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三維編織復合材料制造技術及力學性能研究進展

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-04-23  來源:復材在線  作者:西北工業大學航空學院,鄭錫濤  瀏覽次數:137

 

RTM成型工藝過程

RTM成型工藝是先在模腔內預先鋪放增強材料預成形體,芯材和預埋件,然后在壓力或真空作用力下將樹脂注入閉合模腔,浸潤纖維,固化后脫模,再進行二次加工等后處理工序,其基本原理如圖1所示。

纖維預成形有手工鋪放、手工纖維鋪層加模具熱壓預成形、機械手噴射短切纖維加熱壓預成形、三維立體編織等多種形式。

在合模和鎖緊模具的過程中,根據不同的生產形式,有的鎖模機構安裝在模具上,有的采用外置的合模鎖緊設備,也可以在鎖緊模具的同時利用真空輔助來提供鎖緊力,模具抽真空的同時可以降低樹脂充模產生的內壓對模具變形的影響。

在樹脂注入階段,要求樹脂的粘度盡量不要發生變化,以保證樹脂在模腔內的均勻流動和充分浸漬。在充模過程結束后,要求模具內各部分的樹脂均同步固化,以降低由于固化產生的熱應力對產品變形的影響。

不同類型的RTM生產布局

隨著原材料技術、模具技術和設備技術的快速發展,RTM的生產布局也出現了多種多樣的形式。按照生產效率劃分,可以將RTM工藝的發展劃分為3代。

 第1代RTM工藝通常為常溫固化和外部加熱,生產周期為80~150min,生產布局常采用環形生產線,模具在不同的工位流動,模具數量多,生產周期取決于時間最長的工序,通常為固化工序。

第2代RTM工藝的特點是模具自帶加熱系統,同時采用了專門的開合模鎖緊機構,生產效率可以達到20~30min。有代表性的是雙工位RTM工藝布局,一個工位在噴射膠衣、鋪放纖維時,另一個工位可以進行注射、固化過程。

第3代RTM工藝采用的是120℃左右的固化溫度,模具由專用的壓機帶動實現開模、合模、鎖緊,設備采用高速注射設備,模具使用金屬模具,整體布局和SMC工藝類似,成型周期小于10min。
 

RTM工藝參數對工藝過程的影響

    影響RTM工藝的工藝參數包括樹脂黏度、注射壓力、成型溫度、真空度等,同時這些參數在成型過程中是相互關聯和相互影響的。

(1)樹脂黏度。適用于RTM工藝的樹脂應該具有較低的黏度,通常應小于600mPa·s,小于300mPa·s時工藝性能會表現得更好。通過提高樹脂的成型溫度來降低樹脂黏度,以利于更好地實現充模過程。

(2)注射壓力。注射壓力的選擇取決于纖維的結構形式和纖維含量以及所需要的成型周期。研究資料表明,較低的注射壓力有利于纖維的充分浸漬,有利于力學性能的提高。通過改變產品結構設計、纖維鋪層設計、降低樹脂濃度、優化注射口和排氣口的位置、使用真空輔助等手段,都可以實現降低注射壓力。

(3)成型溫度。成型溫度的選擇受模具自身能夠提供的加熱方式、樹脂固化特性及所使用的固化體系的影響。較高的成型溫度能夠降低樹脂的黏度,促進樹脂在纖維束內部的流動和浸漬,增強樹脂和纖維的界面結合能力。

(4)真空度。在成型過程中使用真空輔助可以有效降低模具的剛度需求,同時促進注射過程中空氣的排除,減少產品的孔隙含量。通過實驗數據測定,在真空條件下成型的平板平均孔隙含量只有0.15%,而沒有真空的平板孔隙含量達到1%。

RTM設備和模具

RTM樹脂注射設備包括加熱恒溫系統、混合攪拌器、計量泵以及各種自動化儀表。注射機按混合方式可分為單組分式、雙組分加壓式、雙組分泵式和加催化劑泵式4種?,F在用于批量生產的注射機主要是加催化劑泵式。

        瑞典Aplicator公司制造的RI-2設備,使RTM工藝朝高質量、高速度的全系統生產方面邁了一大步。美國液控系統公司(Liquid Control Systems)制造的Multiflow RTM設備,可對從幾克到數百千克的反應樹脂體系進行計量,混合并注射進低壓力閉合模。

Multiflow CMFH型設備用于制造大型增強材料部件,輸入量為45kg/min??墒褂糜诙喾N樹脂體系。
英國Plastech TT公司生產的注射機考慮了多種生產參數的集中控制問題,其中Megaject Pro型注射機是自動化程度最高的一種。

RTM是在低壓下成型,模具剛度相對要求低,可以使用多種材料來制造模具。常用的模具類型有玻璃鋼模具、電鑄鎳模具、鋁模具、鑄鐵模具和鋼模具。

 一般而言,RTM工藝對模具有如下要求:(1)保持制品的形狀、尺寸精度及上下模具的配合精度,使制品達到設計的表面精度;(2)具有可靠地夾緊和頂開上下模具的裝置及制品脫模裝置;(3)足夠的剛度和強度,保證在合模、開模和注射時不出現破壞和盡可能小的變形;(4)可被加熱,并保證在一定的樹脂成型固化溫度下的使用壽命,在使用過程中不發生開裂和變形;(5)具有合理的注射口、冒口、流通,保證樹脂充滿模腔,并排除制品中的氣體;(6)具有合適的模腔厚度,使模具對預成形體有合適的壓縮量;(7)上下模具的密封性要好,對無真空輔助的工藝,樹脂的漏損率應小于1%,對有真空輔助的工藝,密封應保證不漏氣,以免氣體進入模腔;(8)以合適的材料和制造成本,滿足成型制品數量和模具壽命的要求。

RTM的衍生技術

RTM技術的發展很快,目前在上述成型的基本過程基礎上,還衍生出一些特殊的RTM技術,這些技術主要有真空輔助RTM(VARTM)、壓縮RTM(CRTM)、Seemann’s復合材料樹脂滲透模塑成型(SCRIMP)、樹脂膜滲透成型(RFI)、熱膨脹RTM(TERTM)、柔性RTM(FRTM)和共注射RTM(CIRTM)等。

三維編織復合材料內部紗線在平面和三維空間中交織在一起,形成一個不分層的、復雜的整體結構[4]。因此在編織復合材料研究之初,主要是通過試驗儀器設備等對其進行試驗觀察和研究。20世紀80年代,國外就有許多學者開始了有關三維編織復合材料的各項試驗研究,主要研究了紗線和樹脂的各種參量對編織復合材料拉伸,壓縮,彎曲和層間剪切等力學性能的影響。國內的試驗研究起步相對較晚,直到90年代后期才出現報道。目前已進行包括低速沖擊和高能量碰撞在內的各項試驗研究。

 
 
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