树脂基复合材料成型工艺的发展
来源:用户上传
作者: 刘曜卿
[摘 要]近些年，我国复合材料工业发展迅猛，我国在传统复合材料成型工艺的基础上不断创新开拓，将越来越多的新成型方法应用在复合材料工业中。本文主要围绕近几年使用较多的RTM成型工艺的创新和发展进行了阐述，分析并探讨了RTM成型工艺发展的关键技术，并对树脂基复合材料成型工艺在未来的发展方向做出了进一步的展望。
[关键词]树脂复合材料 RTM成型工艺 发展
中图分类号：TV985 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0271-01
一、概述树脂基复合材料成型工艺
树脂复合材料工艺的技术核心是：在保障制品形状、尺寸、质量的前提下，使增强材料最大程度沿着预定方向铺设，并保证铺设的均匀程度不变，性能不会下降，达到让基体材料充分进行固化的目的。此外，通过排挤界面和增强材料间的挥发气体，让它们间结合的更紧密，保证制品具有较低的空隙率。
树脂基复合材料已经成为一种十分优良的结构材料与功能材料，因为其独特的优点和价值，为现代航空、航天业制造领域提供了关键材料，并被广泛地应用于汽车、船舶、建筑和体育用品等行业。经过几十年的科研人员的努力，树脂基复合材料成型方法多达几十种，其设备和工艺不断迎合市场发展的需求，单件平均成本逐渐降低。这些成型工艺各有优劣，适应范围也不尽相同，因此我们在研究时需要区别对待。
二、树脂基复合材料成型工艺的发展
（一）RTM成型工艺
RTM技术也就是树脂传递模塑技术，其历史悠久，自20世纪50年代开始被应用在飞机雷达罩成型过程以来，已经更广泛地被应用于生产各类纤维增强复合材料的过程中。具体说来，RTM是一项通过将树脂注入闭合模具，由此浸润增强材料使其进行固化的工艺技术。它适合生产多品种、高质量且中批量的先进复合材料制品，也是目前欧洲树脂基复合材料成型工艺的主要发展方向之一。
RTM成型工艺的主要优势有：
1、在不具备胶衣涂层的条件下，也能够让构件具有双面的光滑表面；2、制作出来的复杂构架能具备良好的表面品质和高精度结构；3、高成型率，能保障复合材料制品的产出率较高；4、将计算机作为模具和产品设计的工具引入进工作流程；5、采用此种技术能减少成型过程中的挥发性物质，利于工作人员的身心健康并保护环境。
但RTM成型工艺也存在一些缺陷，比如树脂对纤维的浸润效果不好，成品里的空隙率居高不下，纤维含量低，不适用于大型模具进行模塑（树脂的流动效果差），不适合生产大型复合材料等。
（二）真空辅助RTM（VARTM）成型工艺
针对RTM成型工艺的缺陷，近些年国内外进行了一系列的研究，让真空辅助RTM（VARTM）成型工艺得到了广泛应用。该工艺正是在RTM技术的基础上改进而来，通过在树脂注入过程中从闭合模具出口处抽取真空，增强模具充模的压力，不但能够排除纤维束中挥发的气体，还能够增强模具内腔中树脂的流动速度，从而加强树脂对纤维的浸润程度。不过真空辅助RTM对于模具密封性提出了更高的要求，上下模具间不可漏气，否则制作很容易失败。
该工艺与基础RTM工艺相比，具有这些优点：
单面模具即可完成整个工艺，促使模具制作更简便；抽取真空的步骤有利于提高制品的纤维含量，有利于增强树脂对纤维的浸润，并使得浸润更充分；真空还有利于充分排除纤维束中的空气，降低空隙率；适用于大尺寸复合材料的制作，改善了基础基础RTM工艺不能够让树脂在结构更大、更复杂的模具中顺畅流动的缺陷，能生产大型复合材料。
（三）轻型RTM成型工艺
轻型RTM成型工艺保留了基础RTM工艺的所有的优点，却又在其基础上拥有自己独特的优点，例如模具制作更简单、低廉，使用轻质半刚性模为上模即可让脱模工作更加简单便利；具有注射压力低的特点，通过在上模四周设置专门的流道，加速树脂的流动速度；不限制生产制品的尺寸大小，不管大小都能够适用。当然它也有缺点，那就是其模具的使用寿命较小，需要经常更换。
（四）热膨胀RTM成型工艺
热膨胀RTM成型工艺是通过改变压力源对于基础RTM工艺进行了改进，采用了对闭合刚性阴模中的芯模进行热膨胀的方式，达到对复合材料进行加压固化的目的。
传统的加压固化手段是通过外压源例如负压、热压罐、压力袋、模压等对复合材料进行加压，热膨胀工艺却反其道行之，利用线胀系数较大的芯模对复合材料进行加压固化。通过将复合材料放置在刚体材料（阴模）与合芯模之间，芯模材料在受热后热膨胀所产生的巨大压力，对复合材料试压，从而实现对复合材料进行加压固化的作用。
该方法的技术核心即是芯模热膨胀所产生的压力，在不使用外压源的情况下就能实现复合材料的固化过程。比较适应于架构比较复杂的制品，对于传统RTM成型工艺不能生产的复杂架构制品，具有不可替代的工艺优势。
三、复合材料成型工艺中各个步骤的发展趋势
（一）原材料与预浸料的优化
1、增强材料的丰富和发展。
碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、硼纤维、高密度聚乙烯纤维这些材料都被作为高性能增强材料应用在复合材料的生产过程中，增强了复合材料的各级性能。另外，增韧环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂逐渐取代环氧树脂被广泛使用，具有韧性强、耐温更高的优点。
2、预浸料的优化。
预浸料作为复合材料生产中的重要半成品，预浸料制备技术也越来越受到关注，这直接促进其制备设备有了极大发展。例如在预浸料制备工艺方面出现了溶液浸渍法、熔融浸渍工艺、粉末混合工艺、纤维混合法、薄膜叠层法H等创新型工艺技术，都最大程度地适应了复合材料成型工艺的发展和突破。
（二）固化过程和模具的优化
1、固化过程关系着复合材料制品是否能够具备较高的固化度和基体流动程度，以及气泡的形成。传统的热压罐固化技术存在周期长、误差大的缺陷，不但对操作者的要求高，也无法避免人为因素导致的误差。现代计算机技术的引入，让新型传感器被应用在固化过程中，又因为人工智能技术的开发，提高了热压罐技术的准确性。超声技术、电阻应变技术和介电技术的发展则为在线固化的检测提供了可能。
2、模具的发展
模具材料已经朝着材料更轻便、膨胀系数更精准的方向发展。模具结构相对于过去也更为科学合理，不但热容量小，也更方便于装卸。
（三）设备和生产线的优化
智能化技术的发展带来了一系列的节省成本和提高生产率的手段，这些技术包括有：建立数学模型和在线监控系统。一些大型设备例如碳纤维预浸料自动切割机、精密控制热压罐、自动铺放设备则促使生产步骤更高效，也保障了高速生产机体结构的发展。
结束语
现阶段我国的树脂基符合材料成型工艺仍然在不断发展，我们根据市场需求应当更准确地把握定位，继续创新开拓，从设备、工艺、技术人员、体制等各方面着手提高复合材料的生产水平，争取为航天科工领域提供更多性能卓越的复合材料，推动我国复合材料工业的发展。
参考资料
[1] 何亚飞，矫维成，杨帆等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料，2011，（2）
[2] 孙冠宏.碳纤维增强树脂基复合材料表面氧化铝层制备及性能研究[D].2013.
[3] 范德智.树脂基复合材料成型工艺可行性评价技术研究[D].2009.
[4] 田琳娜.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型工艺及力学性能研究[D].长春工业大学，2012.
[5] 叶长青，杨青芳.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].粘接，2009，05：66-70.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-7300792.htm
