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嘉峪檢測網 2024-04-21 12:52
1、 噴涂工藝（Spray Lay-up）
1.1、工藝概念
將纖維在手持式槍中切碎，然后送入對準模具的催化樹脂噴霧中，沉積材料在標準大氣條件下固化（如圖1所示）。
圖1 噴涂工藝示意圖
1.2、主要材料
樹脂基體以聚酯樹脂為主，而纖維材料僅限玻璃纖維粗紗。
1.3 、主要優(yōu)勢
i） 廣泛使用多年。
ii）快速沉積纖維和樹脂的方法。
iii）低成本。
1.4、主要缺點
i） 層壓板往往富含樹脂，因此重量過大。
ii）僅包含短纖維，嚴重限制層壓板的機械性能。
iii）樹脂需要低粘度才能噴涂，這通常會損害它們的機械/熱性能。
iv）噴涂樹脂中苯乙烯含量高通常意味著它們具有更大的危害性，其較低的粘度意味著它們有更大的穿透衣物等的傾向。
v） 將空氣中苯乙烯的濃度限制在法定水平越來越困難。
1.5、典型應用
簡單的外殼、輕載結構面板，例如大篷車車身、卡車整流罩、浴缸、淋浴盤、一些小艇。
2、 長絲纏繞工藝（Filament Winding）
2.1 工藝概念
該工藝主要用于空心，通常為圓形或橢圓形的部件，如管道和儲罐。纖維束在纏繞到芯軸上之前要經過樹脂浴，芯軸的旋轉速度由纖維輸送機構和芯軸方向控制（圖2）。
圖2 長絲纏繞工藝示意圖
2.2 主要材料
樹脂基體可以選擇環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛樹脂等任何一種，而纖維類型也沒有限制，但纖維可直接從筒子架上取下，沒有織成織物。
2.3 主要優(yōu)點
i）這是一種非?？焖偾医洕匿佋O材料的方法。
ii）樹脂含量可以通過測量每個纖維束上的樹脂通過夾頭或模具來控制。
iii）由于沒有在使用前將纖維轉變?yōu)榭椢锏牡诙拦ば?，因此纖維成本得以最小化。
iv）層壓板的結構性質可以非常好，因為直纖維可以以復雜的模式鋪設，以匹配施加的荷載。
2.4 主要缺點
i）該過程僅限于凸形部件。
ii）纖維不能輕易地沿著組件的長度鋪設。
iii）大型組件成本可能很高。
iv）組件的外表面未模制，因此在外觀上不美觀。
v）通常需要使用低粘度樹脂，因為它們具有較低的機械和安全性能。
2.5 典型應用
化學品儲罐和管道、氣瓶、消防員呼吸罐
3、 濕鋪工藝（Wet Lay-up）
3.1、工藝概念
用手將樹脂浸漬到呈編織、針織、縫合或粘合織物形式的纖維中。這通常是通過滾筒或刷子完成的，越來越多地使用壓輥式浸漬劑，通過旋轉滾筒和樹脂浴將樹脂壓入織物，層壓板在標準大氣條件下固化（如圖3所示）。
圖3 濕鋪工藝示意圖
3.2、主要材料
樹脂基體可以選擇環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛樹脂等任何一種，而纖維類型也沒有限制。
3.3 、主要優(yōu)勢
i） 廣泛使用多年。
ii）如果使用室溫固化樹脂，則成本較低。
iii）供應商和材料類型的選擇范圍很廣。
iv）纖維含量更高，纖維長度也更長。
3.4、主要缺點
i） 樹脂的混合、層壓板的樹脂含量和層壓板的質量在很大程度上取決于層壓機的技術。如果不引入過多的空隙，通常就無法獲得低樹脂含量的層壓板。
ii）樹脂的健康和安全考慮。手工鋪層樹脂的較低分子量通常意味著它們比較高分子量的產品具有更大的危害性。較低粘度的樹脂也意味著它們有滲透服裝等趨勢。
iii）如果沒有昂貴的萃取系統(tǒng)，將聚酯和乙烯基酯中空氣中苯乙烯的濃度限制在法定濃度越來越難。
iv）樹脂需要低粘度才能手動操作。由于需要高濃度的稀釋劑/苯乙烯，這通常會損害它們的機械/熱性能。
3.5、典型應用
標準風力渦輪機葉片、生產船、建筑裝飾條等。
4、 真空袋工藝（Vacuum Bagging）
4.1 工藝概念
該工藝基本上是上述濕鋪工藝的延伸，其中一旦層壓后就對層壓材料施加壓力以改善其固結性。這是通過在濕鋪層壓板上和工具上密封塑料膜來實現(xiàn)的。袋子下面的空氣被真空泵抽走，因此可以在層壓板上施加高達一個大氣壓的壓力以使其固化（圖4）。
圖4 真空袋工藝示意圖
4.2 主要材料
樹脂主要是以環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂為主，而聚酯和乙烯酯可能存在一定問題，因為真空泵從樹脂中過度萃取苯乙烯。對于增強纖維而言，由于存在一定的固結壓力意味著各種厚重的織物可能會被弄濕。
4.3 主要優(yōu)點
i） 與標準濕鋪技術相比，通?？梢垣@得更高的纖維含量層壓板。
ii）與濕鋪相比，空隙率更低。
iii）由于壓力和樹脂在結構纖維中流動，使纖維更好地濕潤，多余的纖維進入袋裝材料。
iv）健康與安全：真空袋減少了固化過程中釋放的揮發(fā)物量。
4.4 主要缺點
i） 額外的工藝增加了勞動力和一次性包裝材料的成本
ii）操作人員需要更高的技術水平
iii）樹脂含量的混合和控制仍主要取決于操作員的技能
iv）盡管真空袋可以減少揮發(fā)物，但暴露量仍然高于預浸料處理技術等
4.5 典型應用
大型一次性巡航船、賽車部件、生產船中的核心粘接裝置。
5、 拉擠成型（Pultrusion）
5.1、工藝概念
將纖維從筒子架中拉出通過樹脂浴，然后通過加熱的模具。模具完成纖維的浸漬，控制樹脂含量，并在材料通過模具時將其固化成最終形狀。然后，該固化型材自動切割成一定長度。也可將織物引入模具，以提供除0°以外的纖維方向。盡管拉擠成型是一個連續(xù)的過程，會產生恒定橫截面的輪廓，但允許將一些變化引入橫截面中。這個過程將材料拉過模具進行浸漬，然后夾在模具中進行固化。這使得該過程不連續(xù)，但可以適應橫截面的微小變化（如圖5所示）。
圖5 拉擠成型工藝示意圖
5.2、主要材料
樹脂基體一般為環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯酯和酚醛樹脂，而纖維類型沒有限制。
5.3 、主要優(yōu)勢
i） 這是一種非常快速、經濟的材料浸漬和固化的方法。
ii）樹脂含量可精確控制。
iii）纖維成本最小化，因為大部分來自筒子架。
iv）層壓板的結構性能非常好，因為型材中纖維順直，并且可以獲得高纖維體積分數(shù)。
v） 樹脂浸漬區(qū)可以封閉，從而限制揮發(fā)物排放。
5.4、主要缺點
i） 僅限于恒定截面或接近恒定的截面構件
ii）加熱模具的成本可能很高。
5.5、典型應用
用于屋頂結構、橋梁、梯子、框架的梁和大梁。
6、 樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Moulding，RTM）
6.1 工藝概念
織物作為干燥的材料堆放，這些織物有時被預壓成模具形狀，并由粘合劑粘合在一起，然后將這些“瓶坯”更輕松地放入模具中。隨后將第二模具夾持在第一模具上，并將樹脂注入型腔。也可以將真空施加到模腔上，以幫助樹脂被吸入織物中。這被稱為真空輔助樹脂注射（ Vacuum Assisted Resin Injection，VARI）。一旦所有的織物都被潤濕，樹脂入口就會關閉，層壓板就可以固化。注射和固化都可以在環(huán)境溫度或高溫下進行（如圖6所示）。
圖6 RTM工藝示意圖
6.2 主要材料
樹脂通?？梢圆捎铆h(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯和酚醛樹脂，但雙馬來酰亞胺等高溫樹脂也可在較高的工藝溫度下使用。纖維類型不限，縫制的材料在此過程中效果很好，因為間隙允許快速進行樹脂運輸。一些特別開發(fā)的織物可以幫助樹脂流動。
6.3 主要優(yōu)點
i） 可以非常低的空隙率獲得高纖維體積的層壓板。
ii）由于封裝了樹脂，因此具有良好的健康和安全性以及對環(huán)境的控制。
iii）可能減少勞動力。
iv）組件的兩側都有一個模制表面。
6.4 主要缺點
i） 配套的模具價格昂貴，而且為了承受壓力而很重。
ii）一般僅限于較小的部件。
iii）可能會出現(xiàn)未浸漬的區(qū)域，從而導致非常昂貴的報廢零件。
6.5 典型應用
小型復雜飛機及汽車零部件、火車座椅。
7 、其他注塑工藝（SCRIMP, RIFT, VARTM等）
7.1 工藝概念
與RTM工藝類似，織物作為干燥的材料疊堆放置，然后用剝離層和編織型非結構織物覆蓋纖維堆，隨后對整個干堆進行真空袋裝，一旦袋裝泄漏消除，樹脂就可以流入層壓板。樹脂容易在非結構性織物中流動并從上方潤濕織物，從而有助于樹脂在整個層壓板上的分布（如圖7所示）。
圖7 其他注塑工藝示意圖
7.2 主要材料
樹脂一般為環(huán)氧樹脂、聚酯和乙烯基酯。增強纖維為任何常規(guī)織物，縫制的材料在此過程中效果很好，因為間隙允許快速進行樹脂運輸。
7.3 主要優(yōu)點
i） 與上述RTM一樣，但只有部件的一側有模制飾面。
ii）由于一半的工具是真空袋，且主工具所需的強度較低，因此工具成本較低。
iii）可以制造高纖維體積分數(shù)和低空隙率的非常大結構件。
iv）標準濕鋪工具可在此過程中進行修改。
v）一次操作即可生產帶芯結構。
7.4 主要缺點
i）相對復雜的過程，能夠在不需要修理的情況下，在大型結構上持續(xù)良好地運行。
ii）樹脂的粘度必須非常低，因此必須具有機械性能。
iii）可能會出現(xiàn)未浸漬的區(qū)域，從而導致非常昂貴的報廢零件。
7.5 典型應用
小型游艇、火車和卡車車身面板、風能葉片。
8、 高壓釜預浸料（Prepreg - Autoclave）
8.1、工藝概念
織物和纖維由材料制造商在加熱和加壓條件下或在溶劑中用樹脂預浸漬。催化劑在環(huán)境溫度下具有很大的潛伏性，使材料解凍后有數(shù)周或數(shù)月的使用壽命。但是為了延長儲存壽命，這些材料必須是冷凍儲存的。用手或機器將預浸料放置在模具表面，真空包裝，然后加熱到120-180°C，樹脂開始回流并最終固化。成型所需的額外壓力通常由高壓釜（實際上是加壓烘箱）提供，該高壓釜最多可向層壓板施加5個大氣壓，如圖8所示。
圖8 高壓釜預浸料工藝示意圖
8.2、主要材料
樹脂基體一般為環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂和高溫樹脂，如聚酰亞胺、氰酸酯和雙馬來酰亞胺。纖維種類不限，可直接從筒子架上取下或用作任何類型的織物。
8.3 、主要優(yōu)勢
i）樹脂/催化劑和纖維中的樹脂含量可精確設置，并可以實現(xiàn)高纖維含量和低空隙率。
ii）具有出色的健康和安全特性，可以清潔工作。
iii）由于沒有在使用前將纖維轉變?yōu)榭椢锏牡诙拦ば?，單向膠帶的纖維成本已降至最低。
iv）可以針對機械性能和熱性能優(yōu)化樹脂化學性質，高粘度樹脂由于制造工藝而不易溶解。
v）延長的工作時間（在室溫下長達數(shù)月）意味著可以輕松實現(xiàn)結構優(yōu)化，復雜的疊層。
vi）自動化，并可節(jié)省勞動力。
8.4、主要缺點
i） 預浸織物的材料成本較高，對于這些應用，通常也需要昂貴的高級樹脂。
ii）通常需要高壓釜來固化組件，設備昂貴，操作緩慢且尺寸受限。
iii）模具必須能夠承受所涉及的過程溫度，而芯材必須能夠承受過程溫度和壓力。
iv）對于較厚的層壓板，預浸料層需要在鋪層過程中進行熱“疏解”，以確保層間空氣的去除。
8.5、典型應用
飛機結構部件（例如機翼和機尾部分）、F1賽車
9、 非熱壓罐預浸料（Prepreg - Out of Autoclave）
9.1 工藝概念
低溫固化預浸料與傳統(tǒng)高壓釜預浸料完全相同，但其樹脂具有可在60-120°C的溫度下完成固化的化學性質。對于低溫固化（60°C），材料的使用壽命可限制在一周以內，但對于更高溫度的催化作用（>80°C），工作時間可以長達幾個月。樹脂系統(tǒng)的流動曲線允許單獨使用真空袋壓力，從而無需高壓釜（如圖9所示）。
圖9 非熱壓罐預浸料工藝示意圖
9.2 主要材料
樹脂通常只采用環(huán)氧樹脂。纖維類型不限，常規(guī)預浸料。
9.3 主要優(yōu)點
i）所有與使用上述傳統(tǒng)預浸料相關的優(yōu)點（（i）-（iv））都包含在低溫固化預浸料中。
ii）由于固化溫度較低，因此可以使用較便宜的工具材料，例如木材。
iii）由于只需要真空袋壓力，因此可以容易地制造大型結構，并且可以通過簡單的熱風循環(huán)烘箱（通常在部件上原位建造）將溫度加熱到這些較低的溫度。
iv）如果遵循某些程序，則可以使用常規(guī)的泡沫芯材。
v） 比高壓釜工藝能耗低。
vi）提供高水平尺寸公差和可重復性。
9.4 主要缺點
i）盡管樹脂成本低于航空應用所需的材料，但材料成本仍然高于非預浸織物。
ii）工具必須能夠承受比注入工藝更高的溫度（通常為80-140°C）。
9.5 典型應用
高性能風力渦輪機葉片、大型競速和巡航游艇、救援艇、列車部件。
來源：碳纖維及其復合材料技術
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