杜政才，侯傳禮，魏喜龍，王洪運(yùn)

摘要模壓成型工藝具有生產(chǎn)效率高、尺寸控制精度高、表面質(zhì)量好、可一次成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料成型工藝中占據(jù)重要地位。而SMC、GMT、LFT作為模壓工藝中主要的成型工藝，其使用范圍越來(lái)越廣泛。為進(jìn)一步了解SMC、GMT、LFT工藝特點(diǎn)，本文根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料模壓工藝發(fā)展?fàn)顩r，針對(duì)SMC、GMT、LFT的工藝原理、工藝路線(xiàn)、未來(lái)趨勢(shì)及前景進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)對(duì)各工藝所制成的復(fù)合材料制品力學(xué)性能與物理性能進(jìn)行對(duì)比，為復(fù)合材料模壓工藝的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞模壓工藝；SMC；GMT；LFT

Application of Compression Molding Technology?on Resin Matrix Composites

DU Zhengcai，HOU Chuanli，WEI Xilong，WANG Hongyun

（Harbin FRP? Institute Co.， Ltd.，Harbin 150028）

ABSTRACTThe compression molding process has the advantages of high production efficiency， high size control precision， good surface quality， and forming complex structure products， which occupies an important position in the composite molding process. And SMC， GMT， LFT as the main molding process in the compression molding process， the use of more and more widely. In order to further understand the SMC， GMT， LFT process characteristics， this paper is based on the current development status of composite compression molding processes at home and abroad， the process principle， process route， future trend and prospect of SMC， GMT and LFT were described in detail. And the mechanical and physical properties of composite products made under each process were compared， which provided a reference for the application of composite compression molding technology.

KEYWORDScompression molding；SMC；GMT；LFT

1引言

模壓成型工藝正越來(lái)越多地被應(yīng)用于汽車(chē)和航空航天等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，尤其是在需要材料具有良好機(jī)械性能、重量輕，成本適中等特點(diǎn)的領(lǐng)域中。其中片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（GMT）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LFT）等模壓工藝具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度可控、表面光潔度高、脫模后的制品往往不需要二次加工、制品外觀及尺寸的重復(fù)性好、纖維體積含量較高、空隙率低等優(yōu)點(diǎn)，已成為樹(shù)脂基復(fù)合材料主要的成型方法。［1］深入研究模壓工藝不僅對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)效率具有重大意義，同時(shí)也有助于推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2模壓工藝原理

模壓工藝是指采用金屬對(duì)模加壓的方式，將纖維、樹(shù)脂放入到金屬模腔之中，隨著溫度升高、壓力增大，樹(shù)脂會(huì)在模腔內(nèi)受熱軟化，樹(shù)脂粘度降低、流動(dòng)性增大，在壓力作用下充滿(mǎn)模具型腔，最后固化成型而獲得復(fù)合材料制品的一種方法。成型過(guò)程中所需要的成型壓力高于纏繞、手糊、拉擠成型，屬于高壓成型，一般采用高強(qiáng)螺栓或壓機(jī)進(jìn)行加壓。因此成型中使用的模具需要具有一定的剛度、強(qiáng)度、且尺寸精度高、穩(wěn)定性好、高溫下變形小。

模壓工藝主要是利用樹(shù)脂基體固化反應(yīng)中各階段的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)制品成型，樹(shù)脂在固化中主要有粘流階段、硬固階段兩個(gè)階段。其中，“粘流階段”：無(wú)論是熱塑性樹(shù)脂還是熱固性樹(shù)脂，當(dāng)模腔內(nèi)溫度升高到一定溫度時(shí)，樹(shù)脂很快會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，此時(shí)樹(shù)脂粘度較低，在外部壓力作用下樹(shù)脂會(huì)粘裹著纖維一起流動(dòng)，直至充滿(mǎn)模腔；“硬固階段”：對(duì)于熱固性樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，當(dāng)樹(shù)脂充滿(mǎn)模腔后，持續(xù)升高溫度，樹(shù)脂會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，粘度升高，流動(dòng)性降低，具有一定彈性，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，最后會(huì)失去流動(dòng)性，使樹(shù)脂成為不溶性和不熔性的立體結(jié)構(gòu)［1］。對(duì)于熱塑性樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，基體在被壓縮前需軟化，通常被提前預(yù)熱，然后再轉(zhuǎn)移到溫度設(shè)定相對(duì)較低的模具上，以確保纖維料變形后能夠快速冷卻且保持形狀固定不變。

3模壓工藝路線(xiàn)

3.1片狀模塑料

3.1.1SMC組成

SMC是由多類(lèi)纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基體混合制備而成。其中，樹(shù)脂基體以熱固性樹(shù)脂為主，并輔以適量的引發(fā)劑與抑制劑，以達(dá)到理想的固化效果。樹(shù)脂基體的黏度對(duì)于材料在成型過(guò)程中的流動(dòng)性起著至關(guān)重要的控制作用，其直接影響最終產(chǎn)品的成型質(zhì)量與性能表現(xiàn)。為有效增強(qiáng)基體黏度，防止纖維與基體樹(shù)脂在成型過(guò)程中發(fā)生分離，通常采用化學(xué)增稠劑進(jìn)行調(diào)控［2］。增稠劑的添加不僅提高了基體的黏稠度，還有助于提高纖維與樹(shù)脂之間的界面結(jié)合力，進(jìn)而增強(qiáng)SMC的整體性能。為進(jìn)一步優(yōu)化SMC的性能，有時(shí)會(huì)引入熱塑性添加劑，可有效限制熱固性樹(shù)脂固化過(guò)程中的收縮，減少因收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與缺陷，從而顯著提升產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性和表面光潔度。SMC樹(shù)脂基體種類(lèi)較多，最常見(jiàn)的是不飽和聚酯樹(shù)脂，主要由于其成本低廉而被廣泛使用。而在需要更高的機(jī)械性能和熱性能時(shí)，通常選用乙烯基酯、酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂［3］。SMC增強(qiáng)材料通常選用玻璃纖維，碳纖維多用于更高機(jī)械性能的制品中［4］。表1列出了不同模壓工藝、不同材料下復(fù)合材料的物理與機(jī)械性能。

3.1.2SMC制造

SMC作為一種中間片材，厚度控制在1 mm～3 mm之間［5］。SMC生產(chǎn)線(xiàn)主要由混合、浸漬、儲(chǔ)存三個(gè)階段構(gòu)成，如圖1所示。混合階段通過(guò)儲(chǔ)液罐精確控制聚合物樹(shù)脂、填料、增稠劑及其他必要添加劑的比例，制備出具有低剪切粘度（約10～100 Pa·s）的樹(shù)脂基體。在浸漬階段，首先通過(guò)下刮刀控制沉積在聚合物載體膜上樹(shù)脂基體的厚度。然后當(dāng)覆有樹(shù)脂基體的載體膜通過(guò)纖維切割器下面時(shí)，切割后的短纖維沉積在樹(shù)脂基體上，形成一層短纖維層。最后，該纖維層上表面在進(jìn)入壓延區(qū)時(shí)被覆有樹(shù)脂基體的上載體膜覆蓋，進(jìn)入壓延區(qū)，并在壓輥的作用下，樹(shù)脂基體得以充分滲透至多孔纖維層內(nèi)部，完成纖維層的浸漬過(guò)程。在儲(chǔ)存階段，制備出的SMC片材被整齊地卷繞在固定卷軸上，隨后轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)存室，并嚴(yán)格控制儲(chǔ)存室溫度與相對(duì)濕度，以確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3.1.3SMC模壓工藝

SMC模壓成型是在高溫的封閉模具中進(jìn)行。模具采用高精度金屬材質(zhì)，表面經(jīng)過(guò)拋光處理，以確保成型質(zhì)量。在成型過(guò)程中，需借助具備高負(fù)載能力（最大可高達(dá)40000 kN）的液壓機(jī)進(jìn)行加壓成型。為提高生產(chǎn)效率降低人工成本，SMC片材的拾取和鋪放工作均通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備完成。

首先需將SMC片材平整鋪設(shè)于下模之上，隨后利用冷壓技術(shù)對(duì)其進(jìn)行初步預(yù)壓成型。預(yù)壓結(jié)束后，再進(jìn)行合模操作，并逐步提高模具溫度與壓力，促使材料在模腔內(nèi)流動(dòng)，完成樹(shù)脂基體與纖維的浸漬，并消除孔隙。對(duì)于厚度較大的復(fù)合材料制品，模具在合模過(guò)程中需采取分階段逐步加壓的方式，確保在達(dá)到最大壓力之前，減小厚度方向上的溫度差異，避免由于受熱不均而產(chǎn)生固化應(yīng)力。此外，SMC材料在4 MPa～20 MPa下保持30 s～3 min，以確保樹(shù)脂基體能夠完全固化，如圖3所示。為避免制品在脫模過(guò)程中發(fā)生翹曲變形，需待SMC產(chǎn)品自然冷卻至室溫后方可進(jìn)行脫模操作。

3.2玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

3.2.1GMT組成

GMT作為一種半成品，以薄片形式存在，其結(jié)構(gòu)與連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的預(yù)浸料相類(lèi)似［6］。在商業(yè)應(yīng)用中，GMT樹(shù)脂基體普遍采用聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）以及聚乳酸（PLA）等材料。為提升性能降低成本，這些樹(shù)脂基體通常會(huì)添加炭黑、滑石粉、硅灰石等填料。在GMT增強(qiáng)相中，E-玻璃纖維占據(jù)著重要地位，它以切碎的纖維束或纖維氈的形式存在。

目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)亞麻纖維與PP纖維混合增強(qiáng)的GMT類(lèi)似材料［7］，這類(lèi)材料被統(tǒng)稱(chēng)為天然纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料（NMT）。同樣地，碳纖維亦可作為GMT的增強(qiáng)材料，其相應(yīng)變體被命名為碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料（CMT）［8］。

3.2.2GMT制造

生產(chǎn)GMT中間產(chǎn)品的方法主要有兩種。第一種是使用纖維氈的形式制造GMT片材，如圖4所示。首先通過(guò)兩層無(wú)紡布針狀玻璃纖維氈將樹(shù)脂基體夾在中間，形成一個(gè)夾層結(jié)構(gòu)材料。然后該夾層材料進(jìn)入雙帶壓力機(jī)，在加熱區(qū)域進(jìn)行樹(shù)脂基體與纖維氈的浸漬和固化，在冷卻區(qū)域?qū)MT片材進(jìn)行冷卻。最后按尺寸切割成片并進(jìn)行儲(chǔ)存。這種方法可以生產(chǎn)厚度為3 mm～4 mm的GMT片材，其中片材纖維重量含量在20? %～40? %之間。

第二種方法是采用混合漿料制造GMT片材，如圖5所示，首先將切碎的纖維與水和樹(shù)脂基體粉末混合，形成混合漿料。混合漿料被擠壓機(jī)擠出到在真空過(guò)濾帶上，在真空過(guò)濾帶上將水去除，水去除后片材的結(jié)構(gòu)初步形成。最后通過(guò)雙帶壓力機(jī)對(duì)其進(jìn)行升溫加壓，進(jìn)一步干燥并固化成片材的形狀。這種方法制造的GMT片材纖維和樹(shù)脂基體的結(jié)合更為牢固。

3.2.3GMT模壓工藝

GMT模壓工藝首先依據(jù)產(chǎn)品既定尺寸要求，對(duì)GMT中間體片材實(shí)施精確切割，將切割后的材料依照工藝需求進(jìn)行有序堆疊。堆疊完成的片材將被置于烘箱中，以高于樹(shù)脂基體軟化點(diǎn)的溫度進(jìn)行預(yù)熱處理，旨在使熱塑性樹(shù)脂基體達(dá)到熔融狀態(tài)。在此過(guò)程中需嚴(yán)格控制預(yù)熱時(shí)間和溫度，以防熱塑性樹(shù)脂基體、各類(lèi)添加劑以及纖維材料因溫度過(guò)高而發(fā)生降解，尤其在使用植物基纖維時(shí)更需格外注意。在預(yù)熱階段，GMT片材呈現(xiàn)出明顯的起泡與解聚現(xiàn)象，其厚度與孔隙有所增加。完成預(yù)熱后需迅速將GMT片材轉(zhuǎn)移至模具中，然后立即合模，并對(duì)模具加壓，確保材料能充分流動(dòng)并完全填充模具型腔。模具填充完畢后，進(jìn)入保壓階段，保壓直至部件溫度降至室溫，方可進(jìn)行卸壓操作，以防提前卸壓導(dǎo)致產(chǎn)品脫模過(guò)程中的翹曲變形。

GMT模壓工藝可以生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的大尺寸零件（最大可達(dá)1 m2）。控制預(yù)熱時(shí)間和溫度以及模具填充條件，是優(yōu)化整個(gè)成型周期的關(guān)鍵。根據(jù)樹(shù)脂基體類(lèi)型、零件厚度和幾何形狀復(fù)雜性，一個(gè)循環(huán)周期時(shí)間約為25s～120s。

3.3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

常見(jiàn)的LFT制造技術(shù)是以長(zhǎng)纖維顆粒為增強(qiáng)相，以熱塑性樹(shù)脂作為基體相，通過(guò)熱熔浸漬技術(shù)浸漬長(zhǎng)纖維顆粒，浸漬后顆粒通常通過(guò)注塑成型轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料產(chǎn)品，也可以通過(guò)模壓成型轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料產(chǎn)品［9］。玻璃纖維作為L(zhǎng)FT常用增強(qiáng)材料，長(zhǎng)度通常在5 mm至25 mm之間。而在樹(shù)脂基體的選擇上，PP樹(shù)脂的使用最為廣泛，其次則是PA樹(shù)脂。此外，也有部分應(yīng)用環(huán)境采用PBT、PPS、SAN等樹(shù)脂。

更廣泛的LFT模壓成型技術(shù)即直接LFT（D-LFT）工藝，相比較傳統(tǒng)LFT工藝，D-LFT工藝減少了與LFT顆粒相關(guān)的處理、貯存、運(yùn)輸?shù)裙ば颍?0］。D-LFT工藝步驟如下：首先，采用含有添加劑與改性劑的熔融樹(shù)脂基體直接浸漬纖維粗紗并形成混合物。然后，混合物被擠壓機(jī)擠出，擠出的混合物被切割成相應(yīng)尺寸模壓料。最后，模壓料被傳遞到模具上，進(jìn)行升溫升壓固化成型，如圖7所示。D-LFT的模壓工藝類(lèi)似于用于GMT，其中模壓工藝周期時(shí)間通常小于1分鐘。D-LFT工藝相較于GMT工藝，其顯著區(qū)別在于省去了由供應(yīng)商提供中間產(chǎn)品的環(huán)節(jié)［11］，從而使得D-LFT工藝更為便捷與直接。此外，由于樹(shù)脂基體在D-LFT工藝中僅經(jīng)歷一次熔化工序，可有效減少樹(shù)脂基體的降解現(xiàn)象，進(jìn)而保持材料穩(wěn)定的力學(xué)性能。

另外，模壓成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的材料流動(dòng)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)性能有害的缺陷。理解這些現(xiàn)象對(duì)于優(yōu)化制造工藝和實(shí)現(xiàn)工藝模擬、減少在設(shè)置新生產(chǎn)線(xiàn)期間所需的試驗(yàn)量是至關(guān)重要的。目前的發(fā)展趨勢(shì)就包括開(kāi)發(fā)相關(guān)的工藝過(guò)程數(shù)值模擬鏈，以便準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)成型和材料流動(dòng)現(xiàn)象。在成型過(guò)程中纖維微觀結(jié)構(gòu)的演變、樹(shù)脂基體的固化以及相關(guān)的殘余應(yīng)力相互耦合在一起，通過(guò)數(shù)值模擬能預(yù)測(cè)其相互之間的聯(lián)系，這對(duì)于減少循環(huán)周期時(shí)間和生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是非常重要的。如圖8所示，為了評(píng)估模壓成型條件對(duì)SMC部件結(jié)構(gòu)性能的影響，通過(guò)物理過(guò)程鏈和虛擬（數(shù)字）過(guò)程鏈之間的結(jié)果相互映射，能夠?qū)δ撼尚蚐MC部件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

4結(jié)語(yǔ)

SMC通常以熱固性樹(shù)脂為基體相，玻璃纖維為增強(qiáng)相，采用加熱壓的方式成型，具有成型速度快、生產(chǎn)效率高、制品尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但制品的韌性相對(duì)較低；GMT則通過(guò)玻璃纖維氈與熱塑性樹(shù)脂的復(fù)合成型，具有較高的抗沖擊性能和尺寸穩(wěn)定性，但其生產(chǎn)成本相對(duì)較高；LFT則依賴(lài)于長(zhǎng)纖維與熱塑性樹(shù)脂的混合成型，兼具高強(qiáng)度、高模量和低翹曲等特點(diǎn)，但其在纖維長(zhǎng)度和分布上存在一定的挑戰(zhàn)。D-LFT工藝省去了由供應(yīng)商提供中間產(chǎn)品的環(huán)節(jié)，使D-LFT工藝更為便捷與直接。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和人們對(duì)制品性能要求的提高，模壓成型工藝將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。目前模壓成型的發(fā)展趨勢(shì)是模壓過(guò)程數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬能夠更好的預(yù)測(cè)纖維微觀結(jié)構(gòu)的演變、樹(shù)脂基體的固化和殘余應(yīng)力之間的聯(lián)系，能夠減少循環(huán)周期時(shí)間和生產(chǎn)出高質(zhì)量復(fù)合材料制品。

參 考 文 獻(xiàn)

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