Для производства композитов существует широкий выбор сырья, включая смолы, волокна и материалы сердцевины, и каждый материал обладает своими уникальными свойствами прочности, жесткости, ударной вязкости и термической стабильности, а также различной стоимостью и выходом годных изделий. Однако конечные характеристики композитного материала в целом зависят не только от смоляной матрицы и волокон (а также от материала сердцевины в сэндвич-структуре), но и тесно связаны с методом проектирования и процессом изготовления материалов в структуре. В данной статье мы рассмотрим распространенные методы производства композитов, основные факторы, влияющие на каждый метод, и способы выбора сырья для различных процессов.
литье под давлением
1. Описание метода: коротковолоконный армирующий материал и смоляная система одновременно распыляются в форму, а затем отверждаются при атмосферном давлении в результате формования термореактивных композитных изделий.
2. Выбор материалов:
Смола: преимущественно полиэстер
Волокно: грубая стекловолоконная пряжа
Основной материал: отсутствует, необходимо комбинировать только с фанерой.
3. Основные преимущества:
1) Долгая история мастерства
2) Низкая стоимость, быстрая укладка волокна и смолы.
3) Низкая стоимость пресс-формы
4. Основные недостатки:
1) В фанере легко образуются участки с высоким содержанием смолы, что приводит к увеличению веса.
2) Можно использовать только коротковолокнистые материалы, что серьезно ограничивает механические свойства фанеры.
3) Для облегчения распыления вязкость смолы должна быть достаточно низкой, что приведет к потере механических и термических свойств композитного материала.
4) Высокое содержание стирола в распыляемой смоле представляет собой высокую потенциальную опасность для оператора, а низкая вязкость означает, что смола может легко проникать сквозь рабочую одежду работника и вступать в прямой контакт с кожей.
5) Концентрация летучего стирола в воздухе трудно соответствует установленным законом требованиям.
5. Типичные области применения:
Простые ограждения, малонагруженные конструкционные панели, такие как кузова кабриолетов, обтекатели грузовиков, ванны и небольшие лодки.
Формование методом ручной укладки
1. Описание метода: смола вручную вводится в волокна, которые могут быть сплетены, сшиты, склеены или армированы другими способами. Формование методом ручной укладки обычно осуществляется с помощью валиков или кистей, после чего смола вдавливается клеевым валиком для проникновения в волокна. Фанера помещается под нормальное давление для отверждения.
2. Выбор материалов:
Смола: не требуется, доступны эпоксидные, полиэфирные, полиэтиленэфирные и фенольные смолы.
Волокно: требований нет, но из-за плотности более крупных арамидных волокон, их трудно пропитать при ручной укладке.
Основной материал: не требуется
3. Основные преимущества:
1) Долгая история технологий
2) Легко освоить
3) низкая стоимость пресс-формы при использовании смолы, отверждаемой при комнатной температуре.
4) Широкий выбор материалов и поставщиков.
5) Высокое содержание клетчатки, используются более длинные волокна, чем при распылении.
4. Основные недостатки:
1) Состав смолы, содержание смолы в ламинате и его качество тесно связаны с квалификацией оператора; сложно добиться низкого содержания смолы и низкой пористости ламината.
2) Опасность смолы для здоровья и безопасности: чем ниже молекулярная масса смолы для ручного формования, тем выше потенциальная угроза для здоровья; чем ниже вязкость, тем выше вероятность проникновения смолы в рабочую одежду сотрудников и, следовательно, прямого контакта с кожей.
3) При отсутствии надлежащей вентиляции концентрация стирола, испаряющегося из сложных эфиров полиэстера и полиэтилена в воздух, с трудом соответствует требованиям законодательства.
4) Вязкость пастообразной смолы должна быть очень низкой, поэтому содержание стирола или других растворителей должно быть высоким, что приводит к ухудшению механических/термических свойств композитного материала.
5) Типичные области применения: стандартные лопасти ветряных турбин, серийно выпускаемые лодки, архитектурные модели.
процесс вакуумной упаковки
1. Описание метода: Процесс вакуумной формовки является расширением описанного выше процесса ручной укладки, то есть на форму наносится слой полиэтиленовой пленки, после чего фанера укладывается под вакуумом, а затем к фанере прикладывается атмосферное давление для достижения эффекта вытяжки и уплотнения, что позволяет улучшить качество композитного материала.
2. Выбор материалов:
Смола: в основном эпоксидные и фенольные смолы; полиэфирные и полиэтиленэфирные смолы неприменимы, поскольку содержат стирол и испаряются в вакуумный насос.
Волокна: не требуется, даже если основной вес более крупных волокон позволяет впитать материал под давлением.
Основной материал: не требуется
3. Основные преимущества:
1) Возможно достижение более высокого содержания волокон, чем при стандартном ручном способе укладки.
2) Коэффициент пустотности ниже, чем при стандартном процессе ручной укладки.
3) Под отрицательным давлением смола течет достаточно текучей, чтобы улучшить степень пропитки волокон, но, конечно, часть смолы будет поглощена расходными материалами вакуумной системы.
4) Охрана труда и техника безопасности: вакуумная формовка позволяет снизить выделение летучих веществ в процессе отверждения.
4. Основные недостатки:
1) Дополнительная обработка увеличивает затраты на рабочую силу и расход материала для одноразовых вакуумных пакетов.
2) Более высокие требования к квалификации операторов
3) Смешивание смолы и контроль ее содержания во многом зависят от квалификации оператора.
4) Хотя вакуумные пакеты снижают выделение летучих веществ, риск для здоровья оператора все же выше, чем при использовании методов инфузии или приготовления препрегов.
5. Типичные области применения: яхты больших размеров, выпущенные ограниченными сериями, детали гоночных автомобилей, процесс склеивания основных материалов в судостроении.
Намоточная рама
1. Описание метода: Процесс намотки в основном используется для изготовления полых, круглых или овальных конструкционных деталей, таких как трубы и желоба. Пучки волокон пропитываются смолой, а затем наматываются на оправку в различных направлениях. Процесс контролируется намоточной машиной и скоростью вращения оправки.
2. Выбор материалов:
Смола: не требуется, например, эпоксидная, полиэфирная, полиэтиленэфирная и фенольная смолы и т. д.
Волокно: никаких требований, прямое использование пучков волокна на катушке, не нужно ткать или вплетать в волокнистую ткань.
Основной материал: не является обязательным, но внешняя оболочка обычно представляет собой однослойный композитный материал.
3. Основные преимущества:
(1) высокая скорость производства, является экономичным и разумным способом укладки
(2) Содержание смолы можно контролировать путем измерения количества смолы, переносимой пучками волокон, проходящими через смоляную канавку.
(3) Минимизация затрат на волокно, отсутствие промежуточного процесса ткачества.
(4) отличные структурные характеристики, поскольку линейные пучки волокон могут быть уложены вдоль различных направлений, несущих нагрузку.
4. Основные недостатки:
(1) Данный процесс ограничен круглыми полыми конструкциями.
(2) Волокна нелегко и неточно располагаются вдоль осевого направления компонента.
(3) Более высокая стоимость позитивного формования на оправке для крупных конструкционных деталей
(4) Внешняя поверхность конструкции не является поверхностью формы, поэтому эстетика хуже.
(5) При использовании смолы низкой вязкости необходимо уделять внимание механическим свойствам и показателям охраны труда и техники безопасности.
Типичные области применения: резервуары и трубопроводы для хранения химических веществ, баллоны, дыхательные баллоны пожарных.
Формование методом пултрузии
1. Описание метода: из держателя бобины протягивается пучок волокон, пропитанных клеем, через нагревательную пластину. На нагревательной пластине происходит полное проникновение смолы в волокна, контролируется содержание смолы, и в конечном итоге материал отверждается до требуемой формы; полученное отвержденное изделие механически разрезается на отрезки различной длины. Волокна также могут поступать на нагревательную пластину под углом, отличным от 0 градусов. Экструзия и вытяжное формование — это непрерывный производственный процесс, и поперечное сечение изделия обычно имеет фиксированную форму, допускающую небольшие отклонения. Предварительно смоченный материал, закрепленный на нагревательной пластине, немедленно поступает в форму для отверждения. Хотя такой процесс менее непрерывен, он позволяет изменять форму поперечного сечения.
2. Выбор материалов:
Смола: обычно эпоксидная, полиэфирная, полиэтиленэфирная и фенольная смолы и т. д.
Оптоволокно: не требуется
Основной материал: используется нечасто.
3. Основные преимущества:
(1) высокая скорость производства, экономичный и разумный способ предварительного увлажнения и отверждения материалов.
(2) точный контроль содержания смолы
(3) минимизация затрат на волокно, отсутствие промежуточного процесса ткачества
(4) отличные структурные свойства, поскольку пучки волокон расположены в прямых линиях, объемная доля волокон высока
(5) Зона проникновения волокон может быть полностью герметизирована для уменьшения выделения летучих веществ.
4. Основные недостатки:
(1) процесс ограничивает форму поперечного сечения
(2) Более высокая стоимость нагревательной пластины
5. Типичные области применения: балки и фермы жилых зданий, мосты, лестницы и ограждения.
Процесс литья под давлением с переносом смолы (RTM)
1. Описание метода: Сухие волокна укладываются в нижнюю форму, которая может быть предварительно герметизирована для обеспечения максимально возможного соответствия формы формы и адгезионного сцепления волокон; затем верхняя форма крепится к нижней, образуя полость, после чего в полость впрыскивается смола. Широко используется вакуумная инъекция смолы и пропитка волокон, известная как вакуумная инъекция смолы (VARI). После завершения пропитки волокон клапан подачи смолы закрывается, и композит отверждается. Инъекция смолы и отверждение могут проводиться как при комнатной температуре, так и при повышенной температуре.
2. Выбор материалов:
Смола: обычно эпоксидная, полиэфирная, поливинилэфирная и фенольная смола; бисмалеимидная смола может использоваться при высоких температурах.
Волокно: не требуется. Для этого процесса больше подходит сшитое волокно, поскольку зазор между пучками волокон способствует переносу смолы; существуют специально разработанные волокна, способствующие текучести смолы.
Основной материал: ячеистая пена не подходит, поскольку ячейки сот будут заполнены смолой, и давление также приведет к разрушению пены.
3. Основные преимущества:
(1) Более высокая объемная доля волокна, низкая пористость
(2) Охрана труда и техника безопасности, чистая и аккуратная рабочая среда, поскольку смола полностью герметизирована.
(3) Сократить использование рабочей силы
(4) Верхняя и нижняя стороны конструктивных элементов представляют собой формованные поверхности, что облегчает последующую обработку поверхности.
4. Основные недостатки:
(1) Используемые вместе формы дороги, тяжелы и относительно громоздки, чтобы выдерживать большее давление.
(2) ограничено производством мелких деталей
(3) Легко могут образоваться незатопленные участки, что приводит к образованию большого количества отходов.
5. Типичные области применения: мелкие и сложные детали космических челноков и автомобилей, сиденья для поездов.
Дата публикации: 08.08.2024
