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纤维缠绕制品的检验与修复

添加时间:2018-04-10  录入:本站  来源:原创

第一节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-01型或GYZJ934-01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、无损检测
    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。
    第二节制品缺陷分析、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。
    第三节 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(图8-01),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,缠绕层数按下式计算。

    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玻璃钢缠绕机上缠绕成型,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。详细的试样制作和测试见GB2578-89; GB1458和GB1461。

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