复合材料成型技术研究现状

刘嘉，周蕾，罗文东，陈小丽，吴江

(重庆航天职业技术学院，重庆 400021)

0 引言

复合材料通常是指由高分子材料、无机非金属材料或金属材料复合而成的一种新材料。复合材料可定义为出两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。具有重量轻、设计制造性能好、复合效应高等特点，以及比强度和比模量高、疲劳寿命长、抗腐蚀性能好等优点。目前，热固性聚合物基复合材料在国内外的应用比较广泛，其主要成分为热固性树脂基体与增强纤维。预浸料是用控制量的树脂浸渍纤维或织物后形成的中间材料，并随着航空航天领域和汽车行业对复合材料的高性能要求，预浸料作为实现该要求的主要材料得到了更加广泛的应用。本文主要讲述了树脂基复合材料目前常用的成型技术，并分析了树脂基复合材料未来的发展趋势。

1 复合材料成型技术

1.1 自动铺放技术

自动铺放技术主要有自动铺丝和自动铺带两种技术，这两种技术的共同点是都采用了预浸料，并能实现全自动化与数字化制造，高速高效。自动铺放技术非常适用于制造大型复合材料结构件，在各种飞行器，尤其是大型民用飞机结构的制造中所占比重越来越大。

自动铺带技术的原材料是带隔离衬纸的单向预浸带。切割、定位、堆叠和轧制均采用数控技术自动完成，并由自动铺带机实现。多轴龙门机械手可用于完成胶带铺设位置的自动控制，核心部件——铺带头配备有预浸带输送和切割系统，可根据待铺设工件的轮廓自动完成预浸带预定形状的切割。加热后，预浸料带在压辊的作用下铺设在模具表面。

该方法具有高质量、高效率、高可靠性和低成本的特点。主要用于平面或低曲率弯曲部件或准平面复合材料部件的层压制造。特别适用于大型复杂零部件的制造，减少了组装件的数量，节约了制造和组装成本，大大降低了材料的废品率和制造时间。

与传统的手工/半自动复合构件铺层工艺相比，自动铺放设备生产的复合构件在铺层生产率、铺层劳动量、材料利用率、制造加工精度和生产成本等方面具备很大的优势。其铺设生产率比人工铺设高几十倍，适用于制造复杂复合材料结构件。自动铺带技术可以提高复合材料结构的质量与加工效率，降低生产制造成本，减轻结构重量。因此，波音公司的B787飞机（主机翼蒙皮、中央机翼和尾翼）、空客A350XWB飞机（机翼蒙皮和中央翼）的制造均采用了该技术。

1.2 热压罐成型

热压罐成型工艺是目前复合材料结构件制造过程中应用最广泛的方法之一。它利用热压罐内的高温压缩气体对复合材料坯料进行加热和加压，以完成固化目的。热压罐主要由罐门及罐体、风机系统、加热系统、冷却系统、真空系统、压力系统、控制系统和安全系统等机械辅助设施组成。系统组成如图2所示。在复合材料结构制品的固化过程中，按照工艺和技术要求完成制品的抽真空、加热和加压，以达到制品固化的目的。

热压罐成型具体工艺流程如下：

第一步是材料准备，主要是预浸料，根据设计要求裁剪预浸料；第二步是模具准备，在铺放预浸料前需要用甲乙酮或丙酮等溶剂清洗模具的表面。模具表面清洁以后，需要将无孔隔离膜或脱模布铺覆在表面，或者涂上脱模剂；第三步是铺层，按照零件图纸技术要求规定的方向，将切割好的预浸料进行铺层，一层叠一层铺放。在铺设过程中，应尽可能消除层间包裹的空气。若预浸料有双面保护膜，在铺设一层后，应保留外侧保护膜，并在铺设下一层之前去除之前的保护膜。铺层作业期间，应特别注意防止残余保护膜混入零件中。未铺覆的部位需覆盖无孔隔离膜，并用真空袋密封，防止吸湿和粉尘污染。铺设预浸料时，确保纤维方向笔直，与图纸设计方向一致，注意不要折叠预浸料。为了尽可能消除层间的空气气泡，预浸料铺层应真空压实，以帮助零件成型；第四步是制真空袋，零件铺覆好后，需要在零件表面铺上辅助材料，并用真空袋密封。根据所使用的预浸料，辅助材料的组合可分为两种方式。一种是“零胶水吸收”预浸料。由于预浸料在固化中不需要去除多余的树脂，因此无需铺设吸胶材料。辅助材料的组合如图3所示。另一种是传统的预浸料。在预浸料的制备过程中，纤维被过量的树脂浸渍，为了避免复材零件和吸胶层之间的粘合，并方便树脂的排出，有必要在零件和粘合层之间添加一层穿孔隔离膜。如图4所示。最后，使用真空袋薄膜进行包装，并使用密封条。一面粘贴模具边缘，另一面粘贴真空袋膜；第五步是抽真空和检漏，将零件推入热压罐之前，要在模具上安装热电偶，以监测零件固化过程中模具的温度以及零件固化过程中工装每个位置的温度。抽真空管路连接好真空袋以后，进行抽真空操作，然后再检测真空袋是否泄漏；第六步是固化，按照相应规范中的固化曲线对零件进行固化。一般情况下，加热前应将罐内压力增加至规定压力。在冷却过程中，罐内压力应与固化时保持一致，只有在零件温度低于60 ℃时才可卸压；第七步是脱模，零件固化完成后，需要将零件温度降至60 ℃以下，才能从热压罐中取出零件。然后再对零件进行机械加工。

热压罐成型技术具有纤维体积含量高、产品重复性好、气孔率低或无气孔率、力学强度可靠等优点。热压罐成型固化的主要缺点是能耗高、运行成本高。目前，大型复合材料结构件要在大型或者超大型热压罐内固化，才能保证构件内部质量，因此热压罐的几何尺寸也在不断增大，以满足大型复合材料构件的加工要求。目前, 热压罐都使用先进的加热温度控制系统和计算机控制系统，可以有效地保证在热压罐工作区域周边的温度均匀分布，保证复合材料结构内部质量和产品批次稳定性，如树脂含量准确、气孔率低或无气孔、内部无其他缺陷，这也是迄今为止采用热压罐的主要原因。

1.3 真空辅助成型

真空辅助成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusi on, VARI)或真空辅助树脂转移成型（VARTM），是一种制造大型复合材料零件的新型低成本成型技术。它在真空下消除纤维增强材料中的气体，利用树脂的流动和渗透来浸渍纤维及其织物，并在一定温度条件下固化。

如图5所示，树脂管与树脂桶和模具连接，真空管与模具和真空泵连接。真空泵使真空压力作用在铺设在模具中的干燥纤维织物上，然后将树脂注入树脂管，进入增强纤维之间相对真空的空间。树脂管道和真空管道的铺设，以及增强材料的渗透性和树脂粘度将决定纤维织物的渗透速度。在纤维织物上铺设导流网可以有效地促进树脂流动。导流网通常由任意方向的增强材料或塑料组成，在纤维织物上提供额外的空间，以便树脂更快更好地进入和渗透织物。

VARI成型技术作为一种高性能、低成本的非热压罐成形技术，在航空航天领域受到越来越多的关注，并被CAI计划视为一项关键的低成本制造技术。VARI成型技术是一种利用树脂的流动和渗透，在真空压力下浸渍纤维和织物，并在真空压力下完成固化的成型方法。与传统工艺相比，VARI成型技术不用热压罐，只需要单面刚性模具（上模为柔性真空袋膜）铺设纤维增强材料。该模具只是为了保证结构形面要求，简化模具制造工艺，节约成本。此外，只在真空压力下形成，没有额外的压力，有助于降低成本。因此，该方法主要具有成本低、孔隙率低、性能接近热压罐工艺、适合制造大型零件等特点。鉴于RTM法的局限性，VARI法只能在真空条件下通过适当的工艺措施将树脂转移到包裹在真空袋中的增强纤维预制件上，并在真空压力下完成结构的固化过程。该方法摆脱了对热压罐设备的依赖。对于大型结构，这是一种具有明显可以降低成本的制造方法。然而，与其他树脂转移方法一样，该方法对树脂的流动性有很高的要求。同时，在实现高性能材料方面，低压成型过程中遇到的困难将大于高压成型过程中遇到的困难。因此，对材料力学性能的期望不能简单地与预浸料工艺相比。结构的设计概念应相应更新。VARI方法的工程开发亟需要材料、工艺和设计师的协调合作。

1.4 RTM成型

RTM（树脂传递模塑）是一种将树脂注入封闭模具、渗透增强材料和固化模塑的工艺方法。特别适合中批量、多品种、高质量的先进复合材料的成型。这种先进的技术有很多优点，可以使用多种纤维增强材料与树脂体系，并具有优良的产品表面。适用于制造高质量、形状复杂、纤维含量高的构件，且成型过程中挥发性成分少、环境污染小、生产效率高。因此，RTM技术已广泛应用于航空航天、汽车工业、机械设备和电子产品等领域。

RTM是一种用于复合材料的高科技液体模塑成型技术，具体操作是先在封闭的模腔中预涂增强材料，然后将热固性树脂注入模腔以浸泡增强材料。树脂在室温或高温下固化和脱模。如有必要，再对脱模产品进行表面抛光、研磨和其他后处理，以获得光滑的产品表面。RTM成型原理如图6所示。

在RTM成型工艺中，树脂注射是在高流速和高压下进行的。因此，要确保模具结构的刚度和强度足够大，以便在注射压力下不会损坏和变形。通常使用带有钢管支架的夹层复合材料或数控机床加工的铝或钢模具，但这样增加了制造成本，只有在产量足够大时，模具成本才能抵消。此外，为了封闭模具，确保模具周围有足够的夹紧能力（或使用封闭模具的压力系统）。上述因素都限制了RTM工艺在大型产品中的应用。轻型树脂传递模压工艺（RTM-Light），也称为LRTM、ECO、真空模塑或VARTM，是近年来迅速发展的一种低成本制造工艺。目前在船舶、汽车、工业和医疗复合材料等领域的应用已有超过RTM成型工艺的趋势。

1.5 模压成型

模压工艺是指将一定量的成型材料（粉末、颗粒状、片状成型材料）放在金属对模中，在一定温度和压力下固化成异形产品的工艺过程。

与其他成型工艺相比较，模压成型工艺生产出来的制品尺寸精确，表面光滑，制品的外观和尺寸重复性好，生产效率高，生产成本低，易于实现机械化和自动化，但是该方法生产的制品尺寸受设备限制，一般只适于中小型产品的制造。在模压成型中，关键是选择合理的成型工艺条件，控制成型材料的填充流动特性，使成型材料顺利填充模具型腔，制备出满足零件结构和尺寸要求的成型产品。

模压成型中复合材料的铺层设计要根据技术要求和结构设计铺层确定，然后结合合格的模具型腔尺寸、预浸料的纤维体积含量与最终产品的纤维体积含量之间差异确定工艺缩减量，形成最终铺层。此外，为了保证复合材料构件的强度，避免固化后的变形，还应根据复合材料构件不同部位的不同厚度进行铺层设计，以保证纤维的连续性和厚度方向的对称性。

2 结语

复合材料产品的质量保证是成型方法、工艺设计和检验共同作用的结果，反映了复合材料制造技术的综合性。成型过程中各工序的控制是保证生产合格产品的关键。目前，复合材料制品技术发展迅速。追求高效率、高质量、低成本的完成复合材料成型，确保复合材料产品的工艺稳定、性能稳定及可靠性要求是未来研究复合材料成型技术的重中之重。