复合材料液体成型工艺的发展及应用*

徐　竹

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)



复合材料液体成型工艺的发展及应用*

徐竹

(西安航空职业技术学院，陕西西安 710089)

摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。论文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点，并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。

关键词：复合材料，液态成型工艺，RTM，RTM衍生工艺

复合材料液体成型工艺也称液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding，简称LCM)是指将液态树脂注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态树脂在流动充满模腔的同时完成纤维/树脂的浸润并经固化脱模后成为复合材料制品的一种成型工艺。

与其他纤维复合材料制造技术相比，LCM技术可生产的构件范围广，可按结构要求定向铺放纤维，一步浸渍成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型构件。LCM可以实现复合材料设计、制备的一体化[1]；既可制备大型整体复合材料制件，又可制备各种小型精密复合材料制件；既能显著缩短制件生产周期，又可保证制件的整体质量。20世纪80年代后，随着飞行器的承力构件及次承力构件、国防应用、汽车结构件以及高性能体育用品等的开发，RTM工艺取得了显著的进展，并且在此基础上开发了VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等这些先进的LCM工艺技术。

1树脂传递模塑(RTM)成型工艺

树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding)，是一种闭模成型技术，可以生产出两面光的制品。它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件，然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔，浸润纤维，经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。随着材料技术和工艺的不断发展，RTM工艺制品已经在航空航天、交通运输、体育用品、船舶、建筑等领域得到了广泛应用[2-5]。RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面，国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。RTM成型技术在舰船和装甲车辆上的应用主要有舰船的防护板、船舶结构件及装甲战车的车体等部件。国内RTM工艺应用的产品有雷达罩、全碳纤维复合材料桨叶、导弹稳定翼等。

RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术，可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。热压罐成型的最大缺点是其体积大，结构复杂，且是压力容器。因此建设投资费用高。同时对于较大体积的热压罐。其升温和加压的速度比较慢。场内温度控制不均匀。与预浸料模压工艺相比，RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料，无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程，也无须热处理时间，操作简单，技术开发和应用灵活。

RTM技术存在的难点是由于在成型阶段树脂和纤维通过浸渍过程实现赋形，纤维在模腔中的流动、纤维浸渍过程以及树脂的固化过程都对最终产品的性能有很大的影响，因而导致了工艺的复杂性和不可控性增大。主要问题有：①树脂对纤维的浸渍不够理想，制品里存在空隙率较高、干纤维的现象；②制品的纤维含量较低；③大面积、结构复杂的模具型腔内，模塑过程中树脂的流动不均衡，不能进行预测和控制。

近年来RTM技术的研究主要体现在：①采用各种混和器，扩大树脂的适用范围；②采用压实增强材料和辅以高真空措施(真空辅助树脂传递模塑)；③采用多维编织技术与预成型技术；④实施树脂压注和固化过程监控，进行计算机模拟；⑤积极探讨、开发新的RTM成型技术。

2RTIM的衍生工艺

2.1VARTM(真空辅助RTM)工艺

真空辅助树脂传递模塑(VARTM)是在RTM的基础上开发得到的。VARTM是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成一定树脂与纤维比例的工艺方法。

VARTM是一种吸出空气的闭模工艺，与常规的RTM工艺相比[6-7]：①RTM工艺在树脂注入时，模具型腔内可积起几吨压力，通过抽真空VARTM工艺可减少这种压力，因而增加了使用更轻模具的可能性；②真空的使用也可提高玻璃纤维对树脂的比率，使制品纤维含量更高；③真空还有助于树脂对纤维的浸渍，使纤维浸渍更充分；④真空还起到排除纤维束内空气的作用，使纤维的浸润更充分，从而减少了微观空隙的形成，得到空隙率更低的制品；⑤VARTM工艺生产的构件机械性能更好。

VARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型过程中产生的挥发气体少、产品的性能好等优点，并且工艺具有很大的灵活性。

2.2Light-RTM成型工艺

Light-RTM通常称为轻质RTM，该工艺是在真空辅助RTM工艺的基础上发展而来的，适用于制造大面积的薄壁产品。Light-RTM典型特征是下模为刚性的模具，而上模采用轻质、半刚性的模具，通常厚度为6mm～8mm。工艺过程使用双重密封结构，外圈真空用来锁紧模具，内圈真空导入树脂。注射口通常为带有流道的线性注射方式，有利于快速充模。由于上模采用了半刚性的模具，模具成本大大降低，同时在制造大面积的薄壁产品时，模具锁紧力由大气压提供，保证了模具的加压均匀性，模制产品的壁厚均匀性非常好。

2.3树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP)

SCRIMP是一种新型的真空辅助注射技术(VARTM)，是1990年美国Seemann Composites(西曼复合材料公司)在美国获得专利权的真空树脂注入技术[2]。SCRIMP工艺的基本原理是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维的浸渍。在模具型面上铺放增强材料和各种辅助材料，用真空袋将型腔边缘密封严密，在型腔内抽真空，再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内，最后固化成型。

SCRIMP工艺的树脂分配系统改善了浸渍效果，减少了缺陷发生，使模塑部件具有很好的一致性和重复性，同时也克服了VARTM在生产大型平面、曲面的层合结构以及加筋异型构件等制品时，纤维浸渍速度慢、成形周期长等不足。与传统的RTM工艺相比，SCRIMP工艺只需一半模具和一个弹性真空袋，这样可以省去一半的模具成本，成型设备简单。由于真空袋的作用，在纤维周围形成真空，可提高树脂的浸湿速度和浸透程度。同时它只需在大气压下浸渍，固化；真空压力与大气压之差为树脂注入提供动力，从而缩短成型时间。SCRIMP工艺适用于中、大型复合材料构件，施工安全、成本较低。SCRIMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移，在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间，如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。

2.4树脂膜渗透成型工艺(RFI)

RFI工艺是在RTM的基础上发展起来的树脂膜渗透成型工艺。它是一种树脂融渗和纤维预成型坯相结合的技术。RFI采用单模和真空袋来驱动浸渍过程，工艺过程是：将预制好的树脂膜铺放在模具上，再铺放纤维预成型体并用真空袋封闭模具；将模具置于烘箱或热压下加热并抽真空，达到一定温度后，树脂膜熔融成为黏度很低的液体，在真空或外加压力的作用下树脂沿厚度方向逐步浸润预成型体，完成树脂的转移；继续升温使树脂固化，最终获得复合材料制品。

RFI工艺加热时树脂流动是厚度方向的流动，大大缩短了流程，使纤维更容易被树脂浸润。相对于 RTM工艺，RFI 工艺能制造出纤维含量高、 孔隙率极低、 力学性能优异、 制品重现性好、 壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件，并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法，免去了RTM 工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料，挥发物少，成型压力低，生产周期短，劳动强度低，满足环保要求和低成本高性能复合材料的要求。

RFI工艺不足之处表现在：①对树脂体系要求严格，不太适合于成型形状复杂的小型制件；②制品表面精度受内模影响，达不到所需要的复杂程度和精度要求；③RFI工艺中，树脂的用量不能精确计量，需要吸胶布等耗材除去多余树脂，因而固体废物较RTM工艺多。

2.5结构反应注射模塑(SRIM)

SRIM是建立在树脂反应模塑(RIM)和RTM基础上的一种新的成型工艺。

反应注射模塑RIM(Reaction Injection Moulding) 是将两种具有高化学活性的低相对分子质量液体原料，在高压下经撞击混合，然后注入密闭的模具内，完成聚合、交联、固化等化学反应并形成制品的工艺过程。RIM技术最早出现在20世纪60年代，70年代投入生产，80年代后得到快速发展。RIM主要特点是：成型压力低；闭模操作，不污染环境；制品两面光洁能成型复杂形状的大型制品；研发时间短，适于产品更新；与SMC工艺相比，初始投资少，更适于中等批量部件的生产。但由于RIM线膨胀因数很大，而且强度、模量相对较小，使RIM制品使用受到限制。

SRIM是综合RIM和RTM优点开发的。SRIM工艺是首先把长纤维增强垫预置在模具型腔中，再利用高压计量泵提供的高压冲击，将两种单体物料在混合头混合均匀，在一定温度条件下注射到模具内，在模具内固化成型制品的工艺。与RTM工艺相比的区别主要体现在：①RTM反应的活化是通过加热使物料活化，而SRIM是通过混合、高压碰撞使其活化；②RTM充模时间长，而SRIM充模时间短；③RTM在注射前预先通过静态混合器混和，SRIM则通过高压碰撞在混合头混合，混和同时注料；④RTM注射压力低、注射量较小，SRIM注射压力高、注射量大；⑤RTM成型周期长，SRIM成型周期短。SRIM工艺也存在缺点，主要有：①纤维经常外露；②流动速度快，常形成空穴区；③反应体系有水放出，会在制品表面留下气孔。

3结语

RTM、VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM都是LCM技术的范畴，近几年来发展都特别快，是生产高性能、低成本复合材料制品的有效途径。LCM工艺技术打破了长久以来高性能复合材料必然具有制造成本高的惯例，为高性能复合材料开辟了广阔的应用领域。目前 LCM工艺技术已经成为先进复合材料低成本制备技术的主要发展方向，是复合材料领域研究的热点。每一种成型工艺有各自的特点，通过提高原材料的各项性能、工艺的改进、模具设计制造技术的提高等方面来扬长避短，更好地发展复合材料液体模塑技术，开拓新的应用领域。

参考文献

[1] 益小苏，许亚洪，唐邦铭，等.复合材料结构一功能一体化技术与吸能结构的研究[J].材料工程，2004(9)：3-8.

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[3] 刘志杰，闰超，罗辑，等.复合材料多隔板框梁结构的RTM工艺成型[J].玻璃钢/复合材料，2015(1)：82-87.

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[6] 王庆涛，朱家强，李炜. VARTM和RTM工艺模拟仿真比较[J].玻璃钢/复合材料，2013(6)：12-15.

[7] 马俊龙. 复合材料LCM整体成型工艺发展及应用[J].科技创新与应用，2015(10)：109-113.

Development and Application of Composite Liquid Forming Process

XU Zhu

(Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Abstract：The liquid composite molding process is a kind of low cost and advanced composite materials manufacturing technology in recent years. The resin transfer molding RTM，RTM derived VARTM，SCRIMP，RFI，SRIM and several composite liquid molding process (LCM) characteristics were introduced in this paper，and the advantages and disadvantages of several different LCM process and application field were analyzed.

Key words：composite material，liquid molding process，RTM，RTM derivative process

*基金项目：西安航空职业技术学院2014院级精品资源共享课程复合材料成型技术基金项目(2014JZ07)

中图分类号：TB 33