复合材料边条RTM成型工艺研究

□宋喆慧

一、引言

树脂传递模塑法简称RTM法，是通过较低的成型压力将一定配比的树脂基体输送到预放了增强材料的闭合模中，在闭模中浸渍增强材料而获得复合材料制品的方法。RTM成型工艺与其它复合材料成型工艺相比，其生产效率较高、生产环境较好，并且生产的制品具有较好的外观[1]。

高性能复合材料在各种先进武器装备上扩大应用的主要障碍是成本太高，因而复合材料低成本技术是目前树脂基复合材料发展的主要方向之一。在航空航天领域，由于RTM制件的高减重和低成本优势，RTM工艺得到了广泛的应用。F-22是引领RTM工艺在主承力结构中应用的重要实例，在F-22原型机项目中，有325个零件用该法制造[2]；A330/340的扰流器、A380客舱后密封加筋球形隔墙等均采用RTM工艺，在重量下降10%～15%的情况下，价格仅与金属材料持平[3]。目前，导弹的鼻锥、整流罩等构件都有报道采用RTM工艺制造。

本文以复合材料边条进行工艺研究。该零件为细长结构,其截面为一双台阶结构(如图1所示)。这种长度方向上的严重不对称几何特点，在采用真空袋-热压罐法成型时，易于出现由于上下面成型收缩应力的不均衡导致垂直于厚度方向中面的严重变形，从而使制件出现面外的翘曲。而宽度方向的几何不对称，则同样由于收缩应力的不均衡易导致面内的弯曲变形，从而使其与其它零件装配时出现困难。因此，本文采用RTM工艺成型，以解决上述问题。

图1 复合材料边条结构

二、试验部分

(一)原材料。6421双马RTM树脂；G0827碳纤维机织物；碳纤维毡。

(二)工装方案。由于制件较长，成型温度较高，因此模具采用钛合金材料，减少模具收缩与制件不匹配造成制件损伤及变形的可能性。合模及锁模采用框架多点式螺旋压紧方式，直销对位。模具上设计吊装机构及开模顶出机构。设计移动小车保证系统成型过程在烘箱中方便进行。

模具密封系统采用双道单面矩形槽/橡胶圆条密封方式。橡胶圆条采用耐高温的硅橡胶条，确保模具密封性。

进胶口位置在制件薄端外侧，出胶口宽度方向布置在有耳片的厚边一侧，长度方向尽可能均布。分流道为矩形截面浅槽，宽度覆盖流道。

(三)固化工艺。树脂注射后,固化过程为台阶式固化：160℃/1h～180℃/2h～200℃/8h～10h。

三、结果与讨论

(一)6421树脂RTM成型工艺性。通过试验，6421双马RTM树脂有很好的成形工艺性。在90℃～130℃之间有大于5h的低粘度(粘度≤400cps)时间,对于RTM注射工艺有较长的成型保证期，适合于较大型尺寸制件的制备。

(二)边条铺设。边条承力较小，铺层方式是外层连续G0827碳纤维单向机织物包裹内层碳纤维毡的组合结构。根据边条截面形状尺寸，确定其不同截面处的铺层厚度及铺层长度方向位置，其中芯材铺层以边条长度方向为0°方向。

(三)预定型方案。增强材料预定型是为了保证合模过程的顺利进行。根据复合材料边条结构：蒙皮材料整体包裹芯材，且蒙皮结构形式含有小尺寸台阶，不易铺贴，因此采用芯材阴模分片定型，蒙皮阳模整体定型的方案。分片定型的芯材组合在一起，经过修剪后与蒙皮二次组合成整体结构装模合模。

定型工艺为：保持真空压差大于0.085MPa，在烘箱中升温预定型，室温以0.2℃～3℃/min的升温速率升温至120℃±3℃，保温110～130min后，停止烘箱加热并降温，保持真空至60℃以下。拆去真空，脱模。

(四)树脂注射。树脂在注射前应先进行真空脱泡处理，注射过程中模具和注胶设备应进行加热处理，结合边条结构特点，树脂注射时采用多级台阶式压力注射，压力范围为0.05～0.35MPa，注胶时间不多于8h，观察模具出胶口树脂流动状态，当所有的出胶口均有树脂流出，且树脂中不含有气泡时，注胶过程结束。

四、检验

(一)G0827/6421复合材料性能。G0827/6421复合材料有较好的综合力学性能。耐湿热性能超过了150℃，能满足边条的使用要求。

(二)制件尺寸和直线度测定。对成型后零件进行尺寸和直线度测定，检测结果合格。

(三)外观检查。成型后的零件表面光滑、平整。

五、结语

第一，采用RTM工艺制造的复合材料边条，具有较好的综合力学性能；第二，工装方案合理，能满足树脂注射和密封性的要求；第三，预制体预定型后，使碳纤维机织物和碳纤维毡成为一整体，提高了对预制体切割、剪裁的稳定性；第四，通过采用RTM成型工艺，减小了边条面内变形的幅度，直线度偏差控制在±2.0mm以内，满足后续工序的要求。