復合材料成型技術研究現狀

劉嘉，周蕾，羅文東，陳小麗，吳江

(重慶航天職業技術學院，重慶 400021)

0 引言

復合材料通常是指由高分子材料、無機非金屬材料或金屬材料復合而成的一種新材料。復合材料可定義為出兩種或兩種以上具有不同的化學或物理性質的組分材料組成的一種與組分材料性質不同的新材料，且各組分材料之間具有明顯的界面。具有重量輕、設計制造性能好、復合效應高等特點，以及比強度和比模量高、疲勞壽命長、抗腐蝕性能好等優點。目前，熱固性聚合物基復合材料在國內外的應用比較廣泛，其主要成分為熱固性樹脂基體與增強纖維。預浸料是用控制量的樹脂浸漬纖維或織物后形成的中間材料，并隨著航空航天領域和汽車行業對復合材料的高性能要求，預浸料作為實現該要求的主要材料得到了更加廣泛的應用。本文主要講述了樹脂基復合材料目前常用的成型技術，并分析了樹脂基復合材料未來的發展趨勢。

1 復合材料成型技術

1.1 自動鋪放技術

自動鋪放技術主要有自動鋪絲和自動鋪帶兩種技術，這兩種技術的共同點是都采用了預浸料，并能實現全自動化與數字化制造，高速高效。自動鋪放技術非常適用于制造大型復合材料結構件，在各種飛行器，尤其是大型民用飛機結構的制造中所占比重越來越大。

自動鋪帶技術的原材料是帶隔離襯紙的單向預浸帶。切割、定位、堆疊和軋制均采用數控技術自動完成，并由自動鋪帶機實現。多軸龍門機械手可用于完成膠帶鋪設位置的自動控制，核心部件——鋪帶頭配備有預浸帶輸送和切割系統，可根據待鋪設工件的輪廓自動完成預浸帶預定形狀的切割。加熱后，預浸料帶在壓輥的作用下鋪設在模具表面。

該方法具有高質量、高效率、高可靠性和低成本的特點。主要用于平面或低曲率彎曲部件或準平面復合材料部件的層壓制造。特別適用于大型復雜零部件的制造，減少了組裝件的數量，節約了制造和組裝成本，大大降低了材料的廢品率和制造時間。

與傳統的手工/半自動復合構件鋪層工藝相比，自動鋪放設備生產的復合構件在鋪層生產率、鋪層勞動量、材料利用率、制造加工精度和生產成本等方面具備很大的優勢。其鋪設生產率比人工鋪設高幾十倍，適用于制造復雜復合材料結構件。自動鋪帶技術可以提高復合材料結構的質量與加工效率，降低生產制造成本，減輕結構重量。因此，波音公司的B787飛機（主機翼蒙皮、中央機翼和尾翼）、空客A350XWB飛機（機翼蒙皮和中央翼）的制造均采用了該技術。

1.2 熱壓罐成型

熱壓罐成型工藝是目前復合材料結構件制造過程中應用最廣泛的方法之一。它利用熱壓罐內的高溫壓縮氣體對復合材料坯料進行加熱和加壓，以完成固化目的。熱壓罐主要由罐門及罐體、風機系統、加熱系統、冷卻系統、真空系統、壓力系統、控制系統和安全系統等機械輔助設施組成。系統組成如圖2所示。在復合材料結構制品的固化過程中，按照工藝和技術要求完成制品的抽真空、加熱和加壓，以達到制品固化的目的。

熱壓罐成型具體工藝流程如下：

第一步是材料準備，主要是預浸料，根據設計要求裁剪預浸料；第二步是模具準備，在鋪放預浸料前需要用甲乙酮或丙酮等溶劑清洗模具的表面。模具表面清潔以后，需要將無孔隔離膜或脫模布鋪覆在表面，或者涂上脫模劑；第三步是鋪層，按照零件圖紙技術要求規定的方向，將切割好的預浸料進行鋪層，一層疊一層鋪放。在鋪設過程中，應盡可能消除層間包裹的空氣。若預浸料有雙面保護膜，在鋪設一層后，應保留外側保護膜，并在鋪設下一層之前去除之前的保護膜。鋪層作業期間，應特別注意防止殘余保護膜混入零件中。未鋪覆的部位需覆蓋無孔隔離膜，并用真空袋密封，防止吸濕和粉塵污染。鋪設預浸料時，確保纖維方向筆直，與圖紙設計方向一致，注意不要折疊預浸料。為了盡可能消除層間的空氣氣泡，預浸料鋪層應真空壓實，以幫助零件成型；第四步是制真空袋，零件鋪覆好后，需要在零件表面鋪上輔助材料，并用真空袋密封。根據所使用的預浸料，輔助材料的組合可分為兩種方式。一種是“零膠水吸收”預浸料。由于預浸料在固化中不需要去除多余的樹脂，因此無需鋪設吸膠材料。輔助材料的組合如圖3所示。另一種是傳統的預浸料。在預浸料的制備過程中，纖維被過量的樹脂浸漬，為了避免復材零件和吸膠層之間的粘合，并方便樹脂的排出，有必要在零件和粘合層之間添加一層穿孔隔離膜。如圖4所示。最后，使用真空袋薄膜進行包裝，并使用密封條。一面粘貼模具邊緣，另一面粘貼真空袋膜；第五步是抽真空和檢漏，將零件推入熱壓罐之前，要在模具上安裝熱電偶，以監測零件固化過程中模具的溫度以及零件固化過程中工裝每個位置的溫度。抽真空管路連接好真空袋以后，進行抽真空操作，然后再檢測真空袋是否泄漏；第六步是固化，按照相應規范中的固化曲線對零件進行固化。一般情況下，加熱前應將罐內壓力增加至規定壓力。在冷卻過程中，罐內壓力應與固化時保持一致，只有在零件溫度低于60 ℃時才可卸壓；第七步是脫模，零件固化完成后，需要將零件溫度降至60 ℃以下，才能從熱壓罐中取出零件。然后再對零件進行機械加工。

熱壓罐成型技術具有纖維體積含量高、產品重復性好、氣孔率低或無氣孔率、力學強度可靠等優點。熱壓罐成型固化的主要缺點是能耗高、運行成本高。目前，大型復合材料結構件要在大型或者超大型熱壓罐內固化，才能保證構件內部質量，因此熱壓罐的幾何尺寸也在不斷增大，以滿足大型復合材料構件的加工要求。目前, 熱壓罐都使用先進的加熱溫度控制系統和計算機控制系統，可以有效地保證在熱壓罐工作區域周邊的溫度均勻分布，保證復合材料結構內部質量和產品批次穩定性，如樹脂含量準確、氣孔率低或無氣孔、內部無其他缺陷，這也是迄今為止采用熱壓罐的主要原因。

1.3 真空輔助成型

真空輔助成型工藝(Vacuum Assisted Resin Infusi on, VARI)或真空輔助樹脂轉移成型（VARTM），是一種制造大型復合材料零件的新型低成本成型技術。它在真空下消除纖維增強材料中的氣體，利用樹脂的流動和滲透來浸漬纖維及其織物，并在一定溫度條件下固化。

如圖5所示，樹脂管與樹脂桶和模具連接，真空管與模具和真空泵連接。真空泵使真空壓力作用在鋪設在模具中的干燥纖維織物上，然后將樹脂注入樹脂管，進入增強纖維之間相對真空的空間。樹脂管道和真空管道的鋪設，以及增強材料的滲透性和樹脂粘度將決定纖維織物的滲透速度。在纖維織物上鋪設導流網可以有效地促進樹脂流動。導流網通常由任意方向的增強材料或塑料組成，在纖維織物上提供額外的空間，以便樹脂更快更好地進入和滲透織物。

VARI成型技術作為一種高性能、低成本的非熱壓罐成形技術，在航空航天領域受到越來越多的關注，并被CAI計劃視為一項關鍵的低成本制造技術。VARI成型技術是一種利用樹脂的流動和滲透，在真空壓力下浸漬纖維和織物，并在真空壓力下完成固化的成型方法。與傳統工藝相比，VARI成型技術不用熱壓罐，只需要單面剛性模具（上模為柔性真空袋膜）鋪設纖維增強材料。該模具只是為了保證結構形面要求，簡化模具制造工藝，節約成本。此外，只在真空壓力下形成，沒有額外的壓力，有助于降低成本。因此，該方法主要具有成本低、孔隙率低、性能接近熱壓罐工藝、適合制造大型零件等特點。鑒于RTM法的局限性，VARI法只能在真空條件下通過適當的工藝措施將樹脂轉移到包裹在真空袋中的增強纖維預制件上，并在真空壓力下完成結構的固化過程。該方法擺脫了對熱壓罐設備的依賴。對于大型結構，這是一種具有明顯可以降低成本的制造方法。然而，與其他樹脂轉移方法一樣，該方法對樹脂的流動性有很高的要求。同時，在實現高性能材料方面，低壓成型過程中遇到的困難將大于高壓成型過程中遇到的困難。因此，對材料力學性能的期望不能簡單地與預浸料工藝相比。結構的設計概念應相應更新。VARI方法的工程開發亟需要材料、工藝和設計師的協調合作。

1.4 RTM成型

RTM（樹脂傳遞模塑）是一種將樹脂注入封閉模具、滲透增強材料和固化模塑的工藝方法。特別適合中批量、多品種、高質量的先進復合材料的成型。這種先進的技術有很多優點，可以使用多種纖維增強材料與樹脂體系，并具有優良的產品表面。適用于制造高質量、形狀復雜、纖維含量高的構件，且成型過程中揮發性成分少、環境污染小、生產效率高。因此，RTM技術已廣泛應用于航空航天、汽車工業、機械設備和電子產品等領域。

RTM是一種用于復合材料的高科技液體模塑成型技術，具體操作是先在封閉的模腔中預涂增強材料，然后將熱固性樹脂注入模腔以浸泡增強材料。樹脂在室溫或高溫下固化和脫模。如有必要，再對脫模產品進行表面拋光、研磨和其他后處理，以獲得光滑的產品表面。RTM成型原理如圖6所示。

在RTM成型工藝中，樹脂注射是在高流速和高壓下進行的。因此，要確保模具結構的剛度和強度足夠大，以便在注射壓力下不會損壞和變形。通常使用帶有鋼管支架的夾層復合材料或數控機床加工的鋁或鋼模具，但這樣增加了制造成本，只有在產量足夠大時，模具成本才能抵消。此外，為了封閉模具，確保模具周圍有足夠的夾緊能力（或使用封閉模具的壓力系統）。上述因素都限制了RTM工藝在大型產品中的應用。輕型樹脂傳遞模壓工藝（RTM-Light），也稱為LRTM、ECO、真空模塑或VARTM，是近年來迅速發展的一種低成本制造工藝。目前在船舶、汽車、工業和醫療復合材料等領域的應用已有超過RTM成型工藝的趨勢。

1.5 模壓成型

模壓工藝是指將一定量的成型材料（粉末、顆粒狀、片狀成型材料）放在金屬對模中，在一定溫度和壓力下固化成異形產品的工藝過程。

與其他成型工藝相比較，模壓成型工藝生產出來的制品尺寸精確，表面光滑，制品的外觀和尺寸重復性好，生產效率高，生產成本低，易于實現機械化和自動化，但是該方法生產的制品尺寸受設備限制，一般只適于中小型產品的制造。在模壓成型中，關鍵是選擇合理的成型工藝條件，控制成型材料的填充流動特性，使成型材料順利填充模具型腔，制備出滿足零件結構和尺寸要求的成型產品。

模壓成型中復合材料的鋪層設計要根據技術要求和結構設計鋪層確定，然后結合合格的模具型腔尺寸、預浸料的纖維體積含量與最終產品的纖維體積含量之間差異確定工藝縮減量，形成最終鋪層。此外，為了保證復合材料構件的強度，避免固化后的變形，還應根據復合材料構件不同部位的不同厚度進行鋪層設計，以保證纖維的連續性和厚度方向的對稱性。

2 結語

復合材料產品的質量保證是成型方法、工藝設計和檢驗共同作用的結果，反映了復合材料制造技術的綜合性。成型過程中各工序的控制是保證生產合格產品的關鍵。目前，復合材料制品技術發展迅速。追求高效率、高質量、低成本的完成復合材料成型，確保復合材料產品的工藝穩定、性能穩定及可靠性要求是未來研究復合材料成型技術的重中之重。