树脂基复合材料(2)

应力颁布不均匀；
②制件直径大，不易加工。
510 °
4、设备
1）缠绕设备 2）轴芯：轴芯决定制品的最终结构，分为永久性和可移去两 种类型，其用用是： ①支撑树脂未交联的复合材料； ②在树脂交联过程中保持制品不变形；
轴芯的种类
金属轴芯：
金属轴芯分为永久性和可再用型两种，永久性轴芯主要用于 高压容器，材料选用Al、Ti、不锈钢等，许多复合材料都有一 定的透气性，所以需要金属内衬，一般是由两片金属薄片 （1.0~1.3mm)焊在一起制成的。 可重复使用的轴芯是由一个骨架和组装在骨架上的金属片组成， 固体火箭发动机是采用这种轴芯的。 可膨胀轴芯 用橡胶做轴芯，，内部充气体使其达到所需的形状，制备贮
Air Pressure Metering Cylinder Mixing Head Metering Cylinder Vent
Preform
Mold
1、Introduction
树脂转移成型可制备从汽车扶手等小制品，到水处理单元等 大制品，是应用领域非常广泛的一种制备复合材料的加工工 艺。它是把增强材料切成或制成预成型体（Preform）， 放入模腔之中。预成型体放置于合适的位置，以保证模具的 密封。合模后，树脂被注射到模腔之内，流经增强体，把气 体排出，并润湿纤维（增强体），多余的树脂将从排气孔处 排出模腔。之后，树脂在一定的条件下经固化后，取出是到 制品。它与RIM很相似。但它们之间还是有本质的区别。
RTM可使用泡沫芯结构，以增加预成型体的刚性，同时也提 高了三维结构的复杂性，由于RTM的压力低可不致使泡沫芯 发生变形。
一体化是RTM成型的以一大特点，这是其它工艺所不能达到的。 RTM还可放置模内金属嵌入件，所以说RTM具有设计灵活的特 点。
3、RTM所需原料
1）树脂： 许多种原料都可用于RTM工艺，其要求是树脂必须能够充满模 腔，润湿增强体，并能固化，得到所需的机械性能的产品。 其中环氧树脂属低低速固化类。 乙烯基聚酯、丙烯酰胺、聚胺酯属高速固化类； 聚碳酸酯、尼龙等也可用于RTM法
Engineering Technology Corporation制造了4. 6× 4.6m 的设备，GlassHopper公司制造了8175Kg的制件，它和体积 为： 15× 4.5× 3m 在制备大制件时一定要对轴芯的设计多加考虑，考虑其重量， 是否变形等因素。
2090 °
2）环状缠绕
8590 °
4Q Re d
Q: 体积流量；
η：粘度；
ρ：密度；
d:喷嘴直径
2、设备要求
1）需要能按一定流速和压力输送物料的计量装置；
2）需要有能完成混合要求的混合头；
3）内部联结的管道； 4）控制系统；
3、工艺参数
以制件重为3公斤为例： 假设多元醇：二异氰酸酯＝2：1
混合时间为1.5 秒
多元醇的流速为1.33Kg/s 假设其密度为1.25g/cm3; 粘度为500CP 当Re＞200时，喷嘴的直径可通过计算为1.7mm。
2）树脂
三种树脂加入的方法：
①
② ③
纤维通过树脂浴（湿法，粘度要求1000~3000CP））
预浸渍法（半成品法，或称为干法） 热塑性树脂的两种方法：粉未涂料法和混杂纤维法；
3、纤维缠绕过程
1）螺旋缠绕 该方法适合于细长几何形状的制件，如压力管、发射管。缠绕 角度为20~90°多数情况为54.7 °它受到几个因素的限制， ①设备大小；②轴芯的重量；③旋转轴的间隙。 多数设备2.4~7.3m直径可达3.7m。
4、模具
由于压力低，故RIM工艺所使用的模具的价格也比较 低，一般采用高质量工具钢、铝合金以及环氧树脂 （温度低于65℃)等
四、制品缺陷
1、由工艺过程造成的缺陷 1）原料污染；
2）温度控制；
3）混合计量控制； 4）模具是否清洁； 5）模具温度； 6）脱模时间；
第二节：树脂转移成型
树脂转移成型具有开发高性能、大体积低成本复合材料的能力
3）平面缠绕（极向缠绕）
纤维在一平面内运动（旋转），同时轴芯也在旋转，形成±β 夹角的多层纤维，与螺旋缠绕相比较，纤维与轴芯的夹角必须 小于20°一般为5~15 ° 火箭发动机壳体是最大的单向缠绕制品，其直径0.9m，长 3m
多数平面缠绕制件的
L/D＝2：1
L/D＜2的制件；
它的优点是：能快速制备 其缺点是： ①
当制品体积大，结构复杂时可选用工具钢制造模具，这种模具 可反复使用50,000~1,000,000次。
第三节：缠绕成型工艺
1、Introduction 缠绕成型就是把连续的纤维丝束（布）用树脂润湿后均匀 而有规律地缠绕在旋转的轴上的一种成型方法 它的原料为： 纤维：GF、CF、芳纶等
树脂：聚酯、乙烯基聚酯、环氧树脂等
第三讲：树脂基复合材料加工工艺（二）
第一节反应注射成型（Reaction Injection Molding) 一、Introduction 反应注射成型是把单体注射到模具之中，在模具之中完成聚合 反应的工艺过程。 其特点是：快速混合两种或两种以上能发生反应的化合物，其 注射温度和注射压力都很低。 与注射成型不同之处是：注射成型的原料采用已完成聚合反应 的聚合物，而反应注射成型则采用单体为原料。
3）增加了氢键的数目，提高了热稳定性。
2、RRIM中使用的纤维与填料
1） 短切玻璃纤维（short Glass Fibers，＜4mm) 2）小的玻璃片（Small Glass Flake)
短纤维的长度虽然很短（0.2~0.4mm）但长径比仍很大，它 在流动过程中，会出现取向现象，对于细长制品，这种取向不 会造成什么影响，但对于大的平面制品，由于收缩和线性热膨 胀系数（CLTE：Coefficient of Linear Thermal Expansion) 不同，可能制成变形，解决加法是用玻璃片做为 增强体。
2、RRIM：增强反应注射成型 (Reinforced RIM) 3、MMRIM:(Mat Molding RIM)
二、RIM使用的原料
反应注射成型是60年代开发的一种聚合物的加工工艺， 其目的是为降低聚胺酯的生产时间，提高生产效率。另外己 内酰胺，环戊烯等也做为RIM的原料
1、树脂体系
R ( OH )n + R' ( OH ) m +2OCN R'' NCO
RIM体系的发展： 20世纪70年代后开发了新的RIM体系
R ( OH )n + H2N Ar NH2 + 2 OCN R'' NCO
O
O
O
O
C NH R" NH C O HN Ar
HN C R" NH C R O
胺基链体系有以下优点： 1）对温度不敏感，（－30℃模量/65 ℃时模量是多元 醇体系的一半 2）玻璃态，不对称性；
4）固化系统
炉子（燃气炉、电炉） 热油（导热油） 灯（红外灯、紫外炉） 蒸汽
微波（纤维具有导电性时不能采用微波法）
2、RTM制品的几何形状及设计能力
有人说：没有任何零件不能通过RTM工艺来制备； 由于体系的压力很低，它在很多方面都得到应用，体系压力 保持在0.07MPa，在VARI（Vacuum-Assisted Resin Injection)体系中，模腔内压力可低于大气压。除适合加工 大制品外，RTM还适用于制备具有深冲压结构（Deep Draw的制品
3 OCN
R' NCO
O C OCN R' N C N O C
R' NCO C O R' NCO
三、RIM工艺过程
1、振动混合（Impingement Mixing) Impingement Mixing,是RIM的心脏，为了使两股混合 流体能在短时间内制成固态高质量的聚合物，首先其原料 的反应活性要高，才能在较短的时间内完成交联反应，更 重要的是两种物料要混合均匀，物料通常是在混合头 （Mix Head)内进行混合的，当混合头打开时物料从喷嘴 中喷入，相互混合，混合时雷诺准数（Reynolds Number)要达到150，最好为200。
3）玻璃钢压力容器比钢质减重40~60%。
4）生产效率高可成型各种尺寸的制品；
5）设备投资大； 6）不能生产凹形制品；
2、原料
1）纤维 玻纤：单头可有47~747m/Kg，一般要进行表面处理（Sizing) 可使用硅烷偶联剂。 芳纶：124~9540m/Kg；
CF：
3K、6K、12K、50K其长度分别为：996、484、249、 62m/Kg。
3、SRIM
1）树脂（粘度10~100CP） 2）增强体
2 CH2 CH R C O R' OH + OCN R''
NCO
CH2 CH R C O R' O
O C N R" H
N C H O
O R' O C R CH CH2
R
(OH)n
+ 2 OCN R''
NCO
O R O C N R' N C H H O O
2）增强体 Glass Fiber、CF、Aramid Fibers等是通常所用的纤维
纤维需要制成合适的预成型体（Preform)制备的方法有三 种 ① Cut-and-Sew ② Spray-Up ③ Fabrication
4、所需设备
1）模具（Tooling) 由于RTM压力很低，这就使得模具比较简单，降低了模具的成 本，可用环氧树脂模具，这种模具可反复使用几千次，模具需 要密封，脱模剂一般要用外脱模剂，（如石蜡、硅油等） 当压力高、需传热快时，可用Ni制造模具。 Zn、Al等的合金也可用于制造RTM的模具，一般来说RTM模 具都是两片结构（Two-Piece）