復合材料成型工藝是復合材料工業的發展基礎和條件。隨著復合材料應用領域的拓寬,復合材料工業得到迅速發展,其老的成型工藝日臻完善,新的成型方法也不斷涌現,目前復合材料的成型方法大概有以下工藝在國內廣泛地用于工業化生產,如:

(1)手糊成型工藝;

(2)噴射成型工藝;

(3)澆鑄成型技術;

(4)定長纏繞制管工藝;

(5)連續纏繞制管工藝;

(6)拉擠成型工藝;

(7)袋壓法(壓力袋);

(8)片狀模壓成型工藝(SMC);

(9)團裝模壓成型工藝(BMC);

(10)熱塑性片狀模塑料制造技術(GMT);

(11)真空袋壓成型(真空導流工藝);

(12)樹脂傳遞模塑成型技術(rtm);

(13)真空輔助輕質rtm(L-RTM)

(14)其他成型工藝(略)。

  (一)、RTM

樹脂傳遞模塑成型簡稱rtm,起始于50、60年代,是手糊成型工藝改進的一種閉模成型技術,可以生產出兩面光的制品。RTM的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內,用專用壓力設備將樹脂膠液注入模腔,浸透玻纖增強材料,然后固化,脫模成型制品。rtm成型技術的特點:

1、可以制造兩面光的制品;

2、成型效率高,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產(20000件/年);

3、rtm為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;

4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料;

5、原材料及能源消耗少;

6、建廠投資相對少,項目容易上馬。

rtm技術適用范圍很廣,目前已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛生、航空航天等工業領域。已開發的產品有:汽車殼體及部件、娛樂車構件、天線罩、機器罩、浴盆、沐浴間、游泳池板、座椅、水箱、電話亭、小型游艇等。

RTM工藝設備、模具、原材料   

RTM成型工藝過程中,注射設備是必須的,要求設備的固化劑的比例可調,一般從0.5% 到 3.5%之間不等比例的產品,每分鐘流量5-10升左右,注射壓力從 0.1到8個大氣壓。可以預設置注射樹脂量,帶自循環的通過循環泵的簡易通道,能夠實現簡單的設備維護。一般RTM模具模腔內是3-6公斤正壓 ,因此對于模具的剛度有一定要求,如若模具剛度不夠的話,不能夠保證產品的尺寸精確性也很容易出現爆模意外。RTM用的原材料有樹脂、增強材料和填料。 樹脂體系 RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂,要求粘度適中 。一般RTM的增強材料主要是玻璃纖維,其含量為45%~55%;常用的增強材料有玻璃纖維連續氈、復合氈及方格布。 填料對RTM工藝很重要,它不僅能降低成本,改善性能,而且能在樹脂固化放熱階段吸收熱量。常用的填料有氫氧化鋁、玻璃微珠、碳酸鈣、云母等。其用量為20%~40%。RTM全部生產過程各工序的操作人員及工具、設備位置固定,模具由小車運送,依次經過每一道工序,實現流水作業。模具在流水線上的循環時間,基本上反映了制品的生產周期,小型制品一般只需十幾分鐘,大型制品的生產周期可以控制在1小時以內完成。

(二)、真空導流工藝

真空導流工藝分為干法盒濕法2種。濕法是將手糊或者噴射成型未固化的制品,加蓋一層真空袋膜,制品處于薄膜和模具之間,密封周邊,抽真空(0.07MPa),使制品中的氣泡和揮發物排除。干法是將增強玻纖鋪放到模具上,將真空袋膜與模具周邊密封,在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導入到模具中,將增強玻纖浸潤。2種工藝的區別在于干法的玻纖含量可以做的更高。真空導流成型技術的特點:

1、可以制造單面光的制品;

2、成型效率一般,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產(1000件/年);

3、為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;

4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料;

5、一次性耗材較多、垃圾回收是個問題,成本相對高;目前用于船艇、風能等大型制品;如豪華游艇,風電葉片、機艙罩等等。工藝過程根據制品的形狀復雜程度以及面積的大小而有所差異,一般從1—4、5小時不等。

真空導流工藝設備、模具、原材料   

真空導流成型工藝過程中,不需要注射設備,只需要一臺真空泵就可以了;模具只需要單模一般模腔內是負壓0.1Mpa ,真空導流工藝所用的原材料有樹脂體系、增強材料,不添加填料。 該工藝用的樹脂主要是要求粘度要低,在180—300厘泊左右。增強材料主要是玻璃纖維,其含量為50%~65%;常用的增強材料有玻璃纖維短切氈、復合氈及方格布等。

(三)、軟模RTM工藝

軟模RTM工藝兼顧了RTM和真空導流工藝的優點,將RTM的剛性上模改成硅膠或者橡膠的軟模,其作用相當于一層真空袋膜,制品處于軟模和模具之間,密封周邊,抽真空(0.1MPa左右),在抽真空的同時將樹脂從模具的另一端由管路導入到模具中,將增強玻纖浸潤。固化后脫模。

軟模RTM成型技術的特點:

1、可以制造兩面光的形狀結構復雜的制品;

2、成型效率一般,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產(1000件/年以內);

3、為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;

4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料;

5、軟模的使用壽命在10—50次左右,成本介于RTM和真空導流工藝之間目前用于船艇、汽車零部件、工程車覆蓋件等等。

軟模RTM工藝設備、模具、原材料   

軟模RTM成型工藝過程中,同樣不需要注射設備,只需要一臺真空泵就可以了;模具需要單面剛性模一般模腔內是負壓0.1Mpa ,所用的原材料與真空導流的材料基本一樣。 該工藝效率介于RTM和真空導流之間,其可取之處主要在于所使用真空輔助材料的可重復利用性,以及其在施工過程中提現出來的方便性,優點一、耗材可多次重復利用,降低成本;優點二、可根據模具做成各種復雜形狀,便于鋪敷,且可有效地避免架橋和干區;優點三、韌性極好,注射過程如有白斑和干區,可大力扯動,人為制造樹脂導流路線,不用擔心真空袋被破壞。

(四)、L-RTM

在液體閉模工藝發展過程中,真空輔助RTM工藝(L-RTM)的開發成功可謂具有里程碑意義,真空輔助成型L-RTM技術是一種新型的低成本的復合材料大型制件的成型技術,它主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結構要求設計好的增強材料預成型體,采用注射設備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔,模具具有周邊密封和緊固以及注射從排氣系統以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維,是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體,通過樹脂的流動,滲透,實現對纖維及織物的浸漬,并在室溫下進行固化,形成一定的樹脂及纖維比例的工藝方法。其技術路線上與傳統RTM的不同之處,在于有一半模具是半剛性的,模具的厚度可以做到很薄。

L-RTM工藝的特點:

1、可以制造兩面光的制品;

2、成型效率高,適合于中等規模的玻璃鋼產品生產(3000件/年);

3、L-RTM為閉模操作,不污染環境,不損害工人健康;

4、增強材料可以任意方向鋪放,容易實現按制品受力狀況例題鋪放增強材料;

5、原材料及能源消耗少。

對于尺寸、大面積的復合材料制件,L-RTM是一種十分有效的成型方法,采用以往的復合材料成型工藝,大型模具的選材困難,而且成本昂貴,制造十分困難,尤其是對于大厚度的船舶、汽車、飛機等結構件。L-RTM工藝制造的復合材料制件具有成本低、空隙率含量小、成型過程中產生的VOC揮發氣體少、環境污染小(有機揮發份小于50ppm,是唯一符合國際環保要求的復合材料成型工藝)。產品的性能好等優點,并且工藝具有很大的靈活性。被廣泛應用于中小型游艇、風電機艙罩、汽車大包圍、工程車覆蓋件等等領域。

L-RTM工藝設備、模具、原材料   

L-RTM成型工藝過程中,除了真空泵是必須的以外,注射設備是可選的,設備要求同RTM所用設備基本一樣。如果不采用樹脂注射設備也可以達到相同的目的,只是效率上稍有差異。L-RTM模具模腔內是0.2-0.8公斤正壓 ,因此對于產品內表面模具的剛度要求不高,主要是為了體現一個“輕”字。L-RTM用的原材料有基體樹脂、增強玻纖材料。L-RTM工藝用的樹脂可以是不飽和聚酯樹脂,也可以是乙烯基或者環氧樹脂,主要要求:

(1) 低粘度,僅借助真空即可在增強劑堆積的高密度預成型體中流動、浸潤、浸透。(粘度指標180—300厘泊 )

(2) 適用周期長,較長的凝膠時間,較快的固化速度,這樣有利于浸透、排氣。

(3) 可在室溫下固化,樹脂工作壽命滿足結構要求。

(4) 固化時無需額外壓力,只需真空負壓。

(5) 具有良好的韌性與高于一般樹脂的彈性模量,以及抗腐蝕性。

一般L-RTM的增強材料主要是玻璃纖維,其含量為45%~55%;常用的增強材料也是玻璃纖維連續氈、復合氈及方格布。L-RTM工藝過程因產品不同,操作的時間過程也不盡相同。

由此可看出,L-RTM工藝屬于半機械化的復合材料成型工藝,工人只需將設計好的干纖維或者預成型體放到模具中并合模,隨后的工藝則完全靠模具和注射系統來完成和保證,沒有任何樹脂的暴露,并因而對工人的技術和環境的要求遠遠低于手糊工藝并可有效地控制產品質量。L-RTM成型技術在國外的應用非常廣泛,很多公司都采用該技術制造大型結構制件,在船舶制造工業中應用尤為突出。另外,航天飛機艙壁、導彈的鼻錐、導彈自動瞄準頭的整流罩、雷達罩、掃雷艇、推進器、火箭發射簡等均在采用L-RTM技術成型。由于L-RTM工藝采用閉模成型工藝,也特別適宜一次成型整體的風力發電機葉片 (纖維、夾芯和接頭等可一次在模腔中共成型),而無需二次粘接。與手糊工藝生產葉片相比,不但節約了粘接工藝的各種工裝設備,而且節約了工作時間,提向了生產效率。降低了生產成本。同時由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝,大大提高了復合材料質量和生產效率。L-RTM工藝生產較少的依賴工人的技術水平,工藝質量僅僅依賴確定好的工藝參數,產品質量易于保證,產品的廢品率低于手糊工藝。因此,目前國外的高質量復合材料風機葉片往往采用模壓、L-RTM、纏繞及預浸料/真空導流工藝制造。其中模壓工藝投資較大,適宜小尺寸風機葉片的大批量生產(>10000片/年);L-RTM工藝適宜中小尺寸風機葉片的中等批量生產(1000~5000片/年);纏繞及預浸料/真空導流工藝適宜大型風機葉片批量生產。