1、先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料簡(jiǎn)介

    先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料、通過(guò)復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料[1-2]。目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要包括高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺復(fù)合材料。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點(diǎn)，已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結(jié)構(gòu)材料之一[3] 。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)15%～30%減重效益，這是使用其它材料所不能實(shí)現(xiàn)的。因此，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的表現(xiàn)。圖1 為先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料和鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量。

    圖1　先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料和輕質(zhì)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量

    玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）、玄武巖纖維（BF）以及芳給纖維（AF）是最常見(jiàn)的纖維品種。各種增強(qiáng)纖維各有優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)不同場(chǎng)合的需要選擇合適的纖維或者混雜纖維進(jìn)行增強(qiáng)，賦予材料優(yōu)良的力學(xué)性能以及不同的功能。表1是各種增強(qiáng)纖維常見(jiàn)性能的比較。

    表1 各種增強(qiáng)纖維常見(jiàn)性能的比較

    2、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理

    纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的復(fù)合不是簡(jiǎn)單的將各種組分材料組合在一起，而是一種包括了化學(xué)的、物理的、力學(xué)的、甚至生物的相互作用的復(fù)雜結(jié)合程[4]。對(duì)于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理，首先要了解應(yīng)力傳遞理論。

    因?yàn)閺?fù)合材料在受力時(shí)，所受載荷或外力一般都應(yīng)是直接作用在基體上，然后再過(guò)一定的方式傳遞到纖維上，使纖維承受載荷。與長(zhǎng)纖維的增強(qiáng)相比較，短纖維所具有的末端效應(yīng)不可忽略， 如纖維各個(gè)部分受力不均，變形不均勻。

    從微觀上看，基體相和纖維相的彈性模量不同。如果當(dāng)所受到的外力與纖維方向平行時(shí)，基體的變形量將大于纖維的變性量，原因是，一般的纖維的彈性模量（Ef）大于基體的彈性模量（Em） 。當(dāng)基體相與纖維相結(jié)合程度非常緊密時(shí)，纖維將抑制基體產(chǎn)生過(guò)大變形，于是，在基體與之纖維之間形成的界面層部分便出現(xiàn)了剪切應(yīng)變和剪切應(yīng)力，并且，將載荷合理分配在基體和纖維這兩種組分上。

    纖維通過(guò)界面層，沿著纖維軸向的剪切應(yīng)力來(lái)傳遞載荷，這會(huì)受到比在基體中傳遞時(shí)的更大拉伸應(yīng)力，這就是纖維能達(dá)到增強(qiáng)基體的原因。在沿軸向的末端部分和中間部分，因纖維限制基體的過(guò)度變形條件不相同，所以基體的各部分變形呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，不存在長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受力時(shí)的等應(yīng)變條件，因此，界面處的剪切應(yīng)力，在沿纖維方向各處呈現(xiàn)出大小不一。

    增強(qiáng)相材料一般具有強(qiáng)結(jié)合鍵。對(duì)于硬質(zhì)材料，如陶瓷、玻璃等，因其內(nèi)部常含裂紋，易斷裂，脆性較強(qiáng)，所以，不能較好的發(fā)揮結(jié)合鍵較強(qiáng)的特點(diǎn)。如果把這些硬質(zhì)材料制成具有一定長(zhǎng)度的、細(xì)長(zhǎng)的纖維，則裂紋的出現(xiàn)幾率及其長(zhǎng)度，都會(huì)因纖維具有較小的尺寸而有所下降，而且，脆性和強(qiáng)度都會(huì)因此而改善。

    另外，增強(qiáng)纖維的表面會(huì)因有基體的保護(hù)，而不易損傷，甚至在受載時(shí)，裂紋也較難產(chǎn)生，所以復(fù)合材料的承載能力會(huì)得到明顯提高。當(dāng)受到較大應(yīng)力作用時(shí)，復(fù)合材料中某些已有裂紋產(chǎn)生的纖維可能會(huì)因此而斷裂，但對(duì)于朝性或塑性較好的基體材料，裂紋的發(fā)展可以被防止。復(fù)合材料在受力發(fā)生斷裂后，其斷裂面常常并不處在同一平面，因此，若使復(fù)合材料發(fā)生斷裂，則須將大量纖維絲從基體中拔出才可， 這就需克服掉纖維與基體間的粘結(jié)力，即界面結(jié)合力。所以，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度明顯被增強(qiáng)。

    特定工程工業(yè)對(duì)材料的目標(biāo)要求，可以通過(guò)選擇正確的復(fù)合材料的組分和生產(chǎn)制備工藝來(lái)設(shè)計(jì)制備所需要的復(fù)合材料。目前航空航天領(lǐng)域先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要成型工藝包括：熱壓罐成型技術(shù)、RTM成形技術(shù)、纏繞成型技術(shù)、拉擠成型技術(shù)、熱壓成型技術(shù)、自動(dòng)鋪放技術(shù)等。本文將詳細(xì)介紹RTM成型技術(shù)。

    3、RTM成型技術(shù)

    樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）技術(shù)是一種適宜多品種、中批量、高質(zhì)量復(fù)合材料構(gòu)件制造的低成本成型技術(shù)，其基本原理是在設(shè)計(jì)好的模具中放置預(yù)成型增強(qiáng)體，閉合模具后，將所需的樹(shù)脂注入模具，當(dāng)樹(shù)脂充分浸潤(rùn)增強(qiáng)材料后，加熱固化，然后脫模獲得產(chǎn)品（如圖2所示） 。

    圖2 RTM示意圖

    RTM 最突出的特點(diǎn)是將樹(shù)脂浸潤(rùn)、固化成型過(guò)程和增強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造分開(kāi)，這使得設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)造獨(dú)特的材料設(shè)計(jì)剪裁來(lái)滿足精確而復(fù)雜的技術(shù)要求。另外，RTM技術(shù)是閉合模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，容易整體制造較大尺寸，形狀復(fù)雜，帶加筋、夾芯和鑲件的結(jié)構(gòu) 。 圖3給出了RTM 技術(shù)的工藝路線[4]，但RTM 技術(shù)并不是圖中各個(gè)步驟的簡(jiǎn)單組合。實(shí)際上，每一步都相互關(guān)聯(lián)并最終決定著復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量。只有把圖3的工藝路線作為一個(gè)整體統(tǒng)一考慮，才能最終獲得高質(zhì)量的制品和最好的經(jīng)濟(jì)性。

    圖3 RTM 技術(shù)的工藝路線

    目前已經(jīng)有多種形式的RTM,如真空輔助RTM、壓縮RTM、樹(shù)脂滲透模塑、真空滲透法 、 結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑 、真空輔助樹(shù)脂注射等十多種方法[4]。RTM制造技術(shù)適宜多品種 、中批量 、高質(zhì)量復(fù)合材料構(gòu)件制造，具有公差小、表面質(zhì)量高、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

    RTM技術(shù)的關(guān)鍵之一是適于RTM工藝的低粘度、長(zhǎng)使用期、力學(xué)性能優(yōu)異的樹(shù)脂體系。5250-4RTM、ＢＭＩ樹(shù)脂和ＰＲ500RTM環(huán)氧樹(shù)脂是最典型的RTM。

    圖4 RTM成型復(fù)合材料波形梁

    RTM技術(shù)的另一關(guān)鍵是樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程模擬技術(shù)。通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬，可以了解樹(shù)脂在模具內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，縮短研制周期，提高成型質(zhì)量。國(guó)內(nèi)在RTM樹(shù)脂流動(dòng)模擬技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步，建立了具有RTM工藝3Ｄ構(gòu)件模擬，多種有限元網(wǎng)格剖分形式，注射口、溢料口位置、大小、方式等自主設(shè)定，可輸出樹(shù)脂流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，可以進(jìn)行變滲透率模擬和變粘度場(chǎng)模擬的“先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料模擬優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)”[5-6]。圖5為帶工字平板結(jié)構(gòu)二維RTM流動(dòng)模擬及其驗(yàn)證結(jié)果。

    圖5 帶工字平板結(jié)構(gòu)RTM成型過(guò)程樹(shù)脂流動(dòng)模擬及驗(yàn)證結(jié)果

    4、工業(yè)自動(dòng)化成型過(guò)程詳解

    德國(guó)加工機(jī)械領(lǐng)域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）在RTM技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)了合作，他們對(duì)以上的市場(chǎng)需求做出了響應(yīng)——開(kāi)發(fā)了一條高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）的自動(dòng)化生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)系統(tǒng)包括了預(yù)成型加工、壓制過(guò)程，以及修整工藝。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，該HP-RTM工藝減少了樹(shù)脂注射次數(shù)，提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。

    預(yù)成型

    圖6 加工工藝流程圖

    對(duì)于HP-RTM部件的生產(chǎn)，需要制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。這樣的預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，通常使用一個(gè)完全自動(dòng)化的過(guò)程 。

    由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開(kāi)卷后放入切割機(jī)。使用CNC切割技術(shù)，纖維鋪層被切割成部件加工所需尺寸。該過(guò)程通過(guò)由現(xiàn)有的CAD零件參數(shù)得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中。

    可以使用機(jī)器人來(lái)可靠地處理切割織物、纖維氈，以及預(yù)制件。預(yù)制件成型中心可以作為一個(gè)單獨(dú)的單元來(lái)運(yùn)行，也可與壓制工藝一起結(jié)合在產(chǎn)線上。

    壓制過(guò)程

    預(yù)制件的加工過(guò)程之后就是壓制過(guò)程。該過(guò)程包括用環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)浸漬預(yù)制件，以及其固化過(guò)程。

    在用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中之后，根據(jù)模內(nèi)壓力及部件的尺寸和復(fù)雜性，采用一臺(tái)迪芬巴赫液壓壓機(jī)用高達(dá)36000kN（3600 t）的壓力完成實(shí)際的壓制過(guò)程。壓機(jī)在很短的建壓時(shí)間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的壓制速度。迪芬巴赫短沖程系統(tǒng)能夠確保壓機(jī)具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時(shí)間和較大的滑塊行程。與傳統(tǒng)的壓制成型技術(shù)相比，可以提高50 % 的能效。

    壓制控制系統(tǒng)允許使用不同的操作程序，并能縮短生產(chǎn)周期。模座周期性地進(jìn)入和離開(kāi)壓機(jī)，只需要很短的換模式時(shí)間、裝卸過(guò)程，以及生產(chǎn)線下對(duì)下半模的清潔。

    完成高壓注射過(guò)程后，可以通過(guò)再加壓來(lái)獲得部件質(zhì)量的改善。

    注射過(guò)程

    將低粘度的反應(yīng)性混合物注入到閉模中浸漬預(yù)制件。通過(guò)使用克勞斯瑪菲的技術(shù)，能夠使注射速度達(dá)到10-200 g/s，取決于樹(shù)脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)。在一個(gè)閉環(huán)過(guò)程中，對(duì)樹(shù)脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物[7-8]。

    高壓計(jì)量使得注射時(shí)間更短，并提高了預(yù)制件的浸潤(rùn)度，因而能以較短的固化時(shí)間來(lái)處理樹(shù)脂系統(tǒng)。這帶來(lái)了更短的生產(chǎn)周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額外的好處 ， 比如，能在保持出色的表面品質(zhì)的同時(shí)獲得更低的孔隙度。而對(duì)溫度的精確控制則能進(jìn)一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹(shù)脂體系中獲益。

    采用克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了耗費(fèi)成本的停工時(shí)間，也無(wú)需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時(shí)所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出突出的能效優(yōu)勢(shì)，它的這種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

    通過(guò)脫模劑供料塊，能夠?qū)⒐に囁璧拿撃┲苯右刖o湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在最低劑量（如0.1 g/sec）時(shí)，仍具有極高的準(zhǔn)確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復(fù)性的脫模劑計(jì)量對(duì)于可靠地實(shí)施下游工藝來(lái)說(shuō)無(wú)疑是非常必要的。

    修整

    修整是工藝鏈最后步驟的其中一環(huán)。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開(kāi)孔。用銑刀進(jìn)行的修整采用的由克勞斯瑪菲開(kāi)發(fā)的定制化解決方案。可以采用自動(dòng)化切割臺(tái)或手提式切割機(jī)。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復(fù)雜程度。機(jī)器人被用于在工藝步驟之間進(jìn)行零部件的處理。

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責(zé)任編輯：王元

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