樹脂基復(fù)合材料模壓成型工藝中的影響因素研究

摘 要 模壓成型工藝作為樹脂基復(fù)合材料主要的成型方法，正廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。如何制造性能優(yōu)良、缺陷少的復(fù)合材料制品尤為重要。本文針對復(fù)合材料模壓成型中的工藝特點，不僅對模壓成型過程中的材料固化和流動行為進(jìn)行了詳細(xì)闡述，而且對其性能的影響因素進(jìn)行深度剖析，包括材料流動誘導(dǎo)的纖維顯微結(jié)構(gòu)、材料流動誘導(dǎo)的孔隙演化等因素。通過這些分析結(jié)果對采用模壓工藝制備復(fù)合材料的科研工作者們提供了重要參考。

關(guān)鍵詞 "模壓工藝；復(fù)合材料；纖維顯微結(jié)構(gòu)；孔隙演化

Research on the Influential Factors in the Compression

Moulding Process of Resin-based Composites

DU Zhengcai，WANG Hongyun，HOU Chuanli，WEI Xilong

（ Harbin FRP" Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The compression molding process， as the main forming method of resin-based composite materials， is widely applied in aerospace and automotive industries， among others. It is particularly important to manufacture composite materials products with excellent performance and few defects. This article focuses on the process characteristics of composite material molding， detailing material solidification and flow behavior during the compression molding process， while also delving into the influencing factors of its performance， including fiber microstructure induced by material flow and pore evolution induced by material flow， among others. These analysis results provide important references for researchers using the molding process to prepare composite materials.

KEYWORDS compression moulding；composites；fibre microstructures；pore evolution

1 引言

模壓工藝作為一種先進(jìn)的樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)，正在應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域如何通過模壓工藝制造性能優(yōu)良、缺陷少的復(fù)合材料制品，無疑成為了業(yè)界關(guān)注的焦點。模壓工藝過程中的材料固化和流動是兩大核心環(huán)節(jié)。固化是指復(fù)合材料在一定溫度和壓力下，樹脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料獲得所需的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。材料流動則涉及材料在模具中的分布和變形，對復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能起著決定性作用，材料流動又可誘導(dǎo)纖維顯微結(jié)構(gòu)的形成和孔隙的演化［1］。

流動誘導(dǎo)的纖維顯微結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。模壓成型過程中的纖維排列和取向會受到材料流動的影響，進(jìn)而形成不同的顯微結(jié)構(gòu)這對復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性具有顯著影響。流動誘導(dǎo)的孔隙演化也是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。在模壓成型過程中，由于樹脂基體的流動和固化速度差異，可能導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部形成孔隙，這會降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性，甚至導(dǎo)致性能失效［2］。

本文針對復(fù)合材料模壓工藝中的難點，通過試驗研究和理論分析，詳細(xì)描述了模壓工藝過程中材料固化和流動行為，并對影響其性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行深度剖析，進(jìn)而提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。通過對模壓工藝影響因素的深入研究，可以更好地控制生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品的性能、精度和一致性，從而滿足市場對高質(zhì)量模壓產(chǎn)品的需求。

2 固化與流動

纖維增強樹脂基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)是一種由相互交織的纖維組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于纖維之間形成多重接觸，進(jìn)而對材料的固化過程、流動特性以及最終展現(xiàn)出來的機(jī)械性能產(chǎn)生顯著影響，如通過SMC、GMT、LFT等模壓工藝制造的復(fù)合材料［3］。

模壓階段的材料經(jīng)歷一系列復(fù)雜的固化與流動過程，并與模具腔內(nèi)的傳熱行為緊密相互作用。材料開始流動前，多種固化行為相繼發(fā)生，導(dǎo)致材料厚度顯著減小，這主要是由于模壓化合物內(nèi)部的孔隙（空隙）逐漸閉合以及板狀材料的形變所致。根據(jù)模具的幾何形狀特征、纖維網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度、聚合物的流變特性以及壓縮成型條件（如模具閉合速度、溫度等），產(chǎn)生多種不同的流動行為［4］。一般而言，均勻流動行為，如經(jīng)典SMC中的塞流現(xiàn)象，通常在結(jié)構(gòu)簡單且壓力均勻的區(qū)域。然而，非均勻流動行為通常發(fā)生在復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域，如肋部或存在鑲嵌物的部位。這些非均勻流動現(xiàn)象可能導(dǎo)致纖維與基體的分離，從而影響制品的力學(xué)性能和外觀質(zhì)量［5］。此外，沿鋪層厚度方向的層間分離現(xiàn)象也是模壓成型過程中需要關(guān)注的問題，通常發(fā)生在鋪層之間，由于溫度、壓力和固化速度的不一致，可能導(dǎo)致層間粘接不緊密，進(jìn)而影響制品的整體性能。

材料流動過程中的溫度變化對固化速度和流動特性具有顯著影響。模具溫度的高低直接決定了材料固化速度的快慢，進(jìn)而影響其流動性。同時，材料在模具內(nèi)的流動也會反過來影響溫度的分布，特別在材料厚度較大的區(qū)域，由于熱量傳遞不均勻?qū)е鹿袒俣炔灰恢拢l(fā)生材料層間分離現(xiàn)象。

在模壓成型過程中，當(dāng)頂部和底部的材料層與熱模具表面發(fā)生接觸并受到擠壓時，會發(fā)生更復(fù)雜的材料非均勻流動行為。在材料流動過程中，纖維增強體可能會受到損傷，例如纖維斷裂或變形。這些損傷直接影響零部件的力學(xué)性能，降低其承載能力和使用壽命。此外，材料流動時還會排出苯乙烯或空氣等滯留氣體，這些氣體的排出在流動前方形成孔洞，進(jìn)一步影響零部件的質(zhì)量和性能，如圖1所示，圓圈處表示位于兩個材料層流動相遇區(qū)域的孔隙。

針對非均勻流動行為和沿厚度方向的材料層間分離現(xiàn)象，可采取適當(dāng)措施有效解決。首先，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域出現(xiàn)的纖維與基體分離現(xiàn)象，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜部位和尖銳轉(zhuǎn)角，降低分離的風(fēng)險。同時，選用合適的材料以及改善材料間的相容性，也是減少纖維與基體分離的有效手段；其次，對于沿厚度方向的材料層間分離現(xiàn)象，需要嚴(yán)格控制模壓成型過程中的溫度、壓力和時間等工藝參數(shù)，確保材料成型過程中能夠充分熔融和流動，從而減少層間分離的可能性。此外，采用真空輔助成型或熱壓成型等先進(jìn)成型技術(shù)和設(shè)備也可以提高成型質(zhì)量，減少層間分離的現(xiàn)象發(fā)生。

3 顯微結(jié)構(gòu)

模壓成型過程中可能會出現(xiàn)各種材料變形方式和流動現(xiàn)象，主要是因為受到材料的流變特性、模具幾何形狀、加工條件（如模具溫度、加壓速度、壓力大小）的共同影響。這些影響因素共同作用于成型過程，控制著材料的流動方式，進(jìn)而直接決定了纖維的顯微結(jié)構(gòu)［6］。

通過加壓過程中的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律研究纖維的顯微結(jié)構(gòu)，針對不同壓縮應(yīng)變率對GMT方形樣品進(jìn)行系統(tǒng)性壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。在相同應(yīng)變條件下，隨著應(yīng)變率增大，所測得的壓應(yīng)力呈現(xiàn)增長趨勢。表明了模壓成型過程中的應(yīng)變率對所測壓應(yīng)力具有顯著影響，且在較低的壓縮應(yīng)變率0.003/S條件下，隨著材料的流動，纖維與基體之間的分離現(xiàn)象較為明顯。當(dāng)應(yīng)變率提升至較高水平0.3/S時，這種分離現(xiàn)象受到顯著限制，不易發(fā)生。值得注意的是，在高應(yīng)變率下，材料均勻流動的過程中，纖維沿著主軸方向發(fā)生顯著的重新定向排布。這一發(fā)現(xiàn)對于深入理解材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形行為以及優(yōu)化相關(guān)加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

針對纖維顯微結(jié)構(gòu)為糾纏顯著的材料，如GMT和SMC材料，纖維與基體間的分離現(xiàn)象更為突出。這種現(xiàn)象在SMC材料的復(fù)雜流動區(qū)域，特別是層與層之間流峰相遇的區(qū)域（如圖1圓圈區(qū)域所示）和肋結(jié)構(gòu)區(qū)域更易發(fā)生。分離現(xiàn)象會導(dǎo)致富樹脂區(qū)的形成，進(jìn)而對基體的固化反應(yīng)產(chǎn)生不良影響，并可能損害零件的最終力學(xué)和物理性能，可能引發(fā)明顯的下沉痕跡或裂縫的產(chǎn)生，因為在基體固化過程中會出現(xiàn)過度的固化收縮現(xiàn)象［7］。

此外，材料流動過程中的纖維束也可能出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象。隨著溫度升高和壓力增大，纖維束不再是整齊劃一的整體，而是開始發(fā)生顯著的形變，甚至分解成單個高度變形的細(xì)絲。這些細(xì)絲在形態(tài)上呈現(xiàn)出獨特的彎曲和扭曲狀態(tài)，體現(xiàn)了纖維束內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化。這種局部變形現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于纖維束的固有性質(zhì)。其中，纖維尺寸和體積含量是兩個至關(guān)重要的因素。纖維尺寸決定了其在外力作用下的響應(yīng)方式和變形程度，而體積含量則影響著纖維束的整體力學(xué)性能和變形行為。當(dāng)纖維尺寸較小、體積含量較低時，纖維束變形能力相對較強，更容易發(fā)生彎曲和剪切等局部變形現(xiàn)象。

4 孔隙演化

復(fù)合材料流動誘導(dǎo)的孔隙演化是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的過程，涉及到材料在制造和加工過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化［8］。GMT和SMC等材料在模壓成型前，其內(nèi)部往往呈現(xiàn)出較高的孔隙率，這一特性對于后續(xù)的成型過程具有顯著影響［9］。孔隙率與纖維體積含量密切相關(guān)。隨著纖維體積含量的增加，預(yù)浸漬中間體板材內(nèi)部的孔隙率呈現(xiàn)增加的趨勢。這是由于高纖維體積含量的材料在制造過程中，纖維與樹脂基體之間的結(jié)合更為緊密，導(dǎo)致氣體難以排出，從而形成更多的孔隙。這些孔隙在模壓過程中可能導(dǎo)致材料變形、翹曲等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的尺寸精度和外觀質(zhì)量［10］。

為了研究這些材料在壓縮過程中孔隙的演化規(guī)律，通過X線微觀掃描技術(shù)定量測量孔隙率與壓縮應(yīng)變之間的關(guān)系。通過對比不同纖維體積含量的SMC材料在壓縮過程中的孔隙演化情況，可以深入了解孔隙對材料性能的影響機(jī)制。纖維體積含量25 %整體孔隙率與應(yīng)變ε33的演化關(guān)系如圖3所示，纖維體積含量50 %整體孔隙率與應(yīng)變ε33的演化關(guān)系如圖4所示。

試驗結(jié)果表明，在初始狀態(tài)下，無論是低纖維含量25 %還是高纖維含量50 %的SMC材料都呈現(xiàn)出多孔性，且孔隙具有橫向各向同性的特點。對于高纖維含量50 %的SMC材料，其孔隙率較高，可達(dá)0.2，且以開放孔隙為主。在壓縮過程中，這些開放孔隙的尺寸逐漸減小。同時，其所包含的氣體（如空氣、苯乙烯等）通過開放的孔隙網(wǎng)絡(luò)流動，逐漸排出材料外部。這一過程有助于降低材料孔隙率，提高材料密實度和力學(xué)性能。相反，對于低纖維含量25 %的SMC材料，其孔隙率相對較低，最大為0.016，且主要為封閉性孔隙。在壓縮過程中，這些封閉孔隙的尺寸也會逐漸減小，但由于缺乏開放的孔隙網(wǎng)絡(luò)，氣體排出較為困難。有時會出現(xiàn)孔隙合并的現(xiàn)象，即多個小孔隙在壓縮過程中合并成一個較大的孔隙。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)較大的缺陷，影響產(chǎn)品的性能和使用壽命。

通過對試驗過程中的現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)孔隙收縮與氣體在樹脂基體中的溶解密切相關(guān)。首先，隨著壓縮過程中壓力的增大，氣體逐漸被壓入樹脂基體并溶解其中。這一過程有助于進(jìn)一步降低材料的孔隙率，提高材料的致密性和性能穩(wěn)定性；其次，加工溫度是影響孔隙演化的一個重要因素。材料分子在高溫下的運動速度加快，有利于孔隙的遷移和聚集；而低溫下的分子運動速度減緩，孔隙的演化可能受到抑制。除了溫度和壓力，成型速度也是影響孔隙演化的一個不可忽視的因素。復(fù)合材料成型速度過快可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的氣體來不及排出而形成孔隙；而成型速度過慢則可能導(dǎo)致材料在模具中停留時間過長，發(fā)生熱降解或氧化等不良反應(yīng)，進(jìn)而影響材料的性能。

5 結(jié)語

（1）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用合適的材料以及改善材料間的相容性以及嚴(yán)格控制成型工藝參數(shù)（溫度、壓力和時間等），可有效減少層間分離的可能性。此外，采用如真空輔助成型或熱壓成型等先進(jìn)的成型技術(shù)和設(shè)備，也可以提高成型質(zhì)量，減少層間分離的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）在較低的壓縮應(yīng)變率0.003/S條件下，纖維與基體之間的分離現(xiàn)象較為明顯。當(dāng)應(yīng)變率提升至較高水平0.3/S時，可有效限制纖維與基體之間的分離。在高應(yīng)變率下，材料流動均勻，纖維會沿著主軸方向發(fā)生顯著的重新定向排布。

（3）50 %的高纖維含量SMC材料相比較于25 %的低纖維含量SMC材料，孔隙率更高，且以開放孔隙為主，孔隙也更易排出，產(chǎn)品的密實度和力學(xué)性能更好。壓縮過程中的加壓、加溫、控制成型速度，有利于孔隙的遷移和聚集，從而提高材料的致密性和性能穩(wěn)定性。

綜上所述，針對樹脂基復(fù)合材料模壓成型中的挑戰(zhàn)，通過對模壓成型過程中材料固化和流動行為以及對其性能影響因素的深度剖析，可以為行業(yè)從業(yè)者提供更為準(zhǔn)確和實用的技術(shù)參考，推動樹脂基復(fù)合材料模壓成型技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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