关于树脂基复合材料成型工艺的研究

郑建华

（安徽工程大学 机电学院，芜湖 241000）

关于树脂基复合材料成型工艺的研究

郑建华

（安徽工程大学 机电学院，芜湖 241000）

本文分析现阶段几种树脂基复合材料成型工艺，并对树脂基复合材料成型工艺的发展方向展开探索。

树脂基复合材料 成型 工艺

引言

树脂基复合材料即以有机聚合物为基体的纤维增强材料，其纤维增强体通常选择玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等，现阶段在航空、汽车、海洋工业中得到较广泛的应用。树脂基复合材料成型工艺直接关系产品在全生命周期内的实际价值，所以对其展开研究现实意义显著。

1 现阶段常见树脂基复合材料成型工艺

1.1 普通树脂传递模塑成型工艺

此工艺又被称为RTM，是通过向闭合模具中注进树脂，实现增强材料浸润固化的工艺方法。该工艺是现阶段较常见的复合材料成型工艺，在应用过程中具有直接保证构件双表面光滑、保证复杂构件的品质和精度、成型效率较理想、有利于环境保护等优势，但也存在制品孔隙率较高、纤维含量较低、模具腔内流动不平衡、模具成本较高、脱模困难等问题[1]。

1.2 真空辅助RTM成型工艺

此工艺强调在注入树脂的同时将模具内的真空从闭合模具的出口抽出，以此提升模具充模压力，使注入树脂在真空压力作用下的流动速度和平衡性得到改善，对完全浸润纤维具有较好效果，但此工艺应用过程中要保证模具的封闭性[2]。可见，此工艺具有模具制作简单、提升制品纤维含量、保证纤维浸渍和浸润、缩减制品孔隙率、可制作大尺寸复合材料等优势，但需要注意在加筋异性构件等真空压力相对较小的构件成型过程中，纤维浸渍的速度、周期、表面光滑度等方面无法得以全面保证。

1.3 压缩RTM成型工艺

当复合材料中含有的纤维体积含量较大时，注射树脂所需要的压力将增大。此时，应用压缩RTM成型工艺使模具在树脂注射过程中并不直接闭合到最终位置，以保证模腔尺寸加大，提升预成型体的渗透率。在树脂充满模具并较理想的浸润纤维停止注射后，通过对模具加压使其二次闭合到最终位置。实际应用中，此方法树脂体积难以控制，造成树脂浪费的可能性较大。

1.4 轻型RTM成型工艺

此工艺建立在真空辅助RTM成型工艺的基础上，利用注射剂计量泵将带压液体按照设定的比例注入静态混合器中。在混合均匀的情况下，利用真空辅助使其向纤维增强体闭合模具中注入，以此保证模腔内树脂的柳丁和固化[3]。可见，此工艺建立在上下模具闭合真空和辅助真空两级真空的基础上，不仅具有普通树脂传递模塑成型工艺的优势，而且在模具制造、脱模合模等方面具有优势，同时对注射压力需求较低、树脂流动效果较好、对构件的尺寸要求较低。然而，由于其材质通常选用轻质半刚性模，所以使用寿命相对较短。

1.5 其他树脂基复合材料成型工艺

除上述成形工艺外，还有树脂膜渗透成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺、西曼树脂浸渍膜塑成型工艺、结构反应注射模塑成型工艺、热膨胀RTM成型工艺等较为常见，且各自都有优缺点。例如，树脂膜渗透成型工艺在树脂基体存储、运输，制作的经济效率，模具的加工设计费用、设备成本、构件纤维含量等方面具有明显优势；真空辅助树脂注射成型工艺具有构件纤维体积含量较高、产品双面光滑、环境友好等优势，但废品率、模具成本等方面存在不足；西曼树脂浸渍膜塑成型工艺在制造厚壁的大型平面、曲面的层合结构和加筋异型构件中具有突出优势；结构反应注射模塑成型工艺在充模时间、冲没效果、树脂注射、成型周期等方面具有较显著优势；而热膨胀RTM成型工艺依靠芯模热膨胀产生的压力提升树脂流速和平衡性，在复杂结构构件整体巩固化中效果显著，可有效克服模具内压力传递不均的难题。

2 树脂基复合材料成型工艺的应用

通过上文对不同树脂基复合材料成型工艺优缺点的介绍可以发现，树脂基复合材料成型工艺得到了较理想的发展，且有效推动了高性能复合材料的发展。但是，每种成型工艺都有其优缺点，所以对树脂基复合材料成型新工艺的探究仍需继续。现阶段，树脂基复合材料成型工艺的应用主要体现在两方面：一是RTM成型工艺；二是辐射固化技术。

2.1 RTM成型工艺的应用

除在工艺技术方面具有一定优势外，RTM成型工艺还具有可选树脂种类丰富，如环氧树脂、丁基丙烯酸树脂等；可选增强材料丰富，如预型纤维坯、塑料泡沫芯等；工艺灵活、制品结构可设计、成品制作机械化程度高、尺寸精度高、孔隙率低、制作成本适中等优点。所以，RTM成型工艺的应用非常普遍。例如，英国Vosper Thomycraft公司采用西曼树脂浸渍膜塑成型工艺，制造了扫雷艇的低磁性复合材料壳体和其他关键结构构件。通过在模具型表面铺放增强材料预型纤维坯，使型腔边缘的密实性得到保证。在此前提下，树脂在已经设计好的树脂分配系统中，在真空压力的作用下有效注入模腔内，通过高渗透和沟槽引流，使树脂胶液在长度方向上有效填充的基础上在厚度方向逐渐浸润，浸渍效果得到保证。实践证明，加工的构件在一致性和重复性方面均较理想。某Douglas飞机的机翼和机身蒙皮，在利用RTM成型工艺进行缝合纤维增强复合材料成型后，相关部件的成型成本大幅度降低，冲击强度也得到了显著提升。除此之外，Hercules公司制造的Pegasus三级触发器、导弹壳体、机翼等构件也应用了RTM成型工艺，效果显著。

2.2 对辐射固化技术与RTM成型工艺联合的应用

现阶段已经发现的辐射源种类较多，如β线、中子射线等。电子束固化和紫外线固化是目前主要采用的辐射固化方式。随着辐射固化器种类的不断增多和性能的不断优化，辐射固化技术越来越受到重视。但需要注意的是，辐射固化技术并不可直接应用树脂基复合材料成型工艺，而是树脂基复合材料成型工艺应用过程中的辅助技术。现阶段辐射固化器已经呈现出多样化的发展趋势，如绝缘磁芯变压器、回旋加速器等，而将辐射固化技术与RTM成型工艺联合的应用的实践也较多，如美国某飞机在机身成型过程中将其结合应用，模具费用相比传统热固化工艺缩减近100个百分点；美国海军某10吨级船艇应用此结合技术制作船舱，船舱的密实度提升近1.36倍；法国宇航公司应用此结合技术对直径和长度分别为4米和10米的构件进行固化，固化周期缩短为原周期的1/10。大量时间证明，辐射固化技术在应用过程中对环境的依赖性较低，且制作的成品尺寸精确度较高，成型固化的周期相对较短，同时固化过程中对化学制剂的依赖性较低，环境友好，既可以连续固化也可以选择性固化，对大尺寸构件固化也可应用。可见，虽然我国树脂基复合材料成型工艺得到了较快发展，但仍需要积极借鉴西方发达国家的相关成功经验，以期取得更大进步。

3 结论

通过上述分析可以发现，现阶段树脂基复合材料成型工艺已经呈现出多样化的发展趋势。人们已经认识到树脂基复合材料成型工艺对产品质量、性能等方面的影响，并通过树脂基复合材料成型工艺的不断优化探索，使其成型工艺越来越能够满足实际需求。

[1]何亚飞，矫维成，杨帆，刘文博，王荣国.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料，2011，（2）：7-13.

[2]叶长青，杨青芳.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].粘接，2009，（5）：66-70.

[3]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：长春工业大学，2012.

Study on the Forming Process of Resin Matrix Composites

ZHENG Jianhua
(Anhui College of mechanical and electrical engineering college, Wuhu 241000)

Based on the analysis of present several resin matrix composites forming process, and the development direction of the forming process of resin matrix composites was studied.

resin composite materials, molding process