復合材料纏繞成型技術的多樣化發展

鄭偉峰，譚昌柏，袁鐵軍、3，周來水

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016;2.廣東海洋大學 工程學院，廣東湛江 524088;3.鹽城工學院機械學院，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

目前，樹脂基纖維增強復合材料固化成型工藝有幾十種，主要成型工藝有手糊成型、袋壓成型、噴射成型、模壓成型、連續成型和纏繞成型等等。其中，纏繞成型工藝具有生產率高，可生產大型制件，以及制件可設計性強、強度高、精度高等突出的優點，因而在航空航天、軍工及民品方面得到廣泛應用［1］。如直升飛機復合材料傳動軸采用纏繞工藝制成，比傳統其他材料傳動軸具有抗疲勞、共振頻率高等優點［2］。

纏繞成型工藝的芯模、產品固化工藝和固化加壓方式對其復合材料制件的尺寸精度和形狀精度以及制件的力學性能都會產生至關重要的影響。隨著纏繞成型工藝的廣泛應用，針對不同纏繞成型對象，芯模、固化工藝以及固化加壓方式都呈多樣化趨勢發展。

1 芯模多樣化

芯模設計和具體選用就基本決定了制件的幾何尺寸。另外，在纏繞和固化過程中芯模要支撐未固化復合材料，保證其外形尺寸及精度。在復合材料制件加熱固化和冷卻過程中，由于增強纖維、樹脂基體和芯模材料熱膨脹系數的差異，復合材料制件會產生內應力及固化變形，最終影響制件形狀精度和尺寸精度。因此，芯模設計是纏繞成型工藝的關鍵環節之一。

芯模按使用次數分為一次性芯模和重復使用芯模。

1.1 一次性芯模

一次性芯模多為形狀結構比較復雜的芯模，脫模比較困難的情況。一次性芯模又分為永久性芯模和一次性使用芯模。永久性芯模是制件的一部分，常用鋁合金芯軸或其他芯軸，浸膠纖維纏繞其上后固化，即可得帶有鋁合金芯軸的復合材料制件。一次性使用芯模常分為可破碎性芯模和可溶(熔)性芯模。

a)可破碎性芯模

可破碎性芯模可采用石膏芯模，具有可拆卸、剛性高、易加工、成本低的優點。但石膏本身強度較低，容易造成石膏層環向和45°方向的開裂，所以，通常會在石膏中加入尼龍片或金屬骨架［3］。

b)可溶(熔)性芯模

Ehleben［5］用樹脂作為可熔性芯模，纖維纏繞完成后，加熱熔化樹脂芯模，高速旋轉制件及芯模，利用離心力，將樹脂芯模變為樹脂基體填充到纖維周圍，冷卻固化得到纏繞產品。

1.2 重復使用芯模

重復使用芯模可以多次利用，必須在復合材料固化后能夠順利和制件分離，同時保持制件完整并具有一定形狀精度。重復使用芯模常采用金屬模具和復合材料模具。

a)金屬模具芯模

金屬模具使用壽命長，表面粗糙度低，尺寸精度高，可加壓加熱，易加工，可重復使用，大量生產時成本較低。缺點是質量大，模具加工周期長，模具精度一旦出現誤差，產品會有復制效應。另外，金屬模具材料和復合材料的熱膨脹系數往往差異較大，從而固化時導致內應力、固化變形。為了減輕模具質量以及因模具自身質量而引起的彎曲變形，陳汝訓［6］采用空心芯模具代替實心芯模，減小了型芯的彎曲變形。

b)復合材料模具芯模

為克服金屬模具的缺點，復合材料模具成為研究熱點。復合材料模具質量輕、剛度大，具有與復合材料制件匹配的熱膨脹系數，所制造的制件尺寸精確度高，從而得到了越來越廣泛的應用，復合材料模具將成為復合材料成型模具的發展趨勢［7］。但制造復合材料模具必須有母模，母模的設計和制造要求非常高，制造成本大，而且復合材料模具存在使用壽命短、表面膠衣層脫落、漏氣、返修率比較高等問題。

表15和16給出了LAS及本文方法的迭代過程及設計點處可靠度值。表17給出了本文方法迭代點處的局部采樣半徑值。可以看出，相較于LAS方法，本文方法每次迭代所需的樣本點更少，最終求解也更為準確。

2 固化工藝多樣化

纖維增強樹脂復合材料的固化過程是基體材料從液態變為固態的過程，整個固化過程是一個復雜的熱、化學和力學性能急劇變化的過程，由于熱效應和化學反應效應導致殘余內應力以及變形產生，因此復合材料基體的固化過程相當重要。目前固化方式主要有熱固化、輻射固化與微波固化等。

2.1 傳統的熱固化

通常通過烘箱、熱壓機或熱壓罐固化，制件在加熱固化時，熱量由制件材料外部向內部通過熱傳導傳遞，因此固化速度慢、周期長、成本高;材料內部存在溫度梯度，造成沿厚度方向上的固化度不同，使樹脂固化很難均勻和完全，易產生較大內應力及固化變形。

a)固化溫度技術

為了降低成本、改善制件性能及控制制件變形，研究人員嘗試通過改變樹脂固化溫度，研究和發展高溫固化技術(180℃左右)、中溫固化技術(120℃左右)、低溫固化技術(80℃左右)甚至室溫固化技術(25℃左右)。例如耐高溫聚酰亞胺通常固化溫度在300℃左右，通過研究，新型聚酰亞胺樹脂的固化溫度為200℃左右。但是，一般來說，樹脂基復合材料的固化溫度越低，預浸料在室溫下的適用期就越短，貯存難度增加［8］。

b)內加熱固化技術

生產高壓玻璃鋼管，傳統的熱固化工藝是外加熱固化工藝，即熱量從纏繞制品外部向里面傳導，熱量傳導過程中，使樹脂基體固化，固化效率低、品質差。采用內加熱固化工藝，將浸漬樹脂的纖維纏繞在可加熱的金屬芯模外面，模腔中的熱能通過金屬管壁可直接傳給纖維樹脂層，這種工藝可極大地提高固化效率和品質［9］。

c)分層固化技術

對于纏繞層較厚的制件要采用分層固化，如對600 MW汽輪發電機用纏繞玻璃鋼大錐環，采用分層固化，三次纏繞，三次固化，最終制出產品。分層固化使纖維的位置及時得到固定，避免因纏繞層較厚而導致纖維內松外緊、纖維折皺松散現象，降低樹脂含量沿壁厚不均現象，保證大錐環內外品質的均勻性［10］。陳利民［11］等生產纖維纏繞厚壁管時，在內外層纖維浸膠環氧樹脂固化體系中加入不同含量的促進劑，采用一次纏繞、固化，內外層不同固化速率方法，達到分層固化的目的。

另外，熱固化工藝還有大量研究試圖通過優化工藝參數如溫度、壓力及加壓點、升降溫速率和保溫時間等，提高制件力學性能、減小熱固化產生的變形，或者通過模具設計補償制件的固化變形。

2.2 電子束固化

利用高能電子束誘發樹脂分子聚合固化，工藝操作性簡單，可選擇區域固化，也可以實現室溫或低溫固化，溫升一般在50℃70℃，固化過程中溫度梯度小，減小了固化產生的內應力和固化變形，尺寸穩定性好，固化時間短，高效節能，對環境危害小，適用于各類聚酯樹脂，樹脂保存時間長，與傳統熱壓罐相比，可節約約20%成本。缺點是設備投資大，電子束的穿透性嚴重依賴設備，對固化材料有選擇性，只適用于少部分環氧樹脂。

包建文［12］等針對碳纖維增強環氧樹脂M40/EB99-1用濕法纏繞工藝結合電子束固化技術制備復合材料，并與M40/5 228等熱固化復合材料的性能進行了比較，除了剪切強度稍遜于熱固化復合材料外，其它常規力學性能及耐熱疲勞性能都優于熱固化復合材料。而后，其團隊繼續研究開發了其他適用于電子束固化的環氧體系［13］。

2.3 微波固化

利用極性物質在微波電磁能的作用下發熱的機理，使用微波固化樹脂基復合材料，微波固化技術具有易于控制、傳熱均勻、固化變形小、加熱效率高、固化速度快、能夠改善界面性能等優點。但微波固化對設備要求高，設備投資大，對樹脂也有很強的選擇性，只適用于部分吸收微波能力較強的樹脂［14］。

研究表明采用微波固化的方法可以顯著縮短反應時間，環氧/DMP30體系的彎曲性能和抗沖擊性能隨輻照時間的延長而提高［15］。通過對不飽和聚酯樹脂微波固化特性進行研究發現，微波加熱凝膠固化時間比熱固化快幾倍至20多倍，熱性能、力學性能基本相當［16］。

3 固化加壓方式多樣化

樹脂基纖維增強復合材料在固化時，通常需要加壓擠出多余樹脂，降低材料的孔隙率，保證制件材料密實、無氣泡。樹脂基纖維增強復合材料在加壓固化過程中，一般經歷三個階段，密實化固結、基體流動和纖維網絡變形。加壓的大小和時機尤為重要，加壓太早，樹脂還沒有固結或者沒有固結到一定程度時加壓，樹脂還為液態不能抵御壓力而大量流出，導致最終制件含膠量過低，制件不合格;加壓太晚，樹脂體系已完全固結，壓力的施加對改善復合材料的品質和性能不能產生明顯效果［17］。

纏繞復合材料固化加壓的工藝方式通常有熱壓罐工藝、熱脹工藝和熱縮工藝，還有采用離心力使樹脂流動填充到纖維縫隙里的工藝方法［5］。

3.1 熱壓罐加壓

加壓的時機和壓力大小完全由人為控制，控制起來自由靈活;缺點是很難把握恰當的加壓時機。一般在生產實踐中以溫度作為參考，依據生產者的經驗，選擇加壓時機，完全依靠經驗勢必難以保證穩定的固化品質。趙書婧［18］以樹脂粘度為參考量，選擇加壓時機取得了良好的效果。

3.2 膨脹芯模成型加壓

通常采用剛性材料作陰模，熱膨脹系數較大且穩定的材料(如硅橡膠)作芯模，浸膠纖維纏繞在芯模上，置于陰模中加熱時，芯模體積膨脹加上陰模空間上的限制，樹脂及增強纖維在固化過程中受壓。膨脹芯模工藝具有無須加壓設備作外壓力源，脫模容易等優點，但也有熱脹壓力不易控制，芯模內部存在溫度梯度等缺點［19］。羅輯［20］指出硅橡膠芯模中硅橡膠的厚度對溫度分布影響較大，硅橡膠厚度為5 mm時，溫度分布比較均勻;調整工藝間隙對加壓點和壓力大小有很大影響。

3.3 熱縮成型加壓

熱壓罐工藝用于制造管件時，成型管件表面經常會出現折皺、條紋或富膠等缺陷，原因是熱壓罐成型加壓時，復合材料疊層被壓緊，導致環向纖維松弛，纖維在壓力作用下彎曲、打折。另外，加壓成型時輔助材料，如真空袋、透氣氈等，被壓縮產生皺折，這些皺折會印在軟化的復合材料疊層上。

熱縮成型工藝采用熱縮材料纏繞在制件上，制件在加熱固化時，利用熱縮材料的熱縮特性對復合材料制件加壓，防止制件表面皺折，提高制件性能。熱縮成型工藝的工藝性非常穩定，生產效率高，經濟效益好。靳武剛［21-22］等采用熱縮成型工藝生產碳纖維復合材料管和碳纖維復合材料彎曲撐桿。熱縮工藝的關鍵在于熱縮材料的選擇，熱縮材料的收縮溫度必須稍低于樹脂體系的凝膠溫度，且有很好的熱穩定性。不同的樹脂體系有各自的凝膠特性，應選擇不同類型的熱縮材料。

4 結束語

芯模、固化工藝以及固化加壓方式的多樣化豐富了纏繞成型工藝的手段和方法，增加了纏繞復合材料制件的種類，拓寬了纏繞復合材料的應用范圍，促進了纏繞復合材料向更高尺寸精度和形狀精度、更快生產效率和更強的力學性能發展。總之，在多方面技術共同迅速發展的促進下，樹脂基纖維增強纏繞成型復合材料制件性能不斷提高，必將取代更多傳統承力件，在航空航天、軍工以及民用方面占據一席之地。

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