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树脂基复合材料内衬成型工艺分析

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  摘 要:随着复合材料工艺和性能的不断改善,其内衬成型工艺及性能也在不断的变化。现对复合材料金属内衬成型工艺、橡胶内衬成型工艺、塑料内衬成型工艺进行了分析。
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-7430782.htm
  关键词:复合材料;内衬;分析
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.046
  0 引言
  随着科学技术的发展,树脂基复合材料以其比强度高、重量轻、耐腐蚀、优良设计性等优点,在民用、军工、航空航天领域得到了普遍的应用。但树脂基复合材料制品往往是非气密性的,因此需要在其内部制作内衬层,另外,还有要求内衬材料具有耐腐蚀和耐高低温等性能,还必须与复合材料牢固粘结、变形协调、共同承载,具有适当的弹性和较高的延伸率,从而来保证复合材料的使用性能。目前可以用作内衬材料的有金属、橡胶、塑料等。
  1 金属内衬成型工艺
  具有金属内衬的复合材料结构以其比强度和比刚度高,抗疲劳、抗震、耐腐蚀和密封性能好以及结构的可设计性等诸多优点而被广泛应用。该结构成型过程一般需经历缠绕、固化和超压三个工艺阶段,此三个工艺阶段是连续的,且对最终使用性能和承载能力带来重要的影响。1970年美国NASA为满足太空结构的应用要求,率先成功地设计和制作了具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器的工艺和设计研究工作,并已取得了良好的工程效益。
  目前具有金属内衬复合材料压力容器的设计方法大致可分为如下两类:(1)厚壁高强度金属内衬的缠绕压力容器。其金属内衬是作为该容器的主要承载结构,内衬的厚度约占整体厚度的1/4-1/2。(2)薄壁金属内衬复合材料纤维缠绕压力容器。其金属内衬的设计原理仅仅是确保满足加工方便和在装载高压气体或液体时容器不出现泄漏的要求,由于在工作中内衬所承受的结构载荷较小,故内衬厚度都较薄,而其材料亦均选择强度较低但塑性良好的材料,比如铝、不锈钢、钛等。用作内衬的铝气密性好,延展性能、可焊接性能及耐疲劳性和耐腐蚀性均好。哈尔滨玻璃钢研究院林再文等研制了铝内衬芳纶纤维缠绕的高压气瓶,并取得了较好的试验结果。
  2 橡胶内衬
  与其它内衬材料相比,橡胶内衬的特点是气密性好、弹性高、耐疲劳性亦佳,且制造工艺简单等。随着橡胶行业的快速发展,各式橡胶层出不穷,性能不一,通用型橡胶综合性能较好,作为内衬材料有着较大的选择余地。一般在民用领域一般选用通用橡胶作为内衬材料,通用橡胶来源广泛,价格便宜,主要有天然橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶五大类。天然橡胶可耐一般非氧化性强酸、碱溶液、有机酸和盐溶液,强度高,弹性好,综合性能好,使用温度可达70℃,聚酯树脂的固化温度和时间与天然橡胶的硫化温度的时间相适应,所以天然橡胶与聚酯复合材料具有良好配合。
  对于在较高使用温度情况下,橡胶内衬可选择三元乙丙橡胶,三元乙丙橡胶是合成橡胶属于乙丙橡胶的一种,与天然橡胶相似,耐化学腐蚀大大超过天然橡胶,可在150℃下长期使用,间歇耐温可达到200℃,价格适中,被广泛应用。特种橡胶是指一般应用在某些特定环境下的一类橡胶,如在复合材料燃气发动机、复合材料发射筒的使用过程中,就要求内衬材料起到耐高温、隔热的作用,以免对结构层造成损伤。特种橡胶一般可分为丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶四大类。丁腈橡胶耐油、耐老化性、气密性、粘结性能较好、最高使用温度可达150℃。引入苯基的硅橡胶可在180℃下长期工作,最高可耐300℃瞬时高温。 无论是通用型橡胶还是特种橡胶硫化压力都可通过复合材料层的缠绕张力来提供,因为橡胶内衬一般厚度为1~2mm左右,是一层很薄的橡胶片,橡胶内衬本身不具备刚性,所以需要包覆在具有一定刚度的芯模上,才能固定成型,芯模作为橡胶内衬的内部承载体,对橡胶内衬的表面质量起了关键性的作用,所以芯模表面的光洁度要很高,且不能有毛刺,以免对橡胶内衬造成损伤,由于是一层薄片橡胶,橡胶硫化在不大的缠绕张力下就可以达到致密的要求。
  对于内衬材料起着关键作用的芯模材料有以下几点要求:(1)芯模具有较高的刚度且在高温下不发生形变;(2)能够与产品较易拆分,并对复合材料及内衬不产生有害影响;(3)芯模制作简单,原材料较易获得。 能够满足上述要求的芯模材料种类很多,主要有金属、石蜡、石膏砂、低熔点硝酸盐等等。橡胶内衬的硫化主要有以下四种方法: (1)橡胶包覆完后,直接缠绕成形,复合材料固化时橡胶跟随一起硫化; (2)橡胶包覆在芯模上,放入硫化罐中,通过气体加热使橡胶硫化; (3)将橡胶片贴在金属阳模上后,安装真空袋,送入热压釜中硫化; (4)将橡胶片贴在金属阳模上,赶出气泡,合上阴模,进行模压硫化。实践表明,真空袋加压硫化可获得较高的内表面质量,直接包覆缠绕成型效率较高适用于大批量生产。
  3 塑料内衬
  塑料内衬相对而言,具有更突出的灵活性,可通过不同的使用环境选用不同的塑料内衬,如在酸性介质中可选用乙烯基树脂,在碱性介质中可采用双酚A型树脂,如197号树脂,需要在耐水环境下使用时则采用189号树脂。
  塑料内衬具有如下优点(1)能节省成本。(2)高压下循环寿命长。(3)防腐蚀。(4)原材料丰富,可选择性相对较大。当然塑料内衬也具有以下不利因素:(1)可能通过接头浸漏。(2)碰撞强度低。(3)气体可能透过。(4)内衬与复合材料粘接脱落。(5)塑料内衬对温度比较敏感。塑料内衬的特点与橡胶内衬基本相同,也需要芯模定型。在航空航天领域,高温气流冲刷环境下,内衬材料的性能至关重要,要求内衬材料具有耐高温冲刷、良好的机械性能、且具有高残炭率。
  4 结束语
  近年来,随着树脂基复合材料的飞速发展,各高校和科研单位在复合材料内衬研发上投入也在不断增大,新的内衬层品种、新的工艺手段、新的合成方法也在不断涌现,相信在不久的将来我们在内衬材料上会取得更大的成就。
  参考文献:
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  [2]任明法.具有金属内衬复合材料缠绕结构成型和使用过程的一体化分析[D].大连:大连理工大学,2005: 2-10.
  [3]许家忠,乔明等.纤维缠绕复合材料成型原理及工艺[M].北京:科学出版社,2013:79-94.
  作者简介:杜政才(1986-),男,黑龙江哈尔滨人,硕士,工程师,研究方向:复合材料。

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