1.複合材料
由兩種或者兩種以上的組分材料通過適當的製備工藝複合在一起,即保留原組分的效能,又具有原組分所沒有的優異效能的材料稱為複合材料。近年來各種複合材料在工業技術中獲得了日益廣泛的應用。複合材料分為:無機非金屬基複合材料,有機高分子基複合材料,及金屬基複合材料。玻璃鋼複合材料就是目前使用比較廣泛的有機高分子基複合材料,簡稱玻璃鋼。用玻璃纖維增強熱固性塑料的玻璃鋼叫做熱固性玻璃鋼(FRP);用玻璃纖維增強熱塑性塑料的玻璃鋼叫做熱塑性玻璃鋼(FIP)。目前在生產中使用比較多的是熱固性塑料玻璃鋼。玻璃鋼由於具有比強度高、耐腐蝕、易成型的特點,從而能有效的減輕產品的質量、提高產品的使用效能、縮短新產品的開發週期、降低生產成本,所以在目前的工業技術中獲得日益廣泛的應用。如汽車作為人們廣泛應用的交通工具,但是能耗較大,目前節能技術已經成為各國研究的一個重要課題,汽車輕量化是一個重要的發展方向。試驗表明,汽車每減少質量10%,油耗可降低8%-10%,所以目前汽車零部件大量的採用了玻璃鋼複合材料,特別在車身大型覆蓋件方面獲得了的較廣泛應用。玻璃鋼工業起步於20世紀40年代初期,經過半個多世紀的發展,全世界已形成玻璃鋼從原材料、成型工藝、技術裝置、製品生產到相關效能檢測等較系統完整的工業技術,其標準化工作也日臻完善,正在向傳統材料挑戰。隨著玻璃鋼的新材料、新工藝、新裝置的日益發展,在工業技術各個領域將獲得更加廣泛的應用。
2.玻璃鋼的組成及效能
2.1玻璃鋼的組成玻璃鋼是玻璃纖維增強塑料(FRP)的俗稱,是以高分子有機樹脂為基體,採用玻璃纖維進行效能增強的複合材料。玻璃鋼與金屬和普通均質塑料不同之處在於它是由不同模量和強度的兩種材料組成。其中,具有較高模量與強度的玻璃纖維在玻璃鋼中起增強作用,是受力組分;而樹脂的作用是作為玻璃纖維的載體,將分散的玻璃鋼纖維牢固地粘結在一起,使之共同受力,所以它綜合了樹脂與玻璃纖維各自的優點。玻璃鋼的力學效能不及碳纖維複合材料,但是由於其成本低,所以目前的應用範圍比碳纖維複合材料大的多。玻璃纖維是一種人造無機纖維,與玻璃成分相似,均為無機氧化物的融合體。在目前眾多玻璃纖維製品中,其纖維有粗紗、細紗、捻紗、無捻紗之分,玻璃纖維布有細紗薄布和無捻粗紗布之分。常用樹脂分為熱固性、熱塑性兩種。熱固性樹脂目前用的較多的有酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂、聚氨酯樹脂等;熱塑性樹脂有聚氯乙烯、聚丙烯等。通常在各種樹脂中通常還需要加入各種新增劑以達到提高其使用效能和加工效能的目的。各種新增劑有:填料、顏料、穩定劑、增塑劑等,另外還有引發劑、促進劑、交聯劑等。引發劑和促進劑合稱固化劑,以控制樹脂的固化速度(固化速度過快或過慢都可能造成製品缺陷),固化劑還能夠起到使固化趨於完全,穩定製品質量的作用。交聯劑能使樹脂固化後形成體型網狀結構,以改善樹脂效能並能調節樹脂溶液的粘度,起稀釋作用,使樹脂更易於浸潤玻璃纖維。
2.2玻璃鋼的效能
2.2.1玻璃鋼的物理效能
(1)體積質量小。其密度僅為1.6-2.1,是鋼鐵的1/4-1/5,鋁材的3/5左右。(2)耐腐蝕、耐老化、不生鏽、防水、密封效果好。樹脂成分具有良好的耐腐蝕效能,在酸鹼、有機溶劑、海水等介質中效能穩定,其耐腐蝕效能超過了不鏽鋼。(3)吸振、隔音、隔熱。由於玻璃纖維與基體介面之間具有吸振的能力,其振動阻尼很高,減振效果好,抗衝擊強度高。(4)電絕緣效能優良,抗磁電效能強。玻璃鋼不受電磁作用影響,它不反無線電磁波,微波透過性好。
2.2.2玻璃鋼的力學效能
(1)抗拉強度。組成玻璃鋼的玻璃纖維其抗拉強度為200MPa左右,玻璃鋼的抗拉強度略低於碳鋼,見表2所示。實驗表明:隨著玻璃纖維含量的增加,玻璃鋼強度與彈性模量都逐漸增加,纖維含量每提高5%,強度分別提高8%-12%,彈性模量提高5%-10%。纖維含量的提高對強度提高的影響大於對彈性模量的影響,纖維含量達到60%以後,對強度與摸量的提高不再顯著。(2)比強度。比強度定義為材料的強度與質量的比值,玻璃鋼的比強度較一般碳鋼大2-5倍。比強度大說明零件自重小。(3)比模量。玻璃鋼比模量較一般碳鋼大得多。比模量大即表示零件的剛性大。(4)剛度。實驗表明:2.5mm左右厚度的玻璃鋼與1.0mm厚度的鋼板具有相同的剛度。(5)抗疲勞強度。玻璃鋼的抗疲勞強度幾乎接近鋼材的一半。疲勞破壞實驗表明:在交變載荷作用下,金屬材料的破壞是由裡向外發展的,事前沒有任何預兆,而玻璃鋼卻不同,如果由於疲勞破壞而產生裂紋時,因纖維與介面能阻止裂紋的擴充套件,並且由於疲勞破壞總是從纖維的薄弱環節開始,逐漸擴充套件到結合面上,所以破壞前有明顯的預兆。金屬材料疲勞極限為抗拉強度的40%-50%,而玻璃鋼的疲勞極限為抗拉強度的60%-70%。RaifSakin等人認為玻璃鋼的各向異性是其抗疲勞強度的主要影響因素,試驗結果顯示,纖維分佈的密度,纖維排布的角度,樹脂的滲透率等等是影響抗疲勞強度的主要引數。
2.2.3玻璃鋼的成型工藝效能
玻璃鋼具有優良的成型工藝效能,由於其在比較低的溫度下(所用樹脂的熔融溫度,100℃-150℃)具有流動效能,所以玻璃鋼製品不受零部件形狀的限制,許多複雜結構件可以很容易的使用玻璃鋼成型。汽車的覆蓋件形狀要求空氣阻力小,同時要求外形美觀,所以其形狀通常為空間曲面,如採用鋼板衝壓成型就比較困難,而使用玻璃鋼複合材料時利用它的流動性,就很容易達到空氣動力學的要求以及美觀方面的需要;同時使用玻璃鋼可製備形狀複雜的整體結構件,使幾個零件集成於一個零件,從而減少零件數量;一次成型可提高製件的扭轉剛性;並且有利於提高勞動生產率。與金屬零件的加工製造相比,簡化了工序,減少了工裝裝置,從而使得製造成本大幅下降,投資少,生產週期變短。特別是較大的覆蓋件,玻璃鋼良好的成型效能可通過一次模壓工藝製造出“A”級表面質量的.覆蓋件。
3.目前玻璃鋼的分類及其應用
玻璃鋼根據採用的樹脂效能,主要分為:玻璃纖維增強熱固性塑料(將樹脂加熱到一定溫度後固化成形,成形後不再具有塑性效能)和玻璃纖維增強熱塑性塑料(樹脂加熱後,冷卻成形,再加熱又能夠恢復其塑性效能Thermoplastic)。
3.1玻璃纖維增強熱固性塑料
增強熱固性塑料使用的玻璃纖維有無捻粗紗、無捻粗布紗、短切原絲氈、針刺氈、短切紗等。目前應用廣泛的玻璃纖維增強熱固性塑料為片狀模塑料(SheetMoldingCompound,簡稱SMC)和團狀模塑料(BulkMoldingCompound,簡稱BMC),是由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈,兩邊覆蓋聚乙烯薄膜而製成的一類片狀模壓料。SMC、BMC所用基體為聚酯,SMC短切纖維可以用紆子紗或無捻粗紗,長度一般為35mm-40mm。目前利用其優異的力學效能可製造的功能結構零件有:驅動軸、油箱、風扇葉片、油氣踏板、空氣濾清氣罩、保險槓、板簧、車端部骨架、散熱器支架和各類支撐件,與用鋼鐵材料製造這些零件相比,可減少重量60%-70%。利用其良好的成型效能、表面質量和力學效能,目前製造的功能結構零件有:轎車和客車的車身、車門、後尾門、頂棚、舉升門、貨車車廂等。利用其高的比強度生產汽車的內飾件,如駕駛室內的儀表盤、地板、座椅,外飾件如擋泥板、導流罩,可減少質量40%左右。利用其良好的物理化學效能可生產製造的發動機零件有:閥門罩、頂蓋、前蓋、定時鏈條罩、油槽等,不僅可減少質量30%,同時可以大大減小執行中的噪聲與振動,且無需外塗飾,尺寸穩定,密封效能好。
3.2玻璃纖維增強熱塑性塑料
玻璃纖維增強熱塑性複合材料根據纖維增強方式的不同,分為短玻纖(SFT)、長玻纖(LFT)和玻璃纖維氈(GMT)增強三種類型。SFT是目前應用最多的玻璃纖維增強熱塑性複合材料,但其材料效能不高。SFT最常用的基體塑料有聚醯胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乙烯等,在汽車中多使用聚丙烯和聚醯胺,近年來又擴充套件到ABS、熱塑性聚酯(PET、PBT、PTT)等。SFT中的玻璃纖維含量為30%左右。材料中的纖維能賦予製品良好的熱力學效能,因而適用製作靠近熱源的器件,主要用作非結構零部件。LFT的基體塑料主要為聚丙烯(目前佔70%以上),還有聚醯胺、PBT、聚氨酯等。LFT的玻璃纖維長度控制在4mm以上,其玻璃纖維較長,可以提高製品的力學效能,特別是能夠顯著提高衝擊強度。剛度與質量比高,變形小;韌性高;抗蠕變效能好,尺寸穩定;耐疲勞效能優良;其成形效能好,可採用注塑和其他成型方法(而GMT只能採用壓塑);其模塑成型效能比SFT好。目前在歐洲,LFT已成為前端托架、車門部件、儀表盤支架、車地防護件及其他結構間的標準材料。GMT是連續纖維或者長纖維氈增強熱塑性複合材料。GMT所用基體塑料主要是聚丙烯,其他還有聚醯胺、聚乙烯等。GMT中玻璃纖維含量一般為20%-45%。GMT具有質量輕、比強度高、韌性好、可回收利用等優點,因而躋身於金屬、工程塑料等材料之間,具有很強的競爭力。尤其是GMT抗衝擊強度好,蠕變小,耐熱性好,成型收縮小,特別適合於汽車製造業,其典型製品有前端元件、保險槓、儀表盤、發動機罩、車底防護板、座椅靠背、備胎倉、蓄電池支架、車門元件等。
3.3玻璃纖維增強熱固性塑料與玻璃纖維增強熱塑性塑料效能比較
樹脂基複合材料幾十年來主要是熱固性樹脂基材料,進入20世紀90年代,隨著科學技術的迅猛發展,以通用和高效能的工程塑料為基體樹脂的熱塑性複合材料受到人們的關注,並已成為複合材料異常活躍的研究開發熱點。人們普遍認為,熱塑性樹脂複合材料具有很大的應用潛力,其與熱固性樹脂複合材料相比具有:韌性比較高;成型加工週期短;加工工藝簡單,無環境汙染,可重複使用;維修方便;有類似於金屬的加工特性;成本低等優點。
3.4玻璃鋼新技術的應用
3.4.1奈米技術的應用
奈米技術的應用將使玻璃纖維增強熱固性塑料效能到進一步的提高,有機或無機奈米粉分散在熱固性聚合物基體中,能夠有效地阻礙其團聚傾向;顯著改善其熱效能,使其熱膨脹係數降低,熱導係數增加,可為汽車發動機零件的製造提供良好的發展前景。y等人研究了碳奈米管對玻璃鋼效能的影響,研究表明:少量碳奈米管就可顯著提高玻璃鋼的力學效能,這主要是能夠大大改善玻璃鋼基體的效能,但其拉伸效能不受影響(因為複合材料的拉伸效能是玻璃纖維起主導作用)。
3.4.2低密度SMC玻璃鋼複合材料的應用
低密度SMC玻璃鋼的比重為1.3,比標準的材料(比重為1.8-2.0)重量輕30%以上。使用這種低密度SMC與用鋼製作的同類部件相比可減少質量大約45%。低密度SMC發動機罩比鋼件減少質量達35%。
3.4.3高含量玻璃纖維增強的片狀模塑料的應用
高含量玻璃纖維增強的片狀模塑料由於具有多種功能,被廣泛認為在結構設計方面具有很大的優勢,因此推廣應用於汽車儀表板、轉向機、散熱器系統及電子裝置上。
3.4.4天然纖維增強塑料的研究應用
由於天然纖維價格比玻璃纖維更便宜,而且密度更低,這就可能降低材料成本和製件重量;天然纖維複合材料還具有顯著的環保優越性,天然纖維來自可再生資源,可生物降解,極易回收處理。所以天然纖維增強塑料的研究在國內、外正開展的如火如荼,已有部分產品用於輕便客貨兩用車的門板、儀表盤、小件行李架、駕駛室後壁板等部件。可以預見,不久的將來天然纖維增強熱塑性樹脂複合材料應用將得到更快速的發展。
4.玻璃鋼成型工藝簡介
不同種類的玻璃鋼,其成形工藝方法亦不同。
4.1玻璃纖維增強熱固性塑料的成型工藝
4.1.1手糊成型工藝手糊成型工藝是早期採用的一種簡單成熟的成型工藝,其典型工藝過程是:在塗有脫模劑的模具上,將加有固化劑的樹脂混合料和玻璃纖維織物手工逐層鋪放,浸膠並排除氣泡,疊層至要求的厚度後固化,形成所需的製件。手糊成型技術的優點是:無需專用裝置,投資少;不受制品形狀和尺寸的限制,操作方便,容易掌握,便於推廣,成本低等。缺點是:製品質量不易控制,人為因素大;製品的強度和尺寸精度較低;勞動條件差,開模麻煩,汙染較嚴重;人工操作,生產效率低,邊角料廢渣較多等。
4.1.2噴射成型工藝
噴射成型工藝是手糊成型的改進,屬於半機械化成型工藝。它是將混有引發劑和促進劑的兩種聚酯樹脂分別從噴槍兩側噴出,同時將切斷的玻纖粗紗由噴槍中心噴出,使其與樹脂均勻混合,沉積到模具上;當沉積到一定厚度時,用輥輪壓實,使纖維浸透樹脂,排除氣泡固化後成製品。噴射成型的優點是:用玻纖粗紗代替織物,可降低材料成本;生產效率比手糊的高2-4倍;產品整體性好,無接縫,層間剪下強度高,製品耐腐蝕、耐滲漏性好;產品尺寸、形狀不受限制。缺點是:樹脂含量高,製品強度低;產品只能做到單面光滑;汙染環境,有害工人健康。
4.1.3模壓法
模壓法又分為熱壓法、冷壓法。熱壓法目前常用的有酚醛坯料模壓和SMC、BMC模壓兩種。模壓工藝要嚴格控制兩個工藝引數,即壓力和溫度。下面主要介紹SMC及BMC成型工藝和低溫模壓法。SMC(片狀模塑料)及BMC(團狀模塑料)成型工藝:將片狀模塑料和團狀模塑料兩面的薄膜撕去,按製品的尺寸裁剪、疊層,放入金屬模具中加溫加壓,即可得到所需要的製品。SMC可在加熱的模具中流動,便於製造帶有筋、凸起及不等厚的覆蓋件。其成型時間取決於成型溫度、壓力和所用樹脂、引發劑系統及製件壁厚(一般1mm壁厚為1min)。成型溫度為130℃-150℃,還可根據需要對模具的上下部設定不同的溫度,要求光潔的一面模具溫度應高出10℃-15℃。它是目前國際上應用最廣泛的成型材料之一。壓制SMC、BMC產品的工藝條件見表3。SMC/BMC成型工藝的主要優點是:生產效率高,成型週期短,易於實現自動化生產;產品尺寸精度高,重複性好;閉模成型,可最大程度較少樹脂等有害成分對人體和環境的毒害;製品表面光潔,無需二次修飾;模具壽命可達100萬次,大批量生產時可獲得較好的經濟效益。SMC/BMC的不足之處在於模具製造複雜,初期投資大。低溫模壓法的特點為:成型壓力較低,只有0.2-0.5MPa;玻璃纖維不是短切預混料,而是以片狀坯料形式入模;由於壓力低,陰陽模具一般可用FRP做模,不必用金屬模具;成型溫度為常溫至60℃,不需外界加熱。
4.1.4RTM成型工藝
樹脂傳遞模塑(ResinTransferMolding,簡稱RTM)是手糊成型工藝的另一種改進的閉模成型技術,它的基本原理是將璃纖維增強材料放到封閉的模腔內,用壓力將樹脂膠液注入腔,浸透玻纖增強材料,然後固化,脫模後成製品。圖2為RTM的工藝流程圖。RTM成型玻璃鋼增強材料有:片狀增強材料,將玻璃纖維紗切成定長加粘合材料製成氈;預型體,在玻纖中粘合劑製成預成型物,與成型形狀相仿的坯料。開發適合RTM工藝的樹脂是關鍵環節,對樹脂的一般要求主要有:低粘度,注入速度快,無壓力堆積;固化後不宜發生裂紋;從凝膠到脫模的時間短;固化時發熱少,並且要求低溫時不固化,溫度提高到60℃-80℃時能快速固化;有足夠適應操作的時間;控制容易,清洗方便;能夠加入較多的填料。RTM成型技術主要優點是:可以製造大中尺寸、複雜形狀、兩面光潔的整體結構件;成型效率高,適合於中等規模的玻璃鋼產品生產(30000件/年以內);RTM工藝採用低粘度快速固化樹脂,生產效率高和產品質量好;RTM為閉模操作,不汙染環境,不損害工人健康;原材料及能源消耗少;初期投資少。缺點是:生產技術要求高;修整工序複雜。
4.1.5拉擠成型工藝
拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續玻璃纖維束、帶或布等,在牽引力的作用下,通過擠壓模具成型、固化、連續不斷地生產長度不限的玻璃鋼型材。如各種棒、管、實體型材(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(門窗型材、葉片等)等。拉擠成型是複合材料成型工藝中的一種特殊工藝,其優點是:生產過程完全實現自動化控制,生產效率高;拉擠成型製品中纖維含量可高達80%,產品強度高;製品縱、橫向強度可任意調整可以滿足不同力學效能製品的使用要求;生產過程中無邊角廢料,產品不需後加工,故較其它工藝省工,省原料,省能耗;製品質量穩定,重複性好,長度可任意切斷。缺點是:產品形狀單調,只能生產線形型材,製品橫向強度不高。但近年來使用纖維布和複合氈拉擠後橫向強度得到了提高。在國外,擠拉法成型已經工業化,近來我國已有數十家從國外引進了工藝和裝置。擠拉法在我國已形成規模化生產。
4.1.6纏繞成型法
纏繞成型法:在若干股無捻粗紗上施以一定的張力並浸漬樹脂(或已浸漬樹脂),按一定規律纏在芯軸上,纏到所需厚度後,經固化脫模而得到製品。各種成型工藝方法、成型應用範圍、及製品質量比較。
4.2玻璃纖維增強熱塑性塑料的成型方法
玻璃纖維增強熱塑性塑料的成型具有玻璃纖維增強熱固性塑料成型的特徵,同時由於它又具有金屬材料成型的特點。
4.2.1層壓成型技術
纖維氈、布預浸料和共混織物、混合纖維織物適合於層壓成型。其加工過程為:在兩塊熱平板之間加熱板狀預浸料,加熱溫度高於基體的熔點;然後快速將熱板送入處於室溫的成型系統中,;熱壓、冷卻形成製品。
4.2.2熱壓成型
熱壓成型也稱為預熱坯料成型,與前面所提的模壓成型類似,是一種快速、大量成型熱塑性塑料製品的工藝方法。
4.2.3樹脂傳遞模塑
樹脂傳遞模塑是一種從熱固性樹脂基複合材料成型借鑑過來的新的熱塑性樹脂基複合材料成型方法。在成型製品時,首先將樹脂粉末在室溫下放入不鏽鋼壓力容器中,逐漸加熱到達注入溫度時,加入引發劑粉末,攪拌均勻,再用氮氣給壓力容器充壓,樹脂通過底部開口和加熱管道注入纖維層狀物或預成型物的模腔中,當樹脂充滿模腔後,將模具溫度提高到聚合溫度,樹脂進一步聚合,聚合完成後,將模具按要求降溫、開模即得到最終制品。
4.2.4拉擠成型技術與纏繞成型法
與熱固性玻璃鋼的成形方法相似;只有成形所使用的玻璃纖維材料、長度、以及工藝引數不同。因篇幅所限,在此不再詳述,可參考其他的相關資料。
4.3目前玻璃鋼件成形新工藝簡介
在市場經濟中,為了降低製品的生產成本,提高製品的質量,人們不斷的研究成功了許多新的玻璃鋼先進生產技術,如:LPMC(1owpressuremoldingComproma1)工藝,它將RTM的低壓低溫成形和SMC的工藝結合起來,形成在RTM條件工藝引數SMCBMC成型溫度(℃)130-150120-170成型時間(min)50-10030-70成型壓力(MPa)0.2-30.1-3模具速度(mm/c)(1)100-300100-350(2)10-7020-70(3)0.1-300.1-20下即可生產出效能和SMC相似的製品。TERTM(ThermolExpansionResinTransferMoulding,熱膨脹樹脂傳遞模塑料)工藝。能夠製造重量輕,強度高,具有理想的扭曲強度和良好的尺寸穩定性,熱膨脹係數低的製品,如汽車的防撞檔板等。美國、加拿大、日本、西歐等國家和地區的TERTM都申請了專利,其技術處於領先水平。VARTM(Vacuum-AssistedResinTransterMoulding)技術,可使用更輕型模具,提高模具的使用壽命;通過抽真空可增加製品的強度;提高製品的質量。軟模壓制成型技術(RPM)。該技術使用的下模材料為鋼類硬質金屬,上模為易於變形的橡膠類材料製成的軟模。有利於應力在成型件表面的重新均勻分佈(其中應力包括變形應力和因軟模成型所產生的靜水壓應力)。輻射固化(radiationcuring)技術。採用α、β-、β+、γ和中子射線作輻射源,在室溫或低溫下進行固化成形。製品殘餘熱應力小;尺寸穩定;成型週期短;同時不需要化學引發劑,對人和環境的危害極小;能夠實現連續固化,工藝操作方便;最適合固化面積大的製品。GMT材料的“整合/整合”技術。通常GMT材料的片材製備和製品成型過程是分開的,如將兩者結合起來,可以避免片材製備中的冷卻以及製品成型前的重新預熱,即可減少裝置投入,又可節約能耗。目前國外已有幾家公司採用了這種技術。
4.4玻璃鋼複合材料的回收利用
據統計,全世界玻璃鋼複合材料的年產量已經達到600萬噸,其廢棄物也超過了100萬噸,但是回收利用率只有10%左右。玻璃鋼複合材料的廢棄物對環境存在汙染,所以目前玻璃鋼複合材料製品的回收再生利用技術已經開始進入實用性階段,回收方法主要有以下兩種:(1)機械粉碎法:機械粉碎法是將玻璃鋼複合材料廢棄物經多次粉碎、碾磨成粒徑很小的粉劑,代替碳酸鈣重新用作填料,用量約佔製品重量的10%,德國再生料的最高用量已高達20%-30%左右,製品可達到A級表面質量要求。(2)化學熱解法:化學熱解法是將玻璃鋼複合材料廢棄物在無氧情況下。利用高溫分解成為燃氣、燃油、固體副產物三種成分,燃氣和燃油可以用作能源,固體副產物可重新作為複合材料的填料。