典型先进树脂基复合材料成型工艺的发展综述

景婷婷

（太原理工大学材料学院，山西太原030024）

典型先进树脂基复合材料成型工艺的发展综述

景婷婷

（太原理工大学材料学院，山西太原030024）

选取典型先进树脂基复合材料成型工艺，如热压罐成型工艺和RTM成型工艺，简要概述其发展和国内应用的新动态。

先进树脂基复合材料；热压罐成型工艺；RTM成型工艺；航天航空

引言

先进树脂基复合材料（Advanced PolymerMatrix Composites）是基于树脂和碳纤维等高性能连续纤维，采用复合工艺制备而成的复合材料[1]。这一复合材料明显优于原组分性能，具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型等特点，已经成为航空航天领域的重要材料[2]。包括目前广泛应用的高性能连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺基复合材料。此外，海航和汽车工业亦有广泛应用。传统材料在性能、设计、制造方面都远远无法和先进树脂基复合材料相提并论，主要体现在先进树脂基复合材料的复合效应、性能的可设计性、多功能兼容性和材料与构件制造的同步性。

复合效应：本质上是原组分材料功能的线性或者非线性综合，存在增强效果和抵消效果，前者是人们期望，后者是不可避免的。主要表现为混合效应和协同效应，前者取原组分材料的长处，后者是多种性能综合效应，各有所长。这种复合效应主要是使复合材料产生优于各组分材料的新的、独特的性能。

性能的可设计性：复合材料的一个重要特点就是功能设计的灵活性。通过组合原组材料、改变其结构和成型工艺可改变复合材料的性能，可控的性能设计，活化了复合材料的功能转变，也极大提高了生产效益。

多功能兼容性：性能的可设计性和材料的复合效应决定了复合材料的功能可以通过一定技术进行增减，均衡多种要求的同时，也提高了材料的利用率。

材料与构件制造的同步性：复合材料构件成型与材料制造同步完成。因此，成型工艺是复合材料成品质量的重要保障，是复合材料工业发展的基础和条件。

传统工艺的完善，新工艺的涌现，必然带来复合材料工业的飞速发展。本文选取典型先进树脂基复合材料成型工艺，热压罐成型工艺和RTM成型工艺，简要概述其国内应用的发展与新动态。

1 热压罐成型工艺

热压罐成型工艺主要应用于聚合物基复合材料构件成型[3]，主要的四个流程为：预浸料制备、裁剪、铺贴和固化。这种工艺往往纤维体积含量高，罐内压力和温度均匀，质量稳定性好，成型模具简单，适用范围广。这种工艺也必然消耗大量能源，导致生产设备投资和成本高于其他工艺，生产效益低，往往附带较为严重的环境污染。

20世纪中叶至今，国内热压罐成型工艺已经日趋成熟，目前开发的多个技术已经有较为成熟的应用，如热熔法预浸料制备技术。溶液法预浸料制备技术在我国早期工艺中普遍开展，但是在这种工艺的应用中，大量使用了有机溶剂，造成严重环境污染，而且这种工艺无法连续生产，最终成品质量不具有很好的一致性，生产效益低下。上世纪末期，为了解决这种工艺的短板，热熔法预浸料制备技术的出现，改变了传统工艺的不连续性，减少环境污染，提供了生产效率，成品一致性很好，实现了热熔预浸料的连续批量制造。热熔预浸料生产效率高，制备过程污染小，预浸料质量一致性好。此外，预浸料铺贴和裁剪技术和数字化高度融合，使高韧性复合材料技术和复合材料结构整体化技术等方面也都有成熟的应用。

近年来，随着数字化技术的融合，依靠手工的铺贴、裁剪逐步转向与预浸料自动下料、激光辅助定位铺层等数字化技术相结合。这种转变极大地改善了热压成罐工艺的整体制作流程，注重是工艺水平和预浸料铺贴、裁剪的精度得到明显提高。自然地，复合材料的生产效率和构件品质也得到了逐步提高。融合数字化技术的热压罐成型工艺暗示了其未来发展的步调将是融合智能化技术。

接下来，对同步制造的热压罐成型工艺构件进行概述。早期的工艺是简单形状的零件先成型，接着利用机械连接构成复合材料部件。很显然，这种多重连接，不仅影响符合材料的性能，对生产效率的提高不利。30多年的热压罐成型工艺发展，已经在先进复合材料结构、蜂窝夹芯结构及复合材料胶接结构的成型中得以广泛应用，更是得到航空航天领域的主承力和次承力结构件成型的青睐。

2 RTM成型工艺

树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）成型工艺属于模压成型工艺[4]，最初的设计源于上世纪中叶，为了适应飞机雷达罩成型，出现在英国和美国等地区。这种成型工艺是在外力条件下，将树脂注入闭合磨具中，浸润纤维增强材料，之后通过加热完成固化，最后产出复合材料构件。RTM成型工艺较其他成型工艺不同，其构件具备双面光滑，可成型复杂的、高精度的构件，效率高，流程数字化，环境污染极少。而缺点同样明显，密闭的磨具不易脱模，亦不易控制，且成本高。因此，低黏度、可长期使用、力学性能优异的树脂体系是RTM成型工艺的关键。

值得重视的问题还有树脂流动过程的模拟。通过模拟RTM成型工艺过程，数字化和可视化技术的融合，可以观察虚拟的树脂流动、填充和浸润状态，量化模拟过程的数据，进而不断调整工艺流程和设计材料。这种模拟大大减少工艺研发周期，有效提高成功率，也降低生产成本。目前，我国自主研发的RTM工艺3D构件模拟已经得到逐步应用。

3 结语

复合材料的使用已经是一个国家航空航天事业水平的体现。新时期挑战，要求我国航天航空事业必须装备有更多高科技水平的先进树脂基复合材料，同时将这种技术水平不断发展，争取站在国际同领域的前沿。本文从热压罐成型工艺和RTM成型工艺发展和新动态分析中，发现自动化和数字化的融合，将是复合材料构件制造的方向。这种智能化的发展，也是这个领域前进的必然趋势。

[1]Mair,R.I.Advanced composite structures research in Australia[J]. Composite Structures,2002,57(1-4):3-10.

[2]陈绍杰.复合材料技术与大飞机[J].航空学报,2008,29(3):605-610.

[3]李树健,湛利华,彭文飞,等.先进复合材料构件热压罐成型工艺研究进展[J].稀有金属材料与工程,2015(11):2 927-2 931.

[4]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):7-13.

（编辑：王璐）

Development of Molding Process of Typical Advanced Resin Matrix Com posites

Jing Tingting
(School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi030024)

In this paper,typical advanced resin-based compositesmolding process,such as hot-pressmolding and RTMmolding,are selected and the new developments in domestic and abroad are summarized.

advanced resin-based composites;thermoforming process;RTMmolding;aerospace

TQ327

A

2095-0748(2016)20-0069-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.20.30

2016-10-05

景婷婷（1987—），女，山西太原人，在读硕士，研究方向：国际经济与贸易。