樹脂基復(fù)合材料常用成型工藝概述

孫霞

（山東英特力新材料有限公司，山東 濟寧 272000）

樹脂基復(fù)合材料常用成型工藝概述

Overview of commonly used molding process for resin-based composite material

孫霞

（山東英特力新材料有限公司，山東 濟寧 272000）

本文總結(jié)了幾種常用的復(fù)合材料成型工藝方法，簡述了各方法的工藝流程，分析了各種方法的優(yōu)缺點。

復(fù)合材料；成型工藝；模壓；VARI

復(fù)合材料是由有機高分子、無機非金屬材料或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，至少包括兩種以上的獨立化學相，按性能要求人為設(shè)計和制造，它既能保留原組分材料的主要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得各單一組元所沒有的綜合優(yōu)良性能，可以通過材料設(shè)計使各組分的性能相互補充，并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。按基體的性質(zhì)，復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料［1,2］。

樹脂基復(fù)合材料是由以有機聚合物為基體的纖維增強材料，通常使用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等纖維增強體。樹脂基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點：第一，比模量、比強度高；第二，抗疲勞性好：一般情況下，金屬材料的疲勞極限是其拉伸強度的20%～50%，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料［3］的疲勞極限是其拉伸強度的70%～80%；第三，減震性好；第四，過載安全性好；第五，具有多種功能（耐燒蝕性好、有良好的耐摩擦性能、高度的電絕緣性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能、有特殊的光學、電學、磁學性能）；第六，成型工藝簡單；第七，材料的結(jié)構(gòu)、性能具有可設(shè)計性。

因此復(fù)合材料在航天航空、交通運輸和運動器材等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料制品種類繁多，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)鎮(zhèn)，成型工藝和方法也不斷完善，最常用的工藝有以下幾種。

1 手糊成型工藝

手糊成型工藝起源早，操作簡單，具有很重要的地位，不可替代。手糊成型工藝屬低壓接觸成型工藝顧名思義，手糊工藝的主要工作都是手工完成的，一些設(shè)備、工具只是完成輔助性工作。手糊工藝鋪層根據(jù)需要隨時可調(diào)，可增可減，操作自由度大，只需簡單的操作工具和模具以及簡易的場地，對設(shè)備的依賴性小，投資小，上馬快，產(chǎn)品尺寸和形狀不受限制缺點是生產(chǎn)效率低，勞動條件差，勞動強度高，需要操作經(jīng)驗和技巧，產(chǎn)品質(zhì)量對工人的操作水平依賴大不易控制，同時產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能也不如其他工藝方法適于多品種、單件或小批量生產(chǎn)，不受制品尺寸和形狀的限制。

玻璃鋼模具是手糊制品中最普遍使用的模具，優(yōu)點是對產(chǎn)品尺寸形式的適應(yīng)性強，制造工藝簡單，表面粗糙度高，有足夠的強度和剛度，脫模時可承受敲打和沖擊，可多次重復(fù)使用，滿足中等批量的生產(chǎn)要求。

2 模壓成型工藝

模壓成型工藝是將一定量的經(jīng)過預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的金屬模腔內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料充滿模腔。在預(yù)定的溫度條件下，模壓料在模腔內(nèi)逐漸固化，然后將制品從模具內(nèi)取出，再打磨毛邊和表面處理等輔助加工即得到最終制品。在模壓料充滿模腔的流動過程中，不僅樹脂流動，增強材料也要隨之流動，所以模壓成型工藝的成型壓力較其他工藝高，屬于高壓成型，它既需要能對壓力進行控制的液壓機，又需要高強度、高精度、耐高溫的金屬模具。模壓成型工藝所用模具制造復(fù)雜，需要具備加熱、加壓設(shè)備，如電熱板、液壓機等，投資較大，適合大批量生產(chǎn)中小型復(fù)合材料制品。

根據(jù)模壓料中基體樹脂與增強材料的浸漬方式不同，模壓成型工藝可分為濕法成型工藝和干法或半干法成型工藝。濕法成型工藝即基體樹脂在成型時和增強材料同時加入模腔，如手糊模壓和預(yù)成形坯模壓。干法或半干法成型工藝是指基體樹脂在成型前就已與增強材料充分混合浸漬，制備成模壓料，在成型時直接放入到模腔中，大部分模壓方法都屬于干法模壓成型工藝。

模壓成型工藝始于1909年，模壓成型工藝采用金屬對模，能精確保證模壓制品的形狀和尺寸要求，制品結(jié)構(gòu)致密且內(nèi)外表面光滑，制品重現(xiàn)性好，操作者和外界條件的影響小，可成型異形制品，生產(chǎn)效率高，成型周期短。

隨著SMC、BMC和新型模塑料的出現(xiàn)，模壓成型工藝發(fā)展很快，在世界各地得到廣泛應(yīng)用。我公司采用該工藝生產(chǎn)碳纖維層合板、夾芯板、設(shè)備機殼、汽車輕量化結(jié)構(gòu)件等制品。

3 RTM成型工藝

RTM（Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模塑）是在模腔中鋪放設(shè)計好的增強材料預(yù)成型體，在壓力或真空或兩者共同的作用下將低粘度、反應(yīng)性的熱固性液態(tài)樹脂注入模腔，樹脂將模腔中的空氣排出，同時浸潤纖維，樹脂在流動充模的過程中完成對增強材料預(yù)成型體的浸潤，注射過程結(jié)束，樹脂開始固化，固化達到一定程度后開模，取出制品。

RTM是一種閉模成型工藝，增強材料與樹脂的浸潤由帶壓樹脂在密閉模腔中快速流動來完成，是一種低成本、高質(zhì)量的低壓注射技術(shù)（注射壓力小于0.4 MPa），可制備大尺寸、復(fù)雜外形、兩面光滑的整體結(jié)構(gòu)。模具的選擇范圍較為廣泛，如鋼模、環(huán)氧模具、聚酯模具、電鑄鎳模具等。RTM成型工藝廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng)域。

4 VARI成型工藝

VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion，真空輔助成型工藝）是在真空狀態(tài)下排出纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下固化成型，形成一定纖維/樹脂比例的工藝方法。該工藝方法只需真空壓力，無需額外壓力，整個操作工藝都在常溫下進行，無需加熱（根據(jù)個別樹脂固化條件，有些需要中高溫后固化）。樹脂在真空作用下完全滲透蒙皮和夾心結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)強度大幅度提高，減少了二次膠接等引入的缺陷和復(fù)雜工序。

VARI是RTM工藝的衍化和改進。VARI工藝不需要閉合的、承受注射壓力的模具，也不需要成型壓力，只需要一個在真空下不會漏氣的單面模具和一個簡單的真空袋。同事VARI減少了預(yù)浸料的冷藏儲存，減少了吸膠材料、透氣材料、剝離材料等輔材的消耗。

采用VARI工藝制造的復(fù)合材料直接，孔隙率低、制件性能高，且節(jié)約工時，降低制造成本，更適合大厚度、大尺寸的制品，經(jīng)濟且安全，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、船舶工藝、游艇艦艇、保溫隔熱箱體、公共基礎(chǔ)設(shè)施等各個領(lǐng)域。我公司采用該工藝生產(chǎn)車廂、汽車覆蓋件等產(chǎn)品。

復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，已存在的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)，比較成熟的工藝有熱壓罐工藝、噴射成型工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、真空袋壓成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝等。本文僅列舉了我公司幾種常用的復(fù)合材料成型工藝方法，幾種工藝成型方法各有優(yōu)勢，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和性能需求選擇合適的生產(chǎn)工藝，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

［1］ 趙渠森主編. 先進復(fù)合材料手冊，北京：機械工業(yè)出版社，2003.5.

［2］ 益小蘇，杜善義，張立同主編. 復(fù)合材料手冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.6.

［3］ 唐見茂. 碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望. 航天器環(huán)境工程，2010.6，第27卷第3期.

TQ320.66

1009-797X （2015） 18-0035-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.015

孫霞（1987-），女，助理工程師，物理化學碩士畢業(yè)于長春理工大學化學與環(huán)境工程學院，研究方向為樹脂基復(fù)合材料制品成型工藝及應(yīng)用技術(shù)研究。

2015-08-07