復合材料邊條RTM成型工藝研究

□宋喆慧

一、引言

樹脂傳遞模塑法簡稱RTM法，是通過較低的成型壓力將一定配比的樹脂基體輸送到預放了增強材料的閉合模中，在閉模中浸漬增強材料而獲得復合材料制品的方法。RTM成型工藝與其它復合材料成型工藝相比，其生產效率較高、生產環(huán)境較好，并且生產的制品具有較好的外觀[1]。

高性能復合材料在各種先進武器裝備上擴大應用的主要障礙是成本太高，因而復合材料低成本技術是目前樹脂基復合材料發(fā)展的主要方向之一。在航空航天領域，由于RTM制件的高減重和低成本優(yōu)勢，RTM工藝得到了廣泛的應用。F-22是引領RTM工藝在主承力結構中應用的重要實例，在F-22原型機項目中，有325個零件用該法制造[2]；A330/340的擾流器、A380客艙后密封加筋球形隔墻等均采用RTM工藝，在重量下降10%～15%的情況下，價格僅與金屬材料持平[3]。目前，導彈的鼻錐、整流罩等構件都有報道采用RTM工藝制造。

本文以復合材料邊條進行工藝研究。該零件為細長結構,其截面為一雙臺階結構(如圖1所示)。這種長度方向上的嚴重不對稱幾何特點，在采用真空袋-熱壓罐法成型時，易于出現由于上下面成型收縮應力的不均衡導致垂直于厚度方向中面的嚴重變形，從而使制件出現面外的翹曲。而寬度方向的幾何不對稱，則同樣由于收縮應力的不均衡易導致面內的彎曲變形，從而使其與其它零件裝配時出現困難。因此，本文采用RTM工藝成型，以解決上述問題。

圖1 復合材料邊條結構

二、試驗部分

(一)原材料。6421雙馬RTM樹脂；G0827碳纖維機織物；碳纖維氈。

(二)工裝方案。由于制件較長，成型溫度較高，因此模具采用鈦合金材料，減少模具收縮與制件不匹配造成制件損傷及變形的可能性。合模及鎖模采用框架多點式螺旋壓緊方式，直銷對位。模具上設計吊裝機構及開模頂出機構。設計移動小車保證系統(tǒng)成型過程在烘箱中方便進行。

模具密封系統(tǒng)采用雙道單面矩形槽/橡膠圓條密封方式。橡膠圓條采用耐高溫的硅橡膠條，確保模具密封性。

進膠口位置在制件薄端外側，出膠口寬度方向布置在有耳片的厚邊一側，長度方向盡可能均布。分流道為矩形截面淺槽，寬度覆蓋流道。

(三)固化工藝。樹脂注射后,固化過程為臺階式固化：160℃/1h～180℃/2h～200℃/8h～10h。

三、結果與討論

(一)6421樹脂RTM成型工藝性。通過試驗，6421雙馬RTM樹脂有很好的成形工藝性。在90℃～130℃之間有大于5h的低粘度(粘度≤400cps)時間,對于RTM注射工藝有較長的成型保證期，適合于較大型尺寸制件的制備。

(二)邊條鋪設。邊條承力較小，鋪層方式是外層連續(xù)G0827碳纖維單向機織物包裹內層碳纖維氈的組合結構。根據邊條截面形狀尺寸，確定其不同截面處的鋪層厚度及鋪層長度方向位置，其中芯材鋪層以邊條長度方向為0°方向。

(三)預定型方案。增強材料預定型是為了保證合模過程的順利進行。根據復合材料邊條結構：蒙皮材料整體包裹芯材，且蒙皮結構形式含有小尺寸臺階，不易鋪貼，因此采用芯材陰模分片定型，蒙皮陽模整體定型的方案。分片定型的芯材組合在一起，經過修剪后與蒙皮二次組合成整體結構裝模合模。

定型工藝為：保持真空壓差大于0.085MPa，在烘箱中升溫預定型，室溫以0.2℃～3℃/min的升溫速率升溫至120℃±3℃，保溫110～130min后，停止烘箱加熱并降溫，保持真空至60℃以下。拆去真空，脫模。

(四)樹脂注射。樹脂在注射前應先進行真空脫泡處理，注射過程中模具和注膠設備應進行加熱處理，結合邊條結構特點，樹脂注射時采用多級臺階式壓力注射，壓力范圍為0.05～0.35MPa，注膠時間不多于8h，觀察模具出膠口樹脂流動狀態(tài)，當所有的出膠口均有樹脂流出，且樹脂中不含有氣泡時，注膠過程結束。

四、檢驗

(一)G0827/6421復合材料性能。G0827/6421復合材料有較好的綜合力學性能。耐濕熱性能超過了150℃，能滿足邊條的使用要求。

(二)制件尺寸和直線度測定。對成型后零件進行尺寸和直線度測定，檢測結果合格。

(三)外觀檢查。成型后的零件表面光滑、平整。

五、結語

第一，采用RTM工藝制造的復合材料邊條，具有較好的綜合力學性能；第二，工裝方案合理，能滿足樹脂注射和密封性的要求；第三，預制體預定型后，使碳纖維機織物和碳纖維氈成為一整體，提高了對預制體切割、剪裁的穩(wěn)定性；第四，通過采用RTM成型工藝，減小了邊條面內變形的幅度，直線度偏差控制在±2.0mm以內，滿足后續(xù)工序的要求。