SCRIMP成型工藝的研究

SCRIMP威型工藝的研究2001年9月SCRIMP成型工藝的研究鄧京蘭祝穎丹王繼輝武漢理工大學(xué)430070)擠要:本文側重介紹了 SCRIMP工藝材料的合理選用和樹(shù)脂分配系統的設計,并以一甲板制作實(shí)例簡(jiǎn)述了 SCRIMP工藝成型過(guò)程關(guān)鍵詞: SCRIMP咸型工藝高滲透介質(zhì)溝槽引流制作實(shí)例1前言含量高,樹(shù)脂浪費率低于5%,比開(kāi)模工藝可節約勞先進(jìn)復合材料以其優(yōu)異的性能用量日趨增加。動(dòng)力50%以上。在芯材加入的前后,無(wú)需等待樹(shù)脂然而,對于幾何形狀復雜的大型夾芯和加筋結構件,的預浸和固化,可一次成型大型復雜幾何形狀的夾由于尺寸大性能要求高采用纏繞、模壓等工藝成芯和加筋結構件。尤其在板中加筋時(shí),材料和人工型困難,而采用手糊或噴射成型則制品的質(zhì)量得不的節省相當可觀(guān)。到保證,因此傳統的成型工藝在成型大型復雜結構SCRIMP成型T藝為制造大型結構/功能件提件時(shí)存在難以逾越的技術(shù)障礙,嚴重影響了復合材供了嶄新的思路,國際上普遍認為該工藝制造厚壁料的廣泛應用。 SCRIMP( Seemann Composite Resin的大型平面、曲面的層合結構和加的異型構件等具Infusion Molding Process)成型工藝是近年來(lái)在RTM有非常好的發(fā)展前景。工藝基礎上發(fā)展起來(lái)的一種獨特的復合材料成型工2 SCRIMP成型工藝藝,在國外已成功地用于艦船、軍事設施、國防工程SCRIMP成型工藝在理論上具有顯著(zhù)的優(yōu)越航空和民用工業(yè)等。 SCRIMP工藝的基本原理是在性,但該工藝對模具、原材料和成型工藝技術(shù)有較高模具型面上鋪放增強材料,將型腔邊緣密封嚴密在的要求。根據樹(shù)脂的分配系統,可將 SCRIMP工藝型腔內抽真空,再將樹(shù)脂通過(guò)精心設計的樹(shù)脂分配分為兩種:一種是高滲透介質(zhì)型,另一種是溝槽引流系統在真空作用下注人模腔內。和傳統的開(kāi)模成型型。前者設計相對靈活且簡(jiǎn)單,但一些材料如剝離工藝相比, SCRIMP成型工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):①機械層、高滲透介質(zhì)等不能重復利用,不僅產(chǎn)生了固體廢性能高:在不增加成本的情況下,與手糊構件相比,棄物且增加了生產(chǎn)成本,充模速度也相對慢。后者SCRIMP成型構件的強度、剛度或硬度及其它的物則可克服這些缺點(diǎn),不需要高滲透介質(zhì)和剝離材料理特性可提高1.5倍以上。②重復性采用 SCRIMP溝槽滲透率遠遠高于滲透介質(zhì)充模速度得到大幅制作的構件,不論是同一構件還是構件與構件間都度的提高。存在高度的一致性。構件有相對恒定的樹(shù)脂比,空2.1模具隙率低,不超過(guò)1%,更容易檢測構件缺陷。高度固在模具表面涂上脫模劑,再涂上膠衣層可改善化的層板可在日光下目測空隙或其它缺陷問(wèn)題。帶制品的表觀(guān)。密封真空袋一般選用尼龍、硅樹(shù)脂或有膠衣的夾芯層,不僅可直接看到外表層,還可看到聚合物薄膜等。密封時(shí),可將真空袋直接與模具邊芯層。③重量輕: SCRIMP成型時(shí)樹(shù)脂消耗量受到緣密封,或將整個(gè)模具密封到真空袋內。在抽真空嚴格的控制,其比例幾乎由真空值決定,纖維含量可前,要檢查真空袋與模具的氣密性確保無(wú)泄漏高達75~80%。無(wú)需額外的材料來(lái)連接芯材。因2.2主要原材料此,對強度或剛度要求相同的構件,采用 SCRIMP工(1)樹(shù)脂。適應 SCRIMP工藝的典型樹(shù)脂包括藝制作可節約材料,減輕重量。④環(huán)保:這是低收縮聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂CRMP工藝最突出的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)模成型時(shí),苯乙烯等低粘度樹(shù)脂。要求樹(shù)脂體系粘度低(一般為150的揮發(fā)量高達35~45%。 SCRIMP工藝則幾乎是閉800cps),使樹(shù)脂僅在真空力作用下能夠完全浸漬增模成型過(guò)程揮發(fā)性有機物和有毒空氣污染物均被強材料。不同的工藝對凝膠時(shí)間有不同的要求,如局限于真空袋中。僅在真空泵排氣(可過(guò)濾)和打開(kāi)有些工藝要求在35min內注射完,有些則需要4h完樹(shù)脂桶時(shí)有微量的揮發(fā)物。⑤成本低,效率高:纖維成中國煤化工注射成功的關(guān)鍵FRP/CM 2001 No SCNMHG2001年9月玻璃鋼/復合材料之一。在浸漬過(guò)程中,粘度變化小,固化放熱峰值應材、PVC、PEI和其它線(xiàn)性微孔封閉型塑料等。對于適中。高放熱峰會(huì )損壞模具甚至成型構件。此外,開(kāi)孔型芯材(如蜂窩狀),樹(shù)脂會(huì )充滿(mǎn)其空穴,加重了由于 SCRIMP工藝中通常有加強筋,樹(shù)脂應具有較制品的重量和成本,因此這類(lèi)芯材不能選用高的延伸性能。(5)剝離層。低孔隙率、低滲透率的纖維織物可2)增強材料。增強材料一般包括E玻纖、碳纖改善制品的表觀(guān),防止真空線(xiàn)粘在制品」維、 Kevlar纖維、 Spectra纖維以及E玻纖與其它幾種2.3樹(shù)脂分配系統的設計纖維的混雜形式。機織材料不適合于注射工藝,新(1)高滲透介質(zhì)型型的針織材料和平紋單向纖維是較理想的選擇高滲透介質(zhì)型是在模具上先鋪設高滲透介質(zhì),(3)高滲透介質(zhì)?？刹捎每紫堵矢叩臋C織纖維,及一層樹(shù)脂可浸透的剝離層,再鋪覆增強材料,在增便于樹(shù)脂的滲透。強纖維上再鋪設剝離層和高滲透介質(zhì),然后用真空(4)芯材。一般芯材都在可選范圍內,如輕質(zhì)木袋密封,其基本結構如圖1所示。真空袋高滲透介質(zhì)纖維預成型體夾芯纖維預成型體高滲透介質(zhì)圖1高滲透介質(zhì) SCRIMP結構樹(shù)脂注射過(guò)程中,高滲透介質(zhì)的滲透率遠高于(2)溝槽引流型剝離層和纖維增強材料的滲透率,浸漬纖維材料的溝槽引流型適合于制作單面或中間帶夾芯的制樹(shù)脂主要是從高滲透介質(zhì)滲出,因此高滲透介質(zhì)對品。在芯材表面布設快速流道,樹(shù)脂通過(guò)流道迅速充模時(shí)間起決定性的作用。剝離層和纖維預成型體充模,基本結構如圖2所示。不僅有助于脫模,而且加快了樹(shù)脂充模速度。真空袋纖維預成型體森粉■國■國■■■圓圓■■泡沫芯材多圖2溝槽引流 SCRIMP結構溝槽設計是 SCRIMP工藝最關(guān)鍵的一步,其數低于溝槽間距的兩倍。對于厚壁構件,則與構件的量和尺寸與制品的規格有關(guān)。最佳布局要通過(guò)厚度和纖維材料的橫向滲透率有關(guān),但比薄壁構件與實(shí)驗來(lái)設計。真空線(xiàn)、樹(shù)脂線(xiàn)和溝槽的布置如圖3的距離要大。溝槽的尺寸也有一定的限制。溝寬小所于3mm,則不便于機械加工,大于6mm則容易造成在圖3(a)中,出口的位置對充模時(shí)間有影響,與樹(shù)脂浪費,甚至引起纖維預成型體在真空壓力的作溝槽應相距一定的距離。若出口直接與溝槽相連,用下陷入溝槽中。因此,較理想的槽寬一般為由于出口處的滲透率遠大于纖維的滲透率,大部分6mm,溝槽間距為2.5~75樹(shù)脂通過(guò)溝槽流到出口,而不是流進(jìn)纖維預成型體。在圖3(b)中,引流槽的設計可更方便控制整個(gè)對薄壁構件而言,溝槽末端與出口之間的距離應不工藝仟量的避色脂的浪費。溝槽間中國煤化工CNMHGM 2001 No, 5SCRIMP成型工藝的研究2001年9月距最佳為25cm,槽寬為3.5m,槽深為35mm。對于簡(jiǎn)單的面板考慮面板的寬度沒(méi)有多大的意義,真空線(xiàn)(出凵)引流溝槽樹(shù)脂線(xiàn)(進(jìn)口)樹(shù)脂流動(dòng)真空線(xiàn)(出口)引流溝槽樹(shù)脂流動(dòng)樹(shù)脂線(xiàn)(進(jìn)口)圖3真空線(xiàn)、樹(shù)脂和引流槽的布王即使有遺漏處也無(wú)關(guān)緊要。但對于帶有夾芯的大型部位最佳的溝槽間距為35~50cm。板可以頭尾相構件加入如圖4所示垂直于引流槽的供應槽,則大接,保持相同的供應槽間距。供應槽一般刻在芯材大提高了樹(shù)脂的充模速度。實(shí)驗發(fā)現,供應槽間距的頂部、底部和兩側使樹(shù)脂可同時(shí)供應底層和頂超過(guò)55cm時(shí),容易產(chǎn)生速度慢且不均勻的樹(shù)脂流動(dòng)層。前峰;間距小于30cm時(shí)溝槽間有樹(shù)脂未達到飽和21cm 42cm 1 42cm I 2ch42c12lc題供應檜圖4供應槽的布局3制作實(shí)例供選擇?？捎寐菪芑虼┛坠芑蚋邼B透材料帶制成以一帶四根縱向筋和三根橫向筋的夾芯甲板制的流道,或直接通過(guò)芯材上的流道輸送。本例采用作(170cmx60cm)為例簡(jiǎn)述說(shuō)明 SCRIMP工藝的芯材上的流道來(lái)輸送樹(shù)脂。在芯材縱向上刻引流基本成型過(guò)程。甲板主要由外層(E-玻璃纖維)、槽間距為40cm。由于樹(shù)脂要流過(guò)150cm的長(cháng)度,PⅤC泡沫芯材和內層(E-玻璃纖維)組成。最大的在每一輸送流道上至少要一個(gè)輸送點(diǎn)。輸送點(diǎn)的平橫向筋為刻槽芯材尺寸為60cmx20m×20m,頂均間距為25m。采用一T型附件樹(shù)脂只需從輸送部帶有一層E-玻璃纖維和10層單向碳纖維。其它點(diǎn)朝兩邊流動(dòng)25cm甲板形狀基本上為一矩形,且以縱向筋為主故的加強筋均為刻槽的高密度PVC芯材。沿寬度方向刻槽最佳,使得樹(shù)脂可流過(guò)縱向筋。若3.1樹(shù)脂分配系統將樹(shù)脂從貯罐中抽出輸入構件,有幾種方案可樹(shù)脂YHEXl可能誰(shuí)以控制樹(shù)脂的流動(dòng)中國煤化工FRM/CM200 NCNMHG2001年9月玻璃鋼/復合材路徑。為縮短樹(shù)脂的流動(dòng)距離,從甲板中心線(xiàn)輸入空線(xiàn)要求沿長(cháng)度方向布置,使樹(shù)脂在真空作用下從樹(shù)脂,可產(chǎn)生兩個(gè)流動(dòng)前峰,即縮短了一半距離。真中心向前流動(dòng)。樹(shù)脂分配系統結構如圖5所示。主要的亥空線(xiàn)樹(shù)脂輸送通道輸送點(diǎn)主要的真空線(xiàn)圖5樹(shù)脂分配系統結構3.2鋪層過(guò)程準備好6桶樹(shù)脂樹(shù)脂的凝膠時(shí)間為25h,平均在模具上先用短切玻纖手糊一層表面氈,這一粘度為400cp先將3桶樹(shù)脂注入。樹(shù)脂催化后步十分關(guān)鍵。它可以確保模具無(wú)空氣泄露,防止制打開(kāi)甲板中心軸上的第一批輸送點(diǎn),每條流道上同品腐蝕或刺破。表面氈固化后,要檢測模具是否能時(shí)打開(kāi)5個(gè)。樹(shù)脂以?xún)蓚€(gè)流動(dòng)前峰均勻地朝甲板兩保持真空狀態(tài)。接著(zhù)鋪放外層。外層為2層E-玻邊流動(dòng)。當樹(shù)脂到達縱向筋后,打開(kāi)筋上的輸送點(diǎn)璃纖維,約為5mm厚,層間接縫錯開(kāi)。再放三明治通過(guò)控制每根筋上的真空線(xiàn),使樹(shù)脂在甲板上比在夾芯。每一芯材的頂部、底部和上下兩面均事先刻筋上流得更快。橫向筋上有小部分樹(shù)脂流失,由于有連續的溝槽。芯材放入后,芯材板間的垂直接縫量小可忽略,對甲板的整體成型無(wú)影響。注射大約用樹(shù)脂基填料填充,以防止樹(shù)脂在芯材板間任意流持續2.5h,除去真空袋和剝離層后,檢査甲板動(dòng)。再將樹(shù)脂輸送流道放在芯材的頂部流道的排4結束語(yǔ)列一定要正確合理。然后可鋪放2層E-玻璃纖維復合材料是實(shí)現結構減重、提高性能的最有效、組成的內層。至此,甲板的基本層結構已完成。接最便捷的途徑。然而居高不下的成本阻礙了復合材下來(lái)是加強筋的鋪放。先放置最大的橫梁再放其料的廣泛應用。因此開(kāi)展低成本 SCRIPM快速成它2根橫向筋和4根縱向筋。3根縱向筋與最大的型工藝的研究對推動(dòng)復合材料的應用有重要的意橫梁相接,形成了含三個(gè)不同層和三個(gè)不同的樹(shù)脂義,將有力地促進(jìn)我國低成本高性能復合材料的發(fā)流動(dòng)方向的交匯處。3.2注射步驟參考文獻鋪層結束后,在甲板的表面加上剝離層,叮獲得1趙渠森.材料和工藝在“買(mǎi)得起的復合材料”中的作用航空制造光滑的制品表面并防止真空線(xiàn)粘在甲板上。再將輸技術(shù),2000,6:47-51送點(diǎn)插入輸送流道。在構件的外邊緣布置好主要的2 Xiudong Sun, Shoujie Li,mdL. James le, Mold Filling Analysis in真空線(xiàn)。加強筋頂部也放置真空線(xiàn)但彼此獨立,必Vacuum- Assisted Resin Transfer Molding. Polymer composites,要時(shí)可單獨關(guān)閉。1998,19(6):807-817甲板用真空袋密封,連上真空管,慢慢地抽真Xiudong Sun, Shoujie Li, and L. JamesVacuum-Assisted Resin Transfer Molding. 1998, 19(6):818-828空。由于加強筋比較復雜,這一步要特別小心。真4 Gordon Lac, Belle gall. A New Vacuum Infusion Process to man空袋放好后,輸送點(diǎn)與輸送管相連,可直接輸送樹(shù)脂。甲板和加強筋上約有90多個(gè)輸送點(diǎn)。關(guān)閉輸5李相松,王繼樣,鄧京“真空輔助RTM成型技術(shù)的研究玻璃鋼送流道,檢查甲板的氣密性。5min后,壓力下降值不復合材料,2001,1:1718,23得超過(guò)12mm水銀汞柱。否則須重新檢查密封性(下轉第32頁(yè)中國煤化工CNMH GM 200L. No.(上接第43頁(yè))STUDY OF SCRIMP MOULDING TECHNOLOGYDeng Jinglan ZhWuhan University of TechnologyAbstract: The paper puts stress on the description of the seSystem in SCRIMP and gives an example of deck moulding by中國煤化工 resin distributiKeywords: SCRIMP high penetrating medium resin floCNMHGle收稿日期:2001-07-25FR/CM:2001,No,5