復合材料樹脂傳遞模塑注膠工藝調控方法與技術

張國利， 張 策， 史曉平， 王志鵬， 姜 茜

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院, 天津 300387； 2. 天津工業大學 復合材料研究院,天津 300387； 3. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室, 天津 300387)

樹脂傳遞模塑成型 (RTM)是用于復合材料制件的一種閉模成型工藝。利用壓力驅動將反應性液體樹脂注入到預先鋪放纖維預制體的密閉模腔中，在保壓狀態下，通過對模具加熱升溫引發樹脂固化反應，借助界面效應使樹脂與增強體結合成具有優異物理、化學及特定功能的一體化復合材料結構件，開模后可獲得所需的復合材料制件產品。

相較其他復合材料成型傳統工藝，RTM工藝的特點主要是：低黏度樹脂在閉合模腔內流動，成型過程中可有效控制苯乙烯的揮發，使工作環境清潔，利于身體健康和環境保護[1]；同時，RTM成型工藝具有成型制件尺寸精度高，內外表面光潔度高，可選用樹脂種類多，制件纖維含量高 (55%～60%)等技術優勢；其注膠壓力大(低壓為0.1～1 MPa、中壓為 1～3 MPa、高壓為3～30 MPa)，是制備復雜形狀干態織物鋪層、立體機織、三維編織及織物縫合結構復合材料的有效成型工藝。RTM工藝是目前復合材料領域成型技術的主要發展方向之一[2]，該成型技術已在航空航天[3-4]、船舶[5-6]、汽車輕量化[7-8]等領域獲得廣泛應用。

受RTM成型工藝參數選擇(模具預熱溫度、樹脂預熱溫度、注膠溫度、注膠壓力、注膠時間)、模具結構設計、預制件交織結構類型、RTM制件復雜程度等多因素的影響，充模過程中，極難使樹脂在模腔內各部位充分浸潤，其內部易殘留一定量未浸潤區域，嚴重時會造成制件的報廢。為此，本文針對RTM工藝調控方法與技術問題，分析了RTM成型過程中氣泡纏裹和干斑形成的機制，探討成型過程中非確定性因素對RTM注膠流動質量的影響，提出RTM樹脂流動形態調控的新技術與方法，為復合材料成型技術研發提供參考。

1 RTM工藝技術局限性

RTM成型過程屬于閉模成型，因此，可能會形成干斑與氣泡纏裹問題，造成工藝技術局限性。

1.1 注膠缺陷問題

從提高產品的質量方面考慮，注膠要求成品均勻性好，避免樹脂富裕區或貧瘠區的形成[9]。應用RTM工藝的實際注膠過程中，采用有限次試驗確定單一壓力或流量的注膠工藝，無法實現對高厚度復雜結構制件流動的有效控制，制件易形成樹脂未浸潤的干斑區[10-12]和氣泡纏裹[13]兩大問題。形成的干斑會破壞復合材料的力學性能[14]，影響結構安全。氣泡不僅會引起復合材料構件強度不一致及表面質量低劣[15]，還會降低復合材料的使用耐久性和耐疲勞性能[16]，導致材料早期失效[17]。Ghiorse[18]發現制件中含有1%的氣泡會導致層間剪切強度下降7%，且氣泡是濕氣滲入的通道,會降低纖維與樹脂的結合強度，使材料使用壽命下降。相關研究[19-20]表明，復合材料力學性能隨空隙率的增加會急劇下降。

1.2 影響注膠質量的非確定性因素

RTM工藝可一次性快速成型大型復雜構件，為構件提供光滑表面，后處理工作量小，但其制件易產生干斑和氣泡纏裹問題。當樹脂流速過高時，樹脂不能充分浸潤纖維束內部，造成干斑的形成；當樹脂流速較低時，由于纖維束內部的毛細浸潤現象，使纖維束間的浸潤較慢，導致氣泡纏裹現象的產生[21]。本文總結了采用RTM工藝過程中對注膠產生影響的主要因素。

1.2.1 預型體滲透率區域分布差異性

復合材料可成型結構比較復雜的制件，會造成制件局部厚度超差過大及厚度變化過大，使模腔內形成過壓實與超壓實封閉區。不同壓實區域內、區域間滲透率量值差異較大，樹脂形成快速流動、慢速浸潤、繞流、旋流耦合流動。樹脂未進入超壓實封閉區形成干斑；快速流動區的閉合形成氣泡纏裹。圖1(a)示出汽車B柱各部分的厚度分布[10]?？煽闯觯鞑糠值暮穸炔町惡艽?，最厚區域為8 mm，造成預型體滲透率區域分布差異很大，在相同注膠情況下，此部分易形成超壓實區域。圖1(b)示出注膠后的超壓實區形成的干斑?？芍?，預型體滲透率區域分布的差異性對注膠工藝有重要影響。

圖1 汽車底B柱部分注膠情況Fig.1 Injection situation of B-pillar part of automobile bottom. (a) Thickness of different zones; (b) Picture after resin injection

1.2.2 預型體紗束空間交織規律的差異性

圖2示出樹脂的流動類型。受預型體織物內部紗束空間交織規律差異的影響，樹脂在不同結構、區域的預型體中產生一維單向、二維面內及三維[22]宏觀單一流動或三類耦合流動，在空隙區、半封閉區、封閉區存在繞流、旋流流動，形成復雜流動前沿形狀，產生干斑與氣泡纏裹。當預型體的紗束空間規律差異較大時，可能以匯聚流鋒[23]的干燥點形式出現。而雙尺度編織預成型件[24]內毛細流動與體積流動不平衡也可能會導致預成型件的不完全飽和。

圖2 樹脂流動類型Fig.2 Resin flow types. (a) Unidirectional flow; (b) 2-D in-plane flow; (c) 3-D macroscopic flow

1.2.3 預型體與模腔尺寸的差異性

采用RTM工藝注膠過程中，由于預型體尺寸較為復雜，會發生預型體尺寸與模腔尺寸不匹配的現象，導致模腔表面局部存在間隙區、無壓接觸區及超壓實封閉區。間隙區、無壓接觸區內樹脂流動形成邊緣效應[25]，邊緣效應使快速流動樹脂與其他慢速流動樹脂的交匯造成氣泡纏裹；間隙區臨近區域因滲透率較低，形成干斑區，如圖3所示[26]。研發精確預成型技術，替代現有的近凈預成型技術是制備高質量產品的關鍵。

圖3 流道效應形成的干斑Fig.3 Dry spot due to race-tracking effect

1.2.4 模具進出料口位置數量與所需的差異性

對于結構復雜的制件，會存在模具注膠口形狀、位置、數量及出膠口位置與數量設計不合理的情況，使得預制件特征區域最后浸潤區與出膠口不在同一位置，導致注膠過程中產生氣泡纏裹和干斑區。圖4示出汽車前部的注膠情況[5]。可看出，有些位置雖然是最后浸潤區，卻沒有設置出膠口，導致干斑的形成，因此，大型復雜結構RTM模具進出膠口位置與數量的準確設計是制備低空隙含量制件的技術關鍵。

圖4 汽車前部注膠情況Fig.4 Injection situation of front part of Car. (a) Position of inlet and outlet; (b) Position of dry spot

2 RTM樹脂流動形態調控新技術

2.1 多進出膠口樹脂流動調控方法

在復合材料制件的實際生產過程中，由于預型體結構復雜，會與模腔存在間隙和過壓實區，造成樹脂分區流動和繞流，形成未浸潤區。推力反向器復合材料軸[27]的成型難點為制件厚度為3～30 mm，存在外形突變區域、增厚區域樹脂流量與流動壓力急劇降低，容易形成未浸潤區。且由于制件復雜，需要在樹脂基體有限長度加工窗口內(小于凝膠時間)，確保反推力軸預制體高質量浸潤，為此，采用多注膠口結構設計，可通過數值模擬合理設計進出膠口位置，消除未浸潤區，設計方案如圖5所示。所示3個案例的總注膠時間分別為114、 126和 220 min。案例1和案例3 都有干斑出現的風險，可采用方案2進行注膠口的設計來降低干斑出現的概率。由于制件較為復雜，如果增加注膠壓力，可能會造成樹脂沖刷織物，使其局部變形，影響制件性能，因此，需要設置多組進出料口，控制樹脂在模腔內的流動速度，保證制件完全浸潤。

圖5 仿真案例Fig.5 Simulation cases. (a) Injection position of case 1; (b) Injection position of case 2; (c) Injection position of case 3; (d) Dry spot position of case 1; (e) Dry spot position of case 2; (f) Dry spot position of case 3

2.2 局部可調模腔高度注膠方法

當復合材料制件厚度不一致時，可使沿樹脂流動方向的滲透率變化較大。采用增加局部超壓實區模腔高度的注膠方法，可將超壓實區變為正常壓實區，增加該區域的滲透率，當樹脂完全浸潤之后，再將模腔調回制件的原尺寸，如圖6所示。Alms等[28]利用真空誘導預成形松弛技術，在預成型件上方制造真空，這使得壓縮織物的壓縮力減小，從而控制腔體下方區域的樹脂流動，由于預制體的滲透性暫時增加，增加了樹脂流速，從而減少了模具的填充時間。這種方法可減低預制件壓實程度，解決超壓實區因樹脂繞流造成的氣體包裹及不可滲透浸潤(干斑)問題。

圖6 局部可調模腔高度示意圖Fig.6 Schematic diagram of local adjustable cavity height. (a) Increase height of injection cavity; (b) Cavity lock and curing

2.3 局部濕法模壓與RTM耦合注膠方法

由于用RTM工藝可生產結構復雜的制件，制件某些部位不可避免會存在外形突變區域，就會形成超壓實封閉區。而通過常規的樹脂流動，樹脂很難完全浸潤這些區域，導致干斑的形成。通過在超壓實區封閉區采用濕法模壓方法預置定量的液態樹脂、B態膠膜或預浸料，其他壓實區采用RTM注膠方法，可解決殘留氣體排出和樹脂浸潤等問題。圖7 示出局部濕法模壓與RTM耦合注膠示意圖。Ma等[29]將RTM工藝與預浸料工藝相結合，通過共固化的方式制備碳纖維/環氧樹脂層壓板。研究發現2種樹脂體系具有良好的樹脂相容性，這說明采用共固化的方式是可行的。利用此種方法可解決因樹脂無法浸潤該區域形成的干斑問題。

圖7 局部濕法模壓與RTM耦合注膠示意圖Fig.7 Schematic diagram of resin injection of local wet molding coupling with RTM

2.4 分段均壓力差RTM注膠方法

在某些制件結構較為復雜或者尺寸較大時，注膠壓力和注膠速度會隨著路徑的延長而降低，導致樹脂很難浸潤滲透率較大區域。通過在模腔區域設置多級注膠口，采用分段均壓力差方法進行注膠，以實現模腔區域間等壓力差注膠。MA等[29]采用分段均壓力差RTM注膠方法對復雜制件進行注膠，避免了干斑和氣泡的產生。利用這種方法可降低模腔內區域間注膠壓力、注膠速度間的差異，如圖8所示。可使構件內部注膠速度均衡，提升模腔內各區域樹脂宏觀流動與微觀流動的一致性程度，降低因空氣纏裹造成的空隙殘存問題。

圖8 單注膠口與多級注膠口注膠速度比較Fig.8 Comparison between single gate injection (a) and multiple gates progressive injection (b)

2.5 感應加熱主動控制流速

Johnson等[30]實施主動流量控制, 使用感應線圈加熱進而降低在低滲透區域的樹脂黏度, 抵消預成型體滲透性不均勻的影響, 改善流動前沿的均勻性。但感應線圈功率必須實時變化使樹脂黏度降低, 流動滲透到低滲透區域,以防止樹脂在填充過程中過早凝膠。通過主動流動控制能夠縮短充型時間，改善整個充型過程的流場均勻性，以消除干斑的形成。

3 復合材料構件RTM成型工程實踐

圖9示出復合材料T型結構件，其厚度為1.5～3 mm，纖維體積分數為50%～60%。由于T型接頭的分叉較多，會形成復雜的流動前沿，容易形成氣泡包裹。針對T型接頭薄壁結構特性，采用3種流道設計方案對其進行充模模擬。

圖9 復合材料T型接頭Fig.9 T-shaped composite structural parts

方案1為A、B(B為結構件中A的對稱位置)2處為注膠口，三面接口C、D和E為出膠口；方案2為中間面D為環流注射面，C和E對應兩面為出膠口；方案3為中間面D和側面C為環流注射面，另一側面E為出膠口。注膠結果如圖10所示。

方案1的壓力分布很不均勻，且隨著注膠距離的增加壓力下降很快，注膠時間最長；方案2的壓力分布相對均勻，注膠時間最短；方案3雖然注膠時間中等，但由于是對稱注膠，一旦兩端樹脂的流動前沿不能同時到達，就會在圖10(c)和(f)圓圈所示位置產生氣泡包裹，造成制件的缺陷。根據注膠方案，設計的T型模具如圖11所示。并最終采用方案2對T型結構件進行注膠。實際效果表明，采用方案2對T型結構件進行注膠生產的復合材料結構件表面光潔，且無干斑和氣泡纏裹現象的發生。這充分說明采用適當的注膠方案可很大程度減少復合材料結構件缺陷的產生。

圖10 T型結構件仿真案例Fig.10 Simulation cases of T-type composite. (a) Injection time of case 1; (b) Injection time of case 2; (c) Injection time of case 3; (d) Injection pressure of case 1; (e) Injection pressure of case 2; (f) Injection pressure of case 3

圖11 T型RTM模具示意圖Fig.11 Schematic diagram of resin injection mold

4 結束語

樹脂傳遞模塑注膠工藝可與計算機技術聯用，在不影響注膠的情況下，在模具內部設置傳感器，自動檢測模腔內樹脂流動壓力、速度及流動前沿位置，實現進出膠口開閉、樹脂注射量及樹脂流動前沿形狀的連續化、可視化、實時自動調節，替代現有非連續、試驗式、黑箱化模腔注膠人工調控方法。

樹脂傳遞模塑注膠工藝的另一個優點是可通過計算機技術進行數值模擬和實時仿真研究，且理論模型也將由單一參數、理想狀態向多參數、更接近實際的方向發展。樹脂傳遞模塑注膠工藝中產生的干斑和氣泡雖然會對制件產生重要的影響，但隨著研究學者對注膠工藝調控方法與技術的不斷探究，相信將會全面地解決干斑和氣泡問題。