纤维复合材料 用2 缠绕工艺成为复合材料成型工艺技术研究的主要内 法国圣戈班( Saint-(xban)公司推出了一类容之一。热塑性复合材料由于基体聚合物的分子量 由聚合物纤维和玻璃纤维复合纱编织而成的织物较大,熔体黏度高,欲获得密实的低空隙缠绕结构, ( Twintex),其产品在热塑性复合材料领域具有广阔成型过程中通常需要施加较高的温度和压力。在缠 的应用前景 绕过程中同时实现/高温0和高压两个工艺条件是 (2)粉末混合工艺是在纤维分散的同时,十分困难的,尤其是原位固结的高压0工艺条件更 将聚合物粉末均匀、松散地附着在纤维的表面,然难以实现。因此热塑性预浸料的加热/表面活化和 后,将附着粉末的纤维送入加热系统中加热,使熔融固结压力是热塑性复合材料缠绕工艺最关键的两个 的聚合物与纤维黏合在一起,经过加压固结装置使工艺参数。 之压实、定型,即成为纤维/树脂混合料。这种工艺 热塑性复合材料缠绕工艺路线大致有以下几种 能快速连续生产热塑性浸渍带,纤维损伤少,聚合物类型 无降解,具有成本低的潜在优势。适合于这种技术41预浸带缠绕/原位固结工艺 的树脂粉末直径以5~10Lm为宜。此法的不足之 在缠绕前先将纤维浸胶制成预浸带,然后卷在 处是浸润仅在成型加工过程中才能完成且浸润所卷盘上待用。使用时将预浸带加热软化后直接缠绕 需的时间、温度、压力均依赖于粉末直径的大小及其在芯模上固结成型。这种工艺方法可大大提高缠绕 分布状况。 速度,缠绕张力均匀,设备清洁,易实现自动化缠绕 小、(3)Fr135工艺是法国人发明的一种粉末混可严格控制纱带的含胶量和尺寸,制品质量较稳定 合法,其工艺步骤分为两步:首先,采用悬浮、分散技省去了热固性树脂复合材料成型的后固化过程简 术使聚合物粉末附着在松散的纤维上形成纤维聚化了生产流程,并打破了固化环节带来的一些对产 合物粉末的纱束;然后,将混合纱東用聚合物保护管品规格、性能的限制。但缠绕设备复杂投资较大,产 保护起来即成为Ft预浸料。F预浸料可用于编品成本较高 织织物,也可用于缠绕和拉挤等工艺,是一种比较有 预浸带缠绕/原位固结工艺是连续纤维增强热 前途的预浸料制造方法。 塑性复合材料工艺技术中研究的最多的一种成型工 )薄膜叠层法是长期以来制造热塑性基艺,尤其是预浸带缠绕的低压固结工艺技术由于固 体复合材料的一种标准的制造技术。它是将增强纤结压力较低,部件的缠绕和固结同时完成,成为热塑 维放在两层聚合物薄膜之间在较高的压力(通常为性复合材料缠绕工艺的研究重点 3.5~10Ma)下将熔融的聚合物基体压入纤维之间 美国的 DuPant公司首先报道了连续碳纤维增 并在压力下固结。该工艺方法的成型条件比较苛强聚醚醚酮热塑性复合材料预浸带缠绕原位固结 刻成型时间长压力大、温度高且仅能用于模压制复合工艺的研究结果。美国的Phis公司分别研 品的加工,就板材尺寸而言,该加工工艺也受到限究了玻璃纤维增强聚苯硫醚和碳纤维增强聚苯硫醚 制 热塑性复合材料的缠绕工艺,定量地确定了工艺参 4热塑性复合材料纤维缠绕成型工艺 数对复合材料性能的影响。英国的ICI公司也开展 了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的缠绕工艺和固结 有记录的纤维缠绕制品的最早应用是1945年工艺的研究工作 制成的玻璃钢环,用于原子弹工程,后来发展成NO4.2预浸带缠绕/后固结工艺 环的基础,第一个纤维缠绕技术专利于1946年在美 与热固性复合材料的缠绕相类似热塑性复合 国注册,即对固体火箭发动机壳体和压力容器开发材料预浸带缠绕工艺也可以将预浸带直接缠绕在芯 系统研究。此后,发动机壳体、压力容器、飞机雷模表面,然后送入加热釜或者真空袋中进行加热/加 达罩、导弹头锥、鱼雷发射管及玻璃钢制品等都在应压固结;或将预浸带加热后缠绕在芯模的表面,形成 用。缠绕成型工艺已历经半个世纪的发展,经过了/半固结0状态,然后送入加压釜或固化炉中加热/加 从纤维缠绕、纤维铺放和带缠绕的发展过程,成为聚压固结。这种方法的设备较简单,对原材料要求不 合物基复合材料制造的重要手段之一。从航空航天高,在一些情况下,为了获得要求的部件质量,进行 用的固体火箭发动机壳体到民用的玻璃钢管、贮罐后固化是十分必要的,原位固结所得部件空隙率为 都有缠绕成型制品被广泛采用。 2.5%,如果利用后固化工序,空隙率能降到1% 20世纪80年代初,由于解决了热塑性树脂与 美国的ASPC公司研究了连续碳纤维增强聚苯 连续纤维的浸渍技术问题,以热塑性树脂为基体的硫醚的NO环和压力容器的预浸带缠绕/后固结成用[28]。 法国圣戈班( Saint - Gobain) 公司推出了一类 由聚合物纤维和玻璃纤维复合纱编织而成的织物 (Twintex) , 其产品在热塑性复合材料领域具有广阔 的应用前景[29]。 ( 2) 粉末混合工艺 [30- 34]是在纤维分散的同时, 将聚合物粉末均匀、松散地附着在纤维的表面; 然 后, 将附着粉末的纤维送入加热系统中加热, 使熔融 的聚合物与纤维黏合在一起, 经过加压固结装置使 之压实、定型, 即成为纤维/ 树脂混合料。这种工艺 能快速连续生产热塑性浸渍带, 纤维损伤少, 聚合物 无降解, 具有成本低的潜在优势。适合于这种技术 的树脂粉末直径以 5~ 10Lm 为宜。此法的不足之 处是浸润仅在成型加工过程中才能完成, 且浸润所 需的时间、温度、压力均依赖于粉末直径的大小及其 分布状况 [ 28]。 (3) Fit [35- 36]工艺是法国人发明的一种粉末混 合法, 其工艺步骤分为两步: 首先, 采用悬浮、分散技 术使聚合物粉末附着在松散的纤维上, 形成纤维/ 聚 合物粉末的纱束; 然后, 将混合纱束用聚合物保护管 保护起来, 即成为 Fit 预浸料。Fit 预浸料可用于编 织织物, 也可用于缠绕和拉挤等工艺, 是一种比较有 前途的预浸料制造方法。 (4) 薄膜叠层法[37]是长期以来制造热塑性基 体复合材料的一种标准的制造技术。它是将增强纤 维放在两层聚合物薄膜之间, 在较高的压力( 通常为 3. 5~ 10MPa)下将熔融的聚合物基体压入纤维之间, 并在压力下固结。该工艺方法的成型条件比较苛 刻, 成型时间长、压力大、温度高, 且仅能用于模压制 品的加工, 就板材尺寸而言, 该加工工艺也受到限 制。 4 热塑性复合材料纤维缠绕成型工艺 有记录的纤维缠绕制品的最早应用是 1945 年 制成的玻璃钢环, 用于原子弹工程, 后来发展成NOL 环的基础, 第一个纤维缠绕技术专利于 1946 年在美 国注册, 即对固体火箭发动机壳体和压力容器开发 系统研究[ 38]。此后, 发动机壳体、压力容器、飞机雷 达罩、导弹头锥、鱼雷发射管及玻璃钢制品等都在应 用。缠绕成型工艺已历经半个世纪的发展, 经过了 从纤维缠绕、纤维铺放和带缠绕的发展过程, 成为聚 合物基复合材料制造的重要手段之一。从航空航天 用的固体火箭发动机壳体到民用的玻璃钢管、贮罐 都有缠绕成型制品被广泛采用。 20 世纪 80 年代初, 由于解决了热塑性树脂与 连续纤维的浸渍技术问题, 以热塑性树脂为基体的 缠绕工艺成为复合材料成型工艺技术研究的主要内 容之一。热塑性复合材料由于基体聚合物的分子量 较大, 熔体黏度高, 欲获得密实的低空隙缠绕结构, 成型过程中通常需要施加较高的温度和压力。在缠 绕过程中同时实现/ 高温0和/ 高压0两个工艺条件是 十分困难的, 尤其是原位固结的/ 高压0 工艺条件更 难以实现。因此, 热塑性预浸料的加热/ 表面活化和 固结压力是热塑性复合材料缠绕工艺最关键的两个 工艺参数。 热塑性复合材料缠绕工艺路线大致有以下几种 类型[39] : 4. 1 预浸带缠绕/ 原位固结工艺 在缠绕前先将纤维浸胶制成预浸带, 然后卷在 卷盘上待用。使用时将预浸带加热软化后直接缠绕 在芯模上固结成型。这种工艺方法可大大提高缠绕 速度, 缠绕张力均匀, 设备清洁, 易实现自动化缠绕, 可严格控制纱带的含胶量和尺寸, 制品质量较稳定, 省去了热固性树脂复合材料成型的后固化过程, 简 化了生产流程, 并打破了固化环节带来的一些对产 品规格、性能的限制。但缠绕设备复杂投资较大, 产 品成本较高。 预浸带缠绕/ 原位固结工艺是连续纤维增强热 塑性复合材料工艺技术中研究的最多的一种成型工 艺, 尤其是预浸带缠绕的低压固结工艺技术, 由于固 结压力较低, 部件的缠绕和固结同时完成, 成为热塑 性复合材料缠绕工艺的研究重点。 美国的 DuPont 公司首先报道了连续碳纤维增 强聚醚醚酮热塑性复合材料预浸带缠绕/ 原位固结 复合工艺的研究结果。美国的 Phillips 公司分别研 究了玻璃纤维增强聚苯硫醚和碳纤维增强聚苯硫醚 热塑性复合材料的缠绕工艺, 定量地确定了工艺参 数对复合材料性能的影响。英国的 ICI 公司也开展 了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的缠绕工艺和固结 工艺的研究工作。 4. 2 预浸带缠绕/ 后固结工艺 与热固性复合材料的缠绕相类似, 热塑性复合 材料预浸带缠绕工艺也可以将预浸带直接缠绕在芯 模表面, 然后送入加热釜或者真空袋中进行加热/ 加 压固结; 或将预浸带加热后缠绕在芯模的表面, 形成 / 半固结0状态, 然后送入加压釜或固化炉中加热/ 加 压固结。这种方法的设备较简单, 对原材料要求不 高, 在一些情况下, 为了获得要求的部件质量, 进行 后固化是十分必要的, 原位固结所得部件空隙率为 2. 5% , 如果利用后固化工序, 空隙率能降到 1%。 美国的 ASPC 公司研究了连续碳纤维增强聚苯 硫醚的NOL 环和压力容器的预浸带缠绕/ 后固结成 46 纤 维 复 合 材 料 2009 年