以大型復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 件為例簡(jiǎn)述了復(fù)合材料模壓制品主要工藝參 數(shù)和某些行之有效的工藝“訣竅”;總結(jié)了 復(fù)合材料模壓制品可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題、產(chǎn) 生的原因和預(yù)防措施;并介紹了目前國(guó)際復(fù) 合材料模壓制品自動(dòng)化、連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的 某些新進(jìn)展;希望對(duì)復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量 控制和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)有所啟迪和促進(jìn)。

復(fù)合材料由于其眾所周知的優(yōu)異性能及各種工藝的日益成熟、原材料來(lái)源豐富、成本下降、 可靠性提高,使其受到用戶(hù)與生產(chǎn)者雙方的青睞,越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)金屬材料,我們的時(shí)代已進(jìn)入 了復(fù)合材料時(shí)代。據(jù)美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)復(fù)合材料所(Society of the Plastics Industry's Instit ute)1997年元月27日發(fā)表的年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明:1996年美國(guó)復(fù)合材料的銷(xiāo)售量為161萬(wàn)噸,比1995年 的158.5萬(wàn)噸增長(zhǎng)約1.6%,是復(fù)合材料的銷(xiāo)售量連續(xù)第五年增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè),1997年以及以后五年內(nèi)復(fù) 合材料銷(xiāo)售量仍會(huì)連續(xù)增長(zhǎng)。

　　聚合物基復(fù)合材料模壓成形工藝在各種成形工藝方法中占有重要地位,主要用于異型制品的成 形,因而所用的成形壓力高于其它工藝方法。

　　由于模壓成形工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單,又能對(duì)纖維料、碎布、氈料、層壓制品、纏繞制品、編織物 進(jìn)行模壓成形,因而被各種規(guī)模的復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)所普遍采用,復(fù)合材料模壓工藝也幾乎為各生 產(chǎn)單位家喻戶(hù)曉。因此,本文并不打算對(duì)模壓復(fù)合材料制品工藝進(jìn)行系統(tǒng)介紹,僅就影響復(fù)合材料 制品質(zhì)量的一些重要環(huán)節(jié)談?wù)勼w會(huì),因?yàn)榫蛷?fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)異型件而言,保證質(zhì)量、提高合格率 比一般制件更為重要,難度也更大。

 一、對(duì)復(fù)合材料模壓制品質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素

        模壓成形工藝的基本過(guò)程是將一定量的經(jīng)過(guò)一定預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的壓模內(nèi),施加較高 的壓力使模壓料充滿(mǎn)模腔。在預(yù)定的溫度條件下,模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化,然后將制品從壓模內(nèi) 取出,再進(jìn)行必要的輔助加工即得到最終制品。

　　從上述過(guò)程看,完成最終制品涉及的因素有模壓料本身、壓模模具、加壓加溫的熱壓機(jī)等;最 重要的當(dāng)是壓制工藝,本文將單列一節(jié)予以重點(diǎn)講述;還有工作環(huán)境和輔助加工等。

　　1.模壓料

　　任何形式的模壓料(碎布料、氈料、長(zhǎng)、短纖維),在裝模前均應(yīng)使其按預(yù)定比例與樹(shù)脂均勻浸 漬。對(duì)經(jīng)溶劑稀釋的樹(shù)脂溶液,在浸漬纖維后應(yīng)充分晾置使溶劑揮發(fā)。晾置時(shí)間與環(huán)境溫度濕度有 關(guān)。

　　2.壓制模具

　　制品用的模具除應(yīng)保證在工作壓力下的強(qiáng)度、剛度條件以外,主要應(yīng)考慮能給制品的各部位、 各方向較均勻地加上壓力。一定的拔模斜度既能保證制品順利出模,又能起到側(cè)向加壓的作用。模 具設(shè)計(jì)盡量使制品整體成形,既可保證制品的強(qiáng)度、剛度,又可減少輔助加工工序和工裝模具數(shù)量。 

　　在模具上應(yīng)開(kāi)有流膠槽使多余的膠料順利排出。
　　壓模的成型表面應(yīng)至少進(jìn)行拋光或鍍鉻,使光潔度在Δ9以上,以保證順利脫模。
　　應(yīng)在模具靠近型腔部位開(kāi)設(shè)測(cè)溫孔。
　　模具本身,必要時(shí)考慮設(shè)計(jì)一定的附件以保證較方便地實(shí)現(xiàn)脫模。

　　3.壓機(jī)

　　壓機(jī)的尺寸和噸位應(yīng)能滿(mǎn)足制品及所選材料、模具結(jié)構(gòu)的要求。
　　壓機(jī)的溫度、壓力最好能有手控和自動(dòng)控制兩種模式。
　　壓機(jī)的工作臺(tái)或上下加熱板應(yīng)盡量使工件保持水平以避免樹(shù)脂向一側(cè)流聚。加熱板在有效工作范圍內(nèi)溫度差控制在±5℃左右。

　　4.工作場(chǎng)地

　　工作場(chǎng)地應(yīng)光線充足、通風(fēng)良好,溫度、濕度滿(mǎn)足要求,吊升降叉車(chē)、真空泵、壓縮機(jī)、工作 臺(tái)等配套設(shè)備齊全、工作安全可靠。
    環(huán)境清潔、整齊。
 

　  二、復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝

復(fù)合材料模壓制品的壓制工藝(以環(huán)氧樹(shù)脂基體復(fù)合材料為例)是指模壓料裝模后在固化劑存 在或加熱的條件下在模腔內(nèi)固化成制品的過(guò)程。它是溫度、壓力、時(shí)間綜合作用的結(jié)果,壓制工藝 條件的選擇及可靠控制是決定制品質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　雖然原則上講某一種牌號(hào)的樹(shù)脂有一定的固化特性,但由于同牌號(hào)樹(shù)脂的分子量、軟化點(diǎn),環(huán) 氧值等都有一定的變化范圍,因而固化特性也會(huì)有所差異。為保證復(fù)合材料制品的質(zhì)量,最好對(duì)每 一批次樹(shù)脂的固化特性進(jìn)行測(cè)定,以確定最佳的壓制工藝。這一工作我們是通過(guò)DDA(動(dòng)態(tài)介電分 析)和DMA(動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析)來(lái)完成的。

　　環(huán)氧樹(shù)脂的固化過(guò)程從DDA曲線來(lái)看可分為軟化流動(dòng)、凝膠、固化、熟化(后固化)四個(gè)階段。 如將后兩個(gè)階段合并為固化階段也可視為三個(gè)階段。根據(jù)制品材料制作的試片所測(cè)的DDA曲線,再 根據(jù)制件的厚度和模具結(jié)構(gòu)情況,確定在一定的加熱速度下每個(gè)階段所需保溫時(shí)間和加壓時(shí)機(jī)。在 對(duì)不同加熱速率、不同保溫時(shí)間和加壓時(shí)機(jī)的試片進(jìn)行DMA測(cè)試后,選擇動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最好的試片 的溫度、壓力與時(shí)間關(guān)系的固化特性確定壓制工藝。圖1、2、3分別為F46+BF3·MEA樹(shù)脂體試片的DDA、DMA測(cè)試曲線及該體系為基體的結(jié)構(gòu)制 品的固化曲線。由于該復(fù)合材料制品尺寸大、厚度厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證接頭部位的強(qiáng)度和剛度又采用了難度很大的整體成形工藝,因而固化壓制工序成了特別關(guān)鍵的工序。考慮產(chǎn)品大而厚的因素 及壓機(jī)中心位置與邊緣溫度的差異,為保證整個(gè)產(chǎn)品均勻固化,我們?cè)?0℃的軟化流動(dòng)峰前增加了在 (45±5)℃時(shí)0.5小時(shí)的低溫保溫過(guò)程。另外,在固化后的自然降溫階段,考慮到鋼模與碳復(fù)合材料 熱物理性能的差異,為避免鋼模收縮造成復(fù)合材料制品的翹曲變形,在工藝文件中規(guī)定在產(chǎn)品溫度 降至70℃左右時(shí)松開(kāi)模具四周的頂模螺釘,使產(chǎn)品自由降至室溫再卸模。在上述壓制工藝條件下壓 制的制品合格率達(dá)到90%以上。

 三、聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

 影響復(fù)合材料制品質(zhì)量的因素很多,從原材料的選用到預(yù)浸料的制備、貯存,從生產(chǎn)環(huán)境到每道生產(chǎn)工序都會(huì)影響最終制品的性能。對(duì)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料而言,最終產(chǎn)品一旦發(fā)現(xiàn)重大質(zhì)量問(wèn)題則很難挽救。特別是整體成形的較大制品,無(wú)論從當(dāng)前原材料仍然昂貴的價(jià)格,還是從制品的生產(chǎn)周期,質(zhì)量問(wèn)題造成的損失都將是巨大的。因此,總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)找出缺陷產(chǎn)生的原因,制定有效的預(yù)防措施都將是很有意義的。表1列出了聚合物基復(fù)合材料模壓制品的缺陷、產(chǎn)生原因及預(yù)防措施,可供參考。 

　 四、復(fù)合材料模壓制品工藝新進(jìn)展

據(jù)1997年4月23日至25日在法國(guó)巴黎召開(kāi)的第32屆“歐洲復(fù)合材料”和“先進(jìn)材料與加工工程科學(xué)”大會(huì)報(bào)導(dǎo),德國(guó)凱瑟斯勞騰的復(fù)合材料研究所(Institut fur Verbundwerkstoffe,Kaiserslautern,簡(jiǎn)稱(chēng)IVW)從1993年起研制了一種雙面?zhèn)魉蛪簷C(jī),可以壓制聚合物基復(fù)合材料連續(xù)薄板。該研究所用纖維布和熱塑性樹(shù)脂膜作原料,采用連續(xù)等壓工藝制出浸漬質(zhì)量良好的寬度達(dá)600mm的預(yù)制板(帶)。壓機(jī)的主要工作參數(shù)為:溫度高達(dá)410℃,壓力可達(dá)到5.5MPa。預(yù)制板在加熱條件下可在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)模壓或沖壓成最終制品,形成了預(yù)處理、塑化、模壓和后加工一條龍生產(chǎn)線。

　　雙面?zhèn)魉蛪簷C(jī)可用各種纖維增強(qiáng)各種樹(shù)脂制成預(yù)制板,再壓制成各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件,比RTM法、熱壓罐成形法等生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)周期短,是一種很有前途的工業(yè)復(fù)合材料制品模壓工藝。

　　由德國(guó)、意大利、西班牙、瑞典幾家公司合作,在歐共體的支持下還完成了用夾層板生產(chǎn)汽車(chē)內(nèi)外結(jié)構(gòu)件的研究工作。這種夾層材料用13mm的熱塑性發(fā)泡材料做骨架,用10層玻璃纖維浸漬聚酰胺樹(shù)脂,再上壓機(jī)壓成纖維體積含量為50%的2mm厚的板作為蒙皮。壓制前用計(jì)算機(jī)模擬三維夾層板模壓工藝過(guò)程,以估算其最大許用變形,采取防止層壓缺陷的措施等。整個(gè)產(chǎn)品的模壓至冷卻僅用40秒的時(shí)間即可完成。這種汽車(chē)結(jié)構(gòu)板抗壓能力強(qiáng),骨架與蒙皮共固化,界面粘接良好,無(wú)需輔助粘接工藝。這種結(jié)構(gòu)材料汽車(chē)在發(fā)生撞擊時(shí)可吸收能量,減輕車(chē)禍,增加乘客安全,是一種高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能材料。

　　總之,近幾年來(lái)隨著復(fù)合材料生產(chǎn)自動(dòng)化和建立在二維與三維織物的先進(jìn)工藝基礎(chǔ)上的復(fù)合材料半成品材料工業(yè)的發(fā)展,以長(zhǎng)或短纖維為增強(qiáng)材料,以熱塑性、熱固性樹(shù)脂為基體材料的各類(lèi)復(fù)合材料模壓制品工藝發(fā)展很快,產(chǎn)品性能價(jià)格比高,環(huán)境污染小,生產(chǎn)率高,已經(jīng)或正在不斷適應(yīng)汽車(chē)公交業(yè)、航空航天業(yè)、化工業(yè)、橋梁、通訊等領(lǐng)域工業(yè)化發(fā)展的需要。