樹脂基復(fù)合材料RTM 成型工藝與特點分析

劉克健

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

近年來，樹脂基復(fù)合材料已從最初的軍事防御領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到風(fēng)力發(fā)電、運動器材、交通運輸和醫(yī)療設(shè)備等多個領(lǐng)域。在樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了一批成型工藝，如手糊、噴射、纏繞、拉擠、模壓、熱壓罐、預(yù)浸料袋壓、RTM、自動鋪絲鋪帶等，根據(jù)產(chǎn)品獨特的邊界條件，總有一種最合適的工藝與之匹配。在上述工藝中，RTM 工藝由于成本低、效率高、尺寸穩(wěn)定性好、纖維體積含量高、適合工程批量化生產(chǎn)而得到廣泛的研究和應(yīng)用。

1 RTM 成型工藝概述

RTM 成型工藝的原理是在硬質(zhì)模具內(nèi)表面鋪貼預(yù)先設(shè)計好的增強(qiáng)纖維或織物，通過另一半硬質(zhì)模具或軟質(zhì)袋膜將增強(qiáng)體進(jìn)行密封包裹，并在真空環(huán)境下產(chǎn)生注膠口及出膠口的壓力差，樹脂在此環(huán)境下產(chǎn)生沿纖維方向及厚度方向的傳動動力，從而浸潤增強(qiáng)體。樹脂在一定溫度下經(jīng)過環(huán)氧基的開環(huán)和相互貫穿而成為三維不溶不熔的固化物。

RTM 工藝制備的復(fù)材制品具有損傷容限高，產(chǎn)品尺寸精度高、孔隙率低等突出優(yōu)點。RTM 成型的關(guān)鍵一是有適當(dāng)?shù)睦w維預(yù)成型體，二是選擇適當(dāng)黏度的樹脂或樹脂膜。RTM要求樹脂在注射溫度下的黏度值要小，并且具有足夠長的適用期。隨著新型增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，編織技術(shù)和預(yù)成形體技術(shù)與RTM 技術(shù)相結(jié)合，形成了新的工藝發(fā)展和應(yīng)用方向。如采用三維編織技術(shù)將增強(qiáng)材料預(yù)制成3D 結(jié)構(gòu)，然后再與RTM 工藝復(fù)合，也可將纖維織物通過縫紉或粘結(jié)的方法，直接預(yù)制成制件形狀，再采用RTM 工藝成型復(fù)合材料。

2 RTM 成型工藝分類

在RTM 基本成型工藝原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的科研創(chuàng)新及經(jīng)驗積累，RTM 工藝又細(xì)分出幾個不同的類型，如Light-RTM、真空輔助灌注RTM、RFI 成型工藝、HP-RTM和C-RTM 等。下文分別描述這幾種工藝及各自特點。

2.1 Light-RTM

Light-RTM 也叫輕質(zhì)RTM，是采用玻璃纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)模具在真空輔助條件下，以較低的注射壓力引導(dǎo)樹脂浸潤纖維增強(qiáng)體而成型的模塑成型工藝。該工藝的突出特點是模具采用了質(zhì)量更輕的材料，工藝操作靈活性大大增強(qiáng)，在初期預(yù)算不太充足且制品需求量不是很大的情況下具有非常大的優(yōu)勢。同時，考慮到輕質(zhì)材料強(qiáng)度和剛度方面的不足，該類模具一般采用三明治結(jié)構(gòu)，且在模具背面設(shè)置鋼質(zhì)方管進(jìn)行加強(qiáng)，以防復(fù)合材料模具在固化時產(chǎn)生變形。

2.2 真空灌注RTM

真空灌注RTM 也稱為VARI 成型工藝，該工藝?yán)媚猃埓ご娈a(chǎn)品的一半模具，這樣操作的好處是進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的模具成本，且可更加快速推進(jìn)項目研發(fā)進(jìn)程。該工藝采用真空袋膜極大地減少了生產(chǎn)過程中模具的起吊次數(shù)，大大增加了模具的使用壽命，并且可以對樹脂填充狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。而且，由于袋膜的自由靈活特性，該工藝非常適用于幾何尺寸非常大的構(gòu)件，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙罩以及風(fēng)電葉片。需要注意的是，該工藝幾乎不受產(chǎn)品尺寸的限制，自由發(fā)揮空間比較大。同時，也需要注意此工藝下袋膜一側(cè)的表面較為粗糙不適合直接作為外觀面，否則將增加打磨和涂裝成本。

2.3 RFI 工藝

RFI 工藝是在RTM 工藝的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，其工藝過程是將預(yù)催化樹脂膜或樹脂塊放入模腔內(nèi)，然后在其上覆以縫合或三維編織等方法制成的纖維預(yù)制體等增強(qiáng)材料，再用真空袋封閉模腔，抽真空并加熱模具使模腔內(nèi)的樹脂膜或樹脂塊融化，并在真空狀態(tài)下滲透到纖維層(一般是由下至上)，最后進(jìn)行固化制得制品的一種復(fù)合材料成型工藝技術(shù)。該工藝的突出優(yōu)點是高效、成本低、增強(qiáng)材料選擇靈活、樹脂類型廣、孔隙率低。因此，在航空航天領(lǐng)域非常重視RFI工藝技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，如波音公司的大型碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料機(jī)翼、嵌板、蓋盆、支架、龍骨、垂尾等都采用了這一成型工藝。

2.4 HP-RTM 工藝

HP-RTM 工藝是近年來推出的一種準(zhǔn)大批量生產(chǎn)高性能熱固性復(fù)合材料零件的新型RTM 工藝技術(shù)，它采用預(yù)成型件、鋼模、真空輔助排氣，高壓注射并在高壓下完成樹脂的浸漬和固化工藝，實現(xiàn)低成本、短周期、高質(zhì)量生產(chǎn)。該工藝的主要優(yōu)點是樹脂填充速度快、固化周期短、卓越的表面性能和質(zhì)量、尺寸精度高等優(yōu)勢。但由于該工藝需要特殊的模壓設(shè)備及樹脂材料，導(dǎo)致產(chǎn)品成本較高，尚無大批量工業(yè)化應(yīng)用案例。

2.5 C-RTM 工藝

C-RTM 是壓縮樹脂傳遞模塑工藝技術(shù)的簡稱。該工藝過程分為3 個步驟：1） 快速關(guān)閉壓力機(jī)至精確的預(yù)定間隙，并對工具腔施加全真空；2） 將精確計量的樹脂通過注射口快速。注入到模具內(nèi)部的增強(qiáng)體中；3） 將壓機(jī)完全閉合，使坯料完全浸入樹脂中并加熱固化。

3 結(jié)語

綜上所述，RTM 工藝作為樹脂基復(fù)合材料主要的成型工藝之一，已經(jīng)在國內(nèi)外很多工業(yè)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。作為低成本高性價比成型工藝，并隨著增強(qiáng)體和樹脂性能的不斷優(yōu)化，RTM 工藝技術(shù)將在很長一段時間內(nèi)保持其自身優(yōu)勢，因此值得廣大從業(yè)人員不斷研究和深入探索。