復(fù)合材料液體模塑成型工藝研究現(xiàn)狀

劉兆麟,程燦燦

(1.東華大學(xué),上海201620;2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201620)

復(fù)合材料液體模塑成型工藝研究現(xiàn)狀

劉兆麟1,2,程燦燦1,2

(1.東華大學(xué),上海201620;2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201620)

文章介紹了樹脂傳遞模塑(RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)、樹脂浸漬模塑(SCRIMP)、樹脂膜滲透(RFI)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(SRIM)等幾種復(fù)合材料液體模塑成型工藝(LCM)的原理與特點(diǎn),并分析了上述LCM工藝存在的主要問題及相應(yīng)的解決對策。

液體模塑成型工藝;成型原理;技術(shù)特點(diǎn);問題與對策

1 概念與類型

復(fù)合材料液體模塑成型工藝(Liquid Composite Molding,簡稱LCM)是指將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中,或?qū)㈩A(yù)先放入模腔中的樹脂膜加熱熔化,使液態(tài)聚合物在流動(dòng)充模的同時(shí)完成對纖維的浸潤并固化成型為制品的復(fù)合材料制備技術(shù)。最常見的LCM工藝包括樹脂傳遞模塑、真空輔助樹脂傳遞模塑、樹脂浸漬模塑、樹脂膜滲透工藝和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑成型。上述幾種LCM工藝的共同特點(diǎn)是首先將纖維預(yù)成型體放入模腔中,再將一種或多種液態(tài)樹脂(通常為熱固性樹脂)在壓力作用下注入閉合模內(nèi),壓力作用可通過模腔內(nèi)形成真空,因重力或由壓力泵、壓力容器等提供,而后液態(tài)樹脂浸潤纖維預(yù)成型體,固化脫模后即可獲得復(fù)合材料制品。

與其他復(fù)合材料成型工藝相比,LCM工藝可生產(chǎn)的制品范圍更廣,可一步浸潤成型帶有夾芯、加筋或預(yù)埋件的大型制品,可按結(jié)構(gòu)要求定向鋪放纖維,制品性能高,成本低;與傳統(tǒng)模壓成型和金屬成型工藝相比,LCM的模具質(zhì)量輕,成本低,投資小;此外,閉模成型的LCM工藝可滿足日趨嚴(yán)格的苯乙烯揮發(fā)控制法規(guī)的要求。因此,LCM成型工藝成為了先進(jìn)復(fù)合材料低成本制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 成型原理

2.1 樹脂傳遞模塑(RTM)

RTM工藝最早起源于1940年的MARCO法,是為適應(yīng)飛機(jī)雷達(dá)天線罩成型而發(fā)展起來的閉合模塑技術(shù)?；驹硎牵涸谀＞叩男颓恢蓄A(yù)先放置增強(qiáng)材料,合模夾緊后,在一定的溫度和壓力下,將經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻的樹脂體系注入模具,浸漬增強(qiáng)材料并固化,最后經(jīng)脫模、后加工得到復(fù)合材料制品。

2.2 真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)

為了改善RTM注射時(shí)模腔內(nèi)樹脂的流動(dòng)性、浸潤性,更好地排盡氣泡,出現(xiàn)了一種使用敞開式模具,在注射樹脂的同時(shí)于排出口抽真空的閉模工藝——VARTM工藝。包括在型腔內(nèi)抽真空后再用注射機(jī)注入樹脂,或者僅靠型腔內(nèi)真空形成的內(nèi)外壓力差注入樹脂兩種方法。VARTM工藝的成型原理如圖1所示。

圖1 VARTM工藝原理圖

2.3 樹脂浸漬模塑(SCRIMP)

SCRIMP工藝是由美國Seemann Compos-ites公司獲得專利權(quán)的一種新型真空輔助樹脂注入技術(shù)?；驹硎牵涸谀＞咝兔嫔箱伔旁鰪?qiáng)材料與各種輔助材料,用真空袋將型腔邊緣密封嚴(yán)密,再對型腔內(nèi)抽真空,使樹脂在真空作用下由精心設(shè)計(jì)的樹脂分配系統(tǒng)注入模腔,通過樹脂的流動(dòng)、滲透,實(shí)現(xiàn)對纖維的浸潤。

根據(jù)樹脂分配系統(tǒng)的特點(diǎn),可將SCRIMP工藝分為高滲透介質(zhì)型和引流槽型兩種類型。在高滲透介質(zhì)型工藝中,由于高滲透介質(zhì)層較高的滲透率,其內(nèi)的樹脂流動(dòng)前緣迅速超過纖維層,因此高滲透介質(zhì)對充模時(shí)間起著決定性作用,工藝原理見圖2。在引流槽型工藝中,注射流道直接與引流槽入口相連,但排氣槽與引流槽要保持一定距離,樹脂總是先注滿引流槽再注入增強(qiáng)材料,對于厚壁制品,充模流動(dòng)時(shí)間幾乎等于單個(gè)引流槽內(nèi)樹脂在纖維厚度方向的浸潤時(shí)間,從而大大縮短了充模周期,工藝原理見圖3。

2.4 樹脂膜滲透工藝(RFI)

RFI是由L.Letterman(美國波音公司)申請的專利,最初是為了成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件而發(fā)展起來的。RFI工藝首先將預(yù)先制備好的樹脂膜或樹脂塊安放在模具底部,再層覆以纖維預(yù)成型體并用真空袋封裝,在烘箱或熱壓條件下加熱模具并通過真空技術(shù)將樹脂由下向上抽吸,達(dá)到一定溫度后,樹脂膜熔融為粘度很低的液體并沿厚度方向浸潤預(yù)成型體,完成樹脂的轉(zhuǎn)移,繼續(xù)升溫后樹脂固化,最終獲得復(fù)合材料制品。RFI工藝的成型原理如圖4所示。

2.5 結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(SRIM)

圖4 RFI工藝原理圖

SRIM是建立在樹脂反應(yīng)模塑(RIM)和RTM基礎(chǔ)上的一種新型成型工藝。該工藝首先把長纖維增強(qiáng)墊預(yù)置在模具型腔中,再利用高壓計(jì)量泵提供的高壓沖擊力,將兩種單體物料在混合頭混合均勻,于一定溫度條件下,將混合好的樹脂體系注射到模具內(nèi),固化成型復(fù)合材料制品。SRIM工藝的成型原理如圖5所示。

圖5 SRIM工藝原理圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 樹脂傳遞模塑(RTM)

RTM工藝的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)無需膠衣涂層即可為制件提供雙面光滑的表面;(2)可制備具有高尺寸精度、良好表面質(zhì)量的復(fù)雜制件,提高了制件的結(jié)構(gòu)整體性和性能可靠性;(3)可采用多種形式的增強(qiáng)材料,如短切氈、連續(xù)纖維氈、纖維布、無皺折織物、三維織物及其組合材料,并可根據(jù)性能要求進(jìn)行擇向增強(qiáng)、局部增強(qiáng)、混雜增強(qiáng)或形成預(yù)埋與夾芯結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮出復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性;(4)成型公差可精確控制,重復(fù)性可以保證,制品具有恒定的形狀與重量,質(zhì)量穩(wěn)定,厚度均勻,空隙率低;(5)自動(dòng)化程度較高,生產(chǎn)周期較短,材料浪費(fèi)少,成型后整修工作量很小,適合中等批量制品的生產(chǎn);(6)閉模操作使成型過程中散發(fā)的揮發(fā)性物質(zhì)很少,利于身體健康和環(huán)境保護(hù)。

3.2 真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)

VARTM相對于RTM的優(yōu)點(diǎn)有：(1)無需使用傳統(tǒng)RTM工藝中的雙層硬質(zhì)閉合模具,只需使用敞開模具與真空袋材料成型制品,簡化模具制造工序,節(jié)約費(fèi)用;(2)模腔內(nèi)抽真空使壓力減小,增加了使用更輕型模具的可能性,模具使用壽命更長、可設(shè)計(jì)性更好;(3)真空可提高纖維與樹脂的比率,使增強(qiáng)纖維含量更高,制品強(qiáng)度增加;(4)改善模塑過程中纖維的浸潤性,使樹脂和纖維的結(jié)合界面更完美,減少微觀空隙的形成,得到孔隙率更低的制品;(5)VARTM工藝更適合成型大厚度、大尺寸制件,尤其是船舶、汽車、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)件。

3.3 樹脂浸漬模塑(SCRIMP)

與傳統(tǒng)的 RTM工藝相比,SCRIMP工藝：(1)只需一個(gè)模具面以保證結(jié)構(gòu)件的外觀表面質(zhì)量,另一面采用真空袋即可,成型設(shè)備簡單,節(jié)約成本;(2)樹脂分配系統(tǒng)使樹脂膠液迅速在長度方向充分流動(dòng)填充,并在真空壓力下沿厚度方向緩慢浸潤,改善浸潤效果,可減少缺陷的形成;(3)只需在大氣壓下浸潤、固化,真空壓力與大氣壓之差為樹脂注入提供推動(dòng)力,可縮短成型時(shí)間;(4)可以浸潤厚而復(fù)雜的層合結(jié)構(gòu),蜂窩夾層結(jié)構(gòu),含有芯子、嵌件、加筋件和緊固件的結(jié)構(gòu)也可一次注入成型。

與VARTM工藝相比,SCRIMP工藝：(1)發(fā)展了再利用真空袋,整體加熱系統(tǒng)的應(yīng)用減少了固化爐的使用,降低了費(fèi)用;(2)克服了VARTM在生產(chǎn)大型平面、曲面層合結(jié)構(gòu)及加筋異型制品時(shí)纖維浸潤速度慢、成形周期長等不足;(3)樹脂沿增強(qiáng)材料長度方向的移動(dòng)與厚度方向的浸潤幾乎同步進(jìn)行,對于厚壁制品的制備更具實(shí)際意義。

3.4 樹脂膜滲透工藝(RFI)

與RTM工藝相比,RFI工藝采用真空袋加壓成型方法,免去了樹脂計(jì)量注射設(shè)備及雙面模具加工,無需制備預(yù)浸料,樹脂反應(yīng)體系的選擇更為廣泛,可選用高分子質(zhì)量的樹脂,成型壓力低,生產(chǎn)周期短,勞動(dòng)強(qiáng)度低。

與其他復(fù)合材料成型工藝相比,RFI工藝的優(yōu)點(diǎn)有：(1)樹脂基體為固體,便于貯存和運(yùn)輸,操作簡便,廢品率低;(2)模具制造與材料選擇機(jī)動(dòng)性強(qiáng),無需龐大的成型設(shè)備即可制備大尺寸、高精度的大型制件,設(shè)備和模具的投資低;(3)無需復(fù)雜的樹脂浸潤過程,成型周期短,不需額外壓力只需真空壓力,成型壓力低;(4)增強(qiáng)材料的選擇具有高度靈活性和組合性,賦形性高,能一次浸潤超常厚度纖維層、三維結(jié)構(gòu)預(yù)成型體或加入芯材一并成型;(5)不采用預(yù)浸料,樹脂體系揮發(fā)物質(zhì)少,對操作者的身體健康和環(huán)境影響小。

3.5 結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(SRIM)

SRIM工藝與RTM工藝的主要區(qū)別有：(1)RTM通過加熱使物料活化,而SRIM則通過混合、高壓碰撞使物料活化;(2)RTM充模時(shí)間長,而SRIM充模時(shí)間短;(3)RTM在樹脂注射前預(yù)先通過靜態(tài)混合器混合和,SRIM則通過高壓碰撞使樹脂在混合頭中混合,混合同時(shí)注料;(4)RTM注射壓力低、注射量較小,SRIM注射壓力高、注射量大;(5)RTM成型周期長,SRIM成型周期短。

4 存在的問題

4.1 樹脂傳遞模塑(RTM)

RTM工藝在國內(nèi)外普遍存在的難點(diǎn)和問題主要表現(xiàn)在：(1)樹脂對纖維的浸潤不夠理想,導(dǎo)致成型時(shí)間加長,制品空隙率較高;(2)制品的纖維含量較低;(3)大面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具型腔內(nèi),樹脂流動(dòng)不均衡,該動(dòng)態(tài)過程很難觀察,更不易進(jìn)行預(yù)測和控制。此外,國內(nèi)還存在如下問題：(1)設(shè)備配套設(shè)施跟不上;(2)國產(chǎn)樹脂很難滿足RTM 專用樹脂“一長”、”一快”、“兩高”、“四低”的要求(“一長”指樹脂凝膠時(shí)間長,“一快”指樹脂固化速度快,“兩高”指樹脂具有高消泡性和高浸潤性,“四低”指樹脂的黏度、可揮發(fā)性、固化收縮和放熱峰低);(3)模具的設(shè)計(jì)制造技術(shù)薄弱。

4.2 真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)

VARTM工藝在許多方面較RTM有了很大提高,但在生產(chǎn)大型平面、曲面層合結(jié)構(gòu)以及加筋異型構(gòu)件時(shí),存在纖維浸潤速度慢、成形周期長等不足;與高壓成型工藝相比,纖維含量偏低。

4.3 樹脂浸漬模塑(SCRIMP)

SCRIMP工藝脫模后制件表面不光滑,需進(jìn)行粉光處理,耗時(shí)耗力,目前尚沒有有效的解決方案;SCRIMP工藝可增加制品的纖維含量,然而樹脂含量的降低則會(huì)造成制品厚度的減少,對壓縮、彎曲強(qiáng)度,疲勞特性及抗沖擊強(qiáng)度等是否有負(fù)面影響,尚需進(jìn)一步探討。

4.4 樹脂膜滲透工藝(RFI)

RFI工藝的不足表現(xiàn)在：(1)對樹脂體系要求嚴(yán)格,導(dǎo)致適用于RFI工藝的樹脂膜數(shù)量極少;(2)不適合成型形狀復(fù)雜的小型制件;(3)制品表面精度受內(nèi)模影響,不易達(dá)到復(fù)雜程度和精度要求;(4)樹脂用量無法精確計(jì)量,需采用吸膠布等耗材吸除多余樹脂,固體廢物較多,存在一定浪費(fèi)。

4.5 結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(SRIM)

SRIM工藝的問題有：(1)纖維經(jīng)常外露;(2)樹脂流動(dòng)速度快,易形成空穴區(qū);(3)反應(yīng)體系有水放出,會(huì)在制品表面留下氣孔。

5 解決對策

針對RTM存在的問題和局限性,國內(nèi)外開展了大量研究,主要體現(xiàn)在：(1)采用各種混合器以擴(kuò)大樹脂的適用范圍;(2)采用壓實(shí)增強(qiáng)材料并輔以高真空措施;(3)采用多維編織技術(shù)與預(yù)成型技術(shù);(4)實(shí)施樹脂壓注和固化過程監(jiān)控,進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

基于RFI缺陷的主要努力方向有：(1)積極開發(fā)新的樹脂體系;(2)發(fā)展纖維預(yù)成型技術(shù);(3)采用類似引流槽型SCRIMP工藝的技術(shù)以減少固體廢物等。

針對SRIM工藝的纖維外露問題,采用模內(nèi)高壓涂敷系統(tǒng)在表面涂50～125μm的樹脂層,可得A級制品;對于空穴區(qū)的形成,可調(diào)整纖維預(yù)成型體各個(gè)方向上的纖維滲透性;對于表面氣孔,通過對增強(qiáng)材料進(jìn)行處理或選擇合適的內(nèi)脫模劑體系來解決。

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Research Status of Liquid Composite Molding

Liu Zhaolin1,2,Cheng Cancan1,2
(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Key Lab of Textile Science&Technology Ministry of Education,Shanghai 201620,China)

Molding principles and technical characteristics of Liquid Composite Molding(LCM)which included RTM,VARTM,SCRIMP,RFI and SRIM were introduced.The problems and solutions of the above LCM were also analyzed.

Liquid Composite Molding;molding principles;technical characteristics;problems and solutions

TQ327.9

：A

：1009-3028(2011)02-0050-04

2011-02-28

東華大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新資助(BC201015)

劉兆麟(1984—),女,河北石家莊人,博士研究生。