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專題報告

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復合材料非熱壓罐制造工藝綜述(上)

根據纖維類型,復合材料可分為顆粒增強復合材料、不連續纖維增強復合材料和連續纖維增強復合材料。由纖維增強材料制成的復合材料比由顆粒制成的復合材料更堅固、更剛度,稱為纖維增強塑料(FRP)。在FRP系統中,纖維充當承重構件,而基質將纖維粘合在一起,保護纖維免受磨損和環境影響,并充當載荷傳遞介質。FRP系統中常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸/凱夫拉纖維和硼纖維。這些纖維以短切或連續形式與聚合物基質結合。根據所用基質,聚合物基質復合材料 (PMC)是廣泛使用的復合材料,它在制造復雜和大型形狀方面的具有充分的靈活性優勢。熱固性或熱塑性聚合物常被用作基質成分。常用的熱塑性聚合物有聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 和聚氯乙烯 (PVC),熱固性聚合物的例子有環氧樹脂、不飽和聚酯、聚酰亞胺和雙馬來酰亞胺。熱固性聚合物由于易于加工,常用于制造聚合物基復合材料。

高壓釜工藝通常用于制造高結構應用的纖維增強塑料(FRP)復合材料。將預浸漬樹脂的纖維層(預浸料)堆疊在模具上,以形成所需的組件形狀。組件上覆蓋有不同層的排氣管和通氣管,然后用真空袋密封。排氣管有助于吸收從層壓板中擠出的多余樹脂,而通氣管則形成一個通道,通過該通道將空氣和揮發物從組件中排出。將模具層壓板組件放置在高壓釜中,高壓釜是一個大型、溫度和壓力受控的容器。袋子連接到真空系統,并將預設的溫度和壓力(固化循環)施加到層壓板。溫度引發的持續化學反應固化了樹脂。壓力將層壓板壓縮到所需的纖維體積分數,并消除固化過程中存在的任何空隙。此外,壓力使層壓板與工具表面貼合。雖然高壓釜工藝的產品是一種高性能、可靠的復合結構,但許多制造商仍擔心它的諸多缺點。缺點是投資巨大、能耗過高以及工具成本高昂。因此,出于安全原因,只有如航空航天這樣的高精尖產業能夠負擔得起這些成本。大多數制造商正在轉向其他替代方案。

非熱壓罐 (OoA) 工藝通過在熱壓罐外部施加真空、壓力和熱量來制造復合材料。非熱壓罐工藝使用的壓力低于熱壓罐,并在烘箱或加熱毯中固化復合材料。因此,開創了一種特殊的樹脂系統來有效消除空隙。非熱壓罐工藝比熱壓罐固化更具成本效益。本綜述討論了常見的非熱壓罐工藝,同時簡述了非熱壓罐工藝的未來發展方向。

1.預浸料

預浸料是用部分(B 階段)固化的樹脂基質預浸漬的單向纖維片。預浸料的生產方法是將纖維放置在兩片樹脂片(通常是環氧樹脂)之間,穿過滾筒的纖維獲得完全浸潤。為了防止過早固化,潤濕的預浸料通常被卷起并儲存在冰箱中?18°C的環境中。其厚度從 0.01 毫米到 0.8 毫米不等,具體取決于所用纖維的形式。常見的纖維預浸料包括單向帶、編織和預浸料絲束。用于預浸料制造的樹脂類型有環氧樹脂、酚醛樹脂和氰酸酯。預浸料非常柔韌,因此可以將其成型并適應復雜的模具。此外,由于樹脂部分固化,預浸料的表面具有粘性,這有助于預浸料層的堆疊并防止相互之間的移動。預浸料可以通過手動鋪層工藝或自動化鋪層。圖 1為典型預浸料的示意圖。

復合材料非熱壓罐制造工藝綜述

圖 1. 典型預浸料

2.真空袋裝工藝

真空袋壓工藝使用柔性透明薄膜,利用大氣壓封閉和壓實濕層壓板。圖 2描述了真空袋壓工藝。

復合材料非熱壓罐制造工藝綜述

圖 2. 真空袋成型工藝

該方法使用真空泵抽出真空袋內的空氣,然后在大氣壓下壓縮部件。樹脂被擠壓并從濕層壓板吸入排氣裝置(編織聚酯織物)。真空袋工藝中使用的材料價格低廉,但用該工藝制造的部件比手工鋪層具有更好的機械性能。此外,無論處理的材料數量和類型如何,施加的壓力都均勻分布在整個表面上。均勻施加壓力的效果使得層壓板更薄,空隙更少。因此,該工藝有效地控制了層壓板中的過量樹脂,從而增加了纖維體積分數。此外,這一過程易于加工,可以應用各種模具。然而,使用這種工藝的缺點是,更大更復雜的鋪層需要更多勞動力。且該過程開始之后中間不能有中斷。發生過度排氣時的纖維體積分數不能像其他方法那樣有效地被計算。真空袋工藝中用于生產的材料列于表 1中。真空袋技術可用于制造游艇、甲板、船體、上層建筑、艙壁等主要結構以及隔板和內部接縫等次要結構。與手工鋪層工藝相比,真空袋工藝顯著改善了制造部件的機械性能。

復合材料非熱壓罐制造工藝綜述

表 1. 真空袋裝組件的功能

3. 純真空袋(VBO)/烤箱固化

純真空袋 (VBO) 固化是一種用于加工復合材料層壓板的非高壓釜 (OoA) 技術。該技術在沒有外部壓力的爐子(例如高壓釜)中進行,以壓實層壓板。在沒有高壓的情況下,重要的是要考慮 OoA 樹脂的特性、纖維基層結構和預浸料系統。圖 3顯示了純真空袋復合材料的制造組件及其耗材。OoA 預浸料的特點是部分浸漬的微結構具有平面滲透性,允許空氣排出并有助于在不使用高壓釜壓力的情況下制造低孔隙率部件。部分浸漬的微結構包括干燥和富含樹脂的區域。固化過程中可使用 0.1 MPa 的低壓進行壓實,缺點在于不足以防止空隙形成。因此,在樹脂凝膠化之前,必須將層壓板中夾帶的空氣、水分和其他揮發性物質抽空。因此,部分浸漬微結構中的干燥區域形成內部網絡,有利于氣體在初始低溫固化階段排出。高溫下,樹脂富集區域的樹脂會滲入干燥區域。

復合材料非熱壓罐制造工藝綜述

圖3. VBO固化劑的制造組裝

OoA 預浸料的固結方法是,在室溫下抽真空,抽空真空袋,壓實部件,并將層壓板中的空隙推向真空源,如圖4所示。這樣做的結果是,纖維體積分數增加,預浸料的平面內滲透性降低。在此期間,由于基質的高粘度,樹脂流動受到限制。當部件的溫度升高時,樹脂粘度會降低,從而使樹脂逐漸滲透到纖維床中。樹脂流入干纖維束并飽和層間空間。OoA 預浸料的浸漬通常在第一次溫度上升結束時完成。根據浸漬速率,一旦達到停留溫度,干燥的抽真空通道就會飽和。在固結的最后階段,樹脂經歷凝膠化和玻璃化,然后固化完成。

復合材料非熱壓罐制造工藝綜述

圖4.OoA 預浸料的固結過程


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