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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。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺VARTM、SCRIMP、RFI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
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。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。
2 RTIM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: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。
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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。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。
3结语
RTM、VARTM、SCRIMP、RFI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。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,2014(9):3-8．
[2]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．
[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
论文作者:刘杰
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年6月上
论文发表时间:2018/11/21
标签：工艺论文; 树脂论文; 复合材料论文; 纤维论文; 真空论文; 模具论文; 技术论文; 《新材料·新装饰》2018年6月上论文;