SCRIMP成型工艺的研究

SCRIMP威型工艺的研究2001年9月SCRIMP成型工艺的研究邓京兰祝颖丹王继辉武汉理工大学430070)擠要:本文侧重介绍了 SCRIMP工艺材料的合理选用和树脂分配系统的设计,并以一甲板制作实例简述了 SCRIMP工艺成型过程关键词: SCRIMP咸型工艺高渗透介质沟槽引流制作实例1前言含量高,树脂浪费率低于5%,比开模工艺可节约劳先进复合材料以其优异的性能用量日趋增加。动力50%以上。在芯材加入的前后,无需等待树脂然而,对于几何形状复杂的大型夹芯和加筋结构件,的预浸和固化,可一次成型大型复杂几何形状的夹由于尺寸大性能要求高采用缠绕、模压等工艺成芯和加筋结构件。尤其在板中加筋时,材料和人工型困难,而采用手糊或喷射成型则制品的质量得不的节省相当可观。到保证,因此传统的成型工艺在成型大型复杂结构SCRIMP成型T艺为制造大型结构/功能件提件时存在难以逾越的技术障碍,严重影响了复合材供了崭新的思路,国际上普遍认为该工艺制造厚壁料的广泛应用。 SCRIMP( Seemann Composite Resin的大型平面、曲面的层合结构和加的异型构件等具Infusion Molding Process)成型工艺是近年来在RTM有非常好的发展前景。工艺基础上发展起来的一种独特的复合材料成型工2 SCRIMP成型工艺艺,在国外已成功地用于舰船、军事设施、国防工程SCRIMP成型工艺在理论上具有显著的优越航空和民用工业等。 SCRIMP工艺的基本原理是在性,但该工艺对模具、原材料和成型工艺技术有较高模具型面上铺放增强材料,将型腔边缘密封严密在的要求。根据树脂的分配系统,可将 SCRIMP工艺型腔内抽真空,再将树脂通过精心设计的树脂分配分为两种:一种是高渗透介质型,另一种是沟槽引流系统在真空作用下注人模腔内。和传统的开模成型型。前者设计相对灵活且简单,但一些材料如剥离工艺相比, SCRIMP成型工艺具有以下优点:①机械层、高渗透介质等不能重复利用,不仅产生了固体废性能高:在不增加成本的情况下,与手糊构件相比,弃物且增加了生产成本,充模速度也相对慢。后者SCRIMP成型构件的强度、刚度或硬度及其它的物则可克服这些缺点,不需要高渗透介质和剥离材料理特性可提高1.5倍以上。②重复性采用 SCRIMP沟槽渗透率远远高于渗透介质充模速度得到大幅制作的构件,不论是同一构件还是构件与构件间都度的提高。存在高度的一致性。构件有相对恒定的树脂比,空2.1模具隙率低,不超过1%,更容易检测构件缺陷。高度固在模具表面涂上脱模剂,再涂上胶衣层可改善化的层板可在日光下目测空隙或其它缺陷问题。带制品的表观。密封真空袋一般选用尼龙、硅树脂或有胶衣的夹芯层,不仅可直接看到外表层,还可看到聚合物薄膜等。密封时,可将真空袋直接与模具边芯层。③重量轻: SCRIMP成型时树脂消耗量受到缘密封,或将整个模具密封到真空袋内。在抽真空严格的控制,其比例几乎由真空值决定,纤维含量可前,要检查真空袋与模具的气密性确保无泄漏高达75~80%。无需额外的材料来连接芯材。因2.2主要原材料此,对强度或刚度要求相同的构件,采用 SCRIMP工(1)树脂。适应 SCRIMP工艺的典型树脂包括艺制作可节约材料,减轻重量。④环保:这是低收缩聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂CRMP工艺最突出的优点。开模成型时,苯乙烯等低粘度树脂。要求树脂体系粘度低(一般为150的挥发量高达35~45%。 SCRIMP工艺则几乎是闭800cps),使树脂仅在真空力作用下能够完全浸渍增模成型过程挥发性有机物和有毒空气污染物均被强材料。不同的工艺对凝胶时间有不同的要求,如局限于真空袋中。仅在真空泵排气(可过滤)和打开有些工艺要求在35min内注射完,有些则需要4h完树脂桶时有微量的挥发物。⑤成本低,效率高:纤维成中国煤化工注射成功的关键FRP/CM 2001 No SCNMHG2001年9月玻璃钢/复合材料之一。在浸渍过程中,粘度变化小,固化放热峰值应材、PVC、PEI和其它线性微孔封闭型塑料等。对于适中。高放热峰会损坏模具甚至成型构件。此外,开孔型芯材(如蜂窝状),树脂会充满其空穴,加重了由于 SCRIMP工艺中通常有加强筋,树脂应具有较制品的重量和成本,因此这类芯材不能选用高的延伸性能。(5)剥离层。低孔隙率、低渗透率的纤维织物可2)增强材料。增强材料一般包括E玻纤、碳纤改善制品的表观,防止真空线粘在制品」维、 Kevlar纤维、 Spectra纤维以及E玻纤与其它几种2.3树脂分配系统的设计纤维的混杂形式。机织材料不适合于注射工艺,新(1)高渗透介质型型的针织材料和平纹单向纤维是较理想的选择高渗透介质型是在模具上先铺设高渗透介质,(3)高渗透介质。可采用孔隙率高的机织纤维,及一层树脂可浸透的剥离层,再铺覆增强材料,在增便于树脂的渗透。强纤维上再铺设剥离层和高渗透介质,然后用真空(4)芯材。一般芯材都在可选范围内,如轻质木袋密封,其基本结构如图1所示。真空袋高滲透介质纤维预成型体夹芯纤维预成型体高滲透介质图1高渗透介质 SCRIMP结构树脂注射过程中,高渗透介质的渗透率远高于(2)沟槽引流型剥离层和纤维增强材料的渗透率,浸渍纤维材料的沟槽引流型适合于制作单面或中间带夹芯的制树脂主要是从高渗透介质渗出,因此高渗透介质对品。在芯材表面布设快速流道,树脂通过流道迅速充模时间起决定性的作用。剥离层和纤维预成型体充模,基本结构如图2所示。不仅有助于脱模,而且加快了树脂充模速度。真空袋纤维预成型体森粉■國■国■■■圆圆■■泡沫芯材多图2沟槽引流 SCRIMP结构沟槽设计是 SCRIMP工艺最关键的一步,其数低于沟槽间距的两倍。对于厚壁构件,则与构件的量和尺寸与制品的规格有关。最佳布局要通过厚度和纤维材料的横向渗透率有关,但比薄壁构件与实验来设计。真空线、树脂线和沟槽的布置如图3的距离要大。沟槽的尺寸也有一定的限制。沟宽小所于3mm,则不便于机械加工,大于6mm则容易造成在图3(a)中,出口的位置对充模时间有影响,与树脂浪费,甚至引起纤维预成型体在真空压力的作沟槽应相距一定的距离。若出口直接与沟槽相连,用下陷入沟槽中。因此,较理想的槽宽一般为由于出口处的渗透率远大于纤维的渗透率,大部分6mm,沟槽间距为2.5~75树脂通过沟槽流到出口,而不是流进纤维预成型体。在图3(b)中,引流槽的设计可更方便控制整个对薄壁构件而言,沟槽末端与出口之间的距离应不工艺仟量的避色脂的浪费。沟槽间中国煤化工CNMHGM 2001 No, 5SCRIMP成型工艺的研究2001年9月距最佳为25cm,槽宽为3.5m,槽深为35mm。对于简单的面板考虑面板的宽度没有多大的意义,真空线(出凵)引流沟槽树脂线(进口)树脂流动真空线(出口)引流沟槽树脂流动树脂线(进口)图3真空线、树脂和引流槽的布王即使有遗漏处也无关紧要。但对于带有夹芯的大型部位最佳的沟槽间距为35~50cm。板可以头尾相构件加入如图4所示垂直于引流槽的供应槽,则大接,保持相同的供应槽间距。供应槽一般刻在芯材大提高了树脂的充模速度。实验发现,供应槽间距的顶部、底部和两侧使树脂可同时供应底层和顶超过55cm时,容易产生速度慢且不均匀的树脂流动层。前峰;间距小于30cm时沟槽间有树脂未达到饱和21cm 42cm 1 42cm I 2ch42c12lc题供应檜图4供应槽的布局3制作实例供选择。可用螺旋管或穿孔管或高渗透材料带制成以一带四根纵向筋和三根横向筋的夹芯甲板制的流道,或直接通过芯材上的流道输送。本例采用作(170cmx60cm)为例简述说明 SCRIMP工艺的芯材上的流道来输送树脂。在芯材纵向上刻引流基本成型过程。甲板主要由外层(E-玻璃纤维)、槽间距为40cm。由于树脂要流过150cm的长度,PⅤC泡沫芯材和内层(E-玻璃纤维)组成。最大的在每一输送流道上至少要一个输送点。输送点的平横向筋为刻槽芯材尺寸为60cmx20m×20m,顶均间距为25m。采用一T型附件树脂只需从输送部带有一层E-玻璃纤维和10层单向碳纤维。其它点朝两边流动25cm甲板形状基本上为一矩形,且以纵向筋为主故的加强筋均为刻槽的高密度PVC芯材。沿宽度方向刻槽最佳,使得树脂可流过纵向筋。若3.1树脂分配系统将树脂从贮罐中抽出输入构件,有几种方案可树脂YHEXl可能谁以控制树脂的流动中国煤化工FRM/CM200 NCNMHG2001年9月玻璃钢/复合材路径。为缩短树脂的流动距离,从甲板中心线输入空线要求沿长度方向布置,使树脂在真空作用下从树脂,可产生两个流动前峰,即缩短了一半距离。真中心向前流动。树脂分配系统结构如图5所示。主要的亥空线树脂输送通道输送点主要的真空线图5树脂分配系统结构3.2铺层过程准备好6桶树脂树脂的凝胶时间为25h,平均在模具上先用短切玻纤手糊一层表面毡,这一粘度为400cp先将3桶树脂注入。树脂催化后步十分关键。它可以确保模具无空气泄露,防止制打开甲板中心轴上的第一批输送点,每条流道上同品腐蚀或刺破。表面毡固化后,要检测模具是否能时打开5个。树脂以两个流动前峰均匀地朝甲板两保持真空状态。接着铺放外层。外层为2层E-玻边流动。当树脂到达纵向筋后,打开筋上的输送点璃纤维,约为5mm厚,层间接缝错开。再放三明治通过控制每根筋上的真空线,使树脂在甲板上比在夹芯。每一芯材的顶部、底部和上下两面均事先刻筋上流得更快。横向筋上有小部分树脂流失,由于有连续的沟槽。芯材放入后,芯材板间的垂直接缝量小可忽略,对甲板的整体成型无影响。注射大约用树脂基填料填充,以防止树脂在芯材板间任意流持续2.5h,除去真空袋和剥离层后,检査甲板动。再将树脂输送流道放在芯材的顶部流道的排4结束语列一定要正确合理。然后可铺放2层E-玻璃纤维复合材料是实现结构减重、提高性能的最有效、组成的内层。至此,甲板的基本层结构已完成。接最便捷的途径。然而居高不下的成本阻碍了复合材下来是加强筋的铺放。先放置最大的横梁再放其料的广泛应用。因此开展低成本 SCRIPM快速成它2根横向筋和4根纵向筋。3根纵向筋与最大的型工艺的研究对推动复合材料的应用有重要的意横梁相接,形成了含三个不同层和三个不同的树脂义,将有力地促进我国低成本高性能复合材料的发流动方向的交汇处。3.2注射步骤参考文献铺层结束后,在甲板的表面加上剥离层,叮获得1赵渠森.材料和工艺在“买得起的复合材料”中的作用航空制造光滑的制品表面并防止真空线粘在甲板上。再将输技术,2000,6:47-51送点插入输送流道。在构件的外边缘布置好主要的2 Xiudong Sun, Shoujie Li,mdL. James le, Mold Filling Analysis in真空线。加强筋顶部也放置真空线但彼此独立,必Vacuum- Assisted Resin Transfer Molding. Polymer composites,要时可单独关闭。1998,19(6):807-817甲板用真空袋密封,连上真空管,慢慢地抽真Xiudong Sun, Shoujie Li, and L. JamesVacuum-Assisted Resin Transfer Molding. 1998, 19(6):818-828空。由于加强筋比较复杂,这一步要特别小心。真4 Gordon Lac, Belle gall. A New Vacuum Infusion Process to man空袋放好后,输送点与输送管相连,可直接输送树脂。甲板和加强筋上约有90多个输送点。关闭输5李相松,王继样,邓京“真空辅助RTM成型技术的研究玻璃钢送流道,检查甲板的气密性。5min后,压力下降值不复合材料,2001,1:1718,23得超过12mm水银汞柱。否则须重新检查密封性(下转第32页中国煤化工CNMH GM 200L. No.(上接第43页)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中国煤化工 resin distributiKeywords: SCRIMP high penetrating medium resin floCNMHGle收稿日期:2001-07-25FR/CM:2001,No,5