復合材料濕法模壓工藝參數與結構特性研究

楊 青 潘利劍

（1.上海碳纖維復合材料創新研究院有限公司，上海 201512；2.東華大學民用航空復合材料協同創新中心，上海 201620）

模壓工藝是一種應用非常廣泛的復合材料零件制造工藝，常見于片狀模塑（SMC）和玻璃纖維氈增強熱塑性樹脂（GMT）等材料的成型［1-2］。濕法模壓工藝屬于其中的一種，也被稱為液體模壓成型，該工藝生產過程較簡單，且成型速度快，適合大批量的零件制造；缺點在于樹脂對纖維的浸潤達不到熱壓罐和液體成型VARI的水平，不符合傳統航空航天領域的使用要求，因而相關的研究較少。隨著該工藝在汽車車身零部件中的成功應用，既滿足了汽車次承力結構的使用要求，達到輕量化效果，且非常適合汽車行業大批量生產，因而重新成為關注和研究的熱點［3-5］。

1 試驗

濕法模壓工藝成型過程中，首先是將液態環氧樹脂澆注到纖維織物上，然后樹脂在適當的溫度、時間和固化壓力下，完成對纖維織物的浸潤和固化成型。濕法模壓工藝的應用價值在于快速成型，因此只有使用快速固化樹脂體系才能發揮這項工藝自身的特點。

文章選用的是一種中溫快速固化樹脂，該樹脂是單組分復配型環氧樹脂，不需要另加固化劑，可免脫泡使用。用流變儀作該樹脂的升溫黏度曲線，發現該樹脂的黏度隨著溫度呈現明顯的先減小后增大的趨勢，且在120℃時，黏度非常小，僅為46 mPa·s，能對纖維進行很好的浸潤。

隨著溫度的升高，該樹脂凝膠時間減少趨勢很明顯，在80～120℃區間內黏度僅有60mPa·s，具有很好的流動性。選擇80℃作為樹脂預熱溫度，有近1 h凝膠時間，不僅能夠節省加熱時間，還能節省能耗。纖維織物被樹脂浸潤后，選擇120℃作為固化溫度，僅需不到10 min就能完全固化，實際生產中可以保持較高的制造效率。

碳纖維織物方面，選取Toray-T700-3k平紋織物（200 g／m2），10層疊合后，放置在模具內，根據不同試驗方案，進行模壓成型。

試驗過程中，為了確保樹脂和纖維能夠充分浸潤，在樹脂噴涂完成后加壓前，靜置一段時間。采用VARI成型工藝進行參數摸索，在使用導流網0.1 MPa壓力下，80℃樹脂6.5 min能夠完成浸潤過程（使用導流網）。因此，選取0 min、2 min、4 min、10 min這幾個時間點，作為后續試驗參數。

2 結果與討論

2.1 固化壓力對試樣性能的影響

在濕法模壓成型工藝的過程中，壓力的主要作用有：增加樹脂的流動性，完成對織物鋪層的浸潤；提高制件結構的密實程度，減少制件中孔隙、分層等缺陷的產生。首先參考VARI工藝0.1 MPa的固化壓力進行試制，但是發現此工況下，試樣內部存在較大的干斑缺陷。因而，在正式試驗制樣時，采取2倍、5倍、10倍和15倍大氣壓（即0.2 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa）進行試驗。進行此工況試驗時，樹脂浸潤時間統一設定為0 min，即纖維織物噴淋樹脂后，立刻合模升溫成型。

固化成型后，對試樣的厚度和纖維體積分數進行測定，測試結果見圖1～2。

圖1 固化壓力與厚度的關系

由圖1可以發現：隨著壓力的增加，試樣厚度呈減小的趨勢，說明固化壓力越大，試驗的壓實程度越高，當壓力為1.5 MPa時，厚度為1.62 mm。由圖2可以看出：隨著壓力的增加，試樣樹脂含量降低，纖維體積分數提高，當壓力從0.2 MPa增加到1.0 MPa時，試樣的纖維體積分數有顯著增加，達到65.5%；但是當壓力達到1.5 MPa時，纖維體積分數降低至65.2%。結合圖1～2可以看出：當壓力大于1.0 MPa后，試樣厚度進一步降低，但是纖維體積分數沒有隨之增加，反而略有下降，說明過大的壓力導致纖維致密度增加，影響了樹脂的浸潤。

圖2 固化壓力與纖維體積分數的關系

對上述試樣按照ASTM標準制作樣條，進行拉伸、壓縮等力學性能測試，測試結果見圖3～4。

圖3 不同固化壓力對拉伸強度的影響

由圖3可以發現：當固化壓力從0.2 MPa增加到0.5 MPa時，試樣抗拉強度增加較明顯，最大值達到595.3 MPa；當壓力大于1.0 MPa后，抗拉強度幾乎沒有變化。這說明0.2～1.0 MPa區間內施加壓力可以顯著減小試樣內部缺陷。同理，由圖4也可以發現：當壓力為1.0 MPa時，試樣纖維體積分數達到最大值，此時試樣的強度最好；當固化壓力從0.2 MPa向1.0 MPa增加的過程中，壓縮強度不斷增加，1.0 MP壓力下，壓縮強度最大，達到330.2 MPa；當繼續增加壓力，達到1.5 MPa時，壓縮強度反而降低至322.0 MPa。這說明開始時壓力增加有利于樹脂在纖維內部的流動和浸潤，促進樹脂和纖維的結合力增加。當壓力超過1.0 MPa后，壓力使纖維織物堆疊更加緊密，影響樹脂與纖維浸潤，材料發生了貧樹脂現象，纖維體積分數下降，導致壓縮強度顯著降低。

圖4 不同固化壓力對壓縮強度的影響

2.2 樹脂浸潤時間對試樣性能的影響

為了進一步考察樹脂纖維的浸潤效果對試樣性能的影響，研究1.0 MPa壓力下，不同浸潤時間對材料性能的影響。

依據上述工藝參數，分別進行制樣，測試不同浸潤時間下試樣厚度變化和纖維體積分數變化關系，測試結果見圖5～6。

圖5 浸潤時間與厚度的關系

由圖5可以看出：隨著浸潤時間的增加，試樣厚度呈減小的趨勢。當浸潤時間為4 min時，試樣厚度為1.65 mm；進一步將時間增加到10 min，試樣厚度為1.6 mm，變化非常小。這說明浸潤時間增加有利于樹脂和纖維的浸潤，另一方面也說明，1.6 mm是纖維織物在1.0 MPa壓力下能夠壓縮到的最小厚度。同理，由圖6也可以看出：隨著浸潤時間增加，纖維體積分數越來越高，說明浸潤時間的增加有利于樹脂和纖維的浸潤。當浸潤時間為4 min時，纖維體積分數達到66.8%；當浸潤時間為10 min時，纖維體積分數僅為67.1%，說明浸潤時間的增加對纖維體積分數的影響不再明顯，纖維織物中浸潤的樹脂量已達到飽和。

圖6 浸潤時間與纖維體積分數的關系

針對上述樣品依據ASTM標準制作樣條，進行拉伸和壓縮性能的測試，結果見圖7～8。

圖7 不同浸潤時間下的拉伸強度

由圖7可以發現：隨著浸潤時間的增加，材料的抗拉強度不斷增強。當浸潤時間為4 min時，抗拉強度從595.3 MPa快速增加到629.8 MPa，試樣強度的增加非常顯著；而當浸潤時間大于4 min，抗拉強度僅增加到634.2MPa，增加較為緩慢。由圖8可以發現：試樣的抗壓強度也隨浸潤時間增加不斷增強，當浸潤時間為4 min時，抗壓強度從330.3 MPa迅速增加到363.4 MPa，增加非常顯著；而當浸潤時間為10 min時，抗壓強度僅僅增加了4 MPa，達到367.0 MPa。即當浸潤時間小于4 min時的纖維體積分數增加最快。因而在實際的生產中選擇4 min的浸潤時間是比較合適的。

圖8 不同浸潤時間下的壓縮強度

2.3 模具真空負壓對試樣性能的影響

為了增加纖維織物內部氣泡的排除速度，增加樹脂的浸潤速度，考察對模具腔體抽真空負壓0 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa 3種參數對試樣性能的影響。制樣過程中，抽真空時間為1 min，不再單獨增加樹脂浸潤時間，合模固化壓力仍為1.0 MPa。

首先測試不同真空度下，試樣厚度變化和纖維體積分數的變化關系，測試結果見圖9～10。

圖9 真空負壓與厚度的關系

由圖9可以看出：隨著真空負壓的增加，試樣厚度呈減小的趨勢，當負壓為0.10 MPa時，試樣厚度為1.6 mm。由圖10可以發現：雖然試樣厚度隨真空負壓的增加而變小，但是纖維體積分數則呈現先增加后減小的趨勢，負壓為0.05 MPa時纖維體積分數達到最大值66.9%，隨著真空負壓的繼續增加，纖維體積分數顯著減小至64.3%。這說明隨著真空負壓的增加，可能有部分樹脂被負壓抽走，造成纖維織物內部貧樹脂。

圖10 真空負壓與纖維體積分數的關系

針對上述樣品依據ASTM標準制造樣條，進行拉伸和壓縮性能的測試，結果見圖11～12。

圖11 不同真空負壓下的拉伸強度

由圖11可以發現：當負壓增加到0.05 MPa時，抗拉強度有較顯著地提升，從601.5 MPa提高至633.5 MPa；但是隨著負壓增加到0.10 MPa時，抗拉強度卻略有下降。由圖12可以發現：當負壓增加到0.05 MPa時，抗壓強度有較顯著地提升，達到329.0 MPa；但是當負壓增加到0.10 MPa時，抗壓強度大幅度下降至298.6 MPa，說明此時樹脂和纖維結合力嚴重下降。結合試樣纖維體積分數的變化情況，說明當負壓進一步增加時，材料中的樹脂可能被抽走，造成了材料貧樹脂情況的發生。

圖12 不同真空負壓下的壓縮強度

對真空負壓0.05 MPa和0.10 MPa的試樣進行金相分析，得到放大200倍情況下的圖像。通過對比發現，真空負壓0.05 MPa的材料致密性較好，而真空負壓0.05 MPa的纖維夾雜的黑色孔洞較多。黑色孔洞代表纖維內部的貧樹脂缺陷，說明隨著負壓的進一步增加，有部分樹脂被抽走，印證了前面的分析結果。

3 結論

（1）固化壓力對試樣性能有較大影響，壓力太小，不利于樹脂在纖維織物內部流動和浸潤；而壓力太大，會使纖維織物過于致密，導致樹脂在完成充分浸潤前就被擠出，從而試樣內部出現顯著缺陷。因此只有在合理的壓力區間，才能使試樣獲得較好的力學性能。

（2）增加浸潤時間對試樣內部質量有非常顯著的影響，浸潤時間越長零件質量越好，但是過長的浸潤時間對于試樣性能的提升不再顯著。因此生產中需要根據實際情況采取合理的浸潤時間，達到質量和效率的平衡。

（3）模腔真空負壓的施加，對于試樣力學性能有顯著影響，施加一定的真空負壓，有利于纖維織物內部空氣的排除，可以提高樹脂和纖維的浸潤效果，但是真空負壓的抽氣裝置要合理設計，防止在較大負壓下將樹脂抽走，影響零件質量。

（4）當固化壓力為1.0 MPa，浸潤時間大于4 min，或模具真空負壓為0.05 MPa時，所制造試樣的拉伸強度均大于630 MPa，壓縮強度均大于320 MPa，說明濕法模壓工藝制造碳纖維復合材料具有較好的強度，完全可以滿足汽車次承力結構件的使用要求。