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430070)擠要:本文側重介紹了 SCRIMP工藝材料的合理選用和樹脂分配系統(tǒng)的設計,并以一甲板制作實例簡述了 SCRIMP工藝成型過程關鍵詞: SCRIMP咸型工藝高滲透介質(zhì)溝槽引流制作實例1前言含量高,樹脂浪費率低于5%,比開模工藝可節(jié)約勞先進復合材料以其優(yōu)異的性能用量日趨增加。動力50%以上。在芯材加入的前后,無需等待樹脂然而,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,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(jié)省相當可觀。到保證,因此傳統(tǒng)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/功能件提件時存在難以逾越的技術障礙,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)成型工藝是近年來在RTM有非常好的發(fā)展前景。工藝基礎上發(fā)展起來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(jù)樹脂的分配系統(tǒng),可將 SCRIMP工藝型腔內(nèi)抽真空,再將樹脂通過精心設計的樹脂分配分為兩種:一種是高滲透介質(zhì)型,另一種是溝槽引流系統(tǒng)在真空作用下注人模腔內(nèi)。和傳統(tǒng)的開模成型型。前者設計相對靈活且簡單,但一些材料如剝離工藝相比, SCRIMP成型工藝具有以下優(yōu)點: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,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脂比,空2.1模具隙率低,不超過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題。帶制品的表觀。密封真空袋一般選用尼龍、硅樹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,可將真空袋直接與模具邊芯層。③重量輕: SCRIMP成型時樹脂消耗量受到緣密封,或?qū)⒄麄€模具密封到真空袋內(nèi)。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泄漏高達75~80%。無需額外的材料來連接芯材。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)樹脂。適應 SCRIMP工藝的典型樹脂包括藝制作可節(jié)約材料,減輕重量。④環(huán)保:這是低收縮聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂CRMP工藝最突出的優(yōu)點。開模成型時,苯乙烯等低粘度樹脂。要求樹脂體系粘度低(一般為150的揮發(fā)量高達35~45%。 SCRIMP工藝則幾乎是閉800cps),使樹脂僅在真空力作用下能夠完全浸漬增模成型過程揮發(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間有不同的要求,如局限于真空袋中。僅在真空泵排氣(可過濾)和打開有些工藝要求在35min內(nèi)注射完,有些則需要4h完樹脂桶時有微量的揮發(fā)物。⑤成本低,效率高:纖維成中國煤化工注射成功的關鍵FRP/CM 2001 No SCNMHG2001年9月玻璃鋼/復合材料之一。在浸漬過程中,粘度變化小,固化放熱峰值應材、PVC、PEI和其它線性微孔封閉型塑料等。對于適中。高放熱峰會損壞模具甚至成型構件。此外,開孔型芯材(如蜂窩狀),樹脂會充滿其空穴,加重了由于 SCRIMP工藝中通常有加強筋,樹脂應具有較制品的重量和成本,因此這類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,防止真空線粘在制品」維、 Kevlar纖維、 Spectra纖維以及E玻纖與其它幾種2.3樹脂分配系統(tǒng)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,及一層樹脂可浸透的剝離層,再鋪覆增強材料,在增便于樹脂的滲透。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(nèi),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結構樹脂注射過程中,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,樹脂通過流道迅速充模時間起決定性的作用。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工藝最關鍵的一步,其數(shù)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(guī)格有關。最佳布局要通過厚度和纖維材料的橫向滲透率有關,但比薄壁構件與實驗來設計。真空線、樹脂線和溝槽的布置如圖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間有影響,與樹脂浪費,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樹脂通過溝槽流到出口,而不是流進纖維預成型體。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。對于簡單的面板考慮面板的寬度沒有多大的意義,真空線(出凵)引流溝槽樹脂線(進口)樹脂流動真空線(出口)引流溝槽樹脂流動樹脂線(進口)圖3真空線、樹脂和引流槽的布王即使有遺漏處也無關緊要。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脂的充模速度。實驗發(fā)現(xiàn),供應槽間距的頂部、底部和兩側使樹脂可同時供應底層和頂超過55cm時,容易產(chǎn)生速度慢且不均勻的樹脂流動層。前峰;間距小于30cm時溝槽間有樹脂未達到飽和21cm 42cm 1 42cm I 2ch42c12lc題供應檜圖4供應槽的布局3制作實例供選擇。可用螺旋管或穿孔管或高滲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,或直接通過芯材上的流道輸送。本例采用作(170cmx60cm)為例簡述說明 SCRIMP工藝的芯材上的流道來輸送樹脂。在芯材縱向上刻引流基本成型過程。甲板主要由外層(E-玻璃纖維)、槽間距為40cm。由于樹脂要流過150cm的長度,PⅤC泡沫芯材和內(nèi)層(E-玻璃纖維)組成。最大的在每一輸送流道上至少要一個輸送點。輸送點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。其它點朝兩邊流動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,使得樹脂可流過縱向筋。若3.1樹脂分配系統(tǒng)將樹脂從貯罐中抽出輸入構件,有幾種方案可樹脂YHEXl可能誰以控制樹脂的流動中國煤化工FRM/CM200 NCNMHG2001年9月玻璃鋼/復合材路徑。為縮短樹脂的流動距離,從甲板中心線輸入空線要求沿長度方向布置,使樹脂在真空作用下從樹脂,可產(chǎn)生兩個流動前峰,即縮短了一半距離。真中心向前流動。樹脂分配系統(tǒng)結構如圖5所示。主要的亥空線樹脂輸送通道輸送點主要的真空線圖5樹脂分配系統(tǒng)結構3.2鋪層過程準備好6桶樹脂樹脂的凝膠時間為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桶樹脂注入。樹脂催化后步十分關鍵。它可以確保模具無空氣泄露,防止制打開甲板中心軸上的第一批輸送點,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打開5個。樹脂以兩個流動前峰均勻地朝甲板兩保持真空狀態(tài)。接著鋪放外層。外層為2層E-玻邊流動。當樹脂到達縱向筋后,打開筋上的輸送點璃纖維,約為5mm厚,層間接縫錯開。再放三明治通過控制每根筋上的真空線,使樹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脂流失,由于有連續(xù)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影響。注射大約用樹脂基填料填充,以防止樹脂在芯材板間任意流持續(xù)2.5h,除去真空袋和剝離層后,檢査甲板動。再將樹脂輸送流道放在芯材的頂部流道的排4結束語列一定要正確合理。然后可鋪放2層E-玻璃纖維復合材料是實現(xiàn)結構減重、提高性能的最有效、組成的內(nèi)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復合材料的應用有重要的意橫梁相接,形成了含三個不同層和三個不同的樹脂義,將有力地促進我國低成本高性能復合材料的發(fā)流動方向的交匯處。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粘在甲板上。再將輸技術,2000,6:47-51送點插入輸送流道。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。加強筋頂部也放置真空線但彼此獨立,必Vacuum- Assisted Resin Transfer Molding. Polymer composites,要時可單獨關閉。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,輸送點與輸送管相連,可直接輸送樹脂。甲板和加強筋上約有90多個輸送點。關閉輸5李相松,王繼樣,鄧京“真空輔助RTM成型技術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12mm水銀汞柱。否則須重新檢查密封性(下轉第32頁中國煤化工CNMH GM 200L. No.(上接第43頁)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