预浸料工艺技术和储存

预浸料工艺技术和储存

2024/05/07

预浸料常用的成型工艺主要包括真空袋工艺、热压罐工艺、模压工艺、卷管工艺、拉挤成型工艺、缠绕成型工艺、压力袋工艺等。

真空袋工艺：通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压、加热，从而获得性能优异产品，其优点在于压力均匀、有助于减少气泡产生。真空袋工艺的主要步骤包括铺贴预浸料后打带、密封，然后抽真空将空气抽走。抽真空时，产生压力达到1个大气压，从而起到对铺层进行压实的作用，然后将其送入固化炉内进行固化，或者采用自加热模具固化。

真空袋工艺的主要步骤

热压罐工艺：热压罐是一种压力容器，通过控制不同真空、压力、升温速率和固化温度等参数为复合材料提供固化条件；该成型技术与真空袋工艺相类似，它通过将预浸料放置真空袋置于热压罐中，将真空泵打开抽至真空，再经过一定时间的真空加热使其固化；该成型工艺稳定可靠，使用范围十分广泛，适用于制造军用机载雷达罩、整流罩、飞机舱门、机翼等产品。

 

 

模压工艺：将一定量的预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。其主要优点在于生产效率高、产品尺寸精度高、重复性好，但模具制造复杂、成本较高。

卷管工艺：采用卷管机上的热辊，使预浸料软化，随后在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，将预浸料连续卷到管芯上，然后通过冷辊冷却定型，从卷绕机取出，在固化炉中固化。卷管工艺主要用于加工管状结构件。

 

 

真空袋和热压罐，如何选择？

真空袋/固化炉或热压罐是用预浸料制造复合材料零部件的两种主要工艺，其加工方法取决于部件的质量、成本和种类（如下所示）。

 

 

真空袋工艺适用于各种厚度的单板结构和大型夹层结构的制造。部分高性能预浸料也可以使用标准的真空袋固化炉固化，其部件质量接近热压罐工艺。

热压罐工艺通常用于制造高碳纤维体积含量、低孔隙率的优质结构件，也可以在压力较低的情况下生产高标准的蜂窝夹层结构。因为热压罐体积大，往往需要很长时间进行加热和固化，因此周期较长，有时需要缓慢升温才能保证模具和复合材料部件温度的均匀分布。

 

真空袋打袋每一步骤的作用是什么？

真空袋打袋步骤如下图所示，该工艺是生产高质量航空航天部件的理想方式，但在工业应用方面也可用其他的铺贴方法。

 


真空袋打袋示例图

 

真空袋和热压罐都存在真空袋打袋过程（上图），这种工艺是生产高质量的航空航天部件的理想方式，但是在工业应用方面，也可采用其他铺贴方式。

真空袋打袋过程中的主要耗材和作用如下所示：
  • 脱模剂：帮助部件从工装中脱模；
  • 剥离布（可选）：有助于析出挥发物和多余树脂，固化后可轻易剥离，其表面有利于胶接或喷涂；
  • 吸胶层（可选）：通常采用毡或玻璃纤维织物，吸收多余树脂，树脂含量可以通过吸胶层的数量来调节，以控制纤维的体积含量；
  • 隔离膜：可防止树脂流失，并根据需要使用无孔或微孔薄膜，空气和挥发成分也可通过微孔排出；
  • 透气层：提供真空通道，以便从整个部件中去除空气和挥发成分，当使用热压罐压力时，需要更厚的透气织物；
  • 密封条：控制树脂流失，维持部件形状；
  • 真空泵/密封胶带：排出空气，形成真空的密封袋。

 

真空袋/固化炉和热压罐工艺如何实施？

真空袋成型工艺通过将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品加压，进而使产品密实的成型工艺方法。真空袋工艺和热压罐工艺主要流程如下图所示。


 

热压罐和真空袋的主要工艺参数有哪些？
压实：在铺贴过程中，预浸料铺层之间会存在空气，可以采用隔离膜/透气层/真空袋打袋，在室温下抽真空10-15min，以排除空气、压实预浸料，与工装表面接触的第一层压实后，依据部件的厚度和复杂程度，可以每3-5层压实一次。
真空：通常真空用来排除预浸料层间的空气，同时压实预浸料，在热压罐的固化过程中，可以在加压后降低真空度，这样在整个固化过程中，能够有效地检测真空袋是否泄漏。
升温速率：升温速率对预浸料的粘度、流动性、反应速率以及部件的表面质量都有很大影响，大部分预浸料固化所需的升温速率是一个温度范围，一般而言，较快的升温速率适用于较薄的部件，而较慢的升温速率适用于较厚或者较大的部件；决定升温速率时，应避免部件、工装和热源间产生较大的温差。
保温平台：对于大型部件和工装，也可在固化过程中引入保温平台，它能确保整个工装和部件的温度均匀，良好的温度控制能保证固化过程中树脂流动的一致性，并改善树脂的流动特性。
固化温度公差：在整个固化过程中，固化炉/热压罐、部件和工装的温度应达到并保持在最低固化温度以上，用于检测温度的热电偶应仔细考虑放置的位置，以确保得到整个系统的准确温度，并将温度的公差范围控制在±5℃；对于大型部件，可能需要一个循环测温系统来监控部件和工装的温度场。
固化时间：每种预浸料都有相应的固化时间，其从热电偶达到最低固化温度的时间开始计算，延长在推荐固化温度下的固化时间通常不会对部件产生不利影响。
冷却速率：应该控制冷却温度速率以避免温度的骤然变化而在部件中产生较高的热应力，在整个冷却过程中压力和/或真空仍然应该保持。
成品质量检验：固化后，超声波、错位散斑干涉法、热成像等多种检测手段可以用于复合材料部件的质量检验。

预浸料一般会采用冷藏的方式进行保存，如美国Hexcel公司的HexPly预浸料典型保存条件为-18℃的冷库。为了避免受潮，在打开聚乙烯袋之前，应当先让预浸料回温至室温（完整包装回温可能需要48h）。

一般而言，在-18℃保存的状态下，预浸料的保质期为自生产日期12个月。一般预浸料产品包装箱的标签上会印上-18℃时的保质期和室温条件下的保质期。室温（温度23℃）环境中预浸料的粘性寿命和外置寿命会因树脂种类不同而存在差异。

概念说明：
  • 保质期（储存寿命）：密封防潮袋包装状态下的最长储存寿命
  • 粘性寿命（操作寿命）：室温下，预浸料所能保持的适于铺贴粘性的时间；
  • 外置寿命（力学寿命）：从冷库取出到固化之间所允许的最大室温累计时间。
     
     
使用预浸料时应采取哪些卫生和安全措施？

对于产品规格完整的制造商，其预浸料在应用方面存在很小的安全风险，如Hexcel公司预浸料由于具备以下特点，而存在极小的安全风险：

  • 预浸料在铺贴之前一直带有保护膜，裁剪后再去除保护膜，因此，直接接触预浸料的情况实际上不存在；
  • 和湿法工艺不同（干纤维、液态树脂），预浸料工艺纤维粉尘极小，而且无飞溅、无泄漏和溢出；
  • 预浸料在常温条件下无挥发；
  • 在常温下，预浸料的粘性处于中低水平。

但是，所有预浸料在操作时仍应该遵守预防措施，如：始终佩戴手套，确保其覆盖手臂，以避免皮肤与产品的接触。在无保护状态下重复触摸预浸料会引起过敏反应。

加工固化后的产品会产生含有纤维物质的粉尘，应避免吸入。建议在切割区安装吸尘装置收集粉尘。为了防止火灾和爆炸，加工固化产品时应避免粉尘的形成，避免火源，含有碳纤维的粉尘是导电的。

 

资料来源于：玻纤复材

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