探討纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)的研究進(jìn)展

陳秋云

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng);樹(shù)脂;復(fù)合材料;制造技術(shù)

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要采用短切或者連續(xù)式的纖維和織物增強(qiáng)熱固性的樹(shù)脂作為集體，之后再采用成型工藝復(fù)合完成，不僅在航空航天領(lǐng)域中廣泛使用，而且在汽車(chē)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用效果也非常顯著，具有抗疲勞、耐腐蝕、設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以應(yīng)用范圍非常廣泛。樹(shù)脂復(fù)合材料種類(lèi)繁多，通過(guò)基體和纖維間之間界面的應(yīng)力傳遞，可以為形成一個(gè)整體提供良好硬度性和強(qiáng)度性、穩(wěn)定性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用航空領(lǐng)域中不僅可以減輕結(jié)構(gòu)的整體重量，還可以實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)，推動(dòng)我國(guó)航空航天、軍工等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

一、模壓成型

模壓成型也被稱(chēng)之為壓縮模塑，主要是將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)浸料按照鋪展疊放的樣式放置在相應(yīng)的模具中，之后再將其進(jìn)行加熱、熔融，按照規(guī)定值下的額壓力完成壓制，壓制之后對(duì)模型進(jìn)行冷卻，冷卻后將外面的模具全部脫去。通常情況下完成模壓成型的工藝主要包括固態(tài)性的模壓成型和動(dòng)態(tài)性的模壓成型，前者也稱(chēng)為干法成型，后者也被稱(chēng)之為濕法成型。

通過(guò)對(duì)復(fù)合材料螺旋槳整體模壓成型模具設(shè)計(jì)進(jìn)行深入性的研究，在目前已有的模具設(shè)計(jì)進(jìn)行更新和調(diào)整，可以設(shè)計(jì)出一種具有整體性復(fù)合材料螺旋槳模具，該技術(shù)能夠有效避免傳統(tǒng)技術(shù)中存在的不足，同時(shí)也可以將傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題全部解決掉，極大地提高了技術(shù)的應(yīng)用效果。以某汽車(chē)衣帽架主體為例，可以嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)的特性設(shè)置與內(nèi)飾件模壓成型模相關(guān)的具體操作流程和方法，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的狀況和特性進(jìn)行分析，按照分析結(jié)果和相關(guān)技術(shù)流程完成輕量化的設(shè)計(jì)，能夠在很大程度上保障整個(gè)模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。有研究學(xué)者，經(jīng)過(guò)有限元分析軟件，在這個(gè)壓縮成型過(guò)程中，對(duì)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)預(yù)浸料進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)深入分析流動(dòng)分析中可能需要的填充時(shí)間和纖維的分布情況，并對(duì)其進(jìn)行全面的評(píng)估，同時(shí)也可以對(duì)熱殘余應(yīng)力、纖維去向所引起的變形程度進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比兩種方式的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吻合度較高。經(jīng)兩種結(jié)果相對(duì)比，兩者的吻合度非常吻合。還有研究學(xué)者通過(guò)采有限元模擬、分析技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)器械的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行分析，為整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)的完整性提供了有利的條件。

二、拉擠成型

拉擠成型主要是通過(guò)借助牽引設(shè)備來(lái)完成的一種工藝技術(shù)，將已經(jīng)被浸漬好的樹(shù)脂的纖維，采用模具完成加熱，在加熱條件下可以使樹(shù)脂采用固化的方式從而生產(chǎn)出有關(guān)復(fù)合材料型的技術(shù)。拉擠成型工藝屬于復(fù)合材料成型工藝方法的一種，具有系統(tǒng)化和連續(xù)性的特征，與金屬擠出工藝非常相似，之所以在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要原因在與該技術(shù)具有連續(xù)成型的特點(diǎn)，而且制品的長(zhǎng)度也不受任何條件的限制和管理。

對(duì)于拉擠成型工藝，固化階段是最影響制品的一個(gè)環(huán)節(jié)，該工藝進(jìn)行時(shí)，需要借助外熱源加熱模具完成高溫加熱，之后可以滿(mǎn)足熱固性樹(shù)脂固化反應(yīng)的溫度，數(shù)值在固化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)有大量的熱量被釋放出來(lái)，恢復(fù)復(fù)合材料的內(nèi)部的非穩(wěn)態(tài)性的溫度場(chǎng)造成嚴(yán)重的影。因此，為了更好地改善上述現(xiàn)象，優(yōu)化工藝流程的規(guī)范化，需要將對(duì)固化階段的研究作為一個(gè)熱點(diǎn)和重點(diǎn)展開(kāi)相應(yīng)的討論。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，帶動(dòng)了分析軟件技術(shù)的發(fā)展，使模擬仿真技術(shù)逐漸完善，并向拉擠成型研究領(lǐng)域靠攏。有研究學(xué)者經(jīng)過(guò)研究對(duì)璃纖維增強(qiáng)塑料拉擠成型非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、固化度兩者之間的關(guān)系數(shù)值化模擬，借助相關(guān)具有成功性的理論和研究學(xué)方面的知識(shí)和內(nèi)容，建立具有高科技含量的溫度場(chǎng)和固化度動(dòng)力學(xué)模型。有研究學(xué)者為了可以能夠更好地提高零件尺寸的精度，滿(mǎn)足這個(gè)技術(shù)應(yīng)用的效果，需要采用有限差分法來(lái)完成仿真，并在整個(gè)過(guò)程中還可以提出高技術(shù)型的混合計(jì)算方法，該方法有由單形法與遺傳算法相結(jié)合。還有研究人員根據(jù)技術(shù)發(fā)展的情況并借助國(guó)內(nèi)外的研究提出了一種新型的模具結(jié)構(gòu)，自帶加熱器設(shè)備。完成該技術(shù)的主要目標(biāo)就是需要實(shí)際情況來(lái)增加數(shù)量，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行深入性的分析，并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)確定最具有合理性的排布結(jié)構(gòu)，能夠有效避免大量能源消耗，提高資源的利用率，同時(shí)還可以利用隨機(jī)優(yōu)化算法的方式來(lái)完成整個(gè)流程的設(shè)置，另外，還有人會(huì)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方式進(jìn)行操作。

三、增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)也被稱(chēng)之為快速成型技術(shù)、3D打印技術(shù)，整個(gè)技術(shù)的操作原理為“離散——堆積”原理，該技術(shù)在操作在實(shí)施過(guò)程中通過(guò)數(shù)字模型為基礎(chǔ)，高度集成CAD/CAE/CAM技術(shù)，這種操縱原理能夠使材料采用逐點(diǎn)累積的方式形成一個(gè)平面，之后再將每個(gè)平面都組合成一個(gè)具體的框架，從而形成一個(gè)完成化的物體，利于能夠以最簡(jiǎn)單的方式形成一個(gè)一體化的物品，屬于目前應(yīng)用最廣泛也是效果顯著的一種技術(shù)。可以在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用。增材制造技術(shù)集信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)于一體，是目前制造技術(shù)中重要的組成部分，同時(shí)對(duì)領(lǐng)域行業(yè)的發(fā)展也起著至關(guān)重要的作用。增材制造技術(shù)多功能化，可以在汽車(chē)行業(yè)、航天行業(yè)和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中廣泛使用，并且取得了顯著的成績(jī)。增材制造技術(shù)目前稱(chēng)為“具有第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志意義”的制造技術(shù)，該技術(shù)早在西方國(guó)家就已經(jīng)被廣泛使用，并成為戰(zhàn)略發(fā)展過(guò)程中最常使用的一種重要技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造技術(shù)也不斷更新與發(fā)展，已經(jīng)能夠嚴(yán)格根據(jù)成型機(jī)理的情況對(duì)技術(shù)的種類(lèi)進(jìn)行劃分，大致可以劃分成四種：層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、立體光固化技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、打印機(jī)及打印噴頭設(shè)計(jì)、3D打印的連續(xù)性路徑規(guī)劃算法等都屬于增材制造技術(shù)中最重要的組成部分，研究者需要在當(dāng)前形勢(shì)下增加對(duì)其的深入性研究和分析。

將增材制造技術(shù)與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行有效的結(jié)合，在實(shí)際使用的過(guò)程中為了能夠更好地充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，需要做好取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以更好地順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，滿(mǎn)足綠色環(huán)保和節(jié)能的需求，降低建設(shè)成本，提高使用效能，同時(shí)也可以有效達(dá)到綠色制作的標(biāo)準(zhǔn)。另外，兩種技術(shù)的有效結(jié)合對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品也起著至關(guān)重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)潔化、輕量化、高強(qiáng)化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以全面提高材料的利用率，起到解決成本提高經(jīng)濟(jì)的作用，全面推動(dòng)綠色環(huán)保的發(fā)展技術(shù)，可見(jiàn)該技術(shù)具有非常廣闊的發(fā)展前景，屬于未來(lái)制造技術(shù)發(fā)展的一種主要趨勢(shì)。

四、未來(lái)發(fā)展建議

增材制造技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)和國(guó)外研究的熱點(diǎn)內(nèi)容和重點(diǎn)內(nèi)容，并且纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造也逐漸發(fā)展成目前首要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容和研究學(xué)者的主要發(fā)展方向。尤其是隨著多個(gè)領(lǐng)域?qū)w維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料需求量的逐漸增多，相關(guān)研究人員一定要結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)和理念來(lái)創(chuàng)新技術(shù)方法，優(yōu)化技術(shù)工藝流程，并完善新的施工設(shè)備。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的運(yùn)行原理和工藝進(jìn)行不斷的研究和分析，已經(jīng)逐漸完成了對(duì)增材制造技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，可以有效提高增材制造成形件的力學(xué)性能。但是仍存在很多的不足，由于樹(shù)脂機(jī)體的黏性度，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及低力學(xué)性能等弊端，對(duì)于實(shí)際的使用和推廣還存在很多的不利影響，為了可以更好地應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，可以滿(mǎn)足航天航空和汽車(chē)電子領(lǐng)域的需求和標(biāo)準(zhǔn)，仍然需要加大對(duì)該技術(shù)的研究和深入性的探討，不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，全面實(shí)現(xiàn)高技術(shù)性的增材制造技術(shù)。

對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)具有高性能的特征，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，成為未來(lái)發(fā)展的主要方向和動(dòng)力，需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展對(duì)此展開(kāi)深入性的研究和分析，根據(jù)分析結(jié)果制定完善的解決對(duì)策，能夠更好地解決各種成形過(guò)程中所存在的各種問(wèn)題，例如：孔隙多、界面結(jié)合性能差等，能夠有效提高材料技術(shù)成形件的力學(xué)性能。通過(guò)大型、超大型復(fù)合材料構(gòu)件的增材制造成形裝備進(jìn)行深入性的研究探討，能夠在研究中不斷優(yōu)化技術(shù)方案，顯著提高復(fù)合材料構(gòu)件的整體的穩(wěn)定性和高效性，可以在航空航天、軌道交通等行業(yè)中充分發(fā)揮自身的作用和價(jià)值，為推動(dòng)高端裝備技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。