樹脂基復(fù)合材料成型工藝分析

孫東巖

摘要：樹脂基復(fù)合材料發(fā)展已有幾十年的歷史，最早用于軍用雷達(dá)罩和遠(yuǎn)航飛機(jī)油箱中，這為其在工業(yè)中的應(yīng)用開辟了道路。目前樹脂基復(fù)合材料成型工藝的不斷發(fā)展，促使樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍不斷拓展，而且其成型工藝水平也有了較大的進(jìn)步。文中針對樹脂基復(fù)合材料成型工藝和內(nèi)襯工藝進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：樹脂基復(fù)合材料；成型工藝；內(nèi)襯成型工藝；應(yīng)用

復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也是衡量一個國家科技和經(jīng)濟(jì)實力的重要標(biāo)志。先進(jìn)復(fù)合材料不僅強(qiáng)度高，而且耐熱性能和抗疲勞性能優(yōu)良，在航空航天、交通運輸、機(jī)械化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。并且隨著技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，材料性能不斷改進(jìn)和完善。

1樹脂基復(fù)合材料成型工藝

1.1手糊成型工藝

1.2這是樹脂基復(fù)合材料工業(yè)中使用最早的一種工藝，操作較為簡單，投入小，需要操作人員具有較好的熟練度，制品質(zhì)量欠缺穩(wěn)定性。在新的工藝方法不斷涌現(xiàn)出來后，手糊成型工藝應(yīng)用比例不斷下降，但其在生產(chǎn)大型制品方面，手糊成型工藝還占據(jù)重要地位。在當(dāng)前建筑雕塑領(lǐng)域、交通設(shè)施領(lǐng)域、環(huán)境與能源領(lǐng)域和體育游樂設(shè)備領(lǐng)域等都有著廣泛的應(yīng)用，如發(fā)動機(jī)罩、汽車殼體、采光頂、風(fēng)力發(fā)電機(jī)用機(jī)艙罩、水滑梯等。

1.2 噴射成型工藝

主要是采用噴射設(shè)備使樹脂霧化后落在模具上面，進(jìn)行壓實和固化，從而形成制品，所形成制品樹脂含量較高，但強(qiáng)度較低，采用陽塑成型更為便利，在大型制品上應(yīng)用更為適宜。當(dāng)前在一些大型產(chǎn)品的制作和建筑物補強(qiáng)方面噴射成型工藝應(yīng)用較為廣泛。

1.3 模壓成型工藝

將模壓料放入到金屬對模中，在一定溫度和壓力作用下固化成型。模壓成型工藝屬于高壓成型，需要壓力機(jī)及高強(qiáng)度、高精度和耐高溫的金屬模具。所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有較好的穩(wěn)定性，尺寸具有較高的精度，但這種工藝投資較大，因此在生產(chǎn)大指的中小型復(fù)合材料制品過程中具有較好的適用性。

1.4 RTM成型工藝

通過將增強(qiáng)材料預(yù)成型體預(yù)先鋪放在模腔內(nèi)，在壓力和真空作用下將樹脂注入到閉合模腔中，浸潤纖維，固化后脫模。在具體應(yīng)用過程中成型壓力低，模具選材制作較為靈活，樹脂注入選擇性較大，纖維預(yù)成型可以采用多種形式。作為閉模成型，因此制品表面質(zhì)量較好，可用于制作高尺寸精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，具有較高的生產(chǎn)效率。而且隨著RTM成型工藝應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，基于傳統(tǒng)RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展出一系列的衍生工藝。如在真空輔助RTM基礎(chǔ)上發(fā)展而來的輕質(zhì)RTM工藝，在制作大面積薄壁產(chǎn)品中具有較好的適用性。模具下模為剛性模具，上模采用輕質(zhì)半剛性模具，利用雙層密封結(jié)構(gòu)，外圈利用真空來對模具進(jìn)行鎖緊，內(nèi)圈利用真空導(dǎo)入樹脂，這樣所制出來的產(chǎn)品表面性能和尺寸精度都能夠達(dá)到較好的水平。VARIM成型工藝也是基于RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種工藝方法，在該工藝中只需要一半模具，另一半則采用密封處理的彈性真空袋，通過在真空狀態(tài)下來排出增強(qiáng)纖維中的氣體，在樹脂流動下實現(xiàn)樹脂的浸漬，相較于傳統(tǒng)工藝，這種成型工藝對制品尺寸結(jié)構(gòu)限制較少，在一些大厚度大尺寸結(jié)構(gòu)制品制備中具有較好的適用性。RFI工藝也是采用單模和真空袋來成型制品，不同的是模具上鋪放預(yù)制好的樹脂膜，再鋪放纖維預(yù)成型體，真空袋封閉模具后將模具置于烘箱或熱壓下加熱并抽真空，樹脂膜熔融后對纖維預(yù)成型體浸漬，繼續(xù)升溫加熱使樹脂固化。

1.5 注射成型工藝

注射成型工藝是將粉末狀或粒狀的纖維與樹脂的混合物送入注射機(jī)內(nèi)，經(jīng)加熱熔化后由螺桿或柱塞加壓通過噴嘴注入導(dǎo)閉合的模具中，冷卻定型后脫出模具。注射成型工藝能夠保證制品精度，較適合大量生產(chǎn)中小型的制品。

1.6 纖維纏繞成型工藝

是在纏繞機(jī)控制張力和預(yù)定線型的條件下，將連續(xù)的纖維粗紗或布帶浸漬樹脂，連續(xù)纏繞在相應(yīng)的制品芯模上，然后在室溫或加熱條件下固化成型。

纏繞成型由于能夠充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，因此比強(qiáng)度和比剛度較高；易于實現(xiàn)產(chǎn)品的等強(qiáng)度設(shè)計，適于耐腐管道、儲罐和高壓管道及容器的制造。但是纏繞工藝具有局限性，由于纏繞過程中易于形成氣泡，制品孔隙過多，從而降低層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和抗失穩(wěn)能力。同時，纏繞工藝對制品的形狀有局限性，不適于制造帶凹曲線表面的制品，且目前只能制造回轉(zhuǎn)體制品。

1.7拉擠成型工藝

這是一種生產(chǎn)線型型材的成型方法，是在牽引裝置帶動下將無捻玻璃纖維粗紗和其他連續(xù)增強(qiáng)材料進(jìn)行膠液浸漬、預(yù)成型，然后通過加熱的成型模具固化成型，實現(xiàn)制品的連續(xù)生產(chǎn)。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：電子電氣領(lǐng)域如電線桿、絕緣板、熔絲管、匯流線管、電纜橋架等；石油化工領(lǐng)域如管網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)、格柵地板、抽油桿、樓梯、海上平臺等；建筑機(jī)械制造領(lǐng)域如結(jié)構(gòu)型材、行李架、頂梁、支柱、框架等；軍用品領(lǐng)域如坦克、裝甲車上的復(fù)合裝甲、導(dǎo)彈火箭彈外殼等。

2樹脂基復(fù)合材料內(nèi)襯成型工藝

2.1金屬內(nèi)襯成型工藝

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用金屬內(nèi)襯成型工藝時，其強(qiáng)度和剛度都能夠達(dá)到較高水平，而且具有抗疲勞、抗震、耐腐蝕和密封性好等諸多優(yōu)勢，一般經(jīng)過纏繞、固化和超壓等工藝階段結(jié)構(gòu)成型，其所設(shè)計的金屬內(nèi)襯的壓力容器取得了良好的工程效益。在金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器設(shè)計過程中，金屬內(nèi)襯作為主要承載結(jié)構(gòu)，其厚度要占整體厚度的1/2左右。部分薄壁金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纖維纏繞壓力容器在進(jìn)行金屬內(nèi)襯設(shè)計時，需要滿足加工方便、裝載高壓氣體或是液體時不出現(xiàn)泄漏的要求，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)襯載荷較小，因此內(nèi)襯厚度較薄，可以選擇強(qiáng)度低但塑性好的材料作為內(nèi)襯材料。

2.2橡膠內(nèi)襯

橡膠內(nèi)襯具有較好的氣密性、高彈性、耐疲勞及制造工藝簡單等優(yōu)點，在民用領(lǐng)域通常會選擇通用橡膠作為內(nèi)襯材料。天然橡膠與聚酯復(fù)合材料的配合使用，具有非常好的綜合性能。在較高使用溫度下，可以選擇三元乙丙橡膠，具有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性能，可在150℃下長期使用，間歇耐溫可達(dá)到200℃。特種橡膠具有較好耐高溫性能，氣密性、粘結(jié)性及耐老化性。由于橡膠內(nèi)襯作為一層較薄的橡膠片，不具備剛性，需要包覆在具有一定剛度的芯模上，固定成型，而且不需要多大的纏繞張力就可以達(dá)到較好的致密性要求。

2.3塑料內(nèi)襯

塑料內(nèi)襯具有更突出的靈活性，可通過不同的使用環(huán)境選用不同的塑料內(nèi)襯，如在酸性介質(zhì)中可選用乙烯基樹脂，在堿性介質(zhì)中可采用雙酚A型樹脂。塑料內(nèi)襯能節(jié)省成本，高壓下循環(huán)壽命長，防腐蝕，原材料豐富。塑料內(nèi)襯也需要芯模定型，要求內(nèi)襯材料具有耐高溫沖擊、良好的機(jī)械性能及高殘?zhí)柯省?/p>

3結(jié)束語

對于樹脂基復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展，RTM成型工藝及其衍生的成型工藝是其主要發(fā)展趨勢，而且隨著一些新工藝形式的不斷涌現(xiàn)，當(dāng)前樹脂基復(fù)合材料成型工藝開始向著環(huán)保、高效、自動化和低成本的方向發(fā)展，這也必然促進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

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