碳纖維槽鋼樹脂傳遞成型工藝仿真及制備

摘 要 纖維復合材料具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕、可設計等多種優點，被廣泛應用于各種行業。作為復合材料成型工藝的一種，樹脂傳遞成型工藝（Resin Transfer Molding，RTM）是一種高質量、高精度、低成本、綠色化的閉模成型工藝。以Darcy定律為基礎的RTM仿真技術能夠快速地模擬出樹脂在成型時的浸潤狀態，為RTM工藝提供了設計參考，降低了試錯率。本文依據計算機仿真技術，通過對原材料的測試、模具的設計和工藝參數的優化，成功制備了碳纖維槽鋼，其孔隙率、纖維體積含量、固化度及內部質量等理化性能充分達到設計要求。

關鍵詞 復合材料；RTM；碳纖維槽鋼；計算機輔助技術

Simulation and Preparation of Resin Transfer Molding

Process for Carbon Fiber Channel Steel

LIU Xinyi ， ZOU Hongyang， LI Mu ， SU Yading ， ZHANG Yunfeng ， YU Baifeng

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

ABSTRACT Fiber composite materials have various advantages such as high specific strength， high specific stiffness， corrosion resistance， and designability， and are widely used in various industries. As a type of composite material molding process， Resin Transfer Molding （RTM） is a high-quality， high-precision， low-cost， and environmentally friendly closed mold molding process. The RTM simulation technology based on Darcy's law can quickly simulate the wetting state of resin during molding， providing design reference for RTM process and reducing the trial and error rate. Based on computer simulation technology， this article successfully prepared carbon fiber channel steel through testing of raw materials， design of molds， and optimization of process parameters. Its physical and chemical properties such as porosity， fiber volume content， curing degree， and internal quality fully meet the design requirements.

KEYWORDS composite material; RTM; carbon fiber channel steel; computer-aided technology

1 引言

纖維復合材料作為輕質高強的典型材料體系[ 2]，具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕、抗疲勞性能好、強度可設計等多種優點[3]，被廣泛應用于航空航天、武器軍工、汽車工業、風電等行業[4-7]。特別在建筑及工程領域[8-10]，大型復合材料型材具有較大的潛力，而樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）技術已成為大型結構型材的優勢工藝[11-13]。RTM工藝作為閉模成型的一種，具有低成本、綠色化、質量穩定等多種優勢，隨著復合材料應用領域愈加廣泛，產品結構形式多種多樣，RTM隨之衍生出多種成型工藝[14]。本文借鑒高壓注射樹脂傳遞成型（HP-IRTM）的工藝思路，依托于計算機輔助技術，探究在較低壓力下、高真空環境的RTM成型，使其不僅具有HP-IRTM工藝的快速高效，又降低了設備依賴，同時提高產品成型質量，并成功研制出具有一定厚度和較大長度的碳纖維槽鋼。

2 材料與設備

碳纖維槽鋼產品結構如圖1所示，為一截面類“U”型或類“C”型的凹槽長條結構，主要用于機械支撐及導向作用，產品規格為腰高90 mm，腿寬255 mm，腰厚10.5 mm，整體長度為4000 mm。

樹脂基復合材料成型工藝眾多，以纖維纏繞、拉擠、手糊及模壓成型等最為廣泛，隨著認識的深入及材料和設備技術的發展，以預浸料作為中間材

料的對模鋪放成型、熱壓罐成型、自動鋪絲等成型方式應用也越來越廣，RTM及其衍生工藝以其獨特的技術優勢同樣占有較高地位。碳纖維槽鋼成型工藝綜合考慮表1多種復合材料成型工藝的優缺點[15，16]，根據其應用場景，優選出拉擠工藝、對模鋪放成型及RTM工藝。但作為承力及導向結構，需有一定比例的環向鋪層，對于以縱向為主方向的拉擠成型工藝，難以保證該長度下槽鋼的平面度、直線度等公差要求，若采用預浸料對模成型，其成型效率及成本又相對較高，因此，最終將RTM工藝作為碳纖維槽鋼成型的第一選擇。

碳纖維槽鋼成型設備主要有提供真空環境的真空泵系統，RTM過程的雙組份環氧注膠機以及固化過程的加熱爐，如表2所示。材料將采用哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司的T700級碳纖維織物和增韌環氧樹脂。樹脂性能如表3所示，理論上RTM用樹脂在使用期內粘度為100～500 Cps較佳[17]，該樹脂是一種雙組份的高性能環氧樹脂體系，具有低粘度、可操作時間長、工藝性能好等優點，并且在適當的溫度下可以快速固化，具有優異的力學性能和極強的纖維粘接性。

3 工藝設計與制造

3.1 模具設計

RTM成型工藝中大部分成本在模具和夾緊裝置上。模具設計依據有限元仿真分析設計厚度或加筋、加肋，防止其在合模過程時的密封條壓緊力，纖維織物因蓬松受壓時的抵抗力，以及樹脂注入過程中的壓力引入導致模具變形，甚至超過設計值。但由于密封條所在處為法蘭區，模具厚度大，RTM工藝纖維體積含量相對較低，因此本次模具設計主要以樹脂注入過程中的壓力作為計算條件，以產品公差要求的1/2和材料許用應力為設計要求。最終模具材質選用45#鋼，外形尺寸為4500×355×195 mm，壁厚50 mm的箱式結構，分為上模具、下模具、頂出板及脫模板等結構。密封設計為φ10 mm的硅橡膠密封條，鎖緊螺栓為M16，8.8級。

3.2 流道設計

樹脂浸潤過程是復合材料液體成型工藝的關鍵步驟。由于RTM為閉模成型工藝，對模具和工藝參數的設計主要依據經驗法或試錯法，往往需要多輪試驗后才可固化模具及工藝參數，導致設計周期長、效率低，且成本高[18]。隨著計算機仿輔助技術的發展，以Darcy定律為基礎的RTM仿真技術正逐步應用于設計過程，Darcy定律[19，20]表達式如下，是對雷諾數＜1的流動狀態的合理預測[21]。

=-Kμ P

式中，為RTM過程的纖維浸潤速率，K為纖維的滲透率，μ為基體樹脂的粘度，P為流動前后的壓力差。由于RTM過程的纖維增強材料已確定，可認為滲透率為一定值，因此如何提高纖維浸潤時的壓力差，降低樹脂的粘度，是RTM成型過程的關鍵因素[22]。

本文依據碳纖維槽鋼結構形狀，對RTM成型過程進行了建模和仿真，優化了流道設計和成型工藝參數。流道設計過程分為兩種方案，其中方案一為1#口注膠，2#及3#口抽真空，方案二為2#口注膠，3#口作為真空通道。采用國內外主流的RTM仿真軟件對兩種方案進行分析，計算參數取值如表4所示，假定充填過程中樹脂粘度為常數，不隨時間和溫度變化。

如圖4所示，方案一、方案二均完成了樹脂浸潤，經后續試驗也驗證了該結果，其中方案一成型時間為31 min，方案二為109 min，充填曲線放大后呈階梯狀主要受計算軟件精度影響。可以看出，兩種方案整體表現為開始時浸潤速度快，后趨于變緩，最后略有增加，這是因為樹脂在充填過程中，一方面受注膠口處機械推動，另一方面也受真空口處的牽引，而二者均與距離成負相關，即距離越近，效果越明顯。隨著浸潤的進行，樹脂流動前端逐漸遠離注膠口，注膠阻力逐漸加大，速度變緩，而越接近真空口，越受真空負壓的牽引，促進了纖維的浸潤過程。方案二時間長于方案一，是因為其流道過長，平均浸潤速率又低。根據計算結果，優選了方案一的流道設計方案。在模具設計過程中，將注膠口和真空口均設計成帶有一定角度的錐型結構，以便該處的脫模。

3.3 工藝成型

碳纖維槽鋼成型過程主要分為預成型制造階段、RTM成型階段、機械加工階段及終檢出廠階段，如圖6所示。

3.3.1 預成型坯制造

對模具表面進行清潔處理并涂抹脫模劑3～4次。根據產品尺寸要求進行纖維織物裁剪，首先在下模具上鋪放碳纖維織物，由于產品尺寸較厚，故采用了面密度1000 g/m2的雙軸向布進行鋪放，過程中采用3M膠定型并與模具貼合，如圖7所示。

3.3.2 RTM成型

真空度：在不考慮流道設計情況下，密閉模腔內的真空度等級越高越好，以防止樹脂流動過程包裹空氣，形成“氣團”，造成浸潤不良。故在該產品的研制過程中，將持續對密閉模具抽真空，本產品模腔內真空度不低于500 Pa。

注膠溫度：理論上樹脂粘度越低，樹脂流動阻力越小，纖維浸潤越好。環氧樹脂粘度通常表現為隨著溫度的升高而逐漸降低，但同時溫度的升高也增加了樹脂體系的反應速率。因此，注膠溫度的選擇取決于樹脂體系的活化期和最小粘度溫度，使其既滿足成型時間，避免RTM過程中樹脂快速固化浸潤不良，又不使注膠溫度過低，樹脂粘度增大而提高注膠壓力。如圖8所示，成型樹脂由50 ℃升溫至60 ℃時，粘度仍下降超10 %，而升溫至70 ℃時，樹脂粘度略有升高。故綜合考慮樹脂粘度、適用期、成型時間及設備的可承受能力，樹脂的預熱溫度暫定為60 ℃，同時測量該樹脂在恒溫60 ℃時的粘度變化，樹脂隨著溫度的升高及時間的延長，逐漸發生聚合反應，宏觀表現為粘度增大且越來越快。在60 min內樹脂粘度變化不大，滿足30 min成型時間要求，故RTM成型時樹脂加熱溫度最終定為60 ℃。

注膠壓力：注膠壓力是RTM工藝中的重要參數。壓力過大，會造成模具損壞或模具工裝成本過高以及模腔內纖維預成型體的位移和變形，導致微小氣泡不易排除；壓力過小，易造成充模不完全。兩種情況都會致使工藝失敗。注膠壓力是決定RTM制品質量的關鍵要素。由于本工藝是借鑒HP-RTM工藝的理論原理，即采用一定壓力注膠的形式，將樹脂完全灌入模腔，該方式降低了對樹脂流動通道的設計依賴，但對成型用設備也提出了一定要求，即樹脂灌注過程應達到一定的壓力值，才能保證纖維的完全浸潤。因此，合理的注膠壓力設計是保證關鍵件成型過程的要素之一。如圖10所示，樹脂充填時間隨注膠壓力的升高而逐漸降低，但逐步趨于緩慢，主要因為采用橫流注射，對于低壓力時，壓力作為主要影響因素，而高壓力時，滲透率和粘度影響較大。但實際生產中，如圖11所示，壓力或流速增大將造成纖維的褶皺，導致局部纖維體積含量增加，滲透率降低，不利于浸潤過程，本次成型壓力最終選為2 MPa。

注膠速度：在一定注射壓力下，注膠速度取決于樹脂對纖維的潤濕性和樹脂的表面張力及粘度，受樹脂的活化期、注射設備的性能、模具強度、制件的尺寸和纖維含量的制約。若流速過快，會造成纖維沖刷嚴重，若流速較慢，不僅降低了成型效率，甚至可能在樹脂試用期內難以完全充填模腔，造成局部樹脂固化浸潤不良，導致成型失敗。因此在前期計算基礎上，產品的注膠速度將采用梯度設計，即從3 g/s逐步增加至5 g/s。

在預成型坯制造完成后，鎖緊模具，安裝閥體。首先關閉注膠閥，打開真空閥，并啟動真空設備，對密閉模腔進行抽真空，過程中應檢查接口處是否存在漏氣現象。待真空設備真空度顯示為500 Pa或更高，打開注膠閥和注膠設備，開始灌注過程，待真空閥處溢膠，及時關閉真空閥和注膠閥，切斷連接管路，完成注膠過程。

3.3.3 固化及脫模

依據DSC結果，確定成型樹脂的固化制度。由于RTM為帶有外模具的固化，固化溫度和時間需考慮模具的傳熱，涉及模具的材質和厚度，如圖12所示，碳纖維槽鋼的固化時間由理論的5 h調整為9 h。

待模具冷卻至室溫時進行脫模，首先拆去鎖緊螺栓，利用模具頂出機構拆卸上模具，端部安裝脫模端板，利用螺栓頂出設計將碳纖維槽鋼沿長度方向脫出。

4 理化性能分析

首先對碳纖維槽鋼進行表觀檢查，可見外部質量良好，未發現干斑、貧膠等缺陷。采用游標卡尺對產品進行尺寸測量，其尺寸公差均小于設計要求的±0.2 mm。依據相關標準對碳纖維槽鋼的纖維體積含量、孔隙率、固化度及硬度進行了測試。如下表所示所示，纖維體積含量為56.10 %，孔隙率為0.17 %，固化度為98.25 %，巴氏硬度67.24 Hba，均達到設計要求。在超聲波探傷檢測階段，采用奧林巴斯超聲探傷儀，掃描速度小于50 mm/s，掃描間距小于2 mm，進行鋸齒形掃查，結果顯示產品內部質量優異，無疏松、架橋或分層等缺陷。

5 總結與展望

本文首先通過計算機輔助技術對碳纖維槽鋼進行了流道設計，其次采用RTM工藝成功研制了較大長度、較高壁厚及高質量的碳纖維槽鋼。但在RTM成型階段，實際灌注時間約為24 min，小于仿真分析的31 min，是因為纖維在裁剪時邊緣參差不齊，形成了更大滲透率的樹脂流動通道，促進了樹脂的浸潤過程。然而，RTM仿真技術對流道設計提供了定性分析，讓流道設計更加優化和合理，指導了生產。與工業生產相融合的計算機仿真技術將為RTM提供數據支撐，進一步推進RTM及其衍生工藝的應用和普及。

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