硅橡胶在聚合物基复合材料成型中的应用
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作者: 刘曜卿
[摘 要]硅橡胶因为其仿真性高、脱模性强、收缩率低、成型方便且耐热性强、老化性低、弹性强等优良的属性和特点，在近些年越来越被广泛地应用在聚合物基符合材料的制作过过程中。本文针对硅橡胶的特点，对其在聚合物基复合材料成型中的应用进行了阐述，并对其在成型工艺中的性状和所发挥的作用进行了研究和探讨。
[关键词]硅橡胶 热膨胀模型 气囊 复合材料 成型工艺
中图分类号：TU458 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0211-01
一、概述硅橡胶的物理性能
硅橡胶是一种高分子弹性材料，它的分子键既具有有机性质的特点，也具有无机性质的特点。硅橡胶在-100～350oC的温度范围内都具有优良的工作性能，耐高低温性能尤其突出，还具有区别于其他物质更为优异的热稳定性、透气性、透明性、电绝缘性、耐臭氧性、耐候性以及撕裂强度。硅橡胶还具有优异的粘接性、流动性、脱模性，这些特性使得它能够作为一种特殊的热膨胀材料被应用在复合材料的成型工艺中。
硅橡胶依照其硫化温度，可分为高温硫化型和室温硫化型两个种类。高温胶主要被应用于制造硅橡胶制品，室温胶则则主要被作为粘接剂、灌封材料或模具应用在各个领域。适用于热膨胀模塑技术中的硅橡胶模被称为热膨胀硅橡胶模，它具有比一般硅橡胶更高的稳定性，能够被重复使用并保持尺寸稳定，对于各种环氧树脂和各种稀释剂和固化剂的耐受度很高，热膨胀系数也比较高，更具备较好的弹性模量和高撕裂强度。
例如，美国生产的热膨胀硅橡胶撕裂强度可达到14KN/m，剥离强度可保持在0.218KN/m，撕裂强度远大于剥离强度，这就意味着脱模容易，却不容易损伤模具。
该材料主要用于聚合物基复合材料的固化成型工艺，目前美国、法国等国家的企业有专门的热膨胀硅橡胶制造厂家，制造出来的热膨胀硅橡胶在这些方面的性能极高，在复合材料成型工艺中的作用十分突出。
二、硅橡胶在聚合物基复合材料成型过程中的具体应用
（一）热膨胀硅橡胶在模塑工作中的作用
早在二十世纪七十年代中期，热膨胀模塑法就被创造发明出来。这种复合材料固化成型的技术，是以热膨胀硅胶作为芯模，将复合材料放置在它和刚性阴模之间，当热膨胀硅胶受热膨胀时对复合材料产生巨大压力使其完成固化并成型。
具体说来，热膨胀硅胶充当的一般都是成型对模中的凸模的角色。在对复合材料进行成功加工时，工作人员要执行的步骤是：
1、可以先将复合材料预浸料铺贴在热膨胀硅胶像凸模表面，也可以在预成型胎膜上铺贴复合材料预浸料，然后把热膨胀硅橡胶凸模、胚料以及阴模组合在一起。
2、将组合好的模具放在外加热装置上进行加热，通过检测仪器对其过程进行检测，预防错误操作的发生。在这个过程中，硅橡胶软膜经过受热开始膨胀，对复合材料进行施压，促进符合材料的固化成型。
热膨胀塑模法可以尽可能地降低复合材料制作工作的成本，而且进一步促进复合材料的一次性固化成型，这使得国内外企业都非常重视对热膨胀模塑法的研究和应用。使用该技术制作而成的复合材料目前被广泛地应用在航天航空制造领域，国外因为有专门的热膨胀硅胶橡制造厂家，所以在方面的技术处于遥遥领先的地位。我国对该技术也一直积极研究，已经取得了一定的成绩，例如采用热膨胀模塑法生产出碳环氧复合材料薄壁管、双向加筋结构复合材料板、碳纤维复合材料副面背架等。
（二）热膨胀硅胶在软膜辅助RTM技术中的应用
传统的RTM工艺因为采用的是刚性模具所以很难让复合材料一次性成型，而且RTM工艺制品存在纤维含量低、成性压力低等缺陷，使得这种复合材料成型工艺不能满足我国航天航空制造业和其他高科技产业的需要。为了改善这一技术的缺陷，我国科研人员经过研究创造出了软膜辅助RTM工艺技术，这种技术与传统的RTM技术的不同之处在于，在增强复合材料与刚性芯模之间的区域铺设了一层热膨胀硅橡胶材料。热膨胀硅橡胶软膜以金属芯模为支撑，根据制备设备的内表面形状进行铺设，把内置加热装置安插在金属芯模内部，在成型过程中通过与刚性阴模组合成为模具对复合材料进行加压固化。软膜经过受热对各种纤维复合材料提供热量和压力，促进其固化成型。与此同时，硅胶软膜在膨胀的过程中可以压缩剩下的胶液，让流动状态中的胶液通过挤压而排出复合材料中的挥发气体，从而提高复合材料的纤维含量。
使用该技术制造出来的复合材料制品所具备的拉伸强度、弯曲强度明显高于普通RTM工艺制造出来的复合材料，同比性能要高出40%以上。
（三）热膨胀硅橡胶在气囊辅助RTM技术中的应用
气囊辅助RTM技术同样是根据传统气囊辅助RTM技术改进而来，其技术核心是将安置在密封气囊上的预成型体放置在模腔内，以对气囊充气的方式来填充预成型体，使其能够妥帖地贴合在模腔内壁。气囊辅助RTM技术具有铺设方便、控制压力便利的特点，在预成型体的塑型方面的效果非常显著。这一技术得以实施的关键技术在于，应当采用硅橡胶作为气囊材料，依靠模腔的内部形状保障空心构件的外形，适用于制造一些大表面面积的、结构复杂的航天航空设备的构件。
从实质上说，该技术就是把刚性模具和硅橡胶气囊组合成为模具，以达到使内充物快速成型的目的。因为硅橡胶的塑性形高，这种技术也就可以用来制造那些形状复杂的构件，让硅橡胶气囊在充气的过程中紧密地与模腔的内壁贴合。其优点集中体现在避免了过去铺设干态织物的麻烦，工作人员只要将织物平铺在硅橡胶气囊的表面上即可，就能最大限度的解决塑造复杂构件外形的技术难题。
（四）热膨胀硅橡胶取代真空袋的应用
在复合材料成型技术中，用来制备真空袋的材料有尼龙薄膜、聚酰亚胺膜、聚酯薄膜、铝箔等，但随着硅橡胶热膨胀属性的开发，近些年来硅橡胶逐渐去取代真空袋被广泛应用。其具体的做法时，先在刚性阴模上铺设纤维，接着将热膨胀硅橡胶铺设在纤维上，使其四周密封完好后再注入树脂。这种技术的步骤与使用真空袋时相似，但却使用硅橡胶取代了真空袋的位置。真空袋热压罐成型工艺在过去也被经常使用，主要用来生产一部分航天设备中的主承力构件，但这种工艺造价高，对操作的要求也十分严格，不能适用于制造结构复杂的构件。而硅橡胶取代真空袋之后，这些问题都得到了解决，不但能够用以制造结构复杂的构件，也降低了操作难度和成本。
结束语
硅橡胶材料因为其独特的属性成为了一种目前被广泛应用在复合材料成型工艺中的材料。它不但解决了过去复合材料一次性成型难度大的问题，也使得制作尺寸较大的复合材料变为了可能，更能够增加复合材料制品的纤维含量，缩小空隙率，还能够降低复合材料的作成本。综合来看，硅橡胶都是一种非常具有经济效益和实用性强的材料，它的应用能够最大限度地促使聚合物基符合材料进入到人们的生活当中，且为高科技行业提供关键材料，推动聚合物基复合材料行业的健康发展。
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