I materiali compositi sono tutti combinati con fibre di rinforzo e un materiale plastico. Il ruolo della resina nei materiali compositi è cruciale. La scelta della resina determina una serie di parametri di processo caratteristici, alcune proprietà meccaniche e funzionali (proprietà termiche, infiammabilità, resistenza ambientale, ecc.). Le proprietà della resina sono anche un fattore chiave per comprendere le proprietà meccaniche dei materiali compositi. Quando si seleziona la resina, viene automaticamente determinata la finestra che determina la gamma di processi e proprietà del composito. La resina termoindurente è un tipo di resina comunemente utilizzato per i compositi a matrice di resina grazie alla sua buona producibilità. Le resine termoindurenti sono quasi esclusivamente liquide o semisolide a temperatura ambiente e concettualmente sono più simili ai monomeri che compongono la resina termoplastica che alla resina termoplastica nello stato finale. Prima che le resine termoindurenti siano indurite, possono essere lavorate in varie forme, ma una volta indurite con agenti indurenti, iniziatori o calore, non possono essere nuovamente modellate perché durante la polimerizzazione si formano legami chimici, rendendo le piccole molecole trasformate in polimeri rigidi reticolati tridimensionali con pesi molecolari più elevati.
Esistono molti tipi di resine termoindurenti, le più comunemente utilizzate sono le resine fenoliche,resine epossidiche, resine bis-cavallo, resine viniliche, resine fenoliche, ecc.
(1) La resina fenolica è una resina termoindurente precoce con buona adesione, buona resistenza al calore e proprietà dielettriche dopo l'indurimento. Le sue caratteristiche principali sono eccellenti proprietà ignifughe, basso tasso di rilascio di calore, bassa densità di fumo e combustione. Il gas rilasciato è meno tossico. La lavorabilità è buona e i componenti in materiale composito possono essere prodotti mediante processi di stampaggio, avvolgimento, laminazione manuale, spruzzatura e pultrusione. Un gran numero di materiali compositi a base di resina fenolica viene utilizzato nei materiali di decorazione interna degli aeromobili civili.
(2)Resina epossidicaÈ una delle prime matrici di resina utilizzate nelle strutture aeronautiche. È caratterizzata da un'ampia varietà di materiali. Diversi agenti di indurimento e acceleranti possono raggiungere temperature di indurimento che vanno da temperatura ambiente a 180 °C; possiede proprietà meccaniche elevate; un buon tipo di accoppiamento delle fibre; resistenza al calore e all'umidità; eccellente tenacità; eccellente producibilità (buona copertura, moderata viscosità della resina, buona fluidità, larghezza di banda pressurizzata, ecc.); adatta per lo stampaggio a co-indurimento di componenti di grandi dimensioni; economica. L'eccellente processo di stampaggio e l'eccezionale tenacità della resina epossidica le conferiscono una posizione di rilievo tra le matrici di resina dei materiali compositi avanzati.
(3)Resina vinilicaÈ riconosciuta come una delle resine più resistenti alla corrosione. Può resistere alla maggior parte di acidi, alcali, soluzioni saline e solventi aggressivi. È ampiamente utilizzata nella fabbricazione della carta, nell'industria chimica, elettronica, petrolifera, nello stoccaggio e nei trasporti, nella protezione ambientale, nelle navi e nell'industria dell'illuminazione per autoveicoli. Presenta le caratteristiche del poliestere insaturo e della resina epossidica, garantendo sia le eccellenti proprietà meccaniche della resina epossidica che le buone prestazioni di processo del poliestere insaturo. Oltre all'eccezionale resistenza alla corrosione, questo tipo di resina offre anche una buona resistenza al calore. Include tipi standard, tipi per alte temperature, tipi ignifughi, tipi resistenti all'impatto e altre varietà. L'applicazione della resina vinilica nella plastica rinforzata con fibre (FRP) si basa principalmente sulla laminazione manuale, soprattutto nelle applicazioni anticorrosione. Con lo sviluppo dell'SMC, anche la sua applicazione in questo ambito è diventata piuttosto evidente.
(4) La resina bismaleimide modificata (denominata resina bismaleimide) è stata sviluppata per soddisfare i requisiti dei nuovi jet da combattimento per matrici in resina composita. Questi requisiti includono: componenti di grandi dimensioni e profili complessi a 130 °C. Produzione di componenti, ecc. Rispetto alla resina epossidica, la resina Shuangma è caratterizzata principalmente da una superiore resistenza all'umidità e al calore e da un'elevata temperatura di esercizio; lo svantaggio è che la producibilità non è buona quanto quella della resina epossidica e la temperatura di polimerizzazione è elevata (polimerizzazione superiore a 185 °C) e richiede una temperatura di 200 °C. O per lungo tempo a una temperatura superiore a 200 °C.
(5) La resina estere di cianuro (qing diacustica) ha una bassa costante dielettrica (2,8~3,2) e una tangente di perdita dielettrica estremamente piccola (0,002~0,008), un'elevata temperatura di transizione vetrosa (240~290℃), un basso restringimento, un basso assorbimento di umidità, eccellenti proprietà meccaniche e di adesione, ecc. e ha una tecnologia di lavorazione simile alla resina epossidica.
Attualmente, le resine cianate vengono utilizzate principalmente in tre ambiti: circuiti stampati per applicazioni digitali ad alta velocità e alta frequenza, materiali strutturali ad alte prestazioni per la trasmissione di onde e materiali compositi strutturali ad alte prestazioni per l'industria aerospaziale.
In parole povere, le prestazioni della resina epossidica non sono solo legate alle condizioni di sintesi, ma dipendono principalmente anche dalla struttura molecolare. Il gruppo glicidilico nella resina epossidica è un segmento flessibile, che può ridurre la viscosità della resina e migliorare le prestazioni del processo, ma allo stesso tempo ridurre la resistenza al calore della resina indurita. I principali approcci per migliorare le proprietà termiche e meccaniche delle resine epossidiche indurite sono il basso peso molecolare e la multifunzionalizzazione per aumentare la densità di reticolazione e introdurre strutture rigide. Naturalmente, l'introduzione di una struttura rigida porta a una diminuzione della solubilità e a un aumento della viscosità, che a sua volta porta a una riduzione delle prestazioni del processo della resina epossidica. Come migliorare la resistenza alla temperatura del sistema di resina epossidica è un aspetto molto importante. Dal punto di vista della resina e dell'agente indurente, maggiore è il numero di gruppi funzionali, maggiore è la densità di reticolazione. Maggiore è la Tg. Operazione specifica: utilizzare resina epossidica multifunzionale o agente indurente, utilizzare resina epossidica ad alta purezza. Il metodo comunemente utilizzato consiste nell'aggiungere una certa proporzione di resina epossidica o-metilacetaldeide al sistema di indurimento, ottenendo buoni risultati e un costo contenuto. Maggiore è il peso molecolare medio, più ristretta è la distribuzione del peso molecolare e maggiore è la Tg. Operazione specifica: utilizzare una resina epossidica multifunzionale o un agente di indurimento, oppure altri metodi con una distribuzione del peso molecolare relativamente uniforme.
Essendo una matrice di resina ad alte prestazioni utilizzata come matrice composita, le sue diverse proprietà, come la lavorabilità, le proprietà termofisiche e le proprietà meccaniche, devono soddisfare le esigenze delle applicazioni pratiche. La producibilità della matrice di resina include la solubilità nei solventi, la viscosità del fuso (fluidità) e le variazioni di viscosità, nonché le variazioni del tempo di gelificazione con la temperatura (finestra di processo). La composizione della formulazione della resina e la scelta della temperatura di reazione determinano la cinetica della reazione chimica (velocità di polimerizzazione), le proprietà reologiche chimiche (viscosità-temperatura in funzione del tempo) e la termodinamica della reazione chimica (esotermica). Processi diversi richiedono requisiti diversi per la viscosità della resina. In generale, per il processo di avvolgimento, la viscosità della resina è generalmente di circa 500 cPs; per il processo di pultrusione, la viscosità della resina è di circa 800~1200 cPs; Per il processo di introduzione sotto vuoto, la viscosità della resina è generalmente di circa 300 cPs, mentre nel processo RTM può essere superiore, ma in genere non supera gli 800 cPs; per il processo preimpregnato, la viscosità deve essere relativamente elevata, generalmente intorno ai 30.000~50.000 cPs. Naturalmente, questi requisiti di viscosità sono correlati alle proprietà del processo, delle apparecchiature e dei materiali stessi e non sono statici. In generale, all'aumentare della temperatura, la viscosità della resina diminuisce nell'intervallo di temperatura inferiore; tuttavia, all'aumentare della temperatura, procede anche la reazione di polimerizzazione della resina, cineticamente parlando, la temperatura La velocità di reazione raddoppia per ogni aumento di 10 °C e questa approssimazione è ancora utile per stimare quando la viscosità di un sistema di resina reattiva aumenta fino a un certo punto di viscosità critica. Ad esempio, un sistema di resina con una viscosità di 200 cPs a 100 °C impiega 50 minuti per aumentare la sua viscosità a 1000 cPs, quindi il tempo necessario allo stesso sistema di resina per aumentare la sua viscosità iniziale da meno di 200 cPs a 1000 cPs a 110 °C è di circa 25 minuti. La selezione dei parametri di processo deve tenere conto della viscosità e del tempo di gelificazione. Ad esempio, nel processo di introduzione sotto vuoto, è necessario garantire che la viscosità alla temperatura di esercizio sia compresa nell'intervallo di viscosità richiesto dal processo e che il pot life della resina a questa temperatura sia sufficientemente lungo da garantire l'importazione della resina. In sintesi, la selezione del tipo di resina nel processo di iniezione deve tenere conto del punto di gelificazione, del tempo di riempimento e della temperatura del materiale. Altri processi presentano una situazione simile.
Nel processo di stampaggio, le dimensioni e la forma del pezzo (stampo), il tipo di rinforzo e i parametri di processo determinano la velocità di trasferimento del calore e il processo di trasferimento di massa del processo. La resina polimerizza calore esotermico, generato dalla formazione di legami chimici. Maggiore è il numero di legami chimici formati per unità di volume per unità di tempo, maggiore è l'energia rilasciata. I coefficienti di trasferimento del calore delle resine e dei loro polimeri sono generalmente piuttosto bassi. La velocità di rimozione del calore durante la polimerizzazione non può eguagliare la velocità di generazione del calore. Queste quantità incrementali di calore fanno sì che le reazioni chimiche procedano a una velocità maggiore, con conseguente aumento della temperatura. Questa reazione auto-accelerante porterà infine alla rottura da stress o alla degradazione del pezzo. Questo è più evidente nella produzione di parti composite di grande spessore ed è particolarmente importante ottimizzare il percorso del processo di polimerizzazione. Il problema del "sovraelongazione di temperatura" locale causato dall'elevata velocità esotermica della polimerizzazione del preimpregnato e la differenza di stato (come la differenza di temperatura) tra la finestra di processo globale e la finestra di processo locale sono tutti dovuti al modo in cui il processo di polimerizzazione viene controllato. L'uniformità di temperatura nel componente (in particolare nella direzione dello spessore) dipende dalla disposizione (o applicazione) di alcune "tecnologie unitarie" nel "sistema di produzione". Per i componenti sottili, poiché una grande quantità di calore verrà dissipata nell'ambiente, la temperatura aumenta gradualmente e talvolta il componente non sarà completamente polimerizzato. A questo punto, è necessario applicare calore ausiliario per completare la reazione di reticolazione, ovvero un riscaldamento continuo.
La tecnologia di formatura non in autoclave per materiali compositi è relativa alla tradizionale tecnologia di formatura in autoclave. In generale, qualsiasi metodo di formatura di materiali compositi che non utilizzi apparecchiature in autoclave può essere definito tecnologia di formatura non in autoclave. Finora, l'applicazione della tecnologia di stampaggio non in autoclave nel settore aerospaziale include principalmente le seguenti direzioni: tecnologia di preimpregnazione non in autoclave, tecnologia di stampaggio a liquido, tecnologia di stampaggio a compressione di preimpregnazione, tecnologia di polimerizzazione a microonde, tecnologia di polimerizzazione a fascio di elettroni e tecnologia di formatura a fluido a pressione bilanciata. Tra queste tecnologie, la tecnologia di preimpregnazione OoA (Out of Autoclave) è più vicina al tradizionale processo di formatura in autoclave e presenta un'ampia gamma di processi di posa manuale e automatica, pertanto è considerata un tessuto non tessuto che probabilmente verrà realizzato su larga scala. Tecnologia di formatura in autoclave. Un motivo importante per l'utilizzo di un'autoclave per componenti compositi ad alte prestazioni è quello di fornire una pressione sufficiente al preimpregnato, superiore alla pressione di vapore di qualsiasi gas durante la polimerizzazione, per inibire la formazione di pori. Questa è la principale difficoltà che la tecnologia deve superare. Un criterio importante per valutare la qualità del preimpregnato OoA e del suo processo di stampaggio è stabilire se la porosità del componente può essere controllata sotto vuoto e se le sue prestazioni possono raggiungere quelle del laminato polimerizzato in autoclave.
Lo sviluppo della tecnologia dei preimpregnati OoA ha avuto origine dallo sviluppo della resina. Ci sono tre punti principali nello sviluppo di resine per preimpregnati OoA: uno è controllare la porosità dei pezzi stampati, ad esempio utilizzando resine a reazione di addizione per ridurre le sostanze volatili nella reazione di polimerizzazione; il secondo è migliorare le prestazioni delle resine polimerizzate per ottenere le proprietà della resina formate dal processo in autoclave, comprese le proprietà termiche e meccaniche; il terzo è garantire che il preimpregnato abbia una buona producibilità, ad esempio assicurandosi che la resina possa scorrere sotto un gradiente di pressione pari alla pressione atmosferica, assicurandosi che abbia una lunga durata della viscosità e una temperatura ambiente sufficiente per il tempo esterno, ecc. I produttori di materie prime conducono attività di ricerca e sviluppo sui materiali in base a specifici requisiti di progettazione e metodi di processo. Le direzioni principali dovrebbero includere: migliorare le proprietà meccaniche, aumentare il tempo esterno, ridurre la temperatura di polimerizzazione e migliorare la resistenza all'umidità e al calore. Alcuni di questi miglioramenti delle prestazioni sono contrastanti, come l'elevata tenacità e la polimerizzazione a bassa temperatura. È necessario trovare un punto di equilibrio e considerarlo in modo completo!
Oltre allo sviluppo della resina, il metodo di produzione del preimpregnato promuove anche lo sviluppo applicativo del preimpregnato OoA. Lo studio ha rilevato l'importanza dei canali sottovuoto del preimpregnato per la produzione di laminati a porosità zero. Studi successivi hanno dimostrato che i preimpregnati semiimpregnati possono migliorare efficacemente la permeabilità ai gas. I preimpregnati OoA sono semiimpregnati di resina e le fibre secche vengono utilizzate come canali per i gas di scarico. I gas e le sostanze volatili coinvolte nella polimerizzazione del componente possono essere espulsi attraverso canali in modo tale che la porosità del componente finale sia <1%.
Il processo di confezionamento sottovuoto appartiene al processo di formatura senza autoclave (OoA). In breve, si tratta di un processo di stampaggio che sigilla il prodotto tra lo stampo e il sacchetto sottovuoto e lo pressurizza tramite il vuoto per renderlo più compatto e con migliori proprietà meccaniche. Il processo di produzione principale è
Innanzitutto, si applica un agente distaccante o un tessuto distaccante allo stampo di laminazione (o alla lastra di vetro). Il preimpregnato viene ispezionato in base agli standard del preimpregnato utilizzato, principalmente per quanto riguarda la densità superficiale, il contenuto di resina, le sostanze volatili e altre informazioni. Si taglia il preimpregnato a misura. Durante il taglio, prestare attenzione alla direzione delle fibre. Generalmente, la deviazione di direzione delle fibre deve essere inferiore a 1°. Si numera ogni unità di tranciatura e si registra il numero del preimpregnato. Durante la stratificazione, gli strati devono essere disposti seguendo rigorosamente l'ordine di laminazione richiesto sul foglio di registrazione della laminazione, e il film in PE o la carta distaccante devono essere uniti lungo la direzione delle fibre, e le bolle d'aria devono essere eliminate lungo la direzione delle fibre. Il raschiatore stende il preimpregnato e lo raschia il più possibile per rimuovere l'aria tra gli strati. Durante la stratificazione, a volte è necessario giuntare i preimpregnati, che devono essere uniti lungo la direzione delle fibre. Nel processo di giunzione, si dovrebbe ottenere una sovrapposizione minima e sfalsata, e le giunzioni di giunzione di ogni strato dovrebbero essere sfalsate. Generalmente, l'intervallo di giunzione del preimpregnato unidirezionale è il seguente: 1 mm; al preimpregnato intrecciato è consentita solo la sovrapposizione, ma non la giunzione, e la larghezza della sovrapposizione è di 10~15 mm. Successivamente, si presta attenzione alla precompattazione sotto vuoto; lo spessore del pre-pompaggio varia in base alle diverse esigenze. Lo scopo è quello di scaricare l'aria intrappolata nella laminazione e le sostanze volatili presenti nel preimpregnato per garantire la qualità interna del componente. Seguono la posa dei materiali ausiliari e l'insaccamento sotto vuoto. Sigillatura e polimerizzazione del sacco: il requisito finale è l'assenza di perdite d'aria. Nota: il punto in cui si verificano più spesso perdite d'aria è il giunto sigillante.
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Data di pubblicazione: 23 maggio 2022
