VARTM技術在車用復合材料的應用

張條蘭 王花麗

摘 要：我國新能源汽車的大力發展，汽車輕量化成為發展的方向。汽車用復合材料隨著汽車輕量化的推進和新能源汽車的迅猛發展得到了廣泛的重視和應用，VARTM技術成為汽車用復合材料的主要成型工藝。本文主要研究了VARTM技術在復合材料的應用及發展方向。

關鍵詞：VARTM技術;成型技術;復合材料

隨著汽車工業的發展，汽車保有量迅速發展，為了降低能耗，節能環保，汽車輕量化成為汽車的發展方向。碳纖維增強樹脂基復合材料具有比強度和比剛度高、機械性能定向性好、尺寸精度高、熱膨脹性低、抗腐蝕、各向異性和可設計性、良好的抗疲勞特性、易于整體成形，還可具有吸波、透波、導電、半導、發熱、耐熱、記憶、阻尼、 摩擦、吸聲等功能等優點，已廣泛應用于汽車、航空航天等高科技行業。

目前最常用的復合材料成型工藝是手糊工藝和樹脂傳遞（RTM）工藝。手糊工藝模具成本低，操作方便;但產品質量不穩定，而且開模成型，工作環境差。RTM工藝采用閉模成型，改善了工作環境，產品精度高;但復雜的模具增加了成本。VARTM成型工藝是RTM工藝的改進，采用單面模具，且模具簡單，兼顧產品質量和模具成本，一方面使用單面模具降低了成本，另一方面利用真空導入可以提高產品的均勻度。

1 復合材料液體模塑成型技術

復合材料液體成型技術（LCM）是指將液態聚合物注入鋪有纖維預成型體的閉模中，或加熱熔化預先放入模腔內的樹脂膜，液態聚合物在流動充模的同時完成樹脂/纖維的浸潤并經固化成型為制品的一類制備技術。樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）、樹脂浸漬模塑成型工藝（SCRIMP）和樹脂膜注入成型工藝（RFI）是最常見的先進LCM 工藝技術。這類工藝的特點是將纖維預成型體放入模腔內，再將一種或多種液態樹脂（通常為熱固性樹脂）在壓力作用下注入閉模中，液態熱固性樹脂浸漬纖維預成型體，待樹脂固化脫模后得到產品[1]。

與其他的纖維復合材料制造技術相比，LCM 技術具有諸多優勢[3]：可生產的構件范圍廣;可一步成型帶有夾芯、加筋、預埋件等的各種大型構件;可按結構要求進行定向鋪層;具有高性能低成本制造優勢。與傳統的模壓成型和金屬成型工藝相比，LCM模具具有質量輕、成本低、投資小的優勢。另外，LCM為閉模成型工藝，能減少揮發性有毒氣體排放對人員的危害。LCM工藝在航空工業、汽車工業、新能源領域和一些非傳統復合材料工業中的應用正日趨廣泛。

2 樹脂傳遞模塑成型技術

RTM工藝是將液態熱固性樹脂及固化劑，由計量設備（樹脂泵）分別從儲桶內抽出，經混合器混合均勻，由注射槍注入事先鋪有玻璃纖維增強材料的密封模內，經固化、脫模、后加工而形成制品的工藝。

RTM是起源最早的一種LCM工藝，由1940年歐洲的濕法鋪層和注塑工藝的演變而成。RTM工藝的正式名稱出現于五十年代，由于該工藝的成型制品具有兩面光潔且低壓成型特點，被認為優于手糊工藝。但是由于當時缺乏相應的低粘度樹脂體系和易于操作的預成型體制備技術，RTM工藝沒有得到足夠的重視和因而也未形成大規模的應用。

在20世紀80年代，受當時國際RTM技術高速發展的影響，一些中小型企業基于想改變傳統手工操作局面的想法，引進許多RTM 注射設備，一度形成“熱點”。但是由于受當時原材料配套系統的不完善和基礎工藝理論研究欠缺的影響，該工藝基本停留在手糊成型和RTM工藝之間，未能形成規模化生產，大部分設備都處于閑置狀態。

上世紀90年代，受863計劃和“九五”科技的推動，國內積極研究和推廣RTM工藝技術，從原材料、產品設計、模具設計與制造、A級表面技術和基礎理論以及工業化生產技術等方面，開展了系統的研究。解決了材料國產化、模具制造技術、產品A級表面技術等一系列技術關鍵。

由于RTM工藝發展時間較短，不可避免地存在難關和有待進一步解決的問題。RTM技術在國內外普遍存在的難點和問題主要表現在3個方面：（1）樹脂對纖維的浸漬不夠理想，制品內存在空隙及干纖維的現象;（2）制品的纖維含量不夠高（一般為50% ）;（3）大面積、結構復雜的模具型腔內，模塑過程中樹脂的流動不均衡，不能進行預測和控制。

3 真空輔助樹脂傳遞模塑成型

目前聚合物基復合材料制品的成型方法有幾十種，常用的包括：預浸料及其制造方法、手糊成型、噴射成型、袋壓成型、模壓成型、長絲纏繞成型、拉擠成型、RTM和結構反應注射模塑成型（SRIM）等。然而，對于幾何形狀復雜的大型夾芯和加筋結構件，由于尺寸大、性能要求高，采用纏繞、模壓等工藝成型困難，而采用手糊或噴射成型則制品的質量得不到保證，因此傳統的成型工藝在制造大型復雜結構件時存在難以逾越的技術障礙，嚴重影響了復合材料的廣泛應用。本實驗選擇的是VARTM技術，該技術操作簡單、安全、成本低并且能夠獲得較好的復合材料試樣[3]。

VARTM成型技術是纖維增強材料按規定尺寸及厚度鋪放在模板上，用真空袋包覆，并用膠帶密封四周，在真空壓力下，驅動樹脂的流動、實現對纖維及其織物的浸潤，并在真空壓力下固化的成型方法。其主要特點是成本低、產品孔隙率低、性能好、適合制造大型結構等。對于大尺寸、大厚度的復合材料制件，VARTM是一種十分有效的成型方法。

VARTM工藝是一種新型的低成本復合材料大型制件的成型技術，它是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透實現對纖維及其織物的浸漬，并在室溫或加溫條件下進行固化，成型一定形狀和纖維體積含量的制件的工藝方法。

RTM技術中最難解決的問題之一是最終產品中殘余物或氣泡，VARTM能夠有效地解決這一問題。采用真空輔助RTM時，模具的密封要求很嚴格，上下模具間不允許有漏氣，否則會吸入大量氣體而導致制品成型的失敗。在排氣口端接上真空泵，在密封真空狀態下，先抽取排除附于織物中的大量氣體，在樹脂注入過程中同時從閉合模具排氣口處抽真空，通過負壓控制以及導流網的導流作用，為樹脂在模具型腔中打開了通道并形成完整通路，使樹脂沿著織物均勻穩定地流動，注射填充鋪層的織物;同時可以增加樹脂傳遞壓力，排除模具及其樹脂中的氣泡。所以，模具抽真空不僅提高了樹脂充模的壓力，而且排除了模具和預型件中，尤其是纖維束中的氣體，因此同時提高了預成型體中的宏觀流動和樹脂在纖維束間的微觀流動速度，有利于纖維的完全浸潤，從而減少制品缺陷。無論增強材料是編織的還是非編織的，無論樹脂的類型及其黏度如何，真空輔助都能大大改善模塑過程中纖維的浸潤效果。

4 結論

在當前能源供應極為緊張的情況下，大力發展新能源已經成為世界各國的共識。復合材料主要應用在汽車輪轂、引擎蓋、發動機罩外板等關鍵部件，直接影響著整個系統的性能。因此，重要部件的選材、工藝、實驗等各環節必須緊密結合以保證汽車的生產質量。目前正在服役的主要部件多為復合材料，其基體多為熱固性基體樹脂，增強材料多為碳纖維。隨著新能源汽車的發展與日趨成熟，汽車發展的輕量化成為汽車的發展方向。同時對增強材料的強度和剛度也提出新的要求，玻璃纖維在大型復合材料制造中逐漸顯出性能方面的不足，因此引入了炭纖維在車用材料的應用。制造采用炭纖維已成為必要的選擇。由于碳纖維價格昂貴，碳纖維主要用在汽車的主要關鍵部位，成型工藝采用低成本大型制件VARTM成型工藝。

參考文獻：

[1]栗彬琦，葉輝，梅娜，等.復合材料汽車發動機罩外板CRTM成型工藝仿真[J].生產現場，2018（11）：12-14.

[2]李智，王磊.車用復合材料應用與開發關鍵淺析[J].汽車材料與涂裝，2020（5）：215-218.

[3]劉楚杰.復合材料結構與功能及在新能源領域的應用[J].技術應用與研究，2018（10）：128-129.