樹脂基復(fù)合材料常用成型工藝概述

孫霞

（山東英特力新材料有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

樹脂基復(fù)合材料常用成型工藝概述

Overview of commonly used molding process for resin-based composite material

孫霞

（山東英特力新材料有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

本文總結(jié)了幾種常用的復(fù)合材料成型工藝方法，簡述了各方法的工藝流程，分析了各種方法的優(yōu)缺點。

復(fù)合材料；成型工藝；模壓；VARI

復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬材料或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，至少包括兩種以上的獨立化學(xué)相，按性能要求人為設(shè)計和制造，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得各單一組元所沒有的綜合優(yōu)良性能，可以通過材料設(shè)計使各組分的性能相互補(bǔ)充，并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。按基體的性質(zhì)，復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料［1,2］。

樹脂基復(fù)合材料是由以有機(jī)聚合物為基體的纖維增強(qiáng)材料，通常使用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等纖維增強(qiáng)體。樹脂基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點：第一，比模量、比強(qiáng)度高；第二，抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的20%～50%，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料［3］的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的70%～80%；第三，減震性好；第四，過載安全性好；第五，具有多種功能（耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能、有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能）；第六，成型工藝簡單；第七，材料的結(jié)構(gòu)、性能具有可設(shè)計性。

因此復(fù)合材料在航天航空、交通運輸和運動器材等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料制品種類繁多，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)鎮(zhèn)，成型工藝和方法也不斷完善，最常用的工藝有以下幾種。

1 手糊成型工藝

手糊成型工藝起源早，操作簡單，具有很重要的地位，不可替代。手糊成型工藝屬低壓接觸成型工藝顧名思義，手糊工藝的主要工作都是手工完成的，一些設(shè)備、工具只是完成輔助性工作。手糊工藝鋪層根據(jù)需要隨時可調(diào)，可增可減，操作自由度大，只需簡單的操作工具和模具以及簡易的場地，對設(shè)備的依賴性小，投資小，上馬快，產(chǎn)品尺寸和形狀不受限制缺點是生產(chǎn)效率低，勞動條件差，勞動強(qiáng)度高，需要操作經(jīng)驗和技巧，產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作水平依賴大不易控制，同時產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能也不如其他工藝方法適于多品種、單件或小批量生產(chǎn)，不受制品尺寸和形狀的限制。

玻璃鋼模具是手糊制品中最普遍使用的模具，優(yōu)點是對產(chǎn)品尺寸形式的適應(yīng)性強(qiáng)，制造工藝簡單，表面粗糙度高，有足夠的強(qiáng)度和剛度，脫模時可承受敲打和沖擊，可多次重復(fù)使用，滿足中等批量的生產(chǎn)要求。

2 模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定量的經(jīng)過預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的金屬模腔內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔。在預(yù)定的溫度條件下，模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化，然后將制品從模具內(nèi)取出，再打磨毛邊和表面處理等輔助加工即得到最終制品。在模壓料充滿模腔的流動過程中，不僅樹脂流動，增強(qiáng)材料也要隨之流動，所以模壓成型工藝的成型壓力較其他工藝高，屬于高壓成型，它既需要能對壓力進(jìn)行控制的液壓機(jī)，又需要高強(qiáng)度、高精度、耐高溫的金屬模具。模壓成型工藝所用模具制造復(fù)雜，需要具備加熱、加壓設(shè)備，如電熱板、液壓機(jī)等，投資較大，適合大批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品。

根據(jù)模壓料中基體樹脂與增強(qiáng)材料的浸漬方式不同，模壓成型工藝可分為濕法成型工藝和干法或半干法成型工藝。濕法成型工藝即基體樹脂在成型時和增強(qiáng)材料同時加入模腔，如手糊模壓和預(yù)成形坯模壓。干法或半干法成型工藝是指基體樹脂在成型前就已與增強(qiáng)材料充分混合浸漬，制備成模壓料，在成型時直接放入到模腔中，大部分模壓方法都屬于干法模壓成型工藝。

模壓成型工藝始于1909年，模壓成型工藝采用金屬對模，能精確保證模壓制品的形狀和尺寸要求，制品結(jié)構(gòu)致密且內(nèi)外表面光滑，制品重現(xiàn)性好，操作者和外界條件的影響小，可成型異形制品，生產(chǎn)效率高，成型周期短。

隨著SMC、BMC和新型模塑料的出現(xiàn)，模壓成型工藝發(fā)展很快，在世界各地得到廣泛應(yīng)用。我公司采用該工藝生產(chǎn)碳纖維層合板、夾芯板、設(shè)備機(jī)殼、汽車輕量化結(jié)構(gòu)件等制品。

3 RTM成型工藝

RTM（Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模塑）是在模腔中鋪放設(shè)計好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，在壓力或真空或兩者共同的作用下將低粘度、反應(yīng)性的熱固性液態(tài)樹脂注入模腔，樹脂將模腔中的空氣排出，同時浸潤纖維，樹脂在流動充模的過程中完成對增強(qiáng)材料預(yù)成型體的浸潤，注射過程結(jié)束，樹脂開始固化，固化達(dá)到一定程度后開模，取出制品。

RTM是一種閉模成型工藝，增強(qiáng)材料與樹脂的浸潤由帶壓樹脂在密閉模腔中快速流動來完成，是一種低成本、高質(zhì)量的低壓注射技術(shù)（注射壓力小于0.4 MPa），可制備大尺寸、復(fù)雜外形、兩面光滑的整體結(jié)構(gòu)。模具的選擇范圍較為廣泛，如鋼模、環(huán)氧模具、聚酯模具、電鑄鎳模具等。RTM成型工藝廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng)域。

4 VARI成型工藝

VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion，真空輔助成型工藝）是在真空狀態(tài)下排出纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下固化成型，形成一定纖維/樹脂比例的工藝方法。該工藝方法只需真空壓力，無需額外壓力，整個操作工藝都在常溫下進(jìn)行，無需加熱（根據(jù)個別樹脂固化條件，有些需要中高溫后固化）。樹脂在真空作用下完全滲透蒙皮和夾心結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度提高，減少了二次膠接等引入的缺陷和復(fù)雜工序。

VARI是RTM工藝的衍化和改進(jìn)。VARI工藝不需要閉合的、承受注射壓力的模具，也不需要成型壓力，只需要一個在真空下不會漏氣的單面模具和一個簡單的真空袋。同事VARI減少了預(yù)浸料的冷藏儲存，減少了吸膠材料、透氣材料、剝離材料等輔材的消耗。

采用VARI工藝制造的復(fù)合材料直接，孔隙率低、制件性能高，且節(jié)約工時，降低制造成本，更適合大厚度、大尺寸的制品，經(jīng)濟(jì)且安全，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、船舶工藝、游艇艦艇、保溫隔熱箱體、公共基礎(chǔ)設(shè)施等各個領(lǐng)域。我公司采用該工藝生產(chǎn)車廂、汽車覆蓋件等產(chǎn)品。

復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，已存在的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)，比較成熟的工藝有熱壓罐工藝、噴射成型工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、真空袋壓成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝等。本文僅列舉了我公司幾種常用的復(fù)合材料成型工藝方法，幾種工藝成型方法各有優(yōu)勢，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和性能需求選擇合適的生產(chǎn)工藝，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

［1］ 趙渠森主編. 先進(jìn)復(fù)合材料手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.5.

［2］ 益小蘇，杜善義，張立同主編. 復(fù)合材料手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.6.

［3］ 唐見茂. 碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望. 航天器環(huán)境工程，2010.6，第27卷第3期.

TQ320.66

1009-797X （2015） 18-0035-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.015

孫霞（1987-），女，助理工程師，物理化學(xué)碩士畢業(yè)于長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，研究方向為樹脂基復(fù)合材料制品成型工藝及應(yīng)用技術(shù)研究。

2015-08-07