樹脂基復合材料內襯成型工藝分析

杜政才（哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036）

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樹脂基復合材料內襯成型工藝分析

杜政才
（哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036）

摘 要：隨著復合材料工藝和性能的不斷改善，其內襯成型工藝及性能也在不斷的變化。現對復合材料金屬內襯成型工藝、橡膠內襯成型工藝、塑料內襯成型工藝進行了分析。

關鍵詞：復合材料；內襯；分析

0　引言

隨著科學技術的發展，樹脂基復合材料以其比強度高、重量輕、耐腐蝕、優良設計性等優點，在民用、軍工、航空航天領域得到了普遍的應用。但樹脂基復合材料制品往往是非氣密性的，因此需要在其內部制作內襯層，另外，還有要求內襯材料具有耐腐蝕和耐高低溫等性能，還必須與復合材料牢固粘結、變形協調、共同承載，具有適當的彈性和較高的延伸率，從而來保證復合材料的使用性能。目前可以用作內襯材料的有金屬、橡膠、塑料等。

1　金屬內襯成型工藝

具有金屬內襯的復合材料結構以其比強度和比剛度高，抗疲勞、抗震、耐腐蝕和密封性能好以及結構的可設計性等諸多優點而被廣泛應用。該結構成型過程一般需經歷纏繞、固化和超壓三個工藝階段，此三個工藝階段是連續的，且對最終使用性能和承載能力帶來重要的影響。1970年美國NASA為滿足太空結構的應用要求，率先成功地設計和制作了具有金屬內襯的復合材料纖維纏繞壓力容器的工藝和設計研究工作，并已取得了良好的工程效益。

目前具有金屬內襯復合材料壓力容器的設計方法大致可分為如下兩類：（1）厚壁高強度金屬內襯的纏繞壓力容器。其金屬內襯是作為該容器的主要承載結構，內襯的厚度約占整體厚度的1/4-1/2。（2）薄壁金屬內襯復合材料纖維纏繞壓力容器。其金屬內襯的設計原理僅僅是確保滿足加工方便和在裝載高壓氣體或液體時容器不出現泄漏的要求，由于在工作中內襯所承受的結構載荷較小，故內襯厚度都較薄，而其材料亦均選擇強度較低但塑性良好的材料，比如鋁、不銹鋼、鈦等。用作內襯的鋁氣密性好，延展性能、可焊接性能及耐疲勞性和耐腐蝕性均好。哈爾濱玻璃鋼研究院林再文等研制了鋁內襯芳綸纖維纏繞的高壓氣瓶，并取得了較好的試驗結果。

2　橡膠內襯

與其它內襯材料相比，橡膠內襯的特點是氣密性好、彈性高、耐疲勞性亦佳，且制造工藝簡單等。隨著橡膠行業的快速發展，各式橡膠層出不窮，性能不一，通用型橡膠綜合性能較好，作為內襯材料有著較大的選擇余地。一般在民用領域一般選用通用橡膠作為內襯材料，通用橡膠來源廣泛，價格便宜，主要有天然橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠五大類。天然橡膠可耐一般非氧化性強酸、堿溶液、有機酸和鹽溶液，強度高，彈性好，綜合性能好，使用溫度可達70℃，聚酯樹脂的固化溫度和時間與天然橡膠的硫化溫度的時間相適應，所以天然橡膠與聚酯復合材料具有良好配合。

對于在較高使用溫度情況下，橡膠內襯可選擇三元乙丙橡膠，三元乙丙橡膠是合成橡膠屬于乙丙橡膠的一種，與天然橡膠相似，耐化學腐蝕大大超過天然橡膠，可在150℃下長期使用，間歇耐溫可達到200℃，價格適中，被廣泛應用。特種橡膠是指一般應用在某些特定環境下的一類橡膠，如在復合材料燃氣發動機、復合材料發射筒的使用過程中，就要求內襯材料起到耐高溫、隔熱的作用，以免對結構層造成損傷。特種橡膠一般可分為丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚硫橡膠四大類。丁腈橡膠耐油、耐老化性、氣密性、粘結性能較好、最高使用溫度可達150℃。引入苯基的硅橡膠可在180℃下長期工作，最高可耐300℃瞬時高溫。 無論是通用型橡膠還是特種橡膠硫化壓力都可通過復合材料層的纏繞張力來提供，因為橡膠內襯一般厚度為1～2mm左右，是一層很薄的橡膠片，橡膠內襯本身不具備剛性，所以需要包覆在具有一定剛度的芯模上，才能固定成型，芯模作為橡膠內襯的內部承載體，對橡膠內襯的表面質量起了關鍵性的作用，所以芯模表面的光潔度要很高，且不能有毛刺，以免對橡膠內襯造成損傷，由于是一層薄片橡膠，橡膠硫化在不大的纏繞張力下就可以達到致密的要求。

對于內襯材料起著關鍵作用的芯模材料有以下幾點要求：（1）芯模具有較高的剛度且在高溫下不發生形變；（2）能夠與產品較易拆分，并對復合材料及內襯不產生有害影響；（3）芯模制作簡單，原材料較易獲得。 能夠滿足上述要求的芯模材料種類很多，主要有金屬、石蠟、石膏砂、低熔點硝酸鹽等等。橡膠內襯的硫化主要有以下四種方法： （1）橡膠包覆完后，直接纏繞成形，復合材料固化時橡膠跟隨一起硫化； （2）橡膠包覆在芯模上，放入硫化罐中，通過氣體加熱使橡膠硫化； （3）將橡膠片貼在金屬陽模上后，安裝真空袋，送入熱壓釜中硫化； （4）將橡膠片貼在金屬陽模上，趕出氣泡，合上陰模，進行模壓硫化。實踐表明，真空袋加壓硫化可獲得較高的內表面質量，直接包覆纏繞成型效率較高適用于大批量生產。

3　塑料內襯

塑料內襯相對而言，具有更突出的靈活性，可通過不同的使用環境選用不同的塑料內襯，如在酸性介質中可選用乙烯基樹脂，在堿性介質中可采用雙酚A型樹脂，如197號樹脂，需要在耐水環境下使用時則采用189號樹脂。

塑料內襯具有如下優點（1）能節省成本。（2）高壓下循環壽命長。（3）防腐蝕。（4）原材料豐富，可選擇性相對較大。當然塑料內襯也具有以下不利因素：（1）可能通過接頭浸漏。（2）碰撞強度低。（3）氣體可能透過。（4）內襯與復合材料粘接脫落。（5）塑料內襯對溫度比較敏感。塑料內襯的特點與橡膠內襯基本相同，也需要芯模定型。在航空航天領域，高溫氣流沖刷環境下，內襯材料的性能至關重要，要求內襯材料具有耐高溫沖刷、良好的機械性能、且具有高殘炭率。

4　結束語

近年來，隨著樹脂基復合材料的飛速發展，各高校和科研單位在復合材料內襯研發上投入也在不斷增大，新的內襯層品種、新的工藝手段、新的合成方法也在不斷涌現，相信在不久的將來我們在內襯材料上會取得更大的成就。

參考文獻：

［1］賈曉龍，李剛等.碳纖維/環氧樹脂在橡膠內襯表面的全纏繞工藝設計［J］.玻璃鋼/復合材料，2009（02）：61-64.

［2］任明法.具有金屬內襯復合材料纏繞結構成型和使用過程的一體化分析［D］.大連：大連理工大學，2005： 2-10.

［3］許家忠，喬明等.纖維纏繞復合材料成型原理及工藝［M］.北京：科學出版社，2013：79-94.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.046

作者簡介：杜政才（1986-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，研究方向：復合材料。