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Verbundwerkstoffe bestehen aus Verstärkungsfasern und Kunststoff. Die Rolle des Harzes in Verbundwerkstoffen ist entscheidend. Die Wahl des Harzes bestimmt eine Reihe charakteristischer Prozessparameter, einige mechanische Eigenschaften und Funktionalitäten (thermische Eigenschaften, Entflammbarkeit, Umweltbeständigkeit usw.). Die Harzeigenschaften sind auch ein Schlüsselfaktor für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Mit der Auswahl des Harzes wird automatisch das Fenster festgelegt, das den Prozess- und Eigenschaftsbereich des Verbundwerkstoffs bestimmt. Duroplaste sind aufgrund ihrer guten Herstellbarkeit ein häufig verwendeter Harztyp für Harzmatrix-Verbundwerkstoffe. Duroplaste sind bei Raumtemperatur fast ausschließlich flüssig oder halbfest und ähneln konzeptionell eher den Monomeren, aus denen thermoplastische Harze bestehen, als dem thermoplastischen Harz im Endzustand. Duroplaste können vor dem Aushärten in verschiedene Formen gebracht werden. Nach dem Aushärten mit Härtern, Initiatoren oder Wärme können sie jedoch nicht mehr geformt werden, da während des Aushärtens chemische Bindungen entstehen, wodurch kleine Moleküle in dreidimensional vernetzte, starre Polymere mit höherem Molekulargewicht umgewandelt werden.

Es gibt viele Arten von duroplastischen Harzen, am häufigsten werden Phenolharze verwendet,Epoxidharze, Bis-Pferdeharze, Vinylharze, Phenolharze usw.

(1) Phenolharz ist ein frühes duroplastisches Harz mit guter Haftung, guter Wärmebeständigkeit und dielektrischen Eigenschaften nach dem Aushärten. Seine herausragenden Eigenschaften sind hervorragende Flammschutzeigenschaften, geringe Wärmefreisetzungsrate, geringe Rauchdichte und Verbrennung. Das freigesetzte Gas ist weniger giftig. Die Verarbeitbarkeit ist gut, und die Verbundwerkstoffkomponenten können durch Formgebung, Wickeln, Handlaminieren, Sprühen und Pultrusionsverfahren hergestellt werden. Zahlreiche Verbundwerkstoffe auf Phenolharzbasis werden in der Innenausstattung von Zivilflugzeugen verwendet.

(2)EpoxidharzEpoxidharz ist eine frühe Harzmatrix, die in Flugzeugstrukturen verwendet wurde. Es zeichnet sich durch eine große Materialvielfalt aus. Verschiedene Härter und Beschleuniger ermöglichen eine Aushärtung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 180 °C. Es verfügt über verbesserte mechanische Eigenschaften, ist faserangepasst, hitze- und feuchtigkeitsbeständig, weist eine ausgezeichnete Zähigkeit auf und ist hervorragend herstellbar (gute Deckkraft, moderate Harzviskosität, gute Fließfähigkeit, Druckbandbreite usw.). Es eignet sich für die gemeinsame Aushärtung großer Bauteile und ist kostengünstig. Aufgrund seines guten Formgebungsprozesses und seiner hervorragenden Zähigkeit nimmt Epoxidharz eine wichtige Position in der Harzmatrix fortschrittlicher Verbundwerkstoffe ein.

(3)Vinylharzgilt als eines der hervorragend korrosionsbeständigen Harze. Es ist beständig gegenüber den meisten Säuren, Basen, Salzlösungen und starken Lösungsmitteln. Es wird häufig in der Papierherstellung, der chemischen Industrie, der Elektronik- und Erdölindustrie, bei Lagerung und Transport, im Umweltschutz, in der Schifffahrt und der Fahrzeugbeleuchtungsindustrie eingesetzt. Es hat die Eigenschaften von ungesättigtem Polyester und Epoxidharz, sodass es sowohl die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Epoxidharz als auch die gute Verarbeitungsleistung von ungesättigtem Polyester besitzt. Neben der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit weist dieser Harztyp auch eine gute Hitzebeständigkeit auf. Es gibt ihn in Standardtypen, Hochtemperaturtypen, flammhemmenden Typen, schlagfesten Typen und weiteren Varianten. Die Anwendung von Vinylharz in faserverstärktem Kunststoff (FRP) basiert hauptsächlich auf Handlaminieren, insbesondere in Korrosionsschutzanwendungen. Mit der Entwicklung von SMC ist seine Anwendung in dieser Hinsicht auch recht bemerkenswert.

(4) Modifiziertes Bismaleimidharz (kurz: Bismaleimidharz) wurde entwickelt, um den Anforderungen neuer Kampfjets an Verbundharzmatrizen gerecht zu werden. Zu diesen Anforderungen gehören die Herstellung großer Komponenten und komplexer Profile bei 130 °C. Im Vergleich zu Epoxidharz zeichnet sich Shuangma-Harz vor allem durch seine höhere Feuchtigkeits- und Hitzebeständigkeit sowie seine hohe Betriebstemperatur aus. Der Nachteil besteht in der schlechteren Herstellbarkeit im Vergleich zu Epoxidharz und der hohen Aushärtungstemperatur (Aushärtung über 185 °C), die eine Temperatur von 200 °C oder eine längere Aushärtung bei Temperaturen über 200 °C erfordert.
(5) Cyanidesterharz (Qing-Diakustik) hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante (2,8–3,2) und einen extrem kleinen dielektrischen Verlustfaktor (0,002–0,008), eine hohe Glasübergangstemperatur (240–290 °C), geringe Schrumpfung, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und Bindungseigenschaften usw. und verfügt über eine ähnliche Verarbeitungstechnologie wie Epoxidharz.
Derzeit werden Cyanatharze hauptsächlich in drei Bereichen eingesetzt: Leiterplatten für digitale Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen, leistungsstarke wellenübertragende Strukturmaterialien und leistungsstarke Strukturverbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt.

Einfach ausgedrückt hängt die Leistung von Epoxidharzen nicht nur von den Synthesebedingungen ab, sondern hauptsächlich von der Molekularstruktur. Die Glycidylgruppe im Epoxidharz ist ein flexibles Segment, das die Viskosität des Harzes verringern und die Prozessleistung verbessern kann, gleichzeitig aber die Hitzebeständigkeit des ausgehärteten Harzes verringert. Die wichtigsten Ansätze zur Verbesserung der thermischen und mechanischen Eigenschaften ausgehärteter Epoxidharze sind ein niedriges Molekulargewicht und Multifunktionalisierung zur Erhöhung der Vernetzungsdichte und Einführung starrer Strukturen. Natürlich führt die Einführung einer starren Struktur zu einer verringerten Löslichkeit und einer erhöhten Viskosität, was wiederum die Prozessleistung des Epoxidharzes verringert. Die Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Epoxidharzsystemen ist ein sehr wichtiger Aspekt. Aus Sicht von Harz und Härter gilt: Je mehr funktionelle Gruppen, desto höher die Vernetzungsdichte. Je höher die Tg. Spezifische Vorgehensweise: Verwenden Sie multifunktionales Epoxidharz oder Härter, verwenden Sie hochreines Epoxidharz. Die üblicherweise verwendete Methode besteht darin, dem Härtungssystem einen bestimmten Anteil o-Methylacetaldehyd-Epoxidharz zuzusetzen. Dies hat eine gute Wirkung und ist kostengünstig. Je höher das durchschnittliche Molekulargewicht, desto enger die Molekulargewichtsverteilung und desto höher die Tg. Spezifische Vorgehensweise: Verwenden Sie ein multifunktionales Epoxidharz oder Härtungsmittel oder andere Methoden mit einer relativ gleichmäßigen Molekulargewichtsverteilung.

Da es sich bei einer Harzmatrix um eine Hochleistungsharzmatrix handelt, müssen deren verschiedene Eigenschaften, wie Verarbeitbarkeit, thermophysikalische und mechanische Eigenschaften, den Anforderungen praktischer Anwendungen entsprechen. Die Herstellbarkeit der Harzmatrix umfasst die Löslichkeit in Lösungsmitteln, die Schmelzviskosität (Fluidität) und Viskositätsänderungen sowie die sich mit der Temperatur ändernde Gelzeit (Prozessfenster). Die Zusammensetzung der Harzformulierung und die Wahl der Reaktionstemperatur bestimmen die chemische Reaktionskinetik (Aushärtungsrate), die chemischen rheologischen Eigenschaften (Viskosität-Temperatur vs. Zeit) und die Thermodynamik chemischer Reaktionen (Exothermie). Unterschiedliche Verfahren stellen unterschiedliche Anforderungen an die Harzviskosität. Im Allgemeinen beträgt die Harzviskosität beim Wickelverfahren etwa 500 cPs; beim Pultrusionsverfahren etwa 800–1.200 cPs; beim Vakuumeinführungsverfahren etwa 300 cPs, und beim RTM-Verfahren kann sie höher sein, wird aber im Allgemeinen 800 cPs nicht überschreiten. Beim Prepreg-Verfahren ist eine relativ hohe Viskosität von im Allgemeinen 30.000 bis 50.000 cPs erforderlich. Diese Viskositätsanforderungen hängen natürlich von den Eigenschaften des Verfahrens, der Ausrüstung und der Materialien selbst ab und sind nicht statisch. Im Allgemeinen sinkt die Viskosität des Harzes im unteren Temperaturbereich mit steigender Temperatur. Mit steigender Temperatur schreitet jedoch auch die Aushärtungsreaktion des Harzes voran. Kinetisch gesehen verdoppelt sich die Reaktionsrate bei jeder Erhöhung um 10 °C. Diese Näherung ist weiterhin nützlich, um abzuschätzen, wann die Viskosität eines reaktiven Harzsystems einen bestimmten kritischen Viskositätspunkt erreicht. Beispielsweise dauert es 50 Minuten, bis ein Harzsystem mit einer Viskosität von 200 cPs bei 100 °C seine Viskosität auf 1.000 cPs erhöht, während die Zeit, die dasselbe Harzsystem benötigt, um seine ursprüngliche Viskosität bei 110 °C von weniger als 200 cPs auf 1.000 cPs zu erhöhen, etwa 25 Minuten beträgt. Bei der Auswahl der Prozessparameter sollten Viskosität und Gelierzeit berücksichtigt werden. Beispielsweise muss beim Vakuumeinleitungsprozess sichergestellt werden, dass die Viskosität bei Betriebstemperatur im prozessbedingten Viskositätsbereich liegt und die Topfzeit des Harzes bei dieser Temperatur ausreichend lang ist, um die Harzeinbringung zu gewährleisten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Auswahl des Harztyps im Injektionsprozess Gelierpunkt, Füllzeit und Temperatur des Materials berücksichtigt werden müssen. Bei anderen Prozessen ist die Situation ähnlich.

Beim Formgebungsprozess bestimmen Größe und Form des Bauteils (der Form), die Art der Verstärkung und die Prozessparameter die Wärmeübertragungsrate und den Stofftransport. Beim Aushärten von Harzen entsteht exotherme Wärme, die durch die Bildung chemischer Bindungen entsteht. Je mehr chemische Bindungen pro Volumeneinheit und Zeiteinheit gebildet werden, desto mehr Energie wird freigesetzt. Die Wärmeübergangskoeffizienten von Harzen und deren Polymeren sind im Allgemeinen recht niedrig. Die Wärmeabfuhr während der Polymerisation kann nicht mit der Wärmeentwicklungsrate mithalten. Diese inkrementellen Wärmemengen führen zu schnelleren chemischen Reaktionen, was zu mehr führt. Diese sich selbst beschleunigende Reaktion führt schließlich zu Spannungsversagen oder zur Degradation des Bauteils. Dies ist bei der Herstellung von Verbundbauteilen mit großer Dicke besonders ausgeprägt, und die Optimierung des Aushärtungsprozesses ist hier besonders wichtig. Das Problem lokaler „Temperaturüberschreitungen“, die durch die hohe Exothermie der Prepreg-Aushärtung verursacht werden, und die Zustandsunterschiede (z. B. Temperaturunterschiede) zwischen dem globalen und dem lokalen Prozessfenster hängen allesamt mit der Steuerung des Aushärtungsprozesses zusammen. Die Temperaturgleichmäßigkeit im Bauteil (insbesondere in Dickenrichtung) hängt von der Anordnung (bzw. Anwendung) bestimmter Fertigungstechnologien im Fertigungssystem ab. Bei dünnen Bauteilen wird viel Wärme an die Umgebung abgegeben, die Temperatur steigt daher nur langsam an, und das Bauteil härtet manchmal nicht vollständig aus. In diesem Fall muss zusätzliche Wärme zugeführt werden, um die Vernetzungsreaktion abzuschließen, d. h. kontinuierliches Erhitzen.

Die autoklavfreie Verbundwerkstoff-Formgebung ist mit der herkömmlichen Autoklav-Formgebung vergleichbar. Generell gilt jedes Verfahren zur Verbundwerkstoff-Formgebung ohne Autoklav als autoklavfreie Formgebung. Die Anwendung autoklavfreier Formgebungstechnologien in der Luft- und Raumfahrt umfasst derzeit vor allem die folgenden Bereiche: autoklavfreie Prepreg-Technologie, Flüssigformung, Prepreg-Pressformung, Mikrowellenhärtung, Elektronenstrahlhärtung und Druckausgleichs-Flüssigkeitsformung. Die OoA-Prepreg-Technologie (Out-of-Autoclave) ähnelt dabei stärker dem herkömmlichen Autoklav-Formgebungsprozess und verfügt über eine breite Palette manueller und automatischer Legeprozesse. Sie gilt daher als Vliesstoff mit großer Wahrscheinlichkeit für eine großflächige Produktion. Ein wichtiger Grund für die Verwendung eines Autoklaven für Hochleistungsverbundteile besteht darin, dem Prepreg einen ausreichenden Druck zuzuführen, der höher ist als der Dampfdruck aller Gase während der Aushärtung, um die Porenbildung zu verhindern. Dies ist die Hauptschwierigkeit des OoA-Prepregs, die die Technologie überwinden muss. Ob die Porosität des Teils unter Vakuumdruck kontrolliert werden kann und seine Leistung die Leistung eines autoklavgehärteten Laminats erreicht, ist ein wichtiges Kriterium für die Bewertung der Qualität des OoA-Prepregs und seines Formprozesses.

Die Entwicklung der OoA-Prepreg-Technologie begann mit der Entwicklung von Harzen. Bei der Entwicklung von Harzen für OoA-Prepregs stehen drei Hauptpunkte im Vordergrund: Erstens die Kontrolle der Porosität der Formteile, beispielsweise durch die Verwendung additionsvernetzender Harze zur Reduzierung flüchtiger Bestandteile während der Härtungsreaktion. Zweitens die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der gehärteten Harze, um die im Autoklavenverfahren erzielten Harzeigenschaften, einschließlich thermischer und mechanischer Eigenschaften, zu erreichen. Drittens die Gewährleistung einer guten Herstellbarkeit des Prepregs, beispielsweise durch die Gewährleistung der Fließfähigkeit des Harzes unter atmosphärischem Druckgradienten, einer langen Viskositätsbeständigkeit und ausreichender Haltbarkeit bei Raumtemperatur. Rohstoffhersteller betreiben Materialforschung und -entwicklung gemäß spezifischen Designanforderungen und Prozessmethoden. Die Hauptschwerpunkte umfassen: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Verlängerung der Haltbarkeit, Reduzierung der Härtungstemperatur sowie Verbesserung der Feuchtigkeits- und Hitzebeständigkeit. Einige dieser Leistungsverbesserungen stehen im Widerspruch zueinander, wie z. B. hohe Zähigkeit und niedrige Härtungstemperaturen. Es gilt, einen Mittelweg zu finden und diesen umfassend zu berücksichtigen!

Neben der Harzentwicklung fördert das Herstellungsverfahren von Prepreg auch die Anwendungsentwicklung von OoA-Prepreg. Die Studie belegte die Bedeutung von Prepreg-Vakuumkanälen für die Herstellung porenfreier Laminate. Nachfolgende Studien zeigten, dass teilimprägnierte Prepregs die Gasdurchlässigkeit effektiv verbessern können. OoA-Prepregs sind teilimprägniert mit Harz, und Trockenfasern dienen als Abgaskanäle. Die bei der Aushärtung des Bauteils entstehenden Gase und flüchtigen Stoffe können durch die Kanäle abgeführt werden, sodass die Porosität des fertigen Bauteils <1 % beträgt.
Das Vakuumverpacken gehört zum Nicht-Autoklav-Formverfahren (OoA). Kurz gesagt handelt es sich um einen Formprozess, bei dem das Produkt zwischen Form und Vakuumbeutel versiegelt und durch Vakuumieren unter Druck gesetzt wird, um es kompakter zu machen und bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen. Der Hauptherstellungsprozess ist

Zuerst wird ein Trennmittel oder Trenntuch auf die Layup-Form (oder Glasplatte) aufgetragen. Das Prepreg wird gemäß den verwendeten Standards geprüft, insbesondere hinsichtlich Oberflächendichte, Harzgehalt, flüchtiger Bestandteile und weiterer Informationen. Schneiden Sie das Prepreg auf die passende Größe zu. Achten Sie beim Schneiden auf die Faserrichtung. Im Allgemeinen darf die Faserrichtungsabweichung weniger als 1° betragen. Nummerieren Sie jede Stanzeinheit und notieren Sie die Prepreg-Nummer. Beim Schichtenaufbau müssen die Schichten strikt in der auf dem Schichtdatenblatt angegebenen Reihenfolge verlegt werden. Die PE-Folie oder das Trennpapier muss entlang der Faserrichtung verbunden und Luftblasen entlang der Faserrichtung entfernt werden. Mit einem Schaber wird das Prepreg ausgebreitet und so weit wie möglich abgeschabt, um die Luft zwischen den Schichten zu entfernen. Beim Aufbau ist manchmal das Spleißen von Prepregs erforderlich, wobei die Spleiße entlang der Faserrichtung erfolgen müssen. Beim Spleißvorgang sollte eine möglichst geringe Überlappung erzielt werden, und die Spleißnähte jeder Lage sollten versetzt angeordnet sein. Der Spleißabstand von unidirektionalem Prepreg beträgt in der Regel 1 mm; bei geflochtenem Prepreg darf nur überlappen, nicht gespleißt werden, und die Überlappungsbreite beträgt 10–15 mm. Als nächstes ist auf die Vorverdichtung mittels Vakuum zu achten, wobei die Dicke der Vorverdichtung je nach Bedarf variiert. Ziel ist es, die im Laminat eingeschlossene Luft und die flüchtigen Bestandteile des Prepregs zu entfernen, um die innere Qualität des Bauteils zu gewährleisten. Anschließend werden Hilfsmaterialien aufgebracht und das Vakuum abgefüllt. Versiegeln und Aushärten des Beutels: Die letzte Anforderung besteht darin, dass keine Luft austreten darf. Hinweis: Häufig tritt Luft an der Dichtungsfuge aus.

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