，具有良好的断裂韧性。其拉压比一般可达1/4～1/6(普通混凝土为1/10)。 3、复合材料的组成 1、纤维增强水泥原材料 3.1.增强材料 纤维加入脆性的水泥基体中，其作用是提高水泥集体的抗拉强度和韧性，改善其冲击强度和疲劳性能。增强水泥所用纤维按其化学组成可分为金属纤维，无机纤维和有机纤维三大类。 用于增强水泥的纤维可分为短切纤维、连续纤维或纤维织物等。目前国内外使用最多的为短切纤维。 2.水泥基体材料 硅酸盐水泥、氯氧镁水泥、高铝矿渣水泥等 4、成型工艺及设备 GRC的成型方法有喷射法、预拌法、注射法、铺网法、缠绕法等多种方法。其中玻璃纤维增强水泥复合材料使用最多的方法是喷射成型法。 1、成型工艺 A：直接喷射法 用人工手动或通过机械移动装置使切割喷射机在模型上方作往复移动，将纤维水泥砂浆喷在模型表面。
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国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状 从低成本成型的研发现状看，大致可分为以下5方面的内容：（1）对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率，如Filament Winding（FW，纤维缠绕）、Pultrusion（拉挤）、 Braiding（编织）、 Tow placement（丝束排布）、自动成套裁剪、预浸材料激光样板切割（Laser template）等自动化技术。（2）湿法工艺技术：RTM、RFI等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂。（3）热塑性复合材料的易成型新材料开发及IN-SITU（原位）成型方法：D irect consolidate（直接固结）、Commingled yarn（搀混纱线）、Powder co ated towpreg（粉末涂覆丝束预浸）等新成型方法。（4）不用热压罐的新固化技术，用微波、电子束、超声波、X线等高效率能量的新固化方法。（6）CAD/C AM模拟技术：铺层、浸渍、成型、固化等工序的模型化/模拟技术，有助于保证产品质量，提高生产效率。 低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术，也称液体模塑成型技术（简称LCM），主要有树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂渗透成型工艺（SCRIMP）和结构反应注射模塑等。其中最重要的是树脂传递模塑技术（RTM）以及由此而发展起来的VARTM。RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。是目前国际上发展应用最快，并在航空工业应用最多的低成本技术之一。 从国际上看，美国在湿法成型技术上处于领先地位，特别是在航空航天领域内，在过去十年里，美国应用RTM技术的增长率为20-25%。据美国塑料工程学会预测，在今后五年里美国应用RTM技术的增长率将提高到30-32%。美国基本形成了RTM有关的材料体系、制造工艺、技术装备和验证系统，并在武器装备上得
复合材料成型工艺
树脂基复合材料成型工艺介绍（1）：模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型工艺的主要优点：①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：①纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。 ②碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。③织物模压法将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。④层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。⑤缠绕模压法将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。⑥片状塑料（SMC）模压法将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。⑦预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。 模压料的品种有很多，可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯料。当前所用的模压料品种主要有：预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC等品种。 1、原材料 （1）合成树脂复合材料模压制品所用的模压料要求合成树脂具有：①对增强材料有良好的浸润性能，以便在合成树脂和增强材料界面上形成良好的粘结；②有适当的粘度和良好的流动性，在压制条件下能够和增强材料一道均匀地充满整个模腔；③在压制条件下具有适宜的固化速度，并且固化过程中不产生副产物或副产物少，体积收缩率小；④能够满足模压制品特定的性能要求。按以上的选材要求，常用的合成树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂、烯丙基酯、三聚氰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。为使模压制品达到特定的性能指标，在选定树脂品种和牌号后，还应选择相应的辅助材料、填料和颜料。 （2）增强材料模压料中常用的增强材料主要有玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等，也有少量特种制品选用石棉毡、石棉织物（布）和石棉纸以及高硅氧纤维、碳纤维、有机纤维（如芳纶纤维、尼龙纤维等）和天然纤维（如亚麻布、棉布、煮炼布、不煮炼布等）等品种。有时也采用两种或两种以上纤维混杂料作增
浅谈先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势
浅谈先进复合材料构件成型模具和工装 技术发展趋势 本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一(在B787结构上的用量达总重的50%，A350XWB结构上的用量达总重的52%)，其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料(以下简称先进复合材料)。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求。 1基于成型工艺条件的模具发展趋势 成型压力 无论是先进热固性树脂基复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压
力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：(1)构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具(例如传统热压罐工艺)或依赖机械传压的刚性模具(例如传统模压工艺)，这是最常用的方式;(2)以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于DC-10飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼;(3)以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间;(4)以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。 成型温度 不管是热固性树脂基复合材料固化，还是热塑性树脂基复合材料熔化，都需要加热以达到合适的成型温度。复合材料构件的成型模具应当满足加热构件的升温效率和构件温度场分布的均匀性，这种模具按加热方式来划分有几种结构形式：(1)以加热的空气或者惰性气体为传热载体，对“蛋框式”模具加热(以对流换热方式为主，温度较高时热辐射占的份额也比较大);(2)把热电阻和循环水管直接埋入成型模具中，传热方式以热传导为主。
先进复合材料成型工艺过程中的质量控制 李贺
先进复合材料成型工艺过程中的质量控制李贺 发表时间：2018-09-29T11:14:29.220Z 来源：《防护工程》2018年第10期作者：李贺 [导读] 复合材料的工艺技术的基础就是复合材料成型工艺方法。本文首先对相关内容做了概述，分析了先进复合材料的特点，然后在探讨先进复合材料成型工艺过程中原料供给的基础上，研究了复合材料成型工艺发展现状。 李贺 航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨 150066 摘要：科技的迅速发展使得传统材料的工艺技术满足不了人们的生活需求，而人们的生活发展又离不开材料的使用，所以，人们慢慢的开始转向了复合材料的工艺技术发展领域。复合材料的工艺技术的基础就是复合材料成型工艺方法。本文首先对相关内容做了概述，分析了先进复合材料的特点，然后在探讨先进复合材料成型工艺过程中原料供给的基础上，研究了复合材料成型工艺发展现状。 关键词：先进复合材料；成型工艺；过程；质量控制 1 前言 作为一项具有较强特殊性的工作，先进复合材料成型工艺得到了长足的发展和进步。研究该项工作过程中的质量控制，能够更好地提升先进复合材料成型的最终效果。 2 复合材料的特点 复合材料一般是由多种成分的材料组合而成，这样做，可以将多种材料不同的功能进行性组合，优化材料的使用功能。各种材料既能保持住个体的独立性，又能相互补充、扬长避短，一举两得。复合材料的成型方法现已有几十种，虽然它比传统的材料有技术上的优点，但也正由于这些复杂的技术，使得复合材料的成本过高，其生产有很大的技术困难。所以我们就需要改进复合材料的成型工艺方法。 复合材料会根据材料的不用组成而造成性能上的差异，但其也有一些共性的特点，如： 复合材料的配比都是需要人工完成的；复合材料可以将各种普通材料的性能进行重组，可以使其具有多种优良性能；可以根据需要制作成各式各样的形状的产品，也避免了多次的复杂工序；可以有针对性的对材料根据需要对材料进行设计和加工等等。 3 先进复合材料成型工艺过程中的原料供给 在先进复合材料的成型过程中必须始终保持均匀稳定原料补充，这样才能更好的使之定型，形成复合材料的原材料中的天然纤维的结构以及特性对成品有着关键性的影响，如果天然纤维中的水分含量在8%以上，则会对材料的成型造成一定的影响，因此，在生产过程中需要特别注意含水比例尽量控制在8%以下。 3.1 天然纤维粉粒进料以及粒料供给方式分析 在进料之前需要将天然纤维粉进行造粒处理，提高其自身的体积比重，然后混合合成树脂、添加剂等材料分别装入挤出机中。比例少的合成树脂在这种锥形双螺杆挤出机中能够做到快速熔融，最后分散在天然纤维之中，这种操作手段能够比较简便的实现混合比率的改变，该方式辅助设施简单容易操作。 粒料的供给是通过使用单螺杆或双螺杆挤出机等方式来实现的，具体的操作内容就是将天然纤维、合成树脂、添加剂三种材料进行造粒处理，然后加入挤出机进行成型。这种生产方式的优势在于现有设备比较齐全，但是，天然纤维需要干燥之后才能进入造粒挤出机。 3.2 积聚（集成体）进料方式与冷搅拌方式 积聚进料的方式是通过使用高速搅拌器来工作的，天然纤维、合成树脂以及添加剂需要进行预处理，形成豆粒大块状体，然后将其加入挤出机中进行成型处理，这种方式能够在一定程度上脱除水分、气体。冷搅拌方式是将木粉中存有的粉状树脂、添加剂等进行集中搅拌，而天然纤维则通过喂料器向挤出机中提供原料。这一过程天然纤维、合成树脂、添加剂等材料不用单独制作，但是必须保持粉状形态，而且需要保持天然纤维的充分干燥。 4 复合材料成型工艺发展现状 目前，世界各国已经形成了原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检验等一系列较完整的工业体系，与其他工业相比，发展速度比较快。树脂基复合材料的成型工艺也从最初的手工操作工艺逐步向技术密集、高度自动化、高生产率、高稳定性的成型工艺上发展，并随着应用领域的广泛开拓，出现了多种成型工艺并存的现象，而且还在不断衍生出新的工艺类型。 4.1 手糊成型工艺 手糊成型工艺又称低压接触成型工艺，是树脂基复合材料工业中使用最早的一种工艺方法，操作方法简单，几乎可适用于所有的复合材料制品的生产，且投入小，但对操作人员技术熟练程度的依赖性较大，生产出的制品单面光洁，产品质量不够稳定。随着各种新工艺形式的不断涌现，手糊成型工艺所占比例逐渐降低，但手糊工艺因具有独特的其他工艺不可替代的尤其是在生产大型制品方面特点，所以仍然在行业内占据着重要的地位。 主要应用领域：建筑雕塑领域如采光顶、活动房屋等；交通设施领域如游艇、汽车壳体、发动机罩等；环境与能源领域如风力发电机用机舱罩、叶片、沼气池等；体育游乐设备领域如游乐车、水滑梯等。 4.2 喷射成型工艺 喷射成型工艺是利用喷射设备将树脂雾化，并与切断的纤维在空间混合后落在模具上面，然后压实排出气泡固化，它是在手糊工艺基础上发展而来的，是将手糊操作中的纤维铺覆和浸胶工作转变为了机械化来完成，是一种相对效率较高的工艺，其生产效率是手糊工艺的2～4倍。喷射工艺同样对操作人员的技术水平依赖较大，且由于增强纤维以断切的形式存在，树脂含量高，制品的强度较低，同时由于喷射设备的原因，其采用阳模成型方便，而采用阴模成型困难较大，且大型制品比小型制品更适合于喷射成型工艺。 主要应用领域：喷射成型工艺主要应用于大型产品的制作及建筑物补强等，代表性的产品有玻璃钢浴缸、整体卫生间、卡车导流罩、净化槽、船身等。 5 复合材料工艺方法的特性 5.1复合材料可设计性强 通过配置不同比例和铺层形式的基体材料与增强体材料，可以设计出各种满足用户需求的功能的复合材料。设计出的复合材料可以减
复合材料先进制造技术分析
复合材料先进制造技术分析 复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一（在 B787 结构上的用量达总重的 50%，A350XWB 结构上的用量达总重的 52%[1]），其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料（以下简称先进复合材料）。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求，在先进复合材料构件成型过程中，需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成，这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证，而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求，随着市场对先进复合材料产品质量、性能、成本、周期等要求的不断提高，促进了先进复合材料工艺技术及其模具和工装技术不断创新发展[1]。 1模具设计与制造技术 在CAD技术发展的推动下，复合材料成型模具和工装广泛采用数字化设计技术，许多常用的结构采用模块化和参数化设计，以提高设计效率。 复合材料模具与常规钣金成型模具的不同之处在于：对累积公差的要求更加严格；模具与零件贴合面尺寸的差异取决于模具的类型和热膨胀特性；复合材料零件的最后尺寸是基体最高固化温度下的尺寸[1]。 在进行模具设计时，重点要考虑热匹配问题，钢和铝的热膨胀系数比大多数碳/石墨复合材料约大出一个数量级，当从固化峰值温度向下冷却时，金属模具的收缩会在构件中引起严重的残余应变或固有应变。在进行模具设计时，如果不能通过尺寸修正，则需要使用热膨胀系数较低的复合材料模具。对于简单的角度回弹问题，在模具设计时，预先把回弹角考虑进去，即制件夹角加上回弹角等于模具的角度，使制件脱模回弹后符合工艺数模要求。对于复杂的制件，采用CAE技术模拟分析模具和工装的结构刚度、热膨胀、温度场分布等效果，为模具温度补偿和回弹修正设计提供依据[2]。 1.1基于成型工艺条件的模具 无论是先进热固性树脂基复合材料，还是先进热塑性树脂基复合材料，其成型过程都需要施加外界压力的压实过程，以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式：（1）构件的一面为刚性模具，另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具（例如传统热压罐工艺，见图1）或依赖机械传压的刚性模具（例如传统模压工艺，见图2），这是最常用的方式；（2）以热胀材料为芯模，刚性材料为阴模，构件置于芯模和阴模之间，这种方式用于 DC-10 飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼；（3）以热膨胀系数高的材料为芯模，热膨胀系数低的材料为阴模，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间；（4）以刚性材料为芯模，热收缩材料为包覆袋，构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。
复合材料的成型工艺
复合材料的成型工艺 图1：热固性复合材料最基本的制备方法是手糊，通常包括将干层或半固化片层用手铺设到 模具上， 形成一个积层。图中展示的是自由宇航公司的技术员（佛罗里达州墨尔本）正在通过手糊工 艺 加工一个碳/环氧预浸料，将用于制造通用航空飞机部件。资料来源：自由宇航公司 在复合材料的加工成型过程中会使用一系列模具，用来给未成形的树脂及其纤维增强材料提供一个成型的平台。手糊（hand layup）成型是热固性复合材料最基本的制备方法，即通过人工将干层或半固化片层铺设到模具上，形成一个积层。铺层方式分为两种：一种称为干法铺层，是先铺层后将树脂浸润（例如，通过树脂渗透方式）到干铺层上的方式，另一种方式是湿法铺层，即先浸润树脂后铺层的顺序。 现在普遍使用的固化方式可以分为以下几种：最基本的是室温固化。不过，如果提高固化温度的话，固化进程也会相应加快。比如通过烤箱固化，或使用真空袋（vacuum bag）通过高压釜固化。如果采用高压釜固化的话，真空袋内通常会包含透气膜，被放置在经手糊的半成型制品上，再连接到高压釜上，等最终固化完成后再将真空袋撤去。在固化过程中，真空袋的作用是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，将产品中汇总的气体排出，从而使产品更加密实、力学性能更好。
图2：热压釜独有的高温和高压条件使其成为完成热固性树脂零部件的固化的重要工具。控制软件的改进则能够帮助经营者提高35-40%的生产量。同时，一些新的树脂配方正在开发当中，将通过低压固化处理。图中是Helicomb国际公司（俄克拉荷马州塔尔萨）的一名操作人员正在使用高压釜进行固化处理。来源：Helicomb国际公司 许多高性能热固性零件都需要在高热高压的条件下完成固化。但是高压釜（Autoclave s）的设备成本和操作成本都较昂贵。采购高压釜设备的制造商通常会一次性固化一定数量的部件。对于高压釜的温度，压力，真空和惰性气体（inert atmosphere）等一系列参数，计算机系统能帮助实现远程甚至无人监控和检测，并最大限度地提高该技术的利用效率。 在加温固化的时候，温度首先由局部升起，再逐渐达到整体均匀的效果，然后按照设定值保持一定的时间直至初步固化完成。但是，不能忽视的一步是冷却，温度必须缓缓下降至室温，这是为了避免由于不均匀的热胀冷缩而导致部件的失真或变形。当固化完成之后，部件要进行脱模处理，另外还有一些部件还要经过二级独立后固化（postcure）处理，在此期间的温度通常比初始固化的温度高，目的是为了提高树脂材料的交联密度（crosslink density），从而获得更好的材料性能。 电子束（Electron-beam）固化是一种适用于薄层板的有效的固化技术。电子束固化是通过电子流对手糊成型的复合材料产生电离辐射，在辐射敏感型树脂中产生聚合和交联反应（crosslinking reaction）。 X射线和微波固化技术的工作方式与此类似。此外，还有紫外线（UV）固化，该程序是利用紫外线辐射来激活热固性树脂中的光引发剂（photoinitia tor），从而引发交联反应。紫外线固化需要光渗透树脂和增强材料。紫外线（UV）或电子束（E-beam）是辐射固化的一种先进手段，能够引发具有化学活性的液体配方，在基体表面实现快速反应的固化过程，这正是区别于传统热固化技术的最大特点。紫外线与电子束虽然