复合材料模压成型工艺实验探究

1.实验目的

（1）了解液压机的加压、加热工作原理。

（2）掌握复合材料模压成型工艺的操作方法。

（3）了解模压成型复合材料制品的特点。

2.实验原理

模压成型工艺是将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下将模压料固化成制品的一种方法。该工艺利用固化反应各阶段树脂的特性制备成品。当模压料在模具内被加热到一定温度时，树脂受热熔化成黏流状态，在压力作用下树脂包裹纤维一起流动直至填满模腔，此时为树脂的黏流阶段（A阶段）；继续提高温度，树脂发生化学交联，相对分子质量增大，当分子交联形成网状结构时，其流动性很快降低直至表现出一定的弹性，此时为凝胶阶段（B阶段）；再继续加热，树脂交联反应也继续进行，交联密度进一步增加，最后失去流动性，树脂变为不溶的体型结构，此时到达了硬固阶段（C阶段）。模压工艺中上述各阶段是连续出现的，其间无明显界限，并且整个反应是不可逆的。

模压成型工艺的成型压力比其他工艺高，属于高压成型，因此它既需要有控制压力的液压机，又需要有高强度、高精度、耐高温的金属模具。模压成型的优点是生产效率高，制品尺寸精确、表面光洁、一次成型。其缺点是模具设计和制造较复杂，初次投资高，制件易受设备的限制，所以一般适用于大批量生产的小型复合材料制品。

不同模压料的模压成型工艺参数也不相同，表4-4列举了几种模压料成型工艺参数。

表4-4　模压成型工艺参数参考表

①n为层合板厚度（mm）。

为便于脱模，一般模压时上模温度比下模温度高5～10℃，保温结束后，一般在加压条件下逐渐降温。

需要特别说明的是，对于常用的酚醛树脂，当其处于A阶段时具有明显的B阶段性质，且由B阶段向C阶段转变只需加热就能完成。采用A阶段酚醛树脂浸渍玻璃纤维及其织物的预浸料被广泛用于制作模压玻璃钢制品，这种制品在电器、汽车、机械、化工等领域中占有重要地位。B阶段酚醛树脂分子中每两个羟甲基要脱下一个水分子和一个甲醛分子，甲醛马上与树脂中苯环上的活性点反应又生成一个羟甲基，该羟甲基与另一羟甲基再反应脱下一个水分子和一个甲醛分子，如此持续下去最终交联进入C阶段。这一转化过程要放出水分，如果不在高压下进行，这些水分子在高温下形成水蒸气逸出来就会使树脂形成孔泡，导致产品性能下降，因此，酚醛树脂固化需在高温、高压下完成，并且在树脂凝胶之前需提起半个模具使之多次放气，这样即使有气泡缺陷形成，也还可以通过再加压方式弥补。

3.实验设备及原料

1）实验设备

油压机（液压机）、成型模具、电子天平、水浴搅拌器、烘箱、球磨机、粉碎机、剪切机、金属层剥离强度测试仪、测试夹具与仪器系统。

油压机一般由主机架、油泵、油缸、活塞、工作平台、阀门、压力指示表、加热和温控系统等组成。通常一块工作平台是固定不动的，另一块则可上下移动。

油压机的额定压力与指示表压之间的关系通常用下式计算：

式中，P c为油压机的额定压力（k N）；P max为油缸所允许的最大压强（表压）（MPa）；D 为油缸活塞受压面直径（cm）。

用下式计算模腔中模压料所受压强：式中，p 为模压料压强（MPa）；p m 为油压机指示表压（MPa）；D为油缸活塞受压面直径（cm）；S为模压制品或模具型腔的投影面积（m2）。

图4-4为上压式液压机执行结构示意图，油塞受压面直径D往往大于滑块直径d，d被误认为是D，若将d代入式（4-2）中，则会导致计算出的油缸最大压强大于油缸所允许的最大表压值，因此，应特别注意。

有的模压制品不容易从阴模中脱模，所以设计模具时可以充分利用油压机的下方的顶出杆帮助脱模。

2）实验原料

氨酚醛树脂乙醇溶液、玻璃纤维或玻璃织物。

4.实验步骤

1）预浸料制备

图4-4　上压式液压机执行结构示意图

1—副油箱；2—横梁；3—主缸；4—导柱；5—顶出缸；6—工作台；7—滑块。

（1）取酚醛树脂乙醇溶液（含胶量为60%～65%）1 200 g，短玻璃纤维1 000 g。将玻璃纤维剪成20～40 mm的短纤维（如是玻璃织物，可剪成20 mm×20 mm的碎片）。将两者在容器内混合（又称为捏合）。

（2）戴上乳胶手套在容器内揉搓，使短玻璃纤维充分浸润，该预浸料中树脂含量可达40%以上。注意：树脂太浓，纤维不能充分浸润；树脂太稀，纤维吸收不完。捞出晾干后的纤维上树脂含量偏低，纤维显现出疏松的状态。

（3）将疏松的浸上树脂的短纤维摊在平铝板上（或铁丝网上），然后将其放置在80℃的烘箱中烘30 min，使纤维既不发黏，其中挥发分（含乙醇溶剂）的总量又不高于6.5%。(www.xing528.com)

（4）将预浸料装塑料口袋封严待用。

2）模压成型试验

（1）模具准备：有封闭模腔的模具一般由阴阳模组成，首先准确测量模具型腔的容积V，然后在腔内涂脱模剂，确定没有遗漏后将阴阳模同时预热到170℃，保持30 min。

（2）预浸料准备：根据下式计算预浸料质量m：

式中，γ为损耗系数，一般取值为0.05；ρ为模压成型后制品的密度（g／cm3）；V为模具型腔容积或制品实占空间体积（cm3）。

准确称取预浸料，精确到0.1 g。模压料不应偏多或偏少，以免造成制品缺陷或产品尺寸不符合要求。

（3）预浸料预热：在90～110℃的条件下预热预浸料15 min，然后趁模具热、模压料软时向模腔添加预浸料，迅速合模，将模具置于油压机工作平台上，轻轻加压使模压料密致。

（4）初始加压：在170℃高温下初压力不宜太高，以5～10 MPa为宜，加压3～5 min后将上模提起一点，第一次放气，此后每隔1 min就放气一次，质量或壁厚较大的制品，放气3～5次即可。同时注意观察模具中挤出树脂的黏度变化。

（5）计算压强：按式（4-3）计算模腔中模压料的压强。

（6）持续加压：掌握加压时机，当流出来的树脂黏度变大，接近凝胶状态时迅速升压，使压强达到30～50 MPa，注意表压不应超过式（4-2）计算出的油缸所允许的最大压强，保温、保压30～60 min。保温保压时注意流胶状态。

（7）随机降温，当达80℃以下时可以脱模、修毛边。

（8）目测模压制品的外观质量，测量其密度ρ和外观尺寸；如果需要用模压制品进行后续实验，则应将制品放于干燥器中待用。

5.实验结果

（1）将相关实验数据记录在表4-5中。

表4-5　模压成型工艺数据记录

（2）记录实验过程中出现的现象，并分析出现此类现象的原因。

（3）根据实验过程及产品品质建立实验参数与产品品质的基本构效关系，并说明改进的方法。

（4）从不同角度对模压制品拍照，并将照片展示在报告中。

6.思考题

（1）如何控制预浸料的品质？

（2）模压设备的结构与主要组成是什么？简要说明模压成型压力大小设定原则与计算方法。

（3）复合材料制品成型的模具类型有哪些？模压实验使用的模具是溢式模、半溢式模还是不溢式模结构？

（4）总结复合材料的组成、工艺与制品结构、性能之间的关系。