樹脂基復合材料模壓成型工藝中的影響因素研究

摘 要 模壓成型工藝作為樹脂基復合材料主要的成型方法，正廣泛的應用于航空航天、汽車等領域。如何制造性能優良、缺陷少的復合材料制品尤為重要。本文針對復合材料模壓成型中的工藝特點，不僅對模壓成型過程中的材料固化和流動行為進行了詳細闡述，而且對其性能的影響因素進行深度剖析，包括材料流動誘導的纖維顯微結構、材料流動誘導的孔隙演化等因素。通過這些分析結果對采用模壓工藝制備復合材料的科研工作者們提供了重要參考。

關鍵詞 "模壓工藝；復合材料；纖維顯微結構；孔隙演化

Research on the Influential Factors in the Compression

Moulding Process of Resin-based Composites

DU Zhengcai，WANG Hongyun，HOU Chuanli，WEI Xilong

（ Harbin FRP" Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The compression molding process， as the main forming method of resin-based composite materials， is widely applied in aerospace and automotive industries， among others. It is particularly important to manufacture composite materials products with excellent performance and few defects. This article focuses on the process characteristics of composite material molding， detailing material solidification and flow behavior during the compression molding process， while also delving into the influencing factors of its performance， including fiber microstructure induced by material flow and pore evolution induced by material flow， among others. These analysis results provide important references for researchers using the molding process to prepare composite materials.

KEYWORDS compression moulding；composites；fibre microstructures；pore evolution

1 引言

模壓工藝作為一種先進的樹脂基復合材料制造技術，正在應用于越來越多的領域。現代工業領域如何通過模壓工藝制造性能優良、缺陷少的復合材料制品，無疑成為了業界關注的焦點。模壓工藝過程中的材料固化和流動是兩大核心環節。固化是指復合材料在一定溫度和壓力下，樹脂基體發生化學反應，形成穩定的三維網絡結構，使復合材料獲得所需的力學性能和穩定性。材料流動則涉及材料在模具中的分布和變形，對復合材料的顯微結構和性能起著決定性作用，材料流動又可誘導纖維顯微結構的形成和孔隙的演化［1］。

流動誘導的纖維顯微結構是影響復合材料性能的關鍵因素之一。模壓成型過程中的纖維排列和取向會受到材料流動的影響，進而形成不同的顯微結構這對復合材料的力學性能和熱穩定性具有顯著影響。流動誘導的孔隙演化也是影響復合材料性能的關鍵因素之一。在模壓成型過程中，由于樹脂基體的流動和固化速度差異，可能導致復合材料內部形成孔隙，這會降低復合材料的力學性能和耐久性，甚至導致性能失效［2］。

本文針對復合材料模壓工藝中的難點，通過試驗研究和理論分析，詳細描述了模壓工藝過程中材料固化和流動行為，并對影響其性能的關鍵因素進行深度剖析，進而提出了相應的優化措施。通過對模壓工藝影響因素的深入研究，可以更好地控制生產過程，提高產品的性能、精度和一致性，從而滿足市場對高質量模壓產品的需求。

2 固化與流動

纖維增強樹脂基復合材料的微觀結構是一種由相互交織的纖維組成的復雜網絡結構。由于纖維之間形成多重接觸，進而對材料的固化過程、流動特性以及最終展現出來的機械性能產生顯著影響，如通過SMC、GMT、LFT等模壓工藝制造的復合材料［3］。

模壓階段的材料經歷一系列復雜的固化與流動過程，并與模具腔內的傳熱行為緊密相互作用。材料開始流動前，多種固化行為相繼發生，導致材料厚度顯著減小，這主要是由于模壓化合物內部的孔隙（空隙）逐漸閉合以及板狀材料的形變所致。根據模具的幾何形狀特征、纖維網絡的復雜程度、聚合物的流變特性以及壓縮成型條件（如模具閉合速度、溫度等），產生多種不同的流動行為［4］。一般而言，均勻流動行為，如經典SMC中的塞流現象，通常在結構簡單且壓力均勻的區域。然而，非均勻流動行為通常發生在復雜結構區域，如肋部或存在鑲嵌物的部位。這些非均勻流動現象可能導致纖維與基體的分離，從而影響制品的力學性能和外觀質量［5］。此外，沿鋪層厚度方向的層間分離現象也是模壓成型過程中需要關注的問題，通常發生在鋪層之間，由于溫度、壓力和固化速度的不一致，可能導致層間粘接不緊密，進而影響制品的整體性能。

材料流動過程中的溫度變化對固化速度和流動特性具有顯著影響。模具溫度的高低直接決定了材料固化速度的快慢，進而影響其流動性。同時，材料在模具內的流動也會反過來影響溫度的分布，特別在材料厚度較大的區域，由于熱量傳遞不均勻導致固化速度不一致，發生材料層間分離現象。

在模壓成型過程中，當頂部和底部的材料層與熱模具表面發生接觸并受到擠壓時，會發生更復雜的材料非均勻流動行為。在材料流動過程中，纖維增強體可能會受到損傷，例如纖維斷裂或變形。這些損傷直接影響零部件的力學性能，降低其承載能力和使用壽命。此外，材料流動時還會排出苯乙烯或空氣等滯留氣體，這些氣體的排出在流動前方形成孔洞，進一步影響零部件的質量和性能，如圖1所示，圓圈處表示位于兩個材料層流動相遇區域的孔隙。

針對非均勻流動行為和沿厚度方向的材料層間分離現象，可采取適當措施有效解決。首先，對于結構復雜區域出現的纖維與基體分離現象，可以通過優化結構設計減少結構中的復雜部位和尖銳轉角，降低分離的風險。同時，選用合適的材料以及改善材料間的相容性，也是減少纖維與基體分離的有效手段；其次，對于沿厚度方向的材料層間分離現象，需要嚴格控制模壓成型過程中的溫度、壓力和時間等工藝參數，確保材料成型過程中能夠充分熔融和流動，從而減少層間分離的可能性。此外，采用真空輔助成型或熱壓成型等先進成型技術和設備也可以提高成型質量，減少層間分離的現象發生。

3 顯微結構

模壓成型過程中可能會出現各種材料變形方式和流動現象，主要是因為受到材料的流變特性、模具幾何形狀、加工條件（如模具溫度、加壓速度、壓力大小）的共同影響。這些影響因素共同作用于成型過程，控制著材料的流動方式，進而直接決定了纖維的顯微結構［6］。

通過加壓過程中的應力-應變變化規律研究纖維的顯微結構，針對不同壓縮應變率對GMT方形樣品進行系統性壓縮試驗的應力-應變曲線，如圖2所示。在相同應變條件下，隨著應變率增大，所測得的壓應力呈現增長趨勢。表明了模壓成型過程中的應變率對所測壓應力具有顯著影響，且在較低的壓縮應變率0.003/S條件下，隨著材料的流動，纖維與基體之間的分離現象較為明顯。當應變率提升至較高水平0.3/S時，這種分離現象受到顯著限制，不易發生。值得注意的是，在高應變率下，材料均勻流動的過程中，纖維沿著主軸方向發生顯著的重新定向排布。這一發現對于深入理解材料在復雜應力狀態下的變形行為以及優化相關加工工藝具有重要的指導意義。

針對纖維顯微結構為糾纏顯著的材料，如GMT和SMC材料，纖維與基體間的分離現象更為突出。這種現象在SMC材料的復雜流動區域，特別是層與層之間流峰相遇的區域（如圖1圓圈區域所示）和肋結構區域更易發生。分離現象會導致富樹脂區的形成，進而對基體的固化反應產生不良影響，并可能損害零件的最終力學和物理性能，可能引發明顯的下沉痕跡或裂縫的產生，因為在基體固化過程中會出現過度的固化收縮現象［7］。

此外，材料流動過程中的纖維束也可能出現局部變形現象。隨著溫度升高和壓力增大，纖維束不再是整齊劃一的整體，而是開始發生顯著的形變，甚至分解成單個高度變形的細絲。這些細絲在形態上呈現出獨特的彎曲和扭曲狀態，體現了纖維束內部的復雜結構和動態變化。這種局部變形現象的發生主要取決于纖維束的固有性質。其中，纖維尺寸和體積含量是兩個至關重要的因素。纖維尺寸決定了其在外力作用下的響應方式和變形程度，而體積含量則影響著纖維束的整體力學性能和變形行為。當纖維尺寸較小、體積含量較低時，纖維束變形能力相對較強，更容易發生彎曲和剪切等局部變形現象。

4 孔隙演化

復合材料流動誘導的孔隙演化是一個復雜且關鍵的過程，涉及到材料在制造和加工過程中的微觀結構變化［8］。GMT和SMC等材料在模壓成型前，其內部往往呈現出較高的孔隙率，這一特性對于后續的成型過程具有顯著影響［9］。孔隙率與纖維體積含量密切相關。隨著纖維體積含量的增加，預浸漬中間體板材內部的孔隙率呈現增加的趨勢。這是由于高纖維體積含量的材料在制造過程中，纖維與樹脂基體之間的結合更為緊密，導致氣體難以排出，從而形成更多的孔隙。這些孔隙在模壓過程中可能導致材料變形、翹曲等問題，嚴重影響產品的尺寸精度和外觀質量［10］。

為了研究這些材料在壓縮過程中孔隙的演化規律，通過X線微觀掃描技術定量測量孔隙率與壓縮應變之間的關系。通過對比不同纖維體積含量的SMC材料在壓縮過程中的孔隙演化情況，可以深入了解孔隙對材料性能的影響機制。纖維體積含量25 %整體孔隙率與應變ε33的演化關系如圖3所示，纖維體積含量50 %整體孔隙率與應變ε33的演化關系如圖4所示。

試驗結果表明，在初始狀態下，無論是低纖維含量25 %還是高纖維含量50 %的SMC材料都呈現出多孔性，且孔隙具有橫向各向同性的特點。對于高纖維含量50 %的SMC材料，其孔隙率較高，可達0.2，且以開放孔隙為主。在壓縮過程中，這些開放孔隙的尺寸逐漸減小。同時，其所包含的氣體（如空氣、苯乙烯等）通過開放的孔隙網絡流動，逐漸排出材料外部。這一過程有助于降低材料孔隙率，提高材料密實度和力學性能。相反，對于低纖維含量25 %的SMC材料，其孔隙率相對較低，最大為0.016，且主要為封閉性孔隙。在壓縮過程中，這些封閉孔隙的尺寸也會逐漸減小，但由于缺乏開放的孔隙網絡，氣體排出較為困難。有時會出現孔隙合并的現象，即多個小孔隙在壓縮過程中合并成一個較大的孔隙。這種現象可能導致材料內部出現較大的缺陷，影響產品的性能和使用壽命。

通過對試驗過程中的現象觀察和數據分析，發現孔隙收縮與氣體在樹脂基體中的溶解密切相關。首先，隨著壓縮過程中壓力的增大，氣體逐漸被壓入樹脂基體并溶解其中。這一過程有助于進一步降低材料的孔隙率，提高材料的致密性和性能穩定性；其次，加工溫度是影響孔隙演化的一個重要因素。材料分子在高溫下的運動速度加快，有利于孔隙的遷移和聚集；而低溫下的分子運動速度減緩，孔隙的演化可能受到抑制。除了溫度和壓力，成型速度也是影響孔隙演化的一個不可忽視的因素。復合材料成型速度過快可能導致材料內部的氣體來不及排出而形成孔隙；而成型速度過慢則可能導致材料在模具中停留時間過長，發生熱降解或氧化等不良反應，進而影響材料的性能。

5 結語

（1）通過優化結構設計，選用合適的材料以及改善材料間的相容性以及嚴格控制成型工藝參數（溫度、壓力和時間等），可有效減少層間分離的可能性。此外，采用如真空輔助成型或熱壓成型等先進的成型技術和設備，也可以提高成型質量，減少層間分離的現象發生。

（2）在較低的壓縮應變率0.003/S條件下，纖維與基體之間的分離現象較為明顯。當應變率提升至較高水平0.3/S時，可有效限制纖維與基體之間的分離。在高應變率下，材料流動均勻，纖維會沿著主軸方向發生顯著的重新定向排布。

（3）50 %的高纖維含量SMC材料相比較于25 %的低纖維含量SMC材料，孔隙率更高，且以開放孔隙為主，孔隙也更易排出，產品的密實度和力學性能更好。壓縮過程中的加壓、加溫、控制成型速度，有利于孔隙的遷移和聚集，從而提高材料的致密性和性能穩定性。

綜上所述，針對樹脂基復合材料模壓成型中的挑戰，通過對模壓成型過程中材料固化和流動行為以及對其性能影響因素的深度剖析，可以為行業從業者提供更為準確和實用的技術參考，推動樹脂基復合材料模壓成型技術的不斷進步和發展。

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