关于树脂基复合材料成型工艺的研究

关于树脂基复合材料成型工艺的研究

王铎

航空工业哈飞 黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：材料是社会发展人类进步的物质基础，材料的革新将会推动产业进步，从而带动人类生活不断提高。由于具有比强度、耐疲劳、各向异性和可设计性等诸多优点，树脂基复合材料已经被广泛应用与多个行业，并成为衡量某些行业发展水平的指标之一。树脂基复合材料成型工艺就是将增强材料在预定的方向上进行均与铺设，使其能够符合制品的表面质量、外部形状以及尺寸。同时还应尽量降低孔隙率，将制品中的气体彻底排净，确保制品性能不会受到较大影响。与此同时，在进行相关操作时，还应选择与制品生产相符合的制造工艺和生产设备，降低单件生产制品的生产成本，提高相关人员的操作便捷性以及身体健康。

关键词：树脂基复合材料；成型工艺；应用  

国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料具有比强度、比模量高、耐疲劳、热性能优越、各向异性和可设计性等优点，这类材料自 20 世纪 40 年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天三大材料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，这种材料必将在航空航天、交通运输、机械化工、体育及医疗器械等各个领域发挥巨大的作用。复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，其传统的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现。

一、现阶段常见树脂基复合材料成型工艺

1、拉挤成型工艺。复合材料拉挤成型工艺的研究开始于上世纪五十年代，到了六十年代中期，在实际生产中逐渐运用了拉挤成型工艺。经过将近十年的发展，拉挤技术又取得了重大研究进展，树脂胶液连续纤维束在湿润化状态下，通过牵引结构拉力，在成型模中成型，最后在固化设备中进行固化，常用的固化设备有固化模和固化炉。拉挤成型工艺的制品质量十分稳定，制造成本也很低；生产效率也很高能够进行批量化的生产。

2、模压成型工艺。模压成型工艺是一种较为老旧的工艺，但是又充满不断创新的可能，具有良好的未来发展潜力。该种成型工艺主要是在金属模内加入预混料，再对金属模进行加热，同时对金属模进行加压，从而使金属模内的混合料成型。模压成型可以实现自动化生产，能够有效控制制品尺寸和精度，大幅降低生产成本。此外，模压成型的制品不需二次处理，表面十分光洁；生产效率很高，还可以用于成型结构比较复杂的制品。不仅如此，模压成型工艺能够有效避免基体试件分子取向，客观反映非晶态高聚物的性能。

3、铺放成型工艺。自动窄带铺放成型技术和自动铺丝束成型技术统称为纤维铺放成型技术，是一种全新的自动化制造技术。铺放成型工艺的基础是缠绕和自动铺放技术。一般情况下，纤维铺放成型工艺是在带头铺设后按照预定的形状和位置对带有隔离衬纸的预浸带进行切割，之后再进行加热并按照设计方向进行压辊，对应的模具曲率半径变化率较小，曲率半径较大。通常情况下，铺带机的核心零部件就是铺带头，主要作用就是衬纸剥离、张力控制等。铺丝技术适用于曲率半径较小的制品生产，铺设时没有褶皱，不需额外处理操作。铺丝相对于铺带来说，成本较高，效率较低，在选用时需结合实际情况决定。

4、RTM 成型工艺。Resin Transfer Molding 的简称就是 RTM 成型工艺技术，也就是通常所说的树脂基传递模塑技术，是一种不同于传统成型工艺的模压成型技术。该技术最初用于飞机雷达罩成型，经过多年发展，已经成功地用于生产制造各种纤维增强复合材料。在欧美地区，RTM复合材料成型工艺使用较为广泛，是一种较为热门的树脂基复合材料成型技术，也是具有未来发展潜力的一种成型工艺。RTM 成型工艺主要是在闭合模具中注入树脂，再通过固化增强材料进而成型的一种工艺。一般来说，RTM技术主要具有以下显著特点：可以为构件双面提供十分光法的表面属性；可以制造出表面品质精良的复杂构件；便于计算机辅助设计；成型效率很高适合中等复合材料制品生产。

二、树脂基复合材料成型工艺的应用

通过不同树脂基复合材料成型工艺优缺点的介绍可以发现，树脂基复合材料成型工艺得到了较理想的发展，且有效推动了高性能复合材料的发展。但是，每种成型工艺都有其优缺点，所以对树脂基复合材料成型新工艺的探究仍需继续。现阶段，树脂基复合材料成型工艺的应用主要体现：

1、RTM 成型工艺的应用。除在工艺技术方面具有一定优势外，RTM 成型工艺还具有可选树脂种类丰富，如环氧树脂、丁基丙烯酸树脂等；可选增强材料丰富，如预型纤维坯、塑料泡沫芯等；工艺灵活、制品结构可设计、成品制作机械化程度高、尺寸精度高、孔隙率低、制作成本适中等优点。所以，RTM 成型工艺的应用非常普遍。例如，该公司采用西曼树脂浸渍膜塑成型工艺，制造了扫雷艇的低磁性复合材料壳体和其他关键结构构件。通过在模具型表面铺放增强材料预型纤维坯，使型腔边缘的密实性得到保证。在此前提下，树脂在已经设计好的树脂分配系统中，在真空压力的作用下有效注入模腔内，通过高渗透和沟槽引流，使树脂胶液在长度方向上有效填充的基础上在厚度方向逐渐浸润，浸渍效果得到保证。实践证明，加工的构件在一致性和重复性方面均较理想。某 Douglas 飞机的机翼和机身蒙皮，在利用 RTM 成型工艺进行缝合纤维增强复合材料成型后，相关部件的成型成本大幅度降低，冲击强度也得到了显著提升。除此之外，Hercules 公司制造的 Pegasus 三级触发器、导弹壳体、机翼等构件也应用了 RTM 成型工艺，效果显著。

2、对辐射固化技术与 RTM 成型工艺联合的应用。现阶段已经发现的辐射源种类较多，如 β 线、中子射线等。电子束固化和紫外线固化是目前主要采用的辐射固化方式。随着辐射固化器种类的不断增多和性能的不断优化，辐射固化技术越来越受到重视。但需要注意的是，辐射固化技术并不可直接应用树脂基复合材料成型工艺，而是树脂基复合材料成型工艺应用过程中的辅助技术。现阶段辐射固化器已经呈现出多样化的发展趋势，如绝缘磁芯变压器、回旋加速器等，而将辐射固化技术与 RTM 成型工艺联合的应用的实践也较多，某飞机在机身成型过程中将其结合应用，模具费用相比传统热固化工艺缩减近 100 个百分点；某 10 吨级船艇应用此结合技术制作船舱，船舱的密实度提升近 1.36 倍；宇航公司应用此结合技术对直径和长度分别为 4 米和 10 米的构件进行固化，固化周期缩短为原周期的 1/10。大量时间证明，辐射固化技术在应用过程中对环境的依赖性较低，且制作的成品尺寸精确度较高，成型固化的周期相对较短，同时固化过程中对化学制剂的依赖性较低，环境友好，既可以连续固化也可以选择性固化，对大尺寸构件固化也可应用。可见，虽然我国树脂基复合材料成型工艺得到了较快发展，但仍需要积极借鉴西方发达国家的相关成功经验，以期取得更大进步。

现阶段树脂基复合材料成型工艺已经呈现出多样化的发展趋势，人们已经认识到树脂基复合材料成型工艺对产品质量、性能等方面的影响，并通过树脂基复合材料成型工艺的不断优化探索，使其成型工艺越来越能够满足实际需求。为更好应对这种趋势，应该加大技术攻关力度，借鉴和吸收国外先进技术，准确定位，从设备、工艺、人员等方面采取改进和完善措施，提高复合材料制造水平。

参考文献

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[2] 叶长青，杨青芳 . 树脂基复合材料成型工艺的发展 [J]. 粘接，2019，（5）：66-70.

[3] 田琳娜 . 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型工艺及力学性能研究 [D]. 长春：长春工业大学，2018.