徐　竹

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

?

復合材料液體成型工藝的發(fā)展及應用*

徐竹

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西西安 710089)

摘要：復合材料液體成型工藝是一種近年來出現(xiàn)的先進復合材料低成本制造技術。論文介紹了樹脂傳遞模塑成型RTM和RTM的衍生工藝VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等幾種復合材料液體成型工藝(LCM)的特點，并分析了幾種不同LCM工藝的優(yōu)缺點及應用領域。

關鍵詞：復合材料，液態(tài)成型工藝，RTM，RTM衍生工藝

復合材料液體成型工藝也稱液體模塑成型技術(Liquid Composite Molding，簡稱LCM)是指將液態(tài)樹脂注入鋪有纖維預成型體的閉合模腔中，或加熱熔化預先放入模腔內(nèi)的樹脂膜，液態(tài)樹脂在流動充滿模腔的同時完成纖維/樹脂的浸潤并經(jīng)固化脫模后成為復合材料制品的一種成型工藝。

與其他纖維復合材料制造技術相比，LCM技術可生產(chǎn)的構件范圍廣，可按結構要求定向鋪放纖維，一步浸漬成型帶有夾芯、加筋、預埋件等的大型構件。LCM可以實現(xiàn)復合材料設計、制備的一體化[1]；既可制備大型整體復合材料制件，又可制備各種小型精密復合材料制件；既能顯著縮短制件生產(chǎn)周期，又可保證制件的整體質(zhì)量。20世紀80年代后，隨著飛行器的承力構件及次承力構件、國防應用、汽車結構件以及高性能體育用品等的開發(fā)，RTM工藝取得了顯著的進展，并且在此基礎上開發(fā)了VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等這些先進的LCM工藝技術。

1樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝

樹脂傳遞模塑成型簡稱RTM(Resin Transfer Molding)，是一種閉模成型技術，可以生產(chǎn)出兩面光的制品。它的基本原理是先在模腔內(nèi)預先鋪放增強材料預成型體、芯材和預埋件，然后在壓力或真空作用下將樹脂注入閉合模腔，浸潤纖維，經(jīng)固化、脫模、后加工而成制品的工藝。隨著材料技術和工藝的不斷發(fā)展，RTM工藝制品已經(jīng)在航空航天、交通運輸、體育用品、船舶、建筑等領域得到了廣泛應用[2-5]。RTM在航空航天和軍事領域的應用主要體現(xiàn)大型結構部件的整體成型方面，國外RTM成型技術在航空航天領域的應用主要有雷達罩、螺旋槳、隔艙門、直升機的方向舵、整體機艙、飛機的機翼等。RTM成型技術在艦船和裝甲車輛上的應用主要有艦船的防護板、船舶結構件及裝甲戰(zhàn)車的車體等部件。國內(nèi)RTM工藝應用的產(chǎn)品有雷達罩、全碳纖維復合材料槳葉、導彈穩(wěn)定翼等。

RTM技術是一種非常具有競爭力的復合材料成型技術，可以作為預浸料/熱壓罐技術的補充或替代技術。熱壓罐成型的最大缺點是其體積大，結構復雜，且是壓力容器。因此建設投資費用高。同時對于較大體積的熱壓罐。其升溫和加壓的速度比較慢。場內(nèi)溫度控制不均勻。與預浸料模壓工藝相比，RTM工藝無須制備、運輸、貯藏冷凍的預浸料，無須繁雜的手工鋪層和真空袋壓過程，也無須熱處理時間，操作簡單，技術開發(fā)和應用靈活。

RTM技術存在的難點是由于在成型階段樹脂和纖維通過浸漬過程實現(xiàn)賦形，纖維在模腔中的流動、纖維浸漬過程以及樹脂的固化過程都對最終產(chǎn)品的性能有很大的影響，因而導致了工藝的復雜性和不可控性增大。主要問題有：①樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品里存在空隙率較高、干纖維的現(xiàn)象；②制品的纖維含量較低；③大面積、結構復雜的模具型腔內(nèi)，模塑過程中樹脂的流動不均衡，不能進行預測和控制。

近年來RTM技術的研究主要體現(xiàn)在：①采用各種混和器，擴大樹脂的適用范圍；②采用壓實增強材料和輔以高真空措施(真空輔助樹脂傳遞模塑)；③采用多維編織技術與預成型技術；④實施樹脂壓注和固化過程監(jiān)控，進行計算機模擬；⑤積極探討、開發(fā)新的RTM成型技術。

2RTIM的衍生工藝

2.1VARTM(真空輔助RTM)工藝

真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)是在RTM的基礎上開發(fā)得到的。VARTM是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進行固化，形成一定樹脂與纖維比例的工藝方法。

VARTM是一種吸出空氣的閉模工藝，與常規(guī)的RTM工藝相比[6-7]：①RTM工藝在樹脂注入時，模具型腔內(nèi)可積起幾噸壓力，通過抽真空VARTM工藝可減少這種壓力，因而增加了使用更輕模具的可能性；②真空的使用也可提高玻璃纖維對樹脂的比率，使制品纖維含量更高；③真空還有助于樹脂對纖維的浸漬，使纖維浸漬更充分；④真空還起到排除纖維束內(nèi)空氣的作用，使纖維的浸潤更充分，從而減少了微觀空隙的形成，得到空隙率更低的制品；⑤VARTM工藝生產(chǎn)的構件機械性能更好。

VARTM工藝制造的復合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型過程中產(chǎn)生的揮發(fā)氣體少、產(chǎn)品的性能好等優(yōu)點，并且工藝具有很大的靈活性。

2.2Light-RTM成型工藝

Light-RTM通常稱為輕質(zhì)RTM，該工藝是在真空輔助RTM工藝的基礎上發(fā)展而來的，適用于制造大面積的薄壁產(chǎn)品。Light-RTM典型特征是下模為剛性的模具，而上模采用輕質(zhì)、半剛性的模具，通常厚度為6mm～8mm。工藝過程使用雙重密封結構，外圈真空用來鎖緊模具，內(nèi)圈真空導入樹脂。注射口通常為帶有流道的線性注射方式，有利于快速充模。由于上模采用了半剛性的模具，模具成本大大降低，同時在制造大面積的薄壁產(chǎn)品時，模具鎖緊力由大氣壓提供，保證了模具的加壓均勻性，模制產(chǎn)品的壁厚均勻性非常好。

2.3樹脂浸漬模塑成型工藝(SCRIMP)

SCRIMP是一種新型的真空輔助注射技術(VARTM)，是1990年美國Seemann Composites(西曼復合材料公司)在美國獲得專利權的真空樹脂注入技術[2]。SCRIMP工藝的基本原理是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維的浸漬。在模具型面上鋪放增強材料和各種輔助材料，用真空袋將型腔邊緣密封嚴密，在型腔內(nèi)抽真空，再將樹脂通過精心設計的樹脂分配系統(tǒng)在真空作用下注入模腔內(nèi)，最后固化成型。

SCRIMP工藝的樹脂分配系統(tǒng)改善了浸漬效果，減少了缺陷發(fā)生，使模塑部件具有很好的一致性和重復性，同時也克服了VARTM在生產(chǎn)大型平面、曲面的層合結構以及加筋異型構件等制品時，纖維浸漬速度慢、成形周期長等不足。與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，SCRIMP工藝只需一半模具和一個彈性真空袋，這樣可以省去一半的模具成本，成型設備簡單。由于真空袋的作用，在纖維周圍形成真空，可提高樹脂的浸濕速度和浸透程度。同時它只需在大氣壓下浸漬，固化；真空壓力與大氣壓之差為樹脂注入提供動力，從而縮短成型時間。SCRIMP工藝適用于中、大型復合材料構件，施工安全、成本較低。SCRIMP工藝制造的部件性能與航空航天領域廣泛采用的熱壓罐工藝相媲美。隨著SCRIMP技術從軍事應用向民用工業(yè)的轉(zhuǎn)移，在建筑、汽車行業(yè)將有很大的拓展空間，如大尺寸的屋面、建筑平臺等公用工程構件。

2.4樹脂膜滲透成型工藝(RFI)

RFI工藝是在RTM的基礎上發(fā)展起來的樹脂膜滲透成型工藝。它是一種樹脂融滲和纖維預成型坯相結合的技術。RFI采用單模和真空袋來驅(qū)動浸漬過程，工藝過程是：將預制好的樹脂膜鋪放在模具上，再鋪放纖維預成型體并用真空袋封閉模具；將模具置于烘箱或熱壓下加熱并抽真空，達到一定溫度后，樹脂膜熔融成為黏度很低的液體，在真空或外加壓力的作用下樹脂沿厚度方向逐步浸潤預成型體，完成樹脂的轉(zhuǎn)移；繼續(xù)升溫使樹脂固化，最終獲得復合材料制品。

RFI工藝加熱時樹脂流動是厚度方向的流動，大大縮短了流程，使纖維更容易被樹脂浸潤。相對于 RTM工藝，RFI 工藝能制造出纖維含量高、 孔隙率極低、 力學性能優(yōu)異、 制品重現(xiàn)性好、 壁厚可隨意調(diào)節(jié)的大型復合材料制件和復雜形狀的制件，并可根據(jù)性能要求進行結構設計。RFI工藝采用真空袋壓成型方法，免去了RTM 工藝所需的樹脂計量注射設備及雙面模具加工無需制備預浸料，揮發(fā)物少，成型壓力低，生產(chǎn)周期短，勞動強度低，滿足環(huán)保要求和低成本高性能復合材料的要求。

RFI工藝不足之處表現(xiàn)在：①對樹脂體系要求嚴格，不太適合于成型形狀復雜的小型制件；②制品表面精度受內(nèi)模影響，達不到所需要的復雜程度和精度要求；③RFI工藝中，樹脂的用量不能精確計量，需要吸膠布等耗材除去多余樹脂，因而固體廢物較RTM工藝多。

2.5結構反應注射模塑(SRIM)

SRIM是建立在樹脂反應模塑(RIM)和RTM基礎上的一種新的成型工藝。

反應注射模塑RIM(Reaction Injection Moulding) 是將兩種具有高化學活性的低相對分子質(zhì)量液體原料，在高壓下經(jīng)撞擊混合，然后注入密閉的模具內(nèi)，完成聚合、交聯(lián)、固化等化學反應并形成制品的工藝過程。RIM技術最早出現(xiàn)在20世紀60年代，70年代投入生產(chǎn)，80年代后得到快速發(fā)展。RIM主要特點是：成型壓力低；閉模操作，不污染環(huán)境；制品兩面光潔能成型復雜形狀的大型制品；研發(fā)時間短，適于產(chǎn)品更新；與SMC工藝相比，初始投資少，更適于中等批量部件的生產(chǎn)。但由于RIM線膨脹因數(shù)很大，而且強度、模量相對較小，使RIM制品使用受到限制。

SRIM是綜合RIM和RTM優(yōu)點開發(fā)的。SRIM工藝是首先把長纖維增強墊預置在模具型腔中，再利用高壓計量泵提供的高壓沖擊，將兩種單體物料在混合頭混合均勻，在一定溫度條件下注射到模具內(nèi)，在模具內(nèi)固化成型制品的工藝。與RTM工藝相比的區(qū)別主要體現(xiàn)在：①RTM反應的活化是通過加熱使物料活化，而SRIM是通過混合、高壓碰撞使其活化；②RTM充模時間長，而SRIM充模時間短；③RTM在注射前預先通過靜態(tài)混合器混和，SRIM則通過高壓碰撞在混合頭混合，混和同時注料；④RTM注射壓力低、注射量較小，SRIM注射壓力高、注射量大；⑤RTM成型周期長，SRIM成型周期短。SRIM工藝也存在缺點，主要有：①纖維經(jīng)常外露；②流動速度快，常形成空穴區(qū)；③反應體系有水放出，會在制品表面留下氣孔。

3結語

RTM、VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM都是LCM技術的范疇，近幾年來發(fā)展都特別快，是生產(chǎn)高性能、低成本復合材料制品的有效途徑。LCM工藝技術打破了長久以來高性能復合材料必然具有制造成本高的慣例，為高性能復合材料開辟了廣闊的應用領域。目前 LCM工藝技術已經(jīng)成為先進復合材料低成本制備技術的主要發(fā)展方向，是復合材料領域研究的熱點。每一種成型工藝有各自的特點，通過提高原材料的各項性能、工藝的改進、模具設計制造技術的提高等方面來揚長避短，更好地發(fā)展復合材料液體模塑技術，開拓新的應用領域。

參考文獻

[1] 益小蘇，許亞洪，唐邦銘，等.復合材料結構一功能一體化技術與吸能結構的研究[J].材料工程，2004(9)：3-8.

[2] 黃家康.復合材料成型技術及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011，181-276.

[3] 劉志杰，閏超，羅輯，等.復合材料多隔板框梁結構的RTM工藝成型[J].玻璃鋼/復合材料，2015(1)：82-87.

[4] 楊文志，朱錫，陳悅，等.復合材料螺旋槳成型工藝研究[J].玻璃鋼/復合材料，2005，(23)6：87-92.

[5] 崔辛，劉鈞，肖加余，等.真空導入模塑成型工藝的研究進展[J].材料導報，2013，27(9)：14-19.

[6] 王慶濤，朱家強，李煒. VARTM和RTM工藝模擬仿真比較[J].玻璃鋼/復合材料，2013(6)：12-15.

[7] 馬俊龍. 復合材料LCM整體成型工藝發(fā)展及應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2015(10)：109-113.

Development and Application of Composite Liquid Forming Process

XU Zhu

(Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：The liquid composite molding process is a kind of low cost and advanced composite materials manufacturing technology in recent years. The resin transfer molding RTM，RTM derived VARTM，SCRIMP，RFI，SRIM and several composite liquid molding process (LCM) characteristics were introduced in this paper，and the advantages and disadvantages of several different LCM process and application field were analyzed.

Key words：composite material，liquid molding process，RTM，RTM derivative process

*基金項目：西安航空職業(yè)技術學院2014院級精品資源共享課程復合材料成型技術基金項目(2014JZ07)

中圖分類號：TB 33