典型先進樹脂基復合材料成型工藝的發展綜述

景婷婷

（太原理工大學材料學院，山西太原030024）

典型先進樹脂基復合材料成型工藝的發展綜述

景婷婷

（太原理工大學材料學院，山西太原030024）

選取典型先進樹脂基復合材料成型工藝，如熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝，簡要概述其發展和國內應用的新動態。

先進樹脂基復合材料；熱壓罐成型工藝；RTM成型工藝；航天航空

引言

先進樹脂基復合材料（Advanced PolymerMatrix Composites）是基于樹脂和碳纖維等高性能連續纖維，采用復合工藝制備而成的復合材料[1]。這一復合材料明顯優于原組分性能，具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、便于大面積整體成型等特點，已經成為航空航天領域的重要材料[2]。包括目前廣泛應用的高性能連續纖維增強環氧、雙馬和聚酰亞胺基復合材料。此外，海航和汽車工業亦有廣泛應用。傳統材料在性能、設計、制造方面都遠遠無法和先進樹脂基復合材料相提并論，主要體現在先進樹脂基復合材料的復合效應、性能的可設計性、多功能兼容性和材料與構件制造的同步性。

復合效應：本質上是原組分材料功能的線性或者非線性綜合，存在增強效果和抵消效果，前者是人們期望，后者是不可避免的。主要表現為混合效應和協同效應，前者取原組分材料的長處，后者是多種性能綜合效應，各有所長。這種復合效應主要是使復合材料產生優于各組分材料的新的、獨特的性能。

性能的可設計性：復合材料的一個重要特點就是功能設計的靈活性。通過組合原組材料、改變其結構和成型工藝可改變復合材料的性能，可控的性能設計，活化了復合材料的功能轉變，也極大提高了生產效益。

多功能兼容性：性能的可設計性和材料的復合效應決定了復合材料的功能可以通過一定技術進行增減，均衡多種要求的同時，也提高了材料的利用率。

材料與構件制造的同步性：復合材料構件成型與材料制造同步完成。因此，成型工藝是復合材料成品質量的重要保障，是復合材料工業發展的基礎和條件。

傳統工藝的完善，新工藝的涌現，必然帶來復合材料工業的飛速發展。本文選取典型先進樹脂基復合材料成型工藝，熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝，簡要概述其國內應用的發展與新動態。

1 熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型工藝主要應用于聚合物基復合材料構件成型[3]，主要的四個流程為：預浸料制備、裁剪、鋪貼和固化。這種工藝往往纖維體積含量高，罐內壓力和溫度均勻，質量穩定性好，成型模具簡單，適用范圍廣。這種工藝也必然消耗大量能源，導致生產設備投資和成本高于其他工藝，生產效益低，往往附帶較為嚴重的環境污染。

20世紀中葉至今，國內熱壓罐成型工藝已經日趨成熟，目前開發的多個技術已經有較為成熟的應用，如熱熔法預浸料制備技術。溶液法預浸料制備技術在我國早期工藝中普遍開展，但是在這種工藝的應用中，大量使用了有機溶劑，造成嚴重環境污染，而且這種工藝無法連續生產，最終成品質量不具有很好的一致性，生產效益低下。上世紀末期，為了解決這種工藝的短板，熱熔法預浸料制備技術的出現，改變了傳統工藝的不連續性，減少環境污染，提供了生產效率，成品一致性很好，實現了熱熔預浸料的連續批量制造。熱熔預浸料生產效率高，制備過程污染小，預浸料質量一致性好。此外，預浸料鋪貼和裁剪技術和數字化高度融合，使高韌性復合材料技術和復合材料結構整體化技術等方面也都有成熟的應用。

近年來，隨著數字化技術的融合，依靠手工的鋪貼、裁剪逐步轉向與預浸料自動下料、激光輔助定位鋪層等數字化技術相結合。這種轉變極大地改善了熱壓成罐工藝的整體制作流程，注重是工藝水平和預浸料鋪貼、裁剪的精度得到明顯提高。自然地，復合材料的生產效率和構件品質也得到了逐步提高。融合數字化技術的熱壓罐成型工藝暗示了其未來發展的步調將是融合智能化技術。

接下來，對同步制造的熱壓罐成型工藝構件進行概述。早期的工藝是簡單形狀的零件先成型，接著利用機械連接構成復合材料部件。很顯然，這種多重連接，不僅影響符合材料的性能，對生產效率的提高不利。30多年的熱壓罐成型工藝發展，已經在先進復合材料結構、蜂窩夾芯結構及復合材料膠接結構的成型中得以廣泛應用，更是得到航空航天領域的主承力和次承力結構件成型的青睞。

2 RTM成型工藝

樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding，RTM）成型工藝屬于模壓成型工藝[4]，最初的設計源于上世紀中葉，為了適應飛機雷達罩成型，出現在英國和美國等地區。這種成型工藝是在外力條件下，將樹脂注入閉合磨具中，浸潤纖維增強材料，之后通過加熱完成固化，最后產出復合材料構件。RTM成型工藝較其他成型工藝不同，其構件具備雙面光滑，可成型復雜的、高精度的構件，效率高，流程數字化，環境污染極少。而缺點同樣明顯，密閉的磨具不易脫模，亦不易控制，且成本高。因此，低黏度、可長期使用、力學性能優異的樹脂體系是RTM成型工藝的關鍵。

值得重視的問題還有樹脂流動過程的模擬。通過模擬RTM成型工藝過程，數字化和可視化技術的融合，可以觀察虛擬的樹脂流動、填充和浸潤狀態，量化模擬過程的數據，進而不斷調整工藝流程和設計材料。這種模擬大大減少工藝研發周期，有效提高成功率，也降低生產成本。目前，我國自主研發的RTM工藝3D構件模擬已經得到逐步應用。

3 結語

復合材料的使用已經是一個國家航空航天事業水平的體現。新時期挑戰，要求我國航天航空事業必須裝備有更多高科技水平的先進樹脂基復合材料，同時將這種技術水平不斷發展，爭取站在國際同領域的前沿。本文從熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝發展和新動態分析中，發現自動化和數字化的融合，將是復合材料構件制造的方向。這種智能化的發展，也是這個領域前進的必然趨勢。

[1]Mair,R.I.Advanced composite structures research in Australia[J]. Composite Structures,2002,57(1-4):3-10.

[2]陳紹杰.復合材料技術與大飛機[J].航空學報,2008,29(3):605-610.

[3]李樹健,湛利華,彭文飛,等.先進復合材料構件熱壓罐成型工藝研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2015(11):2 927-2 931.

[4]何亞飛,矯維成,楊帆,等.樹脂基復合材料成型工藝的發展[J].纖維復合材料,2011(2):7-13.

（編輯：王璐）

Development of Molding Process of Typical Advanced Resin Matrix Com posites

Jing Tingting
(School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi030024)

In this paper,typical advanced resin-based compositesmolding process,such as hot-pressmolding and RTMmolding,are selected and the new developments in domestic and abroad are summarized.

advanced resin-based composites;thermoforming process;RTMmolding;aerospace

TQ327

A

2095-0748(2016)20-0069-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.20.30

2016-10-05

景婷婷（1987—），女，山西太原人，在讀碩士，研究方向：國際經濟與貿易。