复合材料成型工艺与特点(6)

5.6 树脂注入成型技术与特点

定义

复合材料液体成型工艺（Liquid Composites Molding，简称LCM工艺）是RTM（Resin Transfer Molding，树脂传递模塑）、SRIM（Structure Reaction Injection Molding，结构反应注射成型）、SCRIMP（Seemann Composites Resin Injection Molding Process, Seemann法成型工艺）、VARTM（Vacuum Aided Resin Transfer Molding，真空辅助树脂传递模塑）以及RFI(Resin Film Infusion，树脂膜渗透工艺)等一类复合材料成型工艺的总称。

该种工艺基本的成型原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，模具具有周边密封和紧固及由CAD辅助设计的注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料。

RTM工艺原理图 RFI 工艺原理图

LCM工艺主要优缺点

优 点 缺 点 预成型体制备和装配困难 模具设计必须建立在良好的流动模拟分析基础上 模具密封要求高 需要专用的低粘度树脂体系 充模过程不可见，工艺控制困难 制件尺寸精度高 表面质量好 可低压成型（经常低于0.7MPa） 模具费用较低 可设计性好 制品机械性能好（缺陷〈1%） 可成型形状复杂的大型整体构件

复合材料液体成型工艺

一、概述

复合材料液体成型工艺（Liquid Composites Molding，简称LCM工艺）是RTM（Resin Transfer Molding，树脂传递模塑）、SRIM（Structure Reaction Injection Molding，结构反应注射成型）、SCRIMP（Seemann Composites Resin Injection Molding Process, Seemann法成型工艺）、VARTM（Vacuum Aided Resin Transfer Molding，真空辅助树脂传递模塑）以及RFI(Resin Film Infusion，树脂膜渗透工艺)等一类复合材料成型工艺的总称。

该种工艺基本的成型原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，模具具有周边密封和紧固及由CAD辅助设计的注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料。 LCM的工艺种类和特点 如图1.1

图1.1

下面简单介绍一下几种复合材料液体成型工艺

二、树脂体系

2.1 LCM工艺用主要树脂体系的基本要求：

1.具有满足性能要求的机械和物理性能

2.低粘度、凝胶时间长、能够确保充模及纤维浸润过程的完成 3.适当的固化特性保证合适的成型周期 4.低放热温度

2.2 LCM工艺用主要树脂体系：

不饱和聚酯树脂 （Unsaturated Polyester) 乙烯基树脂（Vinyl Ester)

环氧树脂 （Epoxy） 双马来酰亚胺 （Bismaleimide BMI） 氰酸酯树脂 (Cyanate Ester) 酚醛树脂 (Phenolic)

2.2.1 苯乙烯类/不饱和聚酯（含乙烯酯基树脂）类树脂

苯乙烯类/不饱和聚酯树脂的化学反应主要有不饱和聚酯预聚体和苯乙烯或乙烯基酯和苯乙烯间的链增长共聚合。对于乙烯基酯和苯乙烯间的共聚合，自由基引发剂将双键打开引发一个链反应。二乙烯基分子则形成分子间的交联。聚酯预聚物通常由顺丁烯二酸酐和二元醇反应制得，该预聚物分子量从几百到上千不等，单位分子含有4－10个碳碳双键；对于相邻的聚酯分子，苯乙烯可以看作是链连接组分并加入氧化物引发反应；对LCM工艺，为加速聚合通常加入金属皂类和叔胺，用过氧化物如过氧化甲乙酮或过氧化苯甲酰作为低温引发剂。

基本反应有： 链引发

链阻聚

链增长

链终止

I：引发剂；M：单体；M?初级自由基；M?j聚合自由基；Z阻聚剂；Pj封端聚合物；Kd、Ki、Kz、Kp、Kt为引发剂分解、初级自由基形成、阻聚、链增长和终止的速率常数 2.2.2 环氧树脂

环氧树脂有多种固化剂和催化剂。在环氧树脂/石墨预浸料中，常用的环氧树脂体系包括：四缩水甘油醚4,4’－二氨基二苯基甲烷（TGDDM)环氧树脂和4,4’－二氨基二苯砜（DDS）固化剂。酐类固化成分的反应活性低，通常在反应性加工中作促进剂。为提高反应速率，还经常加入Lewis酸作为催化剂。 以环氧树脂与伯胺反应为例：

1.伯胺和一个环氧基反应生成一个仲胺：

2.和另一个环氧基反应生成一个叔胺：

3.反应中生成的羟基和环氧基反应：

2.2.3 双马来酰亚胺树脂

双马来酰亚胺树脂具有优异的热性能、力学性能和化学性能，广泛应用于航空和宇航及电子行业。它们可以在相对较低的温度下加工（<175℃)，然后在高温后固化生成具有高玻璃化转变温度的交联网状结构。交联可以加成聚合，所以没有挥发性副产物。但其脆性高，主要是由于固化树脂的交联度过高造成的。为提高其固化树脂柔软性，将双马来酰亚胺树脂和芳香族二胺反应降低交联度。但二元胺的加入却使热稳定下降。

被广泛应用的商品双马来酰亚胺是由Rhone-Poulenc公司生产的Kerimid601，它包括2.5mol的4,4－双（马来酰亚胺－二苯甲烷）和1mol4,4二胺二苯甲烷。固化反应可以有两种不同的途径，马来酰亚胺双键的反应可以通过双马来酰亚胺的C=C自由基均聚反应，也可以通过二胺和双马来酰亚胺C=C的逐步聚合进行。第一个反应大约在200－250℃进行，第二个反应在150－180℃进行。低温时二者相继发生，高温时二者同时发生。

典型ＬＣＭ工艺

RTM工艺基本的成型原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，模具具有周边密封和紧固及由CAD辅助设计的注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料。 LCM工艺的一种，利用大气压力使阴、阳模在树脂注入时保持紧闭。轻质 RTM 的

下模是用钢架加强的，上模是具有一定柔性或局部补强的刚性模具或橡胶模具。

VIP工艺是一种新型高性能、低成本复合材料大型制件的成型技术，它是在真空状态下排除纤维预成型体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成一定树脂/纤维比例的工艺方法。

5.7 压力釜成型技术与特点

5.8 其他成型技术与特点

聚合物基复合材料的其它成型工艺，主要指离心成型工艺、浇铸成型工艺、弹性体贮存树脂成型工艺（ERM）、增强反应注射成型工艺（RRIM）等。

1.离心成型工艺

离心成型工艺在复合材料制品生产中，主要是用于制造管材（地埋管），它是将树脂、玻璃纤维和填料按一定比例和方法加入到旋转的模腔内，依靠高速旋转产生的离心力，使物料挤压密实，固化成型。

离心玻璃钢管分为压力管非压力管两类，其使用压力为0～18MPa。这种管的管径一般为φ400～φ2500mm，最大管径或达5m，以φ1200mm以上管径经济效果最佳，离心管的长度2～12m，一般为6 m。

离心玻璃钢管的优点很多，与普通玻璃钢管和混凝土管相比，它强度高、重量轻，防腐、耐磨（是石棉水泥管的5～10倍）、节能、耐久（50年以上）及综合工程造价低，特别是大口径管等；与缠绕加砂玻璃钢管相比，其最大特点是刚度大，成本低，管壁可以按其功能设计成多层结构。离心法制管质量稳定，原材料损耗少，其综合成本低于钢管。离心玻璃钢管可埋深15m，能随真空及外压。其缺点是内表面不够光滑，水力学特性比较差。

离心玻璃钢管的应用前景十分广阔，其主要应用范围包括：给水及排水工程干管，油田注水管、污水管、化工防腐管等。

(1)原材料

生产离心管的原材料有树脂、玻璃纤维及填料（粉状和粒状填料）等。

树脂 应用最广的是不饱和聚酯树脂，可根据使用条件和工艺要求选择树脂牌号和固化剂。

增强材料 主要是玻璃纤维及其制品。玻纤制品有连续纤维毡、网格布及单向布等，制造异形断面制品时，可先将玻纤制成预制品，然后放入模内。

填料 填料的作是用增加制品的刚度、厚度、降低成本，填料的种类要根据使用要求选择，一般为石英砂、石英粉、辉绿岩粉等。

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