典型先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展綜述

景婷婷

（太原理工大學(xué)材料學(xué)院，山西太原030024）

典型先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展綜述

景婷婷

（太原理工大學(xué)材料學(xué)院，山西太原030024）

選取典型先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝，如熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝，簡要概述其發(fā)展和國內(nèi)應(yīng)用的新動(dòng)態(tài)。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料；熱壓罐成型工藝；RTM成型工藝；航天航空

引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料（Advanced PolymerMatrix Composites）是基于樹脂和碳纖維等高性能連續(xù)纖維，采用復(fù)合工藝制備而成的復(fù)合材料[1]。這一復(fù)合材料明顯優(yōu)于原組分性能，具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型等特點(diǎn)，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要材料[2]。包括目前廣泛應(yīng)用的高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺基復(fù)合材料。此外，海航和汽車工業(yè)亦有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)材料在性能、設(shè)計(jì)、制造方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料相提并論，主要體現(xiàn)在先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)、性能的可設(shè)計(jì)性、多功能兼容性和材料與構(gòu)件制造的同步性。

復(fù)合效應(yīng)：本質(zhì)上是原組分材料功能的線性或者非線性綜合，存在增強(qiáng)效果和抵消效果，前者是人們期望，后者是不可避免的。主要表現(xiàn)為混合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)，前者取原組分材料的長處，后者是多種性能綜合效應(yīng)，各有所長。這種復(fù)合效應(yīng)主要是使復(fù)合材料產(chǎn)生優(yōu)于各組分材料的新的、獨(dú)特的性能。

性能的可設(shè)計(jì)性：復(fù)合材料的一個(gè)重要特點(diǎn)就是功能設(shè)計(jì)的靈活性。通過組合原組材料、改變其結(jié)構(gòu)和成型工藝可改變復(fù)合材料的性能，可控的性能設(shè)計(jì)，活化了復(fù)合材料的功能轉(zhuǎn)變，也極大提高了生產(chǎn)效益。

多功能兼容性：性能的可設(shè)計(jì)性和材料的復(fù)合效應(yīng)決定了復(fù)合材料的功能可以通過一定技術(shù)進(jìn)行增減，均衡多種要求的同時(shí)，也提高了材料的利用率。

材料與構(gòu)件制造的同步性：復(fù)合材料構(gòu)件成型與材料制造同步完成。因此，成型工藝是復(fù)合材料成品質(zhì)量的重要保障，是復(fù)合材料工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和條件。

傳統(tǒng)工藝的完善，新工藝的涌現(xiàn)，必然帶來復(fù)合材料工業(yè)的飛速發(fā)展。本文選取典型先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝，熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝，簡要概述其國內(nèi)應(yīng)用的發(fā)展與新動(dòng)態(tài)。

1 熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型工藝主要應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料構(gòu)件成型[3]，主要的四個(gè)流程為：預(yù)浸料制備、裁剪、鋪貼和固化。這種工藝往往纖維體積含量高，罐內(nèi)壓力和溫度均勻，質(zhì)量穩(wěn)定性好，成型模具簡單，適用范圍廣。這種工藝也必然消耗大量能源，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備投資和成本高于其他工藝，生產(chǎn)效益低，往往附帶較為嚴(yán)重的環(huán)境污染。

20世紀(jì)中葉至今，國內(nèi)熱壓罐成型工藝已經(jīng)日趨成熟，目前開發(fā)的多個(gè)技術(shù)已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用，如熱熔法預(yù)浸料制備技術(shù)。溶液法預(yù)浸料制備技術(shù)在我國早期工藝中普遍開展，但是在這種工藝的應(yīng)用中，大量使用了有機(jī)溶劑，造成嚴(yán)重環(huán)境污染，而且這種工藝無法連續(xù)生產(chǎn)，最終成品質(zhì)量不具有很好的一致性，生產(chǎn)效益低下。上世紀(jì)末期，為了解決這種工藝的短板，熱熔法預(yù)浸料制備技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)工藝的不連續(xù)性，減少環(huán)境污染，提供了生產(chǎn)效率，成品一致性很好，實(shí)現(xiàn)了熱熔預(yù)浸料的連續(xù)批量制造。熱熔預(yù)浸料生產(chǎn)效率高，制備過程污染小，預(yù)浸料質(zhì)量一致性好。此外，預(yù)浸料鋪貼和裁剪技術(shù)和數(shù)字化高度融合，使高韌性復(fù)合材料技術(shù)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化技術(shù)等方面也都有成熟的應(yīng)用。

近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的融合，依靠手工的鋪貼、裁剪逐步轉(zhuǎn)向與預(yù)浸料自動(dòng)下料、激光輔助定位鋪層等數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合。這種轉(zhuǎn)變極大地改善了熱壓成罐工藝的整體制作流程，注重是工藝水平和預(yù)浸料鋪貼、裁剪的精度得到明顯提高。自然地，復(fù)合材料的生產(chǎn)效率和構(gòu)件品質(zhì)也得到了逐步提高。融合數(shù)字化技術(shù)的熱壓罐成型工藝暗示了其未來發(fā)展的步調(diào)將是融合智能化技術(shù)。

接下來，對同步制造的熱壓罐成型工藝構(gòu)件進(jìn)行概述。早期的工藝是簡單形狀的零件先成型，接著利用機(jī)械連接構(gòu)成復(fù)合材料部件。很顯然，這種多重連接，不僅影響符合材料的性能，對生產(chǎn)效率的提高不利。30多年的熱壓罐成型工藝發(fā)展，已經(jīng)在先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的成型中得以廣泛應(yīng)用，更是得到航空航天領(lǐng)域的主承力和次承力結(jié)構(gòu)件成型的青睞。

2 RTM成型工藝

樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding，RTM）成型工藝屬于模壓成型工藝[4]，最初的設(shè)計(jì)源于上世紀(jì)中葉，為了適應(yīng)飛機(jī)雷達(dá)罩成型，出現(xiàn)在英國和美國等地區(qū)。這種成型工藝是在外力條件下，將樹脂注入閉合磨具中，浸潤纖維增強(qiáng)材料，之后通過加熱完成固化，最后產(chǎn)出復(fù)合材料構(gòu)件。RTM成型工藝較其他成型工藝不同，其構(gòu)件具備雙面光滑，可成型復(fù)雜的、高精度的構(gòu)件，效率高，流程數(shù)字化，環(huán)境污染極少。而缺點(diǎn)同樣明顯，密閉的磨具不易脫模，亦不易控制，且成本高。因此，低黏度、可長期使用、力學(xué)性能優(yōu)異的樹脂體系是RTM成型工藝的關(guān)鍵。

值得重視的問題還有樹脂流動(dòng)過程的模擬。通過模擬RTM成型工藝過程，數(shù)字化和可視化技術(shù)的融合，可以觀察虛擬的樹脂流動(dòng)、填充和浸潤狀態(tài)，量化模擬過程的數(shù)據(jù)，進(jìn)而不斷調(diào)整工藝流程和設(shè)計(jì)材料。這種模擬大大減少工藝研發(fā)周期，有效提高成功率，也降低生產(chǎn)成本。目前，我國自主研發(fā)的RTM工藝3D構(gòu)件模擬已經(jīng)得到逐步應(yīng)用。

3 結(jié)語

復(fù)合材料的使用已經(jīng)是一個(gè)國家航空航天事業(yè)水平的體現(xiàn)。新時(shí)期挑戰(zhàn)，要求我國航天航空事業(yè)必須裝備有更多高科技水平的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，同時(shí)將這種技術(shù)水平不斷發(fā)展，爭取站在國際同領(lǐng)域的前沿。本文從熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝發(fā)展和新動(dòng)態(tài)分析中，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化的融合，將是復(fù)合材料構(gòu)件制造的方向。這種智能化的發(fā)展，也是這個(gè)領(lǐng)域前進(jìn)的必然趨勢。

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

[2]陳紹杰.復(fù)合材料技術(shù)與大飛機(jī)[J].航空學(xué)報(bào),2008,29(3):605-610.

[3]李樹健,湛利華,彭文飛,等.先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工藝研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程,2015(11):2 927-2 931.

[4]何亞飛,矯維成,楊帆,等.樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展[J].纖維復(fù)合材料,2011(2):7-13.

（編輯：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，在讀碩士，研究方向：國際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易。