VARTM技術(shù)在車用復(fù)合材料的應(yīng)用

張條蘭 王花麗

摘 要：我國新能源汽車的大力發(fā)展，汽車輕量化成為發(fā)展的方向。汽車用復(fù)合材料隨著汽車輕量化的推進(jìn)和新能源汽車的迅猛發(fā)展得到了廣泛的重視和應(yīng)用，VARTM技術(shù)成為汽車用復(fù)合材料的主要成型工藝。本文主要研究了VARTM技術(shù)在復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：VARTM技術(shù);成型技術(shù);復(fù)合材料

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量迅速發(fā)展，為了降低能耗，節(jié)能環(huán)保，汽車輕量化成為汽車的發(fā)展方向。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、機(jī)械性能定向性好、尺寸精度高、熱膨脹性低、抗腐蝕、各向異性和可設(shè)計(jì)性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導(dǎo)電、半導(dǎo)、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、 摩擦、吸聲等功能等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等高科技行業(yè)。

目前最常用的復(fù)合材料成型工藝是手糊工藝和樹脂傳遞（RTM）工藝。手糊工藝模具成本低，操作方便;但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，而且開模成型，工作環(huán)境差。RTM工藝采用閉模成型，改善了工作環(huán)境，產(chǎn)品精度高;但復(fù)雜的模具增加了成本。VARTM成型工藝是RTM工藝的改進(jìn)，采用單面模具，且模具簡單，兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和模具成本，一方面使用單面模具降低了成本，另一方面利用真空導(dǎo)入可以提高產(chǎn)品的均勻度。

1 復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù)

復(fù)合材料液體成型技術(shù)（LCM）是指將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉模中，或加熱熔化預(yù)先放入模腔內(nèi)的樹脂膜，液態(tài)聚合物在流動充模的同時完成樹脂/纖維的浸潤并經(jīng)固化成型為制品的一類制備技術(shù)。樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）、樹脂浸漬模塑成型工藝（SCRIMP）和樹脂膜注入成型工藝（RFI）是最常見的先進(jìn)LCM 工藝技術(shù)。這類工藝的特點(diǎn)是將纖維預(yù)成型體放入模腔內(nèi)，再將一種或多種液態(tài)樹脂（通常為熱固性樹脂）在壓力作用下注入閉模中，液態(tài)熱固性樹脂浸漬纖維預(yù)成型體，待樹脂固化脫模后得到產(chǎn)品[1]。

與其他的纖維復(fù)合材料制造技術(shù)相比，LCM 技術(shù)具有諸多優(yōu)勢[3]：可生產(chǎn)的構(gòu)件范圍廣;可一步成型帶有夾芯、加筋、預(yù)埋件等的各種大型構(gòu)件;可按結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行定向鋪層;具有高性能低成本制造優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的模壓成型和金屬成型工藝相比，LCM模具具有質(zhì)量輕、成本低、投資小的優(yōu)勢。另外，LCM為閉模成型工藝，能減少揮發(fā)性有毒氣體排放對人員的危害。LCM工藝在航空工業(yè)、汽車工業(yè)、新能源領(lǐng)域和一些非傳統(tǒng)復(fù)合材料工業(yè)中的應(yīng)用正日趨廣泛。

2 樹脂傳遞模塑成型技術(shù)

RTM工藝是將液態(tài)熱固性樹脂及固化劑，由計(jì)量設(shè)備（樹脂泵）分別從儲桶內(nèi)抽出，經(jīng)混合器混合均勻，由注射槍注入事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料的密封模內(nèi)，經(jīng)固化、脫模、后加工而形成制品的工藝。

RTM是起源最早的一種LCM工藝，由1940年歐洲的濕法鋪層和注塑工藝的演變而成。RTM工藝的正式名稱出現(xiàn)于五十年代，由于該工藝的成型制品具有兩面光潔且低壓成型特點(diǎn)，被認(rèn)為優(yōu)于手糊工藝。但是由于當(dāng)時缺乏相應(yīng)的低粘度樹脂體系和易于操作的預(yù)成型體制備技術(shù)，RTM工藝沒有得到足夠的重視和因而也未形成大規(guī)模的應(yīng)用。

在20世紀(jì)80年代，受當(dāng)時國際RTM技術(shù)高速發(fā)展的影響，一些中小型企業(yè)基于想改變傳統(tǒng)手工操作局面的想法，引進(jìn)許多RTM 注射設(shè)備，一度形成“熱點(diǎn)”。但是由于受當(dāng)時原材料配套系統(tǒng)的不完善和基礎(chǔ)工藝?yán)碚撗芯壳啡钡挠绊?，該工藝基本停留在手糊成型和RTM工藝之間，未能形成規(guī)?；a(chǎn)，大部分設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。

上世紀(jì)90年代，受863計(jì)劃和“九五”科技的推動，國內(nèi)積極研究和推廣RTM工藝技術(shù)，從原材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造、A級表面技術(shù)和基礎(chǔ)理論以及工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)等方面，開展了系統(tǒng)的研究。解決了材料國產(chǎn)化、模具制造技術(shù)、產(chǎn)品A級表面技術(shù)等一系列技術(shù)關(guān)鍵。

由于RTM工藝發(fā)展時間較短，不可避免地存在難關(guān)和有待進(jìn)一步解決的問題。RTM技術(shù)在國內(nèi)外普遍存在的難點(diǎn)和問題主要表現(xiàn)在3個方面：（1）樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品內(nèi)存在空隙及干纖維的現(xiàn)象;（2）制品的纖維含量不夠高（一般為50% ）;（3）大面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具型腔內(nèi)，模塑過程中樹脂的流動不均衡，不能進(jìn)行預(yù)測和控制。

3 真空輔助樹脂傳遞模塑成型

目前聚合物基復(fù)合材料制品的成型方法有幾十種，常用的包括：預(yù)浸料及其制造方法、手糊成型、噴射成型、袋壓成型、模壓成型、長絲纏繞成型、拉擠成型、RTM和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑成型（SRIM）等。然而，對于幾何形狀復(fù)雜的大型夾芯和加筋結(jié)構(gòu)件，由于尺寸大、性能要求高，采用纏繞、模壓等工藝成型困難，而采用手糊或噴射成型則制品的質(zhì)量得不到保證，因此傳統(tǒng)的成型工藝在制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時存在難以逾越的技術(shù)障礙，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)選擇的是VARTM技術(shù)，該技術(shù)操作簡單、安全、成本低并且能夠獲得較好的復(fù)合材料試樣[3]。

VARTM成型技術(shù)是纖維增強(qiáng)材料按規(guī)定尺寸及厚度鋪放在模板上，用真空袋包覆，并用膠帶密封四周，在真空壓力下，驅(qū)動樹脂的流動、實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸潤，并在真空壓力下固化的成型方法。其主要特點(diǎn)是成本低、產(chǎn)品孔隙率低、性能好、適合制造大型結(jié)構(gòu)等。對于大尺寸、大厚度的復(fù)合材料制件，VARTM是一種十分有效的成型方法。

VARTM工藝是一種新型的低成本復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，它是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫或加溫條件下進(jìn)行固化，成型一定形狀和纖維體積含量的制件的工藝方法。

RTM技術(shù)中最難解決的問題之一是最終產(chǎn)品中殘余物或氣泡，VARTM能夠有效地解決這一問題。采用真空輔助RTM時，模具的密封要求很嚴(yán)格，上下模具間不允許有漏氣，否則會吸入大量氣體而導(dǎo)致制品成型的失敗。在排氣口端接上真空泵，在密封真空狀態(tài)下，先抽取排除附于織物中的大量氣體，在樹脂注入過程中同時從閉合模具排氣口處抽真空，通過負(fù)壓控制以及導(dǎo)流網(wǎng)的導(dǎo)流作用，為樹脂在模具型腔中打開了通道并形成完整通路，使樹脂沿著織物均勻穩(wěn)定地流動，注射填充鋪層的織物;同時可以增加樹脂傳遞壓力，排除模具及其樹脂中的氣泡。所以，模具抽真空不僅提高了樹脂充模的壓力，而且排除了模具和預(yù)型件中，尤其是纖維束中的氣體，因此同時提高了預(yù)成型體中的宏觀流動和樹脂在纖維束間的微觀流動速度，有利于纖維的完全浸潤，從而減少制品缺陷。無論增強(qiáng)材料是編織的還是非編織的，無論樹脂的類型及其黏度如何，真空輔助都能大大改善模塑過程中纖維的浸潤效果。

4 結(jié)論

在當(dāng)前能源供應(yīng)極為緊張的情況下，大力發(fā)展新能源已經(jīng)成為世界各國的共識。復(fù)合材料主要應(yīng)用在汽車輪轂、引擎蓋、發(fā)動機(jī)罩外板等關(guān)鍵部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能。因此，重要部件的選材、工藝、實(shí)驗(yàn)等各環(huán)節(jié)必須緊密結(jié)合以保證汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。目前正在服役的主要部件多為復(fù)合材料，其基體多為熱固性基體樹脂，增強(qiáng)材料多為碳纖維。隨著新能源汽車的發(fā)展與日趨成熟，汽車發(fā)展的輕量化成為汽車的發(fā)展方向。同時對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度也提出新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料制造中逐漸顯出性能方面的不足，因此引入了炭纖維在車用材料的應(yīng)用。制造采用炭纖維已成為必要的選擇。由于碳纖維價格昂貴，碳纖維主要用在汽車的主要關(guān)鍵部位，成型工藝采用低成本大型制件VARTM成型工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]栗彬琦，葉輝，梅娜，等.復(fù)合材料汽車發(fā)動機(jī)罩外板CRTM成型工藝仿真[J].生產(chǎn)現(xiàn)場，2018（11）：12-14.

[2]李智，王磊.車用復(fù)合材料應(yīng)用與開發(fā)關(guān)鍵淺析[J].汽車材料與涂裝，2020（5）：215-218.

[3]劉楚杰.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與功能及在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用[J].技術(shù)應(yīng)用與研究，2018（10）：128-129.