I materiali compositi sono tutti costituiti da 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 caratteristici del processo, alcune proprietà meccaniche e la funzionalità (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 determinato l'intervallo che definisce la gamma di processi e proprietà del composito. La resina termoindurente è un tipo di resina comunemente utilizzato per i compositi a matrice resinosa grazie alla sua buona lavorabilità. 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 stessa allo stato finale. Prima della polimerizzazione, le resine termoindurenti possono essere lavorate in varie forme, ma una volta polimerizzate con agenti indurenti, iniziatori o calore, non possono più essere modellate perché durante la polimerizzazione si formano legami chimici che trasformano le piccole molecole in polimeri rigidi tridimensionali reticolati con pesi molecolari più elevati.
Esistono molti tipi di resine termoindurenti, le resine fenoliche comunemente utilizzate,resine epossidiche, resine bis-cavallo, resine vinilicheresine fenoliche, ecc.
(1) La resina fenolica è una resina termoindurente precoce con buona adesione, buona resistenza al calore e proprietà dielettriche dopo la polimerizzazione, e le sue caratteristiche eccezionali 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 del materiale composito possono essere fabbricati mediante processi di stampaggio, avvolgimento, laminazione manuale, spruzzatura e pultrusione. Un gran numero di materiali compositi a base di resina fenolica sono utilizzati nei materiali di decorazione interna degli aeromobili civili.
(2)Resina epossidicaÈ una matrice di resina epossidica di vecchia generazione utilizzata nelle strutture aeronautiche. È caratterizzata da un'ampia varietà di materiali. Diversi agenti indurenti e acceleratori possono ottenere un intervallo di temperatura di polimerizzazione dalla temperatura ambiente a 180 °C; possiede elevate proprietà meccaniche; un buon tipo di accoppiamento delle fibre; resistenza al calore e all'umidità; eccellente tenacità; eccellente lavorabilità (buona copertura, viscosità della resina moderata, buona fluidità, larghezza di banda pressurizzata, ecc.); adatta allo stampaggio a co-polimerizzazione di componenti di grandi dimensioni; economica. Il buon processo di stampaggio e l'eccezionale tenacità della resina epossidica le conferiscono una posizione importante nella matrice di resina dei materiali compositi avanzati.
(3)resina vinilicaÈ riconosciuta come una delle migliori resine resistenti alla corrosione. Può resistere alla maggior parte degli acidi, alcali, soluzioni saline e solventi forti. Trova ampio impiego nell'industria cartaria, chimica, elettronica, petrolifera, dello stoccaggio e dei trasporti, della protezione ambientale, navale e dell'illuminazione automobilistica. Possiede le caratteristiche sia della resina poliestere insatura che di quella epossidica, combinando le eccellenti proprietà meccaniche della resina epossidica con le buone prestazioni di processo della resina poliestere insatura. Oltre all'eccezionale resistenza alla corrosione, questo tipo di resina presenta anche una buona resistenza al calore. Esistono diverse varietà, tra cui quelle standard, per alte temperature, ignifughe, resistenti agli urti e altre ancora. L'applicazione della resina vinilica nei materiali compositi rinforzati con fibre (FRP) si basa principalmente sulla laminazione manuale, soprattutto in applicazioni anticorrosione. Con lo sviluppo dell'SMC, la sua applicazione in questo ambito è diventata sempre più rilevante.
(4) La resina bismaleimide modificata (denominata resina bismaleimide) è stata sviluppata per soddisfare i requisiti dei nuovi aerei da combattimento per la matrice di resina composita. Questi requisiti includono: componenti di grandi dimensioni e profili complessi a 130 ℃ Fabbricazione di componenti, ecc. Rispetto alla resina epossidica, la resina Shuangma è principalmente caratterizzata da una resistenza superiore all'umidità e al calore e da un'elevata temperatura di esercizio; lo svantaggio è che la lavorabilità non è buona come quella della resina epossidica e la temperatura di polimerizzazione è elevata (polimerizzazione superiore a 185 ℃) e richiede una temperatura di 200 ℃. Oppure per un lungo periodo a una temperatura superiore a 200 ℃.
(5) La resina estere di cianuro (qing diacustico) 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 ritiro, un basso assorbimento di umidità, eccellenti proprietà meccaniche e proprietà di adesione, ecc., e ha una tecnologia di lavorazione simile alla resina epossidica.
Attualmente, le resine cianate sono utilizzate principalmente in tre ambiti: circuiti stampati per applicazioni digitali ad alta velocità e ad alta frequenza, materiali strutturali ad alte prestazioni per la trasmissione di onde e materiali compositi strutturali ad alte prestazioni per il settore aerospaziale.
In parole semplici, le prestazioni della resina epossidica non dipendono solo dalle condizioni di sintesi, ma soprattutto dalla sua struttura molecolare. Il gruppo glicidilico nella resina epossidica è un segmento flessibile che può ridurre la viscosità della resina e migliorarne le prestazioni di processo, ma allo stesso tempo riduce la resistenza al calore della resina polimerizzata. I principali approcci per migliorare le proprietà termiche e meccaniche delle resine epossidiche polimerizzate 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, con conseguente riduzione delle prestazioni di 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. Più alta è la Tg. Operazione specifica: utilizzare resina epossidica o agente indurente multifunzionale, utilizzare resina epossidica ad elevata purezza. Il metodo comunemente utilizzato consiste nell'aggiungere una certa proporzione di resina epossidica o-metilacetaldeide al sistema di indurimento, che ha un buon effetto e un basso costo. Maggiore è il peso molecolare medio, più stretta è la distribuzione del peso molecolare e più alta è la Tg. Operazione specifica: utilizzare una resina epossidica multifunzionale o un agente indurente o altri metodi con una distribuzione del peso molecolare relativamente uniforme.
In quanto matrice di resina ad alte prestazioni utilizzata come matrice composita, le sue varie proprietà, come la processabilità, 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 di fusione (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 hanno requisiti diversi per la viscosità della resina. In generale, per il processo di avvolgimento, la viscosità della resina è generalmente intorno a 500 cPs; per il processo di pultrusione, la viscosità della resina è intorno a 800-1200 cPs; per il processo di introduzione del vuoto, la viscosità della resina è generalmente intorno a 300 cPs, e il processo RTM può essere superiore, ma generalmente non supererà gli 800 cPs; Per il processo di preimpregnazione, la viscosità deve essere relativamente elevata, generalmente intorno a 30000-50000 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 temperature più basse; tuttavia, all'aumentare della temperatura, procede anche la reazione di polimerizzazione della resina, cineticamente parlando, la velocità di reazione termica raddoppia per ogni aumento di 10 °C, e questa approssimazione è comunque utile per stimare quando la viscosità di un sistema di resina reattiva raggiunge 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 raggiungere una viscosità di 1000 cPs, mentre per lo stesso sistema di resina, per aumentare la viscosità iniziale da meno di 200 cPs a 1000 cPs a 110 °C, sono necessari circa 25 minuti. La scelta dei parametri di processo deve tenere pienamente conto della viscosità e del tempo di gelificazione. Ad esempio, nel processo di introduzione sottovuoto, è necessario assicurarsi che la viscosità alla temperatura di esercizio rientri nell'intervallo di viscosità richiesto dal processo e che il tempo di lavorabilità della resina a tale temperatura sia sufficientemente lungo da consentirne l'importazione. In sintesi, la scelta del tipo di resina nel processo di iniezione deve considerare il punto di gelificazione, il tempo di riempimento e la 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. La resina polimerizza generando calore esotermico, prodotto dalla formazione di legami chimici. Maggiore è il numero di legami chimici formati per unità di volume e 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 di questa reazione autoaccelerante che alla fine porterà a cedimenti per stress o al degrado del pezzo. Questo è più evidente nella produzione di pezzi compositi di grande spessore ed è particolarmente importante ottimizzare il percorso del processo di polimerizzazione. Il problema del "sovra-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 si controlla il processo di polimerizzazione. L'uniformità della temperatura nel pezzo (in particolare nella direzione dello spessore) dipende dalla disposizione (o applicazione) di alcune tecnologie unitarie nel sistema di produzione. Per i pezzi sottili, poiché una grande quantità di calore viene dissipata nell'ambiente, la temperatura aumenta lentamente e a volte il pezzo non risulta completamente polimerizzato. In questo caso, è necessario applicare calore ausiliario per completare la reazione di reticolazione, ovvero un riscaldamento continuo.
La tecnologia di formatura di materiali compositi senza autoclave è relativa alla tradizionale tecnologia di formatura in autoclave. In generale, qualsiasi metodo di formatura di materiali compositi che non utilizzi un'autoclave può essere definito tecnologia di formatura senza autoclave. Finora, l'applicazione della tecnologia di stampaggio senza autoclave nel settore aerospaziale comprende principalmente le seguenti direzioni: tecnologia di preimpregnazione senza autoclave, tecnologia di stampaggio a liquido, tecnologia di stampaggio a compressione di preimpregnati, tecnologia di polimerizzazione a microonde, tecnologia di polimerizzazione a fascio di elettroni, 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 ha una vasta gamma di basi per processi di deposizione manuale e automatica, quindi è considerata una tecnologia di formatura in autoclave per tessuti non tessuti che probabilmente verrà realizzata su larga scala. Un motivo importante per utilizzare 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, e questa è la principale difficoltà che la tecnologia di preimpregnazione OoA deve superare. La possibilità di controllare la porosità del componente sotto pressione di vuoto e la capacità di raggiungere le prestazioni di un laminato polimerizzato in autoclave rappresentano un criterio importante per valutare la qualità del preimpregnato OoA e del relativo processo di stampaggio.
Lo sviluppo della tecnologia dei preimpregnati OoA (Out-of-Achievement) ha avuto origine dallo sviluppo delle resine. Lo sviluppo delle resine per i preimpregnati OoA si articola in tre punti principali: il primo consiste nel controllare la porosità dei pezzi stampati, ad esempio utilizzando resine a polimerizzazione per reazione per ridurre i composti volatili durante la reazione di polimerizzazione; il secondo nel migliorare le prestazioni delle resine polimerizzate per ottenere le proprietà della resina formate dal processo in autoclave, incluse le proprietà termiche e meccaniche; il terzo nel garantire una buona lavorabilità del preimpregnato, ad esempio assicurando che la resina possa fluire sotto un gradiente di pressione atmosferica, garantendo una lunga durata della viscosità e un tempo di esposizione a temperatura ambiente sufficiente, ecc. I produttori di materie prime conducono la ricerca e lo sviluppo dei materiali in base a specifici requisiti di progettazione e metodi di processo. Le direzioni principali dovrebbero includere: miglioramento delle proprietà meccaniche, aumento del tempo di esposizione, riduzione della temperatura di polimerizzazione e miglioramento della resistenza all'umidità e al calore. Alcuni di questi miglioramenti prestazionali sono in conflitto, come ad esempio elevata tenacità e polimerizzazione a bassa temperatura. È necessario trovare un punto di equilibrio e considerarlo in modo completo!
Oltre allo sviluppo della resina, anche il metodo di produzione dei preimpregnati promuove lo sviluppo applicativo dei preimpregnati OoA. Lo studio ha evidenziato l'importanza dei canali di vuoto nei preimpregnati per la realizzazione 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 con resina e le fibre asciutte vengono utilizzate come canali per i gas di scarico. I gas e i composti volatili coinvolti nella polimerizzazione del componente possono essere espulsi attraverso i canali in modo che la porosità del componente finale sia <1%.
Il processo di insacchettamento sottovuoto appartiene al processo di formatura senza autoclave (OoA). In breve, è un processo di stampaggio che sigilla il prodotto tra lo stampo e il sacco sottovuoto e pressurizza il prodotto 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 prepreg viene ispezionato secondo lo standard del prepreg utilizzato, che comprende principalmente la densità superficiale, il contenuto di resina, le sostanze volatili e altre informazioni sul prepreg. Il prepreg viene tagliato a misura. Durante il taglio, prestare attenzione alla direzione delle fibre. Generalmente, la deviazione della direzione delle fibre deve essere inferiore a 1°. Ogni unità di pre-laminazione viene numerata e il numero del prepreg viene registrato. Durante la laminazione, gli strati devono essere disposti in stretta conformità con l'ordine di laminazione richiesto sul foglio di registrazione della laminazione, e la pellicola di PE o la carta distaccante devono essere collegate lungo la direzione delle fibre, e le bolle d'aria devono essere eliminate lungo la direzione delle fibre. Il raschietto distribuisce il prepreg e lo raschia il più possibile per rimuovere l'aria tra gli strati. Durante la laminazione, a volte è necessario giuntare i prepreg, che devono essere giuntati lungo la direzione delle fibre. Nel processo di giunzione, è necessario ottenere una sovrapposizione e una sovrapposizione minima, e le giunzioni di ogni strato devono essere sfalsate. Generalmente, la distanza di giunzione del prepreg unidirezionale è di 1 mm; per il prepreg intrecciato è consentita solo la sovrapposizione, non la giunzione, e la larghezza di sovrapposizione è di 10-15 mm. Successivamente, prestare attenzione alla precompressione sottovuoto, e lo spessore del pre-pompaggio varia in base alle diverse esigenze. Lo scopo è quello di scaricare l'aria intrappolata nella stratificazione e le sostanze volatili nel prepreg per garantire la qualità interna del componente. Quindi si procede alla posa dei materiali ausiliari e al confezionamento sottovuoto. Sigillatura e polimerizzazione del sacco: il requisito finale è che non vi siano perdite d'aria. Nota: il punto in cui si verificano spesso perdite d'aria è la giunzione sigillata.
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Data di pubblicazione: 23 maggio 2022
