复合材料的成型工艺.docx

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复合材料的成型工艺

复合材料的成型工艺

图1：

热固性复合材料最基本的制备方法是手糊，通常包括将干层或半固化片层用手铺设到模具上，

形成一个积层。

图中展示的是自由宇航公司的技术员（佛罗里达州墨尔本）正在通过手糊工艺

加工一个碳/环氧预浸料，将用于制造通用航空飞机部件。

资料来源：

自由宇航公司

   在复合材料的加工成型过程中会使用一系列模具，用来给未成形的树脂及其纤维增强材料提供一个成型的平台。

手糊（handlayup）成型是热固性复合材料最基本的制备方法，即通过人工将干层或半固化片层铺设到模具上，形成一个积层。

铺层方式分为两种：

一种称为干法铺层，是先铺层后将树脂浸润（例如，通过树脂渗透方式）到干铺层上的方式，另一种方式是湿法铺层，即先浸润树脂后铺层的顺序。

   现在普遍使用的固化方式可以分为以下几种：

最基本的是室温固化。

不过，如果提高固化温度的话，固化进程也会相应加快。

比如通过烤箱固化，或使用真空袋（vacuumbag）通过高压釜固化。

如果采用高压釜固化的话，真空袋内通常会包含透气膜，被放置在经手糊的半成型制品上，再连接到高压釜上，等最终固化完成后再将真空袋撤去。

在固化过程中，真空袋的作用是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，将产品中汇总的气体排出，从而使产品更加密实、力学性能更好。

图2：

热压釜独有的高温和高压条件使其成为完成热固性树脂零部件的固化的重要工具。

控制软件的改进则能够帮助经营者提高35-40%的生产量。

同时，一些新的树脂配方正在开发当中，将通过低压固化处理。

图中是Helicomb国际公司（俄克拉荷马州塔尔萨）的一名操作人员正在使用高压釜进行固化处理。

来源：

Helicomb国际公司

   许多高性能热固性零件都需要在高热高压的条件下完成固化。

但是高压釜（Autoclaves）的设备成本和操作成本都较昂贵。

采购高压釜设备的制造商通常会一次性固化一定数量的部件。

对于高压釜的温度，压力，真空和惰性气体（inertatmosphere）等一系列参数，计算机系统能帮助实现远程甚至无人监控和检测，并最大限度地提高该技术的利用效率。

在加温固化的时候，温度首先由局部升起，再逐渐达到整体均匀的效果，然后按照设定值保持一定的时间直至初步固化完成。

但是，不能忽视的一步是冷却，温度必须缓缓下降至室温，这是为了避免由于不均匀的热胀冷缩而导致部件的失真或变形。

当固化完成之后，部件要进行脱模处理，另外还有一些部件还要经过二级独立后固化（postcure）处理，在此期间的温度通常比初始固化的温度高，目的是为了提高树脂材料的交联密度（crosslinkdensity），从而获得更好的材料性能。

   电子束（Electron-beam）固化是一种适用于薄层板的有效的固化技术。

电子束固化是通过电子流对手糊成型的复合材料产生电离辐射，在辐射敏感型树脂中产生聚合和交联反应（crosslinkingreaction）。

X射线和微波固化技术的工作方式与此类似。

此外，还有紫外线（UV）固化，该程序是利用紫外线辐射来激活热固性树脂中的光引发剂（photoinitiator），从而引发交联反应。

紫外线固化需要光渗透树脂和增强材料。

紫外线（UV）或电子束（E-beam）是辐射固化的一种先进手段，能够引发具有化学活性的液体配方，在基体表面实现快速反应的固化过程，这正是区别于传统热固化技术的最大特点。

紫外线与电子束虽然都属于辐射固化，但两者不尽相同，紫外线是一种电磁辐射，而电子束却是经加速的高能电子流。

   目前正在兴起的一种技术是对固化本身的监测。

介电固化监测器（Dielectriccuremonitors）是通过测量树脂中离子的传导性能（小，极化，相对较少杂质）来监测材料的固化程度。

离子通常倾向于向电极相反的一极移动，但移动的速度受限于树脂粘度——即粘度越高，速度越慢。

正如在固化过程中，随着交联反应的进行，树脂粘度也随之增加。

其他方法还包括树脂偶极监测（dipolemonitoring），由交联反应产生的微伏监测，用以对聚合物在固化过程中的放热反应（exothermicreaction）的监测；此外，还有一种方式是通过光纤技术（fiber-optictechnology）进行红外线监测（infraredmonitoring）。

   另外一个值得注意的技术是高性能复合材料部件的低压固化（OOA，out-of-autoclave）。

热压釜系统昂贵的成本让不少材料制造商望而却步，特别在航空航天领域对低压固化（OOA）的呼声越来越高，因为低压固化只需要烤箱，甚至在室温下就能完成热固化，这就意味着较少的资本投入，和与热压釜相比而言较低的运行成本，尤其是对制造大规模的部件而言。

先进复合材料集团（ACG，位于英国希诺）推出了世上第一款树脂低压固化设备，是为航空应用的环氧树脂而开发设计的。

低压固化的环氧树脂和粘合剂将在不久的未来成为市场上炙手可热的产品。

1.开模工艺技术

   开模成型技术（openmolding）是制造玻璃纤维复合材料产品被最普遍采用的低成本成型技术。

该技术通常用于船体和甲板、房车零部件、卡车驾驶室和挡泥板、温泉、浴缸、淋浴间、和其他规模较大并且形状不复杂的部件的制造。

手糊（handlayup）和一些半机械化技术，如喷射（sprayup）都属于开模成型技术。

   通常，在一个开放的模具中进行喷射成型时，首先要对模具进行脱模处理。

喷涂胶衣通常在模具脱膜处理后再进行。

待胶衣固化后，才能在模具上进行喷射。

在此过程中，连续玻璃纤维通过切割器按照规定的长度切成较短的纤维纱，与喷枪中喷出的催化树脂（粘度在500到1000cps之间）混合成短纤维树脂流一起喷入模具中。

为了减少有毒性有机化合物（VOCs）的挥发量，各设备制造商近年开发了许多新的技术，例如，采用低压喷射技术或非雾化喷射技术（non-atomizingspray），即采用液态喷头在低于喷射产生雾化的压力的条件下使喷头喷出的胶衣和树脂成液态流的扇面，也就是非雾化状态。

另一种方式是滚筒浸渍技术（rollerimpregnator），是将树脂泵入一个类似于油漆滚筒的设备中，待充分混合后再由喷枪喷出。

   喷射成形的最后一步是先用手工和滚筒辊压积层直至层间紧凑，之后，再在积层之间加入木材，泡沫或其他夹芯材料进行固化，待冷却后，将成形的产品从可重复使用的模具上移出。

在开模成形过程中，手糊和喷射方法都是被最普遍采用的成形技术，用以达到降低劳力的目的。

例如，织物可能首先被置于压力较高的位置，然后用切割器切成短切纤维，再用喷枪将短切纤维和树脂混合喷到积层上成形。

随后，在初步成形的积层中加入软木或泡沫夹芯材料。

典型的喷射成形制品的玻璃纤维量在百分之十五左右，而手糊成形的约为百分之二十五。

   喷射成形技术虽然曾经是最普遍使用的生产方法，近年来一直走下坡路，渐渐失宠于各大制造商。

主要是由于美国联邦以及欧盟纷纷出台法规规定对工人接触的限制，以及限制挥发性有机化合物（VOCs）和有害空气污染物（HAPS）在喷射作业环境中的排放量等。

苯乙烯（Styrene），这种最常见的热固性树脂稀释剂，无论在挥发性有机化合物，还是有害空气污染物的名单上都“榜上有名”。

考虑到工人接触产生的身体伤害，以及控制喷射过程中排放的苯乙烯的困难程度和昂贵的成本，许多制造商在渐渐向闭模工艺靠拢，例如采用树脂渗透工艺加工能将苯乙烯包裹起来，更好的处理苯乙烯挥发的问题。

   虽然开模成形工艺正在逐渐被效率更高，和技术更精确的工艺逐渐取代，但目前仍广泛应用于如复合材料零件的修复等领域。

树脂渗透工艺：

   随着行业发展对生产速度提出更高的需求，单依靠传统的手糊成型工艺已经难以满足日益增长的市场需求，因此，加工工艺的自动化是顺应这一潮流的必然趋势。

   最常见的自动化成型工艺是树脂传递模塑工艺（RTM-ResinTransferMolding），有时也被称为液体成型工艺（LiquidMolding）。

树脂传递模塑工艺是一种十分简单的成型工艺：

其原理是首先在金属或复合材料制成的闭合模具中铺放干增强材料预成型体（preform），然后将树脂和催化剂按照一定比例计量并充分混合，再采用注射设备通过注射口（injectionports）利用压力注入到模具中，使树脂按照预先设计的路径浸润到增强材料上的过程。

树脂传递模塑工艺要求极低粘度的树脂，特别是当预成型体较厚时，较好的树脂的流动性能够确保更及时和更充分的浸润效果。

如有需要，模具和树脂可以进行加热，但是RTM成型工艺的固化无需使用热压釜。

但是，一部分应用于高温的制品通常在脱模后还要进行后固化（postcure）。

大多数RTM的应用程序都采用双组分环氧树脂配方（two-partepoxyformulation）：

双马来酰亚胺（Bismaleimideresin）和聚酰亚胺树脂（polyimideresin）。

组分的配方过程不会提前太早，通常在注射前进行。

   轻型树脂传递模塑工艺（LightRTM）是近年来发展较快的低成本成型工艺，是树脂传递模塑工艺（RTM）的变体工艺。

轻型树脂传递模塑工艺不仅具备RTM工艺的所有特点，还降低了成型工艺对一系列指标的要求，例如，注射压力，真空耦合（coupledwithvacuum），和模具的造价和刚性指标。

   树脂传递模塑工艺（RTM）具有许多显著的优点。

一般来说，在树脂传递模塑工艺过程中所使用的干预成型体和树脂材料的价格都比预浸料便宜，而且还可以在室温下存放。

利用这种工艺可以生产较厚的净成形零件，同时免去许多后续加工程序。

该工艺还能帮助生产尺寸精确，表面工艺精湛的复杂零件。

树脂传递模塑工艺还有一个特点是，能够允许闭模前在预成型体中放入芯模填充材料，避免预成型体在合模过程中被挤压。

芯模在整个预成型体中所占的比重较低，大约在0-2%之间。

简而言之，树脂传递模塑工艺（RTM）可以作为一种高效可重复的自动化制造工艺大幅降低加工成型时间，将传统手糊成型的几天时间缩短为几小时，甚至几分钟。

不同于树脂传递模塑工艺（RTM）预先将树脂和催化剂混合注入模具的顺序，反应注射成型工艺（RIM）的原理是将快速固化树脂和催化剂分别注入模具中。

混合和化学反应过程都在模具中进行，而非在混合头（dispensinghead）中。

许多汽车制造商利用结构反应注射成型工艺（structuralRIM-SRIM）和快速预成型方法相结合的制备方式来制造汽车结构件，生产的产品不需要再进行表面优质感处理（ClassAfinish）。

可编程机器人已发展成为一种常见的喷射手段，它可以将短切玻璃纤维和粘接剂的混合物喷到真空预成型体模具上。

机器人喷射的最大特点是可控制纤维的方向。

另外，还有一个与之相关的技术——干纤维铺设（dryfiberplacement）技术，结合了编织预成型体和树脂传递模塑工艺。

该技术制备的产品的纤维含量高达百分之六十八，由于全程采取自动化控制工艺，确保低气泡含量和稳定的复制成形效果，所制备的产品无需进行修剪。

   真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VARTM）是近年来发展速度最快的新成型技术。

真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VARTM）和标准树脂传递模塑成型工艺（RTM）的主要区别是，VARTM是一种利用真空吸注树脂进入模具的方法，而RTM是利用压力将混合体泵入模具的方式。

真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VARTM）不需要高温或高压。

出于这个原因，VARTM工艺不仅可以采用成本较低的工具，还能够一次性生产复杂的大型零部件。

   在VARTM成型工艺过程中，纤维增强材料被放置在一个单面的模具中，上面覆盖着一层坚硬或有弹性的真空密封膜。

通常树脂是通过设计好的注射口利用真空吸注原理进入模具，然后按照预先设定的路径有计划的渗透到增强材料上，大大简化了纤维的浸润处理（wetout）。

利用该