樹脂基復合材料RTM 成型工藝與特點分析

劉克健

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

近年來，樹脂基復合材料已從最初的軍事防御領域迅速擴展到風力發電、運動器材、交通運輸和醫療設備等多個領域。在樹脂基復合材料的發展過程中，涌現出了一批成型工藝，如手糊、噴射、纏繞、拉擠、模壓、熱壓罐、預浸料袋壓、RTM、自動鋪絲鋪帶等，根據產品獨特的邊界條件，總有一種最合適的工藝與之匹配。在上述工藝中，RTM 工藝由于成本低、效率高、尺寸穩定性好、纖維體積含量高、適合工程批量化生產而得到廣泛的研究和應用。

1 RTM 成型工藝概述

RTM 成型工藝的原理是在硬質模具內表面鋪貼預先設計好的增強纖維或織物，通過另一半硬質模具或軟質袋膜將增強體進行密封包裹，并在真空環境下產生注膠口及出膠口的壓力差，樹脂在此環境下產生沿纖維方向及厚度方向的傳動動力，從而浸潤增強體。樹脂在一定溫度下經過環氧基的開環和相互貫穿而成為三維不溶不熔的固化物。

RTM 工藝制備的復材制品具有損傷容限高，產品尺寸精度高、孔隙率低等突出優點。RTM 成型的關鍵一是有適當的纖維預成型體，二是選擇適當黏度的樹脂或樹脂膜。RTM要求樹脂在注射溫度下的黏度值要小，并且具有足夠長的適用期。隨著新型增強材料結構的不斷創新，編織技術和預成形體技術與RTM 技術相結合，形成了新的工藝發展和應用方向。如采用三維編織技術將增強材料預制成3D 結構，然后再與RTM 工藝復合，也可將纖維織物通過縫紉或粘結的方法，直接預制成制件形狀，再采用RTM 工藝成型復合材料。

2 RTM 成型工藝分類

在RTM 基本成型工藝原理的基礎上，經過大量的科研創新及經驗積累，RTM 工藝又細分出幾個不同的類型，如Light-RTM、真空輔助灌注RTM、RFI 成型工藝、HP-RTM和C-RTM 等。下文分別描述這幾種工藝及各自特點。

2.1 Light-RTM

Light-RTM 也叫輕質RTM，是采用玻璃纖維復合材料等輕質模具在真空輔助條件下，以較低的注射壓力引導樹脂浸潤纖維增強體而成型的模塑成型工藝。該工藝的突出特點是模具采用了質量更輕的材料，工藝操作靈活性大大增強，在初期預算不太充足且制品需求量不是很大的情況下具有非常大的優勢。同時，考慮到輕質材料強度和剛度方面的不足，該類模具一般采用三明治結構，且在模具背面設置鋼質方管進行加強，以防復合材料模具在固化時產生變形。

2.2 真空灌注RTM

真空灌注RTM 也稱為VARI 成型工藝，該工藝利用尼龍袋膜代替產品的一半模具，這樣操作的好處是進一步降低了產品的模具成本，且可更加快速推進項目研發進程。該工藝采用真空袋膜極大地減少了生產過程中模具的起吊次數，大大增加了模具的使用壽命，并且可以對樹脂填充狀態進行實時監控。而且，由于袋膜的自由靈活特性，該工藝非常適用于幾何尺寸非常大的構件，如風力發電機機艙罩以及風電葉片。需要注意的是，該工藝幾乎不受產品尺寸的限制，自由發揮空間比較大。同時，也需要注意此工藝下袋膜一側的表面較為粗糙不適合直接作為外觀面，否則將增加打磨和涂裝成本。

2.3 RFI 工藝

RFI 工藝是在RTM 工藝的基礎上優化而來，其工藝過程是將預催化樹脂膜或樹脂塊放入模腔內，然后在其上覆以縫合或三維編織等方法制成的纖維預制體等增強材料，再用真空袋封閉模腔，抽真空并加熱模具使模腔內的樹脂膜或樹脂塊融化，并在真空狀態下滲透到纖維層(一般是由下至上)，最后進行固化制得制品的一種復合材料成型工藝技術。該工藝的突出優點是高效、成本低、增強材料選擇靈活、樹脂類型廣、孔隙率低。因此，在航空航天領域非常重視RFI工藝技術的開發和應用，如波音公司的大型碳纖維/環氧樹脂復合材料機翼、嵌板、蓋盆、支架、龍骨、垂尾等都采用了這一成型工藝。

2.4 HP-RTM 工藝

HP-RTM 工藝是近年來推出的一種準大批量生產高性能熱固性復合材料零件的新型RTM 工藝技術，它采用預成型件、鋼模、真空輔助排氣，高壓注射并在高壓下完成樹脂的浸漬和固化工藝，實現低成本、短周期、高質量生產。該工藝的主要優點是樹脂填充速度快、固化周期短、卓越的表面性能和質量、尺寸精度高等優勢。但由于該工藝需要特殊的模壓設備及樹脂材料，導致產品成本較高，尚無大批量工業化應用案例。

2.5 C-RTM 工藝

C-RTM 是壓縮樹脂傳遞模塑工藝技術的簡稱。該工藝過程分為3 個步驟：1） 快速關閉壓力機至精確的預定間隙，并對工具腔施加全真空；2） 將精確計量的樹脂通過注射口快速。注入到模具內部的增強體中；3） 將壓機完全閉合，使坯料完全浸入樹脂中并加熱固化。

3 結語

綜上所述，RTM 工藝作為樹脂基復合材料主要的成型工藝之一，已經在國內外很多工業領域得到了迅猛發展。作為低成本高性價比成型工藝，并隨著增強體和樹脂性能的不斷優化，RTM 工藝技術將在很長一段時間內保持其自身優勢，因此值得廣大從業人員不斷研究和深入探索。