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玻璃钢缠绕工艺解析与生产注意事项

责任编辑:盛宝传热 发表时间:2019-03-08

纤维缠绕工艺是树脂基复合材料制造工艺之一。缠绕的主要形式有三种环向缠绕、平面缠绕及螺旋缠绕。
 
    维缠绕工艺是树脂基复合材料的主要制造工艺之一。是一种在控制张力和预定线型的条件下,应用专门的缠绕设备将连续纤维或布带浸渍树脂胶液后连续、均匀且有规律地缠绕在芯模或内衬上,然后在一定温度环境下使之固化,成为一定形状制品的复合材料成型方法。
 
 缠绕的主要形式有三种:环向缠绕、平面缠绕及螺旋缠绕。环向缠绕的增强材料与芯模轴线以接近90度角(通常为85-89度)的方向连续缠绕在芯模上,平面缠绕的增强材料以与芯模两端极孔相切并在平面内的方向连续缠绕在芯模上,螺旋缠绕的增强材料也与芯模两端相切,但是在芯模上呈螺旋状态连续缠绕在芯模上。
 
 
 
      纤维缠绕技术的发展与增强材料、树脂体系的发展和工艺发明息息相关。尽管在汉代就有在长木杆外加纵向竹丝及环向蚕丝后浸渍大漆制造戈、戟等长兵器杆的工艺,但直到20世纪50年代纤维缠绕工艺才真正成为一种复合材料制造技术。1945年首次应用纤维缠绕技术成功制造了无弹簧的车轮悬挂装置,1947年第一台纤维缠绕机被发明。随着碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维的开发和微机控制缠绕机的出现,纤维缠绕工艺作为一种机械化生产程度很高的复合材料制造技术,得到迅速的发展,20世纪60年代开始在几乎所有可能的领域都得到了应用。
 
      根据缠绕时树脂基体所处的化学、物理状态不同,缠绕工艺可分为干法、湿法及半干法三种:
 
      1.干法
 
      干法缠绕采用经过事先浸胶而处于B阶段的预浸纱带。预浸纱带是在专门的工厂或车间制造与提供的。干法缠绕时,在缠绕机上需先对预浸纱带进行加热软化处理后再缠绕到芯模上。由于可以在缠绕前对预浸纱带的含胶量、胶带尺寸及质量进行检测和筛选,因而可以较准确地控制制品质量。干法缠绕的生产效率较高,缠绕速度可达100-200m/min,工作环境也较清洁。但干法缠绕设备比较复杂且造价很高,缠绕制品的层间剪切强度也较低。
 
      2.湿法
 
      湿法缠绕是将纤维经集束、浸胶后,在张力控制下直接缠绕在芯模上,然后再固化成型。湿法缠绕的设备比较简单,但由于纱带浸胶后立即缠绕,在缠绕过程中对制品含胶量不易控制和检验,同时胶液中的溶剂固化时易在制品中形成气泡、孔隙等缺陷,缠绕时张力也不易控制。同时,工人在溶剂挥发气氛和纤维短毛飞扬的环境中操作,劳动条件较差。
 
      3.半干法
 
      与湿法工艺相比,半干法是在纤维浸胶到缠绕至芯模的途中增加一套烘干设备,将纱带胶液中的溶剂基本上驱赶掉。与干法相比较,半干法不依赖一整套复杂的预浸渍工艺设备。虽然制品的含胶量在工艺过程中与湿法一样不易精确控制且比湿法多一套中间烘干设备,工人的劳动强度更大,但制品中的气泡、孔隙等缺陷大为降低。
 
三种方法各有特点,湿法缠绕方式因其对设备的要求相对简单和制造成本较低而应用最为广泛。
 
 
 
缠绕成型工艺主要应用
 
     一、玻璃钢贮罐
 
      贮运化工腐蚀液体,如碱类、盐类、酸类等,采用钢罐很容易腐烂渗漏,使用期限很短。改用不锈钢成本较高,效果也不及复合材料。采用纤维缠绕地下石油玻璃钢贮罐,可防止石油泄漏,保护水源。用纤维缠绕工艺制成的双层壁复合材料玻璃钢贮罐和玻璃钢管道,己在加油站获得广泛应用
 
 
 
      二、玻璃钢管道
 
      纤维缠绕管道制品因其强度高、整体性好、综合性能优异、容易实现高效的工业化生产,综合运营成本较低而被广泛地应用于炼油厂管道、石油化工防腐管道、输水管道、天然气管道和固体颗粒(如粉煤灰和矿物)输送管道等方面。 
 
 
 
      三、玻璃钢压力制品
 
      纤维缠绕工艺可用于制造承受压力(内压、外压或两者兼俱)的玻璃钢压力容器(包括球形容器)和玻璃钢压力管道制品。
 
      玻璃钢压力容器多用于军工方面,如固体火箭发动机壳体、液体火箭发动机壳体、玻璃钢压力容器、深水外压壳体等。玻璃钢缠绕压力管道可充装液体和气体,在一定压力作用下不渗漏、不破坏,如海水淡化反渗透管和火箭发射管等。先进复合材料的的优异特性使纤维缠绕工艺制备的多种规格火箭发动机壳体和燃料储箱得到成功的应用,成为现在乃至将来发动机发展的主方向。它们包括小到直径只有几厘米的调姿发动机壳体,大到到直径3米的大型运输火箭的发动机壳体。
 
 
 
玻璃钢缠绕管道的修复方法
 
      1、复合材料制品表面发粘,其主要原因如下:
 
      a)空气中湿度大。由于水蒸气对不饱和聚酯树脂、环氧树脂均有延缓、阻聚的作用,甚至能造成表面永久发粘,制品长期固化不完全等缺陷。因此要保证在相对湿度低于80%的情况下进行复合材料制品的制作。
 
      b)不饱和聚酯树脂中石蜡加得太少或石蜡不符合要求而导致空气中氧的阻聚作用。除加适量的石蜡外,还可以用其它方法(如加玻璃纸或聚醋薄膜)将制品表面与空气隔绝。
 
      c)固化剂、促进剂用量不符合要求,因此在配置胶液时应严格按技术文件规定的配方控制用量。
 
      d)对于不饱和聚酯树脂而言,苯乙烯挥发太多造成树脂中的苯乙烯单体不足。这一方面要求树脂胶凝前不能加热,另一方面环境温度不宜太高(通常30摄氏度为宜),且通风量不宜太大。
 
      2、制品气泡太多,其原因如下:
 
      a)赶压气泡不彻底,每一层铺敷、缠绕都要用辊子反复滚压,辊子应做成环向锯齿型或纵向槽型。
 
      b)树脂粘度太大,在搅拌或涂刷时,带入树脂中的空气泡不能被赶出。需要加入适量的稀释剂。不饱和聚酯树脂的稀释剂为苯乙烯;环氧树脂的稀释剂可选用乙醇、丙酮、甲苯、二甲苯等非活性或甘油醚类的活性稀释剂。呋喃树脂和酚醛树脂的稀释剂为乙醇。
 
      c)增强材料选用不当,应重新考虑所用增强材料的种类。
 
      d)操作工艺不当,应根据树脂及增强材料种类的不同,选择适当的浸胶、涂刷、滚压角度等工艺方法。
 
      3、制品的分层现象,原因如下:
 
      a)纤维织物未做前处理,或处理不够。
 
      b)织物在缠绕过程中张力不够,或气泡过多。
 
      c)树脂用量不够或粘度太大,纤维没有被浸透。
 
      d)配方不合理,导致粘接性能差,或固化速度过快、过慢造成。
 
      e)后固化时,工艺条件不合适(一般是过早热固化或温度过高)。
 
      无论何种原因造成的分层现象,都必须彻底铲除分层部分,并用角向磨光机或抛光机打磨掉缺陷区以外周边的树脂层,宽度不小于5cm,然后再按工艺要求重新进行铺层。
 
      对于以上各种缺陷,不管何种原因,都应采取适当的办法彻底消除,以达到质量要求。
 
 
 
   玻璃钢管道引起分层的原因及解决办法
 
     玻璃钢夹砂管道分层引起玻璃钢管分层的原因:
 
     原因:①胶布太老; ②胶布胶量太少或不均匀; ③热辊温度太低,树脂熔化不好,胶布不能很好地粘住管芯; ④胶布张力小; ⑤油性脱模剂用量太多,沾污芯布。  
 
     解决办法: ①胶布的含胶量、可溶性树脂含胶量都要符合质量要求; ②热辊温度调高点,使胶布经过热辊时,胶布已发软发粘,能牢固地粘好管芯; ③调整胶布张力; ④不用油性脱摸剂或减少其用量。
 
     玻璃纲管内壁起泡
 
     其原因是:主要是引头布没贴紧管芯。
 
     解决办法:操作时要注意,一定要把引头布贴紧贴平在管芯上。
 
     玻璃钢管固化后起泡或起皱管子固化后起泡的主要原因是胶布挥发物含量太大,而卷制温度较低,卷制速度快,胶布的挥发物来不及挥发掉,以致于残留在管内。当管子加热固化时,其残留挥发分受热澎胀以致管子出现起泡。 
 
      解决办法:控制胶布挥发物含量,适当提高卷制温度,放慢卷制速度。
 
管子固化后起皱的原因是胶布含胶量高。解决办法:适当降低胶布的含胶量,降低卷制温度。
 
     玻璃钢管耐电压不合格
 
     产生原因: ①卷制时胶布张力不足,卷制温度低或卷制速度快,使布与布之间粘结不好,管子中挥发物残留量多; ②管子固化不完全。 
 
     解决办法: ①提高胶布张力,提高卷制温度或放慢卷制速度; ②调整固化工艺,保证管子固化完全。
 
     应注意的问题:
 
     1、由于密度小,材质轻,在地下水位较高地区安装玻璃钢管极易浮管,必需考虑设置镇墩或雨水径流疏导等抗浮措施。
 
     2、在已装玻璃钢管上开三通、修补管道裂缝等施工中,要求类似与厂房内的完全干燥条件且施工时使用的树脂及纤维布还需7—8小时固化,而现场施工与补修一般很难达到此要求。
 
     3、现有地下管线探测设备主要以探测金属管线为主,而非金属管道探测仪器价格昂贵,因此玻璃钢管埋地后目前无法探测,其它后续施工单位在施工中极易挖伤、损坏管道。
 
     4、玻璃钢管防紫外线能力差。目前明装玻璃钢管通过在其表面制作0.5mm厚的富树脂层和紫外线吸收剂(厂内加工),来延缓老化时间。随着运行时间的推移,富树脂层和紫外线吸收剂会遭到破坏,从而影响其使用寿命。
 
     5、覆土深度要求较高。一般车行道下SN5000级玻璃钢管最浅覆土不小于0。8m;最深覆土不大于3。0m;SN2500级玻璃钢管最浅覆土不小于0。8m;最深覆土不大于1。2m(12mm厚钢板卷管最小和最深覆土分别为0。7m和4。0m)。
 
    6、回填土中不得含有大于50mm的砖、石等硬物,以免损伤管道外壁。
 
    7、目前尚未见到有关全国大型水司大规模使用玻璃钢管的报道,而由于玻璃钢管是新型管材,故使用寿命到底如何尚不得而知。
 
 
 
高压玻璃钢管漏失原因、处理方法及防治措施
 
    1、漏失原因分析
 
  玻璃钢管道是一种连续玻璃纤维增强热固性树脂管道,碎性大不能承受外界冲击力,使用中受内外因素的影响,有时出现漏失(渗漏、爆裂),严重地污染了环境,影响了注水时率。经过现场调查与分析,漏失主要有以下原因。
 
     1.1、玻璃钢性能影响
 
   由于玻璃钢是一种复合材料,在材料、工艺受外界条件影响严重,主要有以下影响因素:
 
  (1)合成树脂的种类和固化度的影响,主要是树脂的质量,树脂稀释剂和固化剂,玻璃钢胶料配方等。
 
  (2)玻璃钢构件的结构和玻璃纤维材料的影响,玻璃钢构件的复杂程度,直接影响加工工艺质量,材料不同,介质要求不同,也会引起加工工艺复杂化。
 
  (3)环境的影响,主要是生产介质、大气温度、湿度环境影响等。
 
  (4)加工方案的影响,加工工艺方案是否合理直接影响施工质量。
 
   由于材料、人员操作、环境影响和检测手段等方面的因素,玻璃钢性能下降,会出现极少数管壁局部不达标,内外螺丝有暗裂纹等现象,在检查中难以发现,只有在使用过程中才会显露出来,它属产品质量问题。
 
      1.2、外部损伤
 
  玻璃钢管在长途运输、装卸施工过程中,都有严格的规定。如果不用软吊带,长途运输不使用木板铺垫,运输车管线超过车厢1.5M以上,在施工回填中,距管周围0.20mm,用石头、砖块、直接回填,都会造成玻璃钢管的外部损伤。在施工时,没有及时发现,使用压力过载发生漏失。
 
     1。3、设计问题
 
  高压注水压力高、振动大,玻璃钢管:布管交错,在轴向和横向突然变化而产生推力,使丝扣脱节和爆裂。此外在钢制转换接头、计量站、井口、流量计与玻璃钢管连接部分,因振动材质不同,造成玻璃钢管发生漏失。
 
     1.4、施工质量问题
 
   玻璃钢管施工直接影响使用寿命。施工质量主要表现在埋深达不到设计,跨越公路、排水渠等不穿保护套管,套管内不按规范加扶正器、止推座、固定支座、减工减料等,这些都是造成玻璃钢管漏失的原因。
 
    1。5、外部因素
 
  玻璃钢注水管线经过地域广,大多数在农田或者排水沟渠附近。标志桩使用年限长被盗.农村乡镇每年用机械化进行水利基本建设造成管线损坏而发生漏失。
 
    1.6、操作失误
 
  注水压力高、冲击性大,玻璃钢管不能受载荷的冲击。在投入使用后,操作人员错倒流程憋压,操作不平衡,这些都会造成玻璃钢管线漏失。
 
    2、防治措施
 
  根据SY/T6267—1996《高压玻璃纤维管线》、J/QH0789—2000带扣玻璃钢管道施工及验收规范》。哈尔滨斯达玻璃钢有限公司《螺纹连接玻璃钢管线系统安装说明》,并参照GB1350235—97《工业金属管道工程施工及验收规范》,防止质量通病,抓好每一工序的施工,把好施工质量关,针对上述6种漏失原因,提出防治措施。
 
 
 
   3、解决方法
 
  玻璃钢管线发生漏失后,要立即采取措施,防止造成污染环境。最有效的施工方法是切割造锥利用钢制转换接头连接。主要工序是停产→找漏失点→开挖→回收污水→现场螺纹安装→安装钢转→焊接→试压→管沟回填→投产。
 
 
 
    施工注意事项:
 
  (1)切割造锥前,按HSE体系施工要求,中心区域拉警示带,进入施工路段必须摆放警示牌。发生漏失后切断注水源,使压力降为零,开挖后及时回收污水,防止管沟塌方伤人。
 
  (2)玻璃钢管锯断后,举升高度不超过1m,角度不能大于10℃,切割造锥时,在地面施工安全方便,最高差达2m以上(管道深埋1m),从漏失点开挖两边至少20m以上。
 
  (3)现场螺纹安装
 
  现场螺纹安装工序:切割→锥度割削→粘合现场螺纹→加热固化。切割离漏失点最好0.3m以上,选择合适的棘轮镀变磨削机(厂家配有专用工具),锥面必须干净、无油脂、无粉尘、无水分、胶粘剂搅拌均匀,将现场螺纹与管端镀度粘接赶出粘合面气泡,用手转动拧紧。胶粘剂固化时间,根据环境温度确定。
 
 
 
    冬季施工气温低,注水停产时间不能超过24 h,采用电热带加热固化方法,可缩短施工的时间。根据施工经验和胶粘剂的特点,在3—4 h固化达最佳效果,也使施工停产总时间控制在8 h以内,电热带加热控制在30—32℃,时间3 h,冷却0.5 h。
 
 
 
    (4)安装钢制转换接头,现场外螺纹与钢制转换内螺纹必须干净,密封脂涂均匀,没有扭矩带板手,用手上紧后,再紧二周,有扭矩带板手,按转动扭矩近似值表上紧。
 
 
 
    (5)焊接作业人员持证上岗,在焊接过程中,钢制转换接头做好降温,温度不能超过40℃,否则烧坏现场螺蚊而发生漏失。
 
    (6)管沟回填。管道周围0.2m以内,用砂土或软土回填后高于自然地面0.3m。
 
    4、结论和建议
 
  (1)高压玻璃钢管线并应用于江汉油田注水井和部分注水干线的生产,解决了管线腐蚀穿孔,减少了污染,延长了管线的使用寿命,节约了投资。
 
  (2)通过实施,规范了高压玻璃钢管线补漏的施工工艺,提高了注水时率,保证了安全生产,做到了文明施工。从2005年来,平均补漏达47次,年增产原油产量达80多T。
 
  (3)目前,对于中、高压玻璃钢管线(0.25 MPa~2.50MPa),利用造锥、钢制转换接头补漏,时间长、不防腐。随着科学技术的进步,高强度性能优良的树脂、引发剂、固化剂、促进剂和增强性材料不断产生,对中、高压玻璃钢管线采用粘合剂接口,有待于下步研究。
 
 
 
缠绕产品系列问题解决方案
 
    玻璃钢缠绕制品在生产完成后,制品质量会出现各种问题,这些问题在针对性分析原材料、添加剂、工艺过程等因素后,均能有效消除和避免。下面介绍的是缠绕制品中常见的一个问题——空隙。
 
    空隙的基本类型
 
    1、气泡在纤维束内部,被纤维束包裹,沿纤维束方向形成。
 
    2、空隙主要出现在层间和树脂聚积部位的凹坑处。
 
空隙原因分析  
 
    1、增强材料未被基体树脂完全浸渍,在纤维材料中残留一部份空气,被四周固化了的树脂所封闭。
 
    2、胶液本身的间题。一是胶液在配制工艺中混进了空气,这些空气未能及时彻底排除;另外胶液在胶凝、固化中,由于化学反应产生了小分子,这些低分子物没能及时逸出。
 
    减少空隙的措施
 
    1、优选材料
 
    根据原材料特性,选择相互匹配的原材料。
 
    2、强化浸渍
 
    浸渍是复合材料成型工艺中重要的环节,是出现气泡或空隙多少的工艺关键。因此必须强化浸渍,以减少气泡,提高产品质量。
 
    3、控制混料
 
    树脂在使用前,会加入引发剂、促进剂、交联剂、粉状填斟、阻燃剂、抗静电剂和颜料等。在加入与混合时,会带进许多空气,必须采取措施排除。
 
    4、调好胶糟
 
    浸胶是制造玻璃钢/复合材料的重要工艺过程,如果玻璃纤维无捻粗纱浸渍性不好或胶液不充足,这样通过胶槽后会有白丝现象产生。
 
    5、辊压制品
 
    当有白丝纱缠到芯模上,只靠芯模转动元法消除这种现象。必须依靠厂辊的滚压才能消除。辊压不仅有利于浸渍,也能使制品密实,使多余处的胶液流向欠缺的部位或流走,减少空隙或气泡,使制品更贴合,更致密,性能更优异。
 
    6、减少架桥
 
    所谓架桥是指制品胶纱线架空的现象,端部和筒身都存在这种现象。
 
   (1)如果设备制造粗糙,精度不良,运行时不稳定,排纱出现忽紧忽疏,忽而重叠忽而分开,不能实现原定的规律性布线,易出现纤维的架空。这时应及时进行检修、改进装备。
 
   (2)须凋整好实际纱片宽度等于或接近于设计计算的纱片宽度。
 
   (3)控制好含胶量。
 
   (4)纤维的号数、捻度、树脂粘度及纤维表面处理都对缠绕纤维的架空有一定的影响。
 
   (5)环境温度对纤维的架空也有一定的影响。
 
 
 
纤维缠绕制品的检验与修复
 
    纤维缠绕复合材料制品的检验
 
    对于纤维缠绕成型的复合材料制品,一般要注意以下几方面的检验。
 
    1、外观检验
 
   (1)、气泡:耐腐蚀层表面允许最大气泡直径为5MM,每平方米直径不大于5mm的气泡少于3个时,可不予修补,否则,应将气泡划破修补。
 
   (2)、裂纹:耐腐蚀层表面不得有深度0.5mm以上的裂纹。增强层表面木得有深度为2mm以上的裂纹。
 
   (3)、凸凹(或皱纹):耐腐蚀层表面应光滑平整,增强层的凸凹部分厚度应不大于厚度的20%。
 
   (4)、返白:耐腐蚀层不应有返白处,增强层返白区最大直径 应不超过50mm。
 
    2、尺寸检验
 
    按照图纸要求,采用合适精度与量程的计量量具对制品的尺寸进行检验。
 
 
 
    3、固化度和衬里微孔的检查 
 
   (1)、现场检查
 
    a)手触复合材料制品表面无粘手的感觉。
 
    b)用干净棉纱蘸取丙酮放于制品表面观察,棉纱是否变色。
 
    c)用手或硬币敲击制品发出的声音是模糊还是清脆。
 
     若手感觉发粘、棉纱变色、声音模糊,即认为制品表面固化不合格。
 
 
 
   (2)、呋喃复合材料固化度简易检验
 
     取一试样浸入盛有少量丙酮的烧杯中,封口,浸泡24小时,以试样表面光滑完整,丙酮不变色作为固化的标志。
 
 
 
     (3)、制品固化度的检验与测试
 
      通过测试巴氏硬度来间接地考核复合材料的固化程度,采用巴氏硬度计,其型号可以为HBa—1型或GYZJ934—1型,用测得的巴氏硬度换算出近似固化度。固化比较理想的缠绕复合材料制品的巴氏硬度一般为40—55。也可按照GB2576—89的相关规定准确测试制品固化度。
 
 
 
    (4)、衬里微孔检测
 
     必要时,复合材料衬里采用电火花检测器或微孔检测仪进行抽样检查。
 
 
 
    4、制品性能检 测
 
    依据作业指导文件要求的测试内容和规定的测试标准对制品热、物理和机械性能进行测试,为制品的验收提供依据。
 
 
 
    5、损检测
 
    必要时需对产品进行超声波扫描、X射线、CT、热成像等的无损检测,准确分析和判定制品内部缺陷。
 
 
 
    制品缺陷分析、控制措施与修复
 
    1、复合材料制品表面发粘,其主要原因如下:
 
    a)空气中湿度大。由于水蒸气对不饱和聚酯树脂、环氧树脂均有延缓、阻聚的作用,甚至能造成表面永久发粘,制品长期固化不完全等缺陷。因此要保证在相对湿度低于80%的情况下进行复合材料制品的制作。
 
    b)不饱和聚酯树脂中石蜡加得太少或石蜡不符合要求而导致空气中氧的阻聚作用。除加适量的石蜡外,还可以用其它方法(如加玻璃纸或聚醋薄膜)将制品表面与空气隔绝。
 
    c)固化剂、促进剂用量不符合要求,因此在配置胶液时应严格按技术文件规定的配方控制用量。
 
    d)对于不饱和聚酯树脂而言,苯乙烯挥发太多造成树脂中的苯乙烯单体不足。这一方面要求树脂胶凝前不能加热,另一方面环境温度不宜太高(通常30摄氏度为宜),且通风量不宜太大。
 
 
 
    2、制品气泡太多,其原因如下:
 
   a)赶压气泡不彻底,每一层铺敷、缠绕都要用辊子反复滚压,辊子应做成环向锯齿型或纵向槽型。
 
   b)树脂粘度太大,在搅拌或涂刷时,带入树脂中的空气泡不能被赶出。需要加入适量的稀释剂。不饱和聚酯树脂的稀释剂为苯乙烯;环氧树脂的稀释剂可选用乙醇、丙酮、甲苯、二甲苯等非活性或甘油醚类的活性稀释剂。呋喃树脂和酚醛树脂的稀释剂为乙醇。
 
   c)增强材料选用不当,应重新考虑所用增强材料的种类。
 
   d)操作工艺不当,应根据树脂及增强材料种类的不同,选择适当的浸胶、涂刷、滚压角度等工艺方法。
 
 
 
    3、制品的分层现象,原因如下:
 
    a)纤维织物未做前处理,或处理不够。
 
    b)织物在缠绕过程中张力不够,或气泡过多。
 
    c)树脂用量不够或粘度太大,纤维没有被浸透。
 
    d)配方不合理,导致粘接性能差,或固化速度过快、过慢造成。
 
    e)后固化时,工艺条件不合适(一般是过早热固化或温度过高)。
 
    无论何种原因造成的分层现象,都必须彻底铲除分层部分,并用角向磨光机或抛光机打磨掉缺陷区以外周边的树脂层,宽度不小于5cm,然后再按工艺要求重新进行铺层。
 
    对于以上各种缺陷,不管何种原因,都应采取适当的办法彻底消除,以达到质量要求。
 
 
 
     典型缠绕复合材料试件制作与性能测试
 
     复合材料常常是各项异性材料,其设计分析方法与金属材料不同。复合材料的各项异性性能导致其与金属材料性能测试方法的差异。对于传统材料,设计人员在选定材料的同时就可以根据材质(或牌号)从手册或厂家提供的材料说明书获得性能数据。复合材与其说是材料不如说是结构更确切,它的性能与树脂基体、增强材料、工艺条件、存放时间和环境有多种因素有关。
 
     在进行复合材料设计工作之前对原材料性能进行测试是非常必要的,但还不能说掌握了设计所必需的性能数据,只能认为对原材料的选择奠定了基础。目前微观力学方法预测的结果尚有局限性,只能定性估算。复合材料构件设计所需的性能数据需要由基本性能试验获得,这一点对设计工作是至关重要的。
 
复合材料性能测试是材料选择,评价增强材料、树脂基体、界面性能、成型工艺条件和制造技术水平,以及制品设计的依据。
 
 
 
     一、单向纤维复合材料平板
 
      单向复合材料的弹性性能有0度、90度、45度方向的拉伸、压缩性能表征,纤维与树脂之间界面性能由弯曲及层间剪切试验表征。为评价材料性能,根据国家标准GB3354—82、GB3856—83、 GB3356—82、GB3357—82、GB3355—82的具体要求,完成单向纤维复合材料平板的制作,再将纤维复合材料平板加工成各项试验方法要求的试样尺寸和数量。
 
 
 
      1、单向纤维复合材料平板的制作
 
      缠绕法是使从纱架上引出的纤维,依次通过张力器、胶槽、导纱辊、绕丝嘴,缠绕到芯模表面,最后固化成型。国家标准规定模板尺寸为270mm X 270mm,模板一次可缠绕制作两块平板(正反两面),能够加工拉伸、压缩、弯曲、层间剪切等性能试验所需试件数量。制作平板最好用聚四氟乙烯布作为脱模片铺覆在模具表面,不用脱模剂、防止脱模剂迁移到复合材料表面给粘接铝片工序带来困难。用少量硅酯使脱模片铺覆在模具表面时,能够很好的展平,避免试件固化后表面不光滑。
 
      缠绕过程中通过张力控制装置调整每团纱的张力,一般以纤维强力的5%—8%为宜,张力应保持稳定。缠绕速度不超过30r/min.工艺过程中可使胶槽加热,降低树脂粘度,提高树脂对纤维的浸润性能。纤维应均匀地分布在模具表面直至所需厚度。
 
 
 
     缠绕结束后,放上、下压板与厚度垫块,预紧螺栓,放置2小时左右,使多余树脂流出,均匀上紧螺栓,使模具上、下加压板与垫块接触,用锋利的刀片切断芯模两端的纤维,释放缠绕张力,避免固化后板翘曲变形。但过早切断纤维会使纤维排列不直。模具放入烘箱后按照规定的制度固化,温度控制精度为士3℃,自然冷却至室温,拆开模具,取出制备的平板加了成各种规格的试样。
 
 
 
     2、试体的加工
 
     单向纤维复合材料平板制备之后,清除表面灰尘,杂质等异物,根据国标要求的试样尺寸和数量,考虑到切割刀口宽度,用特种铅笔在平板上标出纤维方向及0度、90度、45度拉伸、压缩、弯曲试样加工区域,用金刚砂轮片在专用铣床上切割试样,试样形状和尺寸参见相应的国家标准。
 
 
 
     3、加强片粘接
 
    加强片用厚度为2—3mm正交铺层的玻璃纤维复合材料板或厚度1—3mm的铝板制作。用铝板制作加强片时,加强片表面应平整,用砂布打磨去除表面氧化层,并将加强片放在酸处理液中加热到65度,并放置15min,再用自来水冲洗干净,然后在105度下烘2小时,除去水分。处理后的加强片表面切勿用手触摸。处理液的重量比为硫酸:蒸馏水:重铬酸钾=10:30:1。
 
 
 
    粘接加强片之前,用100目砂纸打磨试件表面,擦去表面灰尘,用乙酸乙酯清除脱模剂及表面油垢,在用丙酮清洗一遍试件冰凉干。由于单向复合材料在纤维方向上的拉伸强度很高,拉伸试验时加强片容易滑脱,建议选用环氧618:200#聚酰胺:二缩水甘油醚:咪唑=100:80:15: 2。试件和加强片涂好粘接剂施加接触压力固化。固化制度为:室温升到60度,保温2小时再升温到120度,保温8小时后降温至室温。垂直纤维方向的拉伸试件和45度偏拉伸试件的强度较低,可采用常温胶粘剂。
 
 
 
    加强片固化之后,在试件测试部位表面用砂纸打磨,裸露出纤维层,用丙酮、乙酸乙酯处理去除表面油污,画好测量方向线,采用502胶粘剂粘贴应变片,应变片粘贴方向与被测材料性能方向一致,胶粘剂固化后即完成试件的制作工作了。
 
 
 
    二、NOL环试样制作
 
    纤维缠绕成型的高压容器及固体发动机壳体等内压容器在设计上通常采用网格理论分析,网格理论忽略基体刚度,载荷全部由纤维承担,NOL环试验方法就是在此基础上发展起来的。
 
 
 
    NOL环试样通常在专门的小型缠绕机上缠绕成型,NOL环制造有两种方法:一是在专用组合模具单环缠绕,二是先缠绕环向圆筒,然后切制成环。环的外表面可以加工,也可以不加工。经过加工的环,其强度高,离散系数小。不加工的环,表面凸凹不平,表面树脂含量高,尺寸偏差大。筒切环比单个绕制环的强度低。这是因为从圆筒上切取环时,一些连续纤维被切断,降低了环的承载能力。实际试验中通常采用单个绕制的环。环的性能与缠绕张力、固化制度、纤维水分含量、纤维表面状态、树脂体系等均有一定关系,制造时应引起注意。
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