树脂基复合材料RTM 成型工艺与特点分析

2020-11-26刘克健

建材发展导向 2020年7期

刘克健

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

近年来，树脂基复合材料已从最初的军事防御领域迅速扩展到风力发电、运动器材、交通运输和医疗设备等多个领域。在树脂基复合材料的发展过程中，涌现出了一批成型工艺，如手糊、喷射、缠绕、拉挤、模压、热压罐、预浸料袋压、RTM、自动铺丝铺带等，根据产品独特的边界条件，总有一种最合适的工艺与之匹配。在上述工艺中，RTM 工艺由于成本低、效率高、尺寸稳定性好、纤维体积含量高、适合工程批量化生产而得到广泛的研究和应用。

1 RTM 成型工艺概述

RTM 成型工艺的原理是在硬质模具内表面铺贴预先设计好的增强纤维或织物，通过另一半硬质模具或软质袋膜将增强体进行密封包裹，并在真空环境下产生注胶口及出胶口的压力差，树脂在此环境下产生沿纤维方向及厚度方向的传动动力，从而浸润增强体。树脂在一定温度下经过环氧基的开环和相互贯穿而成为三维不溶不熔的固化物。

RTM 工艺制备的复材制品具有损伤容限高，产品尺寸精度高、孔隙率低等突出优点。RTM 成型的关键一是有适当的纤维预成型体，二是选择适当黏度的树脂或树脂膜。RTM要求树脂在注射温度下的黏度值要小，并且具有足够长的适用期。随着新型增强材料结构的不断创新，编织技术和预成形体技术与RTM 技术相结合，形成了新的工艺发展和应用方向。如采用三维编织技术将增强材料预制成3D 结构，然后再与RTM 工艺复合，也可将纤维织物通过缝纫或粘结的方法，直接预制成制件形状，再采用RTM 工艺成型复合材料。

2 RTM 成型工艺分类

在RTM 基本成型工艺原理的基础上，经过大量的科研创新及经验积累，RTM 工艺又细分出几个不同的类型，如Light-RTM、真空辅助灌注RTM、RFI 成型工艺、HP-RTM和C-RTM 等。下文分别描述这几种工艺及各自特点。

2.1 Light-RTM

Light-RTM 也叫轻质RTM，是采用玻璃纤维复合材料等轻质模具在真空辅助条件下，以较低的注射压力引导树脂浸润纤维增强体而成型的模塑成型工艺。该工艺的突出特点是模具采用了质量更轻的材料，工艺操作灵活性大大增强，在初期预算不太充足且制品需求量不是很大的情况下具有非常大的优势。同时，考虑到轻质材料强度和刚度方面的不足，该类模具一般采用三明治结构，且在模具背面设置钢质方管进行加强，以防复合材料模具在固化时产生变形。

2.2 真空灌注RTM

真空灌注RTM 也称为VARI 成型工艺，该工艺利用尼龙袋膜代替产品的一半模具，这样操作的好处是进一步降低了产品的模具成本，且可更加快速推进项目研发进程。该工艺采用真空袋膜极大地减少了生产过程中模具的起吊次数，大大增加了模具的使用寿命，并且可以对树脂填充状态进行实时监控。而且，由于袋膜的自由灵活特性，该工艺非常适用于几何尺寸非常大的构件，如风力发电机机舱罩以及风电叶片。需要注意的是，该工艺几乎不受产品尺寸的限制，自由发挥空间比较大。同时，也需要注意此工艺下袋膜一侧的表面较为粗糙不适合直接作为外观面，否则将增加打磨和涂装成本。

2.3 RFI 工艺

RFI 工艺是在RTM 工艺的基础上优化而来，其工艺过程是将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内，然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料，再用真空袋封闭模腔，抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化，并在真空状态下渗透到纤维层(一般是由下至上)，最后进行固化制得制品的一种复合材料成型工艺技术。该工艺的突出优点是高效、成本低、增强材料选择灵活、树脂类型广、孔隙率低。因此，在航空航天领域非常重视RFI工艺技术的开发和应用，如波音公司的大型碳纤维/环氧树脂复合材料机翼、嵌板、盖盆、支架、龙骨、垂尾等都采用了这一成型工艺。

2.4 HP-RTM 工艺

HP-RTM 工艺是近年来推出的一种准大批量生产高性能热固性复合材料零件的新型RTM 工艺技术，它采用预成型件、钢模、真空辅助排气，高压注射并在高压下完成树脂的浸渍和固化工艺，实现低成本、短周期、高质量生产。该工艺的主要优点是树脂填充速度快、固化周期短、卓越的表面性能和质量、尺寸精度高等优势。但由于该工艺需要特殊的模压设备及树脂材料，导致产品成本较高，尚无大批量工业化应用案例。