樹(shù)脂基復(fù)合材料模壓成型工藝中的影響因素研究

摘 要 模壓成型工藝作為樹(shù)脂基復(fù)合材料主要的成型方法，正廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。如何制造性能優(yōu)良、缺陷少的復(fù)合材料制品尤為重要。本文針對(duì)復(fù)合材料模壓成型中的工藝特點(diǎn)，不僅對(duì)模壓成型過(guò)程中的材料固化和流動(dòng)行為進(jìn)行了詳細(xì)闡述，而且對(duì)其性能的影響因素進(jìn)行深度剖析，包括材料流動(dòng)誘導(dǎo)的纖維顯微結(jié)構(gòu)、材料流動(dòng)誘導(dǎo)的孔隙演化等因素。通過(guò)這些分析結(jié)果對(duì)采用模壓工藝制備復(fù)合材料的科研工作者們提供了重要參考。

關(guān)鍵詞 "模壓工藝；復(fù)合材料；纖維顯微結(jié)構(gòu)；孔隙演化

Research on the Influential Factors in the Compression

Moulding Process of Resin-based Composites

DU Zhengcai，WANG Hongyun，HOU Chuanli，WEI Xilong

（ Harbin FRP" Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The compression molding process， as the main forming method of resin-based composite materials， is widely applied in aerospace and automotive industries， among others. It is particularly important to manufacture composite materials products with excellent performance and few defects. This article focuses on the process characteristics of composite material molding， detailing material solidification and flow behavior during the compression molding process， while also delving into the influencing factors of its performance， including fiber microstructure induced by material flow and pore evolution induced by material flow， among others. These analysis results provide important references for researchers using the molding process to prepare composite materials.

KEYWORDS compression moulding；composites；fibre microstructures；pore evolution

1 引言

模壓工藝作為一種先進(jìn)的樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)，正在應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域如何通過(guò)模壓工藝制造性能優(yōu)良、缺陷少的復(fù)合材料制品，無(wú)疑成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。模壓工藝過(guò)程中的材料固化和流動(dòng)是兩大核心環(huán)節(jié)。固化是指復(fù)合材料在一定溫度和壓力下，樹(shù)脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料獲得所需的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。材料流動(dòng)則涉及材料在模具中的分布和變形，對(duì)復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能起著決定性作用，材料流動(dòng)又可誘導(dǎo)纖維顯微結(jié)構(gòu)的形成和孔隙的演化［1］。

流動(dòng)誘導(dǎo)的纖維顯微結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。模壓成型過(guò)程中的纖維排列和取向會(huì)受到材料流動(dòng)的影響，進(jìn)而形成不同的顯微結(jié)構(gòu)這對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性具有顯著影響。流動(dòng)誘導(dǎo)的孔隙演化也是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。在模壓成型過(guò)程中，由于樹(shù)脂基體的流動(dòng)和固化速度差異，可能導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部形成孔隙，這會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性，甚至導(dǎo)致性能失效［2］。

本文針對(duì)復(fù)合材料模壓工藝中的難點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，詳細(xì)描述了模壓工藝過(guò)程中材料固化和流動(dòng)行為，并對(duì)影響其性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行深度剖析，進(jìn)而提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。通過(guò)對(duì)模壓工藝影響因素的深入研究，可以更好地控制生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品的性能、精度和一致性，從而滿足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量模壓產(chǎn)品的需求。

2 固化與流動(dòng)

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)是一種由相互交織的纖維組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于纖維之間形成多重接觸，進(jìn)而對(duì)材料的固化過(guò)程、流動(dòng)特性以及最終展現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械性能產(chǎn)生顯著影響，如通過(guò)SMC、GMT、LFT等模壓工藝制造的復(fù)合材料［3］。

模壓階段的材料經(jīng)歷一系列復(fù)雜的固化與流動(dòng)過(guò)程，并與模具腔內(nèi)的傳熱行為緊密相互作用。材料開(kāi)始流動(dòng)前，多種固化行為相繼發(fā)生，導(dǎo)致材料厚度顯著減小，這主要是由于模壓化合物內(nèi)部的孔隙（空隙）逐漸閉合以及板狀材料的形變所致。根據(jù)模具的幾何形狀特征、纖維網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度、聚合物的流變特性以及壓縮成型條件（如模具閉合速度、溫度等），產(chǎn)生多種不同的流動(dòng)行為［4］。一般而言，均勻流動(dòng)行為，如經(jīng)典SMC中的塞流現(xiàn)象，通常在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且壓力均勻的區(qū)域。然而，非均勻流動(dòng)行為通常發(fā)生在復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域，如肋部或存在鑲嵌物的部位。這些非均勻流動(dòng)現(xiàn)象可能導(dǎo)致纖維與基體的分離，從而影響制品的力學(xué)性能和外觀質(zhì)量［5］。此外，沿鋪層厚度方向的層間分離現(xiàn)象也是模壓成型過(guò)程中需要關(guān)注的問(wèn)題，通常發(fā)生在鋪層之間，由于溫度、壓力和固化速度的不一致，可能導(dǎo)致層間粘接不緊密，進(jìn)而影響制品的整體性能。

材料流動(dòng)過(guò)程中的溫度變化對(duì)固化速度和流動(dòng)特性具有顯著影響。模具溫度的高低直接決定了材料固化速度的快慢，進(jìn)而影響其流動(dòng)性。同時(shí)，材料在模具內(nèi)的流動(dòng)也會(huì)反過(guò)來(lái)影響溫度的分布，特別在材料厚度較大的區(qū)域，由于熱量傳遞不均勻?qū)е鹿袒俣炔灰恢?，發(fā)生材料層間分離現(xiàn)象。

在模壓成型過(guò)程中，當(dāng)頂部和底部的材料層與熱模具表面發(fā)生接觸并受到擠壓時(shí)，會(huì)發(fā)生更復(fù)雜的材料非均勻流動(dòng)行為。在材料流動(dòng)過(guò)程中，纖維增強(qiáng)體可能會(huì)受到損傷，例如纖維斷裂或變形。這些損傷直接影響零部件的力學(xué)性能，降低其承載能力和使用壽命。此外，材料流動(dòng)時(shí)還會(huì)排出苯乙烯或空氣等滯留氣體，這些氣體的排出在流動(dòng)前方形成孔洞，進(jìn)一步影響零部件的質(zhì)量和性能，如圖1所示，圓圈處表示位于兩個(gè)材料層流動(dòng)相遇區(qū)域的孔隙。

針對(duì)非均勻流動(dòng)行為和沿厚度方向的材料層間分離現(xiàn)象，可采取適當(dāng)措施有效解決。首先，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域出現(xiàn)的纖維與基體分離現(xiàn)象，可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜部位和尖銳轉(zhuǎn)角，降低分離的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，選用合適的材料以及改善材料間的相容性，也是減少纖維與基體分離的有效手段；其次，對(duì)于沿厚度方向的材料層間分離現(xiàn)象，需要嚴(yán)格控制模壓成型過(guò)程中的溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)，確保材料成型過(guò)程中能夠充分熔融和流動(dòng)，從而減少層間分離的可能性。此外，采用真空輔助成型或熱壓成型等先進(jìn)成型技術(shù)和設(shè)備也可以提高成型質(zhì)量，減少層間分離的現(xiàn)象發(fā)生。

3 顯微結(jié)構(gòu)

模壓成型過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種材料變形方式和流動(dòng)現(xiàn)象，主要是因?yàn)槭艿讲牧系牧髯兲匦?、模具幾何形狀、加工條件（如模具溫度、加壓速度、壓力大?。┑墓餐绊憽＿@些影響因素共同作用于成型過(guò)程，控制著材料的流動(dòng)方式，進(jìn)而直接決定了纖維的顯微結(jié)構(gòu)［6］。

通過(guò)加壓過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律研究纖維的顯微結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同壓縮應(yīng)變率對(duì)GMT方形樣品進(jìn)行系統(tǒng)性壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。在相同應(yīng)變條件下，隨著應(yīng)變率增大，所測(cè)得的壓應(yīng)力呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。表明了模壓成型過(guò)程中的應(yīng)變率對(duì)所測(cè)壓應(yīng)力具有顯著影響，且在較低的壓縮應(yīng)變率0.003/S條件下，隨著材料的流動(dòng)，纖維與基體之間的分離現(xiàn)象較為明顯。當(dāng)應(yīng)變率提升至較高水平0.3/S時(shí)，這種分離現(xiàn)象受到顯著限制，不易發(fā)生。值得注意的是，在高應(yīng)變率下，材料均勻流動(dòng)的過(guò)程中，纖維沿著主軸方向發(fā)生顯著的重新定向排布。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于深入理解材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形行為以及優(yōu)化相關(guān)加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

針對(duì)纖維顯微結(jié)構(gòu)為糾纏顯著的材料，如GMT和SMC材料，纖維與基體間的分離現(xiàn)象更為突出。這種現(xiàn)象在SMC材料的復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域，特別是層與層之間流峰相遇的區(qū)域（如圖1圓圈區(qū)域所示）和肋結(jié)構(gòu)區(qū)域更易發(fā)生。分離現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致富樹(shù)脂區(qū)的形成，進(jìn)而對(duì)基體的固化反應(yīng)產(chǎn)生不良影響，并可能損害零件的最終力學(xué)和物理性能，可能引發(fā)明顯的下沉痕跡或裂縫的產(chǎn)生，因?yàn)樵诨w固化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)度的固化收縮現(xiàn)象［7］。

此外，材料流動(dòng)過(guò)程中的纖維束也可能出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象。隨著溫度升高和壓力增大，纖維束不再是整齊劃一的整體，而是開(kāi)始發(fā)生顯著的形變，甚至分解成單個(gè)高度變形的細(xì)絲。這些細(xì)絲在形態(tài)上呈現(xiàn)出獨(dú)特的彎曲和扭曲狀態(tài)，體現(xiàn)了纖維束內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化。這種局部變形現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于纖維束的固有性質(zhì)。其中，纖維尺寸和體積含量是兩個(gè)至關(guān)重要的因素。纖維尺寸決定了其在外力作用下的響應(yīng)方式和變形程度，而體積含量則影響著纖維束的整體力學(xué)性能和變形行為。當(dāng)纖維尺寸較小、體積含量較低時(shí)，纖維束變形能力相對(duì)較強(qiáng)，更容易發(fā)生彎曲和剪切等局部變形現(xiàn)象。

4 孔隙演化

復(fù)合材料流動(dòng)誘導(dǎo)的孔隙演化是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的過(guò)程，涉及到材料在制造和加工過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化［8］。GMT和SMC等材料在模壓成型前，其內(nèi)部往往呈現(xiàn)出較高的孔隙率，這一特性對(duì)于后續(xù)的成型過(guò)程具有顯著影響［9］?？紫堵逝c纖維體積含量密切相關(guān)。隨著纖維體積含量的增加，預(yù)浸漬中間體板材內(nèi)部的孔隙率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這是由于高纖維體積含量的材料在制造過(guò)程中，纖維與樹(shù)脂基體之間的結(jié)合更為緊密，導(dǎo)致氣體難以排出，從而形成更多的孔隙。這些孔隙在模壓過(guò)程中可能導(dǎo)致材料變形、翹曲等問(wèn)題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的尺寸精度和外觀質(zhì)量［10］。

為了研究這些材料在壓縮過(guò)程中孔隙的演化規(guī)律，通過(guò)X線微觀掃描技術(shù)定量測(cè)量孔隙率與壓縮應(yīng)變之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)比不同纖維體積含量的SMC材料在壓縮過(guò)程中的孔隙演化情況，可以深入了解孔隙對(duì)材料性能的影響機(jī)制。纖維體積含量25 %整體孔隙率與應(yīng)變?chǔ)?3的演化關(guān)系如圖3所示，纖維體積含量50 %整體孔隙率與應(yīng)變?chǔ)?3的演化關(guān)系如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在初始狀態(tài)下，無(wú)論是低纖維含量25 %還是高纖維含量50 %的SMC材料都呈現(xiàn)出多孔性，且孔隙具有橫向各向同性的特點(diǎn)。對(duì)于高纖維含量50 %的SMC材料，其孔隙率較高，可達(dá)0.2，且以開(kāi)放孔隙為主。在壓縮過(guò)程中，這些開(kāi)放孔隙的尺寸逐漸減小。同時(shí)，其所包含的氣體（如空氣、苯乙烯等）通過(guò)開(kāi)放的孔隙網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)，逐漸排出材料外部。這一過(guò)程有助于降低材料孔隙率，提高材料密實(shí)度和力學(xué)性能。相反，對(duì)于低纖維含量25 %的SMC材料，其孔隙率相對(duì)較低，最大為0.016，且主要為封閉性孔隙。在壓縮過(guò)程中，這些封閉孔隙的尺寸也會(huì)逐漸減小，但由于缺乏開(kāi)放的孔隙網(wǎng)絡(luò)，氣體排出較為困難。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔隙合并的現(xiàn)象，即多個(gè)小孔隙在壓縮過(guò)程中合并成一個(gè)較大的孔隙。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)較大的缺陷，影響產(chǎn)品的性能和使用壽命。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)孔隙收縮與氣體在樹(shù)脂基體中的溶解密切相關(guān)。首先，隨著壓縮過(guò)程中壓力的增大，氣體逐漸被壓入樹(shù)脂基體并溶解其中。這一過(guò)程有助于進(jìn)一步降低材料的孔隙率，提高材料的致密性和性能穩(wěn)定性；其次，加工溫度是影響孔隙演化的一個(gè)重要因素。材料分子在高溫下的運(yùn)動(dòng)速度加快，有利于孔隙的遷移和聚集；而低溫下的分子運(yùn)動(dòng)速度減緩，孔隙的演化可能受到抑制。除了溫度和壓力，成型速度也是影響孔隙演化的一個(gè)不可忽視的因素。復(fù)合材料成型速度過(guò)快可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的氣體來(lái)不及排出而形成孔隙；而成型速度過(guò)慢則可能導(dǎo)致材料在模具中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生熱降解或氧化等不良反應(yīng)，進(jìn)而影響材料的性能。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用合適的材料以及改善材料間的相容性以及嚴(yán)格控制成型工藝參數(shù)（溫度、壓力和時(shí)間等），可有效減少層間分離的可能性。此外，采用如真空輔助成型或熱壓成型等先進(jìn)的成型技術(shù)和設(shè)備，也可以提高成型質(zhì)量，減少層間分離的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）在較低的壓縮應(yīng)變率0.003/S條件下，纖維與基體之間的分離現(xiàn)象較為明顯。當(dāng)應(yīng)變率提升至較高水平0.3/S時(shí)，可有效限制纖維與基體之間的分離。在高應(yīng)變率下，材料流動(dòng)均勻，纖維會(huì)沿著主軸方向發(fā)生顯著的重新定向排布。

（3）50 %的高纖維含量SMC材料相比較于25 %的低纖維含量SMC材料，孔隙率更高，且以開(kāi)放孔隙為主，孔隙也更易排出，產(chǎn)品的密實(shí)度和力學(xué)性能更好。壓縮過(guò)程中的加壓、加溫、控制成型速度，有利于孔隙的遷移和聚集，從而提高材料的致密性和性能穩(wěn)定性。

綜上所述，針對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料模壓成型中的挑戰(zhàn)，通過(guò)對(duì)模壓成型過(guò)程中材料固化和流動(dòng)行為以及對(duì)其性能影響因素的深度剖析，可以為行業(yè)從業(yè)者提供更為準(zhǔn)確和實(shí)用的技術(shù)參考，推動(dòng)樹(shù)脂基復(fù)合材料模壓成型技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］

劉雄亞，謝懷勤. 復(fù)合材料工藝及設(shè)備[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2014：73-156.

[2]葛國(guó)杰，歐璐，喬小亮.VARTM工藝中導(dǎo)流網(wǎng)對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)行為的影響[J].纖維復(fù)合材料，2021，38（1）：19-22.

[3]胡濤，楊斌，楊曉軍，等." 組合式雙腔模壓模具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料，2013，30（3）：45-47.

[4]顧軼卓，張佐光，李敏. 復(fù)合材料熱壓成型過(guò)程的樹(shù)脂壓力測(cè)試系統(tǒng)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007（2）：23-27.

[5]H.G. KIA. Flow characteristics of sheet molding compound in panels with integrated ribs[J]. "Reinf. Plast. Compos.1991， 10：626–644.

[6]寇哲君，龍國(guó)榮，萬(wàn)建平，等. 熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料固化變形研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝，2006（S1）：7-11.

[7]J. Xu， J. Kim， T. Ho， L.J. Lee， Compression molding of sheet molding compounds in plate-rib type geometry[J]." Polym. Compos.1993，14 ：51–58.

[8]荀國(guó)立，邱啟艷，史俊偉，等. 熱壓罐固化環(huán)氧基復(fù)合材料孔隙形成研究[J]. 航空制造技術(shù)，2014（15）：110-115.

[9]Y. Wan， J. Takahashi， Deconsolidation behavior of carbon fiber reinforced thermoplastics[J]." Reinf. Plast. Compos. 2014，33： 1613–1624.

[10]T.S. Lundstrom， A. Holmgren， Dissolution of voids during compression molding of" SMC[J]. Reinf. Plast. Compos.2010，29：1826–1837.