模壓工藝在樹脂基復合材料中的應用

杜政才，侯傳禮，魏喜龍，王洪運

摘要模壓成型工藝具有生產(chǎn)效率高、尺寸控制精度高、表面質(zhì)量好、可一次成型復雜結構制品等優(yōu)點，在復合材料成型工藝中占據(jù)重要地位。而SMC、GMT、LFT作為模壓工藝中主要的成型工藝，其使用范圍越來越廣泛。為進一步了解SMC、GMT、LFT工藝特點，本文根據(jù)目前國內(nèi)外復合材料模壓工藝發(fā)展狀況，針對SMC、GMT、LFT的工藝原理、工藝路線、未來趨勢及前景進行了詳細闡述，同時對各工藝所制成的復合材料制品力學性能與物理性能進行對比，為復合材料模壓工藝的應用提供了參考。

關鍵詞模壓工藝；SMC；GMT；LFT

Application of Compression Molding Technology?on Resin Matrix Composites

DU Zhengcai，HOU Chuanli，WEI Xilong，WANG Hongyun

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

ABSTRACTThe compression molding process has the advantages of high production efficiency， high size control precision， good surface quality， and forming complex structure products， which occupies an important position in the composite molding process. And SMC， GMT， LFT as the main molding process in the compression molding process， the use of more and more widely. In order to further understand the SMC， GMT， LFT process characteristics， this paper is based on the current development status of composite compression molding processes at home and abroad， the process principle， process route， future trend and prospect of SMC， GMT and LFT were described in detail. And the mechanical and physical properties of composite products made under each process were compared， which provided a reference for the application of composite compression molding technology.

KEYWORDScompression molding；SMC；GMT；LFT

1引言

模壓成型工藝正越來越多地被應用于汽車和航空航天等多個行業(yè)領域，尤其是在需要材料具有良好機械性能、重量輕，成本適中等特點的領域中。其中片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（GMT）、長纖維增強熱塑性復合材料（LFT）等模壓工藝具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度可控、表面光潔度高、脫模后的制品往往不需要二次加工、制品外觀及尺寸的重復性好、纖維體積含量較高、空隙率低等優(yōu)點，已成為樹脂基復合材料主要的成型方法。［1］深入研究模壓工藝不僅對于提升產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)效率具有重大意義，同時也有助于推動相關行業(yè)的技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。

2模壓工藝原理

模壓工藝是指采用金屬對模加壓的方式，將纖維、樹脂放入到金屬模腔之中，隨著溫度升高、壓力增大，樹脂會在模腔內(nèi)受熱軟化，樹脂粘度降低、流動性增大，在壓力作用下充滿模具型腔，最后固化成型而獲得復合材料制品的一種方法。成型過程中所需要的成型壓力高于纏繞、手糊、拉擠成型，屬于高壓成型，一般采用高強螺栓或壓機進行加壓。因此成型中使用的模具需要具有一定的剛度、強度、且尺寸精度高、穩(wěn)定性好、高溫下變形小。

模壓工藝主要是利用樹脂基體固化反應中各階段的特性來實現(xiàn)制品成型，樹脂在固化中主要有粘流階段、硬固階段兩個階段。其中，“粘流階段”：無論是熱塑性樹脂還是熱固性樹脂，當模腔內(nèi)溫度升高到一定溫度時，樹脂很快會轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)，此時樹脂粘度較低，在外部壓力作用下樹脂會粘裹著纖維一起流動，直至充滿模腔；“硬固階段”：對于熱固性樹脂來說，當樹脂充滿模腔后，持續(xù)升高溫度，樹脂會發(fā)生交聯(lián)反應，粘度升高，流動性降低，具有一定彈性，隨著加熱時間的延長，最后會失去流動性，使樹脂成為不溶性和不熔性的立體結構［1］。對于熱塑性樹脂來說，基體在被壓縮前需軟化，通常被提前預熱，然后再轉移到溫度設定相對較低的模具上，以確保纖維料變形后能夠快速冷卻且保持形狀固定不變。

3模壓工藝路線

3.1片狀模塑料

3.1.1SMC組成

SMC是由多類纖維增強的樹脂基體混合制備而成。其中，樹脂基體以熱固性樹脂為主，并輔以適量的引發(fā)劑與抑制劑，以達到理想的固化效果。樹脂基體的黏度對于材料在成型過程中的流動性起著至關重要的控制作用，其直接影響最終產(chǎn)品的成型質(zhì)量與性能表現(xiàn)。為有效增強基體黏度，防止纖維與基體樹脂在成型過程中發(fā)生分離，通常采用化學增稠劑進行調(diào)控［2］。增稠劑的添加不僅提高了基體的黏稠度，還有助于提高纖維與樹脂之間的界面結合力，進而增強SMC的整體性能。為進一步優(yōu)化SMC的性能，有時會引入熱塑性添加劑，可有效限制熱固性樹脂固化過程中的收縮，減少因收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應力與缺陷，從而顯著提升產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性和表面光潔度。SMC樹脂基體種類較多，最常見的是不飽和聚酯樹脂，主要由于其成本低廉而被廣泛使用。而在需要更高的機械性能和熱性能時，通常選用乙烯基酯、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂［3］。SMC增強材料通常選用玻璃纖維，碳纖維多用于更高機械性能的制品中［4］。表1列出了不同模壓工藝、不同材料下復合材料的物理與機械性能。

3.1.2SMC制造

SMC作為一種中間片材，厚度控制在1 mm～3 mm之間［5］。SMC生產(chǎn)線主要由混合、浸漬、儲存三個階段構成，如圖1所示。混合階段通過儲液罐精確控制聚合物樹脂、填料、增稠劑及其他必要添加劑的比例，制備出具有低剪切粘度（約10～100 Pa·s）的樹脂基體。在浸漬階段，首先通過下刮刀控制沉積在聚合物載體膜上樹脂基體的厚度。然后當覆有樹脂基體的載體膜通過纖維切割器下面時，切割后的短纖維沉積在樹脂基體上，形成一層短纖維層。最后，該纖維層上表面在進入壓延區(qū)時被覆有樹脂基體的上載體膜覆蓋，進入壓延區(qū)，并在壓輥的作用下，樹脂基體得以充分滲透至多孔纖維層內(nèi)部，完成纖維層的浸漬過程。在儲存階段，制備出的SMC片材被整齊地卷繞在固定卷軸上，隨后轉移至儲存室，并嚴格控制儲存室溫度與相對濕度，以確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3.1.3SMC模壓工藝

SMC模壓成型是在高溫的封閉模具中進行。模具采用高精度金屬材質(zhì)，表面經(jīng)過拋光處理，以確保成型質(zhì)量。在成型過程中，需借助具備高負載能力（最大可高達40000 kN）的液壓機進行加壓成型。為提高生產(chǎn)效率降低人工成本，SMC片材的拾取和鋪放工作均通過自動化設備完成。

首先需將SMC片材平整鋪設于下模之上，隨后利用冷壓技術對其進行初步預壓成型。預壓結束后，再進行合模操作，并逐步提高模具溫度與壓力，促使材料在模腔內(nèi)流動，完成樹脂基體與纖維的浸漬，并消除孔隙。對于厚度較大的復合材料制品，模具在合模過程中需采取分階段逐步加壓的方式，確保在達到最大壓力之前，減小厚度方向上的溫度差異，避免由于受熱不均而產(chǎn)生固化應力。此外，SMC材料在4 MPa～20 MPa下保持30 s～3 min，以確保樹脂基體能夠完全固化，如圖3所示。為避免制品在脫模過程中發(fā)生翹曲變形，需待SMC產(chǎn)品自然冷卻至室溫后方可進行脫模操作。

3.2玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料

3.2.1GMT組成

GMT作為一種半成品，以薄片形式存在，其結構與連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂的預浸料相類似［6］。在商業(yè)應用中，GMT樹脂基體普遍采用聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）以及聚乳酸（PLA）等材料。為提升性能降低成本，這些樹脂基體通常會添加炭黑、滑石粉、硅灰石等填料。在GMT增強相中，E-玻璃纖維占據(jù)著重要地位，它以切碎的纖維束或纖維氈的形式存在。

目前，市場上已出現(xiàn)亞麻纖維與PP纖維混合增強的GMT類似材料［7］，這類材料被統(tǒng)稱為天然纖維增強的熱塑性復合材料（NMT）。同樣地，碳纖維亦可作為GMT的增強材料，其相應變體被命名為碳纖維增強的熱塑性復合材料（CMT）［8］。

3.2.2GMT制造

生產(chǎn)GMT中間產(chǎn)品的方法主要有兩種。第一種是使用纖維氈的形式制造GMT片材，如圖4所示。首先通過兩層無紡布針狀玻璃纖維氈將樹脂基體夾在中間，形成一個夾層結構材料。然后該夾層材料進入雙帶壓力機，在加熱區(qū)域進行樹脂基體與纖維氈的浸漬和固化，在冷卻區(qū)域對GMT片材進行冷卻。最后按尺寸切割成片并進行儲存。這種方法可以生產(chǎn)厚度為3 mm～4 mm的GMT片材，其中片材纖維重量含量在20? %～40? %之間。

第二種方法是采用混合漿料制造GMT片材，如圖5所示，首先將切碎的纖維與水和樹脂基體粉末混合，形成混合漿料?；旌蠞{料被擠壓機擠出到在真空過濾帶上，在真空過濾帶上將水去除，水去除后片材的結構初步形成。最后通過雙帶壓力機對其進行升溫加壓，進一步干燥并固化成片材的形狀。這種方法制造的GMT片材纖維和樹脂基體的結合更為牢固。

3.2.3GMT模壓工藝

GMT模壓工藝首先依據(jù)產(chǎn)品既定尺寸要求，對GMT中間體片材實施精確切割，將切割后的材料依照工藝需求進行有序堆疊。堆疊完成的片材將被置于烘箱中，以高于樹脂基體軟化點的溫度進行預熱處理，旨在使熱塑性樹脂基體達到熔融狀態(tài)。在此過程中需嚴格控制預熱時間和溫度，以防熱塑性樹脂基體、各類添加劑以及纖維材料因溫度過高而發(fā)生降解，尤其在使用植物基纖維時更需格外注意。在預熱階段，GMT片材呈現(xiàn)出明顯的起泡與解聚現(xiàn)象，其厚度與孔隙有所增加。完成預熱后需迅速將GMT片材轉移至模具中，然后立即合模，并對模具加壓，確保材料能充分流動并完全填充模具型腔。模具填充完畢后，進入保壓階段，保壓直至部件溫度降至室溫，方可進行卸壓操作，以防提前卸壓導致產(chǎn)品脫模過程中的翹曲變形。

GMT模壓工藝可以生產(chǎn)具有復雜幾何形狀的大尺寸零件（最大可達1 m2）?？刂祁A熱時間和溫度以及模具填充條件，是優(yōu)化整個成型周期的關鍵。根據(jù)樹脂基體類型、零件厚度和幾何形狀復雜性，一個循環(huán)周期時間約為25s～120s。

3.3長纖維增強熱塑性復合材料

常見的LFT制造技術是以長纖維顆粒為增強相，以熱塑性樹脂作為基體相，通過熱熔浸漬技術浸漬長纖維顆粒，浸漬后顆粒通常通過注塑成型轉化為復合材料產(chǎn)品，也可以通過模壓成型轉化為復合材料產(chǎn)品［9］。玻璃纖維作為LFT常用增強材料，長度通常在5 mm至25 mm之間。而在樹脂基體的選擇上，PP樹脂的使用最為廣泛，其次則是PA樹脂。此外，也有部分應用環(huán)境采用PBT、PPS、SAN等樹脂。

更廣泛的LFT模壓成型技術即直接LFT（D-LFT）工藝，相比較傳統(tǒng)LFT工藝，D-LFT工藝減少了與LFT顆粒相關的處理、貯存、運輸?shù)裙ば颍?0］。D-LFT工藝步驟如下：首先，采用含有添加劑與改性劑的熔融樹脂基體直接浸漬纖維粗紗并形成混合物。然后，混合物被擠壓機擠出，擠出的混合物被切割成相應尺寸模壓料。最后，模壓料被傳遞到模具上，進行升溫升壓固化成型，如圖7所示。D-LFT的模壓工藝類似于用于GMT，其中模壓工藝周期時間通常小于1分鐘。D-LFT工藝相較于GMT工藝，其顯著區(qū)別在于省去了由供應商提供中間產(chǎn)品的環(huán)節(jié)［11］，從而使得D-LFT工藝更為便捷與直接。此外，由于樹脂基體在D-LFT工藝中僅經(jīng)歷一次熔化工序，可有效減少樹脂基體的降解現(xiàn)象，進而保持材料穩(wěn)定的力學性能。

另外，模壓成型過程中會產(chǎn)生各種復雜的材料流動現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會產(chǎn)生對結構性能有害的缺陷。理解這些現(xiàn)象對于優(yōu)化制造工藝和實現(xiàn)工藝模擬、減少在設置新生產(chǎn)線期間所需的試驗量是至關重要的。目前的發(fā)展趨勢就包括開發(fā)相關的工藝過程數(shù)值模擬鏈，以便準確預測預成型和材料流動現(xiàn)象。在成型過程中纖維微觀結構的演變、樹脂基體的固化以及相關的殘余應力相互耦合在一起，通過數(shù)值模擬能預測其相互之間的聯(lián)系，這對于減少循環(huán)周期時間和生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是非常重要的。如圖8所示，為了評估模壓成型條件對SMC部件結構性能的影響，通過物理過程鏈和虛擬（數(shù)字）過程鏈之間的結果相互映射，能夠對模壓成型SMC部件的結構響應產(chǎn)生準確的預測。

4結語

SMC通常以熱固性樹脂為基體相，玻璃纖維為增強相，采用加熱壓的方式成型，具有成型速度快、生產(chǎn)效率高、制品尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但制品的韌性相對較低；GMT則通過玻璃纖維氈與熱塑性樹脂的復合成型，具有較高的抗沖擊性能和尺寸穩(wěn)定性，但其生產(chǎn)成本相對較高；LFT則依賴于長纖維與熱塑性樹脂的混合成型，兼具高強度、高模量和低翹曲等特點，但其在纖維長度和分布上存在一定的挑戰(zhàn)。D-LFT工藝省去了由供應商提供中間產(chǎn)品的環(huán)節(jié)，使D-LFT工藝更為便捷與直接。

隨著復合材料應用領域的不斷擴大和人們對制品性能要求的提高，模壓成型工藝將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。目前模壓成型的發(fā)展趨勢是模壓過程數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬能夠更好的預測纖維微觀結構的演變、樹脂基體的固化和殘余應力之間的聯(lián)系，能夠減少循環(huán)周期時間和生產(chǎn)出高質(zhì)量復合材料制品。

參 考 文 獻

［1］劉雄亞，謝懷勤. 復合材料工藝及設備［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2014：73-156.

［2］陳宇寧，曲廣巖，王維，等. 自頂向下參數(shù)化建模設計方法在模壓成型工藝中的應用［J］.纖維復合材料，2022，39（03）：136-139.

［3］朱楠，彭德功，李軍，等. 復合材料模壓成型工藝研究［J］.纖維復合材料， 2020，37（02）：33-35.

［4］董鵬，劉甲秋. 復合熔芯用于復合材料模壓成型的研究 ［J］.纖維復合材料， 2014，31（02）：26-30.

［5］楊斌，閆紅英，楊曉軍. 2.5D碳/酚醛模壓復合材料的性能研究 ［J］.纖維復合材料， 2013，30（04）：45-48.

［6］D.Nichols， Glass-mat thermoplastics form structural parts［J］. Advanced Materials &， Processes.1994：29-33.

［7］H.Hadiji， M.Assarar， W.Zouari， F.Pierre， K.Behlouli， B.Zouari， et al. Damping analysis of nonwoven natural fibre-reinforced polypropylene composites used in automotive interior parts［J］. Polym. Test.2020：106692.

［8］Y.Wan，J.Takahashi. Development of carbon fiber-reinforced thermoplastics for mass produced automotive applications in Japan［J］.，Compos.Sci.5 （2021） 86.

［9］T.Ishikawa， K.Amaoka， Y.Masubuchi， T.Yamamoto， A.Yamanaka， M.Arai， et al. Overview of automotive structural composites technology developments in Japan［J］.Compos. Sci. Technol. 2018：221-246.

［10］胡濤， 楊斌， 楊曉軍，等. 組合式雙腔模壓模具的設計及應用 ［J］. 纖維復合材料， 2013，30（03）：45-47.

［11］W.Krause， F.Henning，et al. LFT-D—a process technology for large scale production of fiber reinforced thermoplastic components［J］.Thermoplast. Compos. Mater. 2003 （16）：289-302.