纤维复合材料 Na.27 2011年6月 FIBER COMPOSITES Jun.,2011 树脂基复合材料成型工艺的发展 何亚飞,矫维成2,杨帆2,刘文博3,王荣国2 (1.哈尔滨工业大学实验学院,哈尔滨150001)(2哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001) (3.哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨15000) 摘要随着复合材料工业的迅速发展,传统的复合材料成型工艺日臻完善,新的成型方法不断涌现。本文通过 梳理接触低压成型工艺、拉挤成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、铺放成型工艺、RTM成型工艺这几种先进树 脂基复合材料成型工艺的发展历程,分析发展过程中的关键技术,来硏究先进复合材料成型工艺的演变,从而探讨 未来树脂基复合材料成型工艺的发展方向 关键词树脂基复合材料成型工艺;接触低压成型工艺;拉挤成型工艺;模压成型工艺:缠绕成型工艺;铺放成型工 艺;RTM成型工艺 The Development of Polymer Composites Forming Process HE Yafei, JIAO Weicheng, YANG Fan, LIU Wenbo, WANG rongguo (1. School of honors, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) (2. Center for Composites Materials, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) (3. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China ABSTRACT With the rapid development of composites industry, the traditional composites forming processes have been oved, and the new forming processes are spring up. This paper reviews the development of some advanced polymer rocess, filament winding forming process, windrowing forming process, and RTM forming process, analyzes the key tech- ology of the development, studies the evolution of advanced forming process, and discusses the development direction of polymer composites forming process in the future KEYWORDS polymer composites forming process; contact low pressure forming process; pultrusion forming process lding forming process; filament windrowing for RTM forming process 1引言 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽,复合材料 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基 工业得到迅速发展,其传统的成型工艺日臻完善,新 的成型方法不断涌现。本文拟通过梳理几种先进树 础,是人类社会进步的里程碑。纵观历史,人类社会 脂基复合材料的工艺发展历程,分析发展过程中的 几次大的进步都伴随着材料工业的革命。复合材料 是指由两种以上材料通过一定的工艺加工而成的新 关键技术,来探讨先进复合材料成型工艺的演化对 型材料,它与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。 复合材料工业发展的影响。 今天,一个国家或地区的复合材料工业水平,已成为2复合材料成型工艺简述 衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料 具有比强度、比模量高、耐疲劳、热性能优越、各向异 复合材料工艺的关键是在满足制品形状,尺寸 性和可设计性等优点,这类材料自20世纪40年代及表面质量的前提下,使增强材料能按预定方向均 问世以来,很快获得广泛应用,成为航空航天三大材匀铺设,并尽量减少其性能下降,使基体材料充分完 料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进,成固化反应,通过界面与增强材料良好结合,排出挥 这种材料必将在航空航天、交通运输、机械化工、体发的气体,减少制品的空隙率。同时,还应考虑操作 育及医疗器械等各个领域发挥巨大的作用。 方便和对操作人员的健康影响。所选择的设备和工 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础艺过程应与制品的批量相适应,使单件制品的平均 基金项目:国家自然科学基金(90916008)资助项目 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 2 期 纤 维 复 合 材 料 No. 2 7 2011 年 6 月 FIBER COMPOSITES Jun． ，2011 基金项目: 国家自然科学基金( 90916008) 资助项目 树脂基复合材料成型工艺的发展 何亚飞1 ，矫维成2 ，杨 帆2 ，刘文博3 ，王荣国2 ( 1． 哈尔滨工业大学实验学院，哈尔滨 150001) ( 2． 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨 150001) ( 3． 哈尔滨工业大学材料学院，哈尔滨 150001) 摘 要 随着复合材料工业的迅速发展，传统的复合材料成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现。本文通过 梳理接触低压成型工艺、拉挤成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、铺放成型工艺、RTM 成型工艺这几种先进树 脂基复合材料成型工艺的发展历程，分析发展过程中的关键技术，来研究先进复合材料成型工艺的演变，从而探讨 未来树脂基复合材料成型工艺的发展方向。 关键词 树脂基复合材料成型工艺; 接触低压成型工艺; 拉挤成型工艺; 模压成型工艺; 缠绕成型工艺; 铺放成型工 艺; RTM 成型工艺 The Development of Polymer Composites Forming Process HE Yafei 1 ，JIAO Weicheng 2 ，YANG Fan2 ，LIU Wenbo 3 ，WANG Rongguo 2 ( 1． School of honors，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China) ( 2． Center for Composites Materials，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China) ( 3． School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China ) ABSTRACT With the rapid development of composites industry，the traditional composites forming processes have been improved，and the new forming processes are spring up． This paper reviews the development of some advanced polymer composites forming processes，such as contact low pressure forming process，pultrusion forming process，molding forming process，filament winding forming process，windrowing forming process，and RTM forming process，analyzes the key technology of the development，studies the evolution of advanced forming process，and discusses the development direction of polymer composites forming process in the future． KEYWORDS polymer composites forming process; contact low pressure forming process; pultrusion forming process; molding forming process; filament winding forming process; windrowing forming process; RTM forming process 1 引 言 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基 础，是人类社会进步的里程碑。纵观历史，人类社会 几次大的进步都伴随着材料工业的革命。复合材料 是指由两种以上材料通过一定的工艺加工而成的新 型材料，它与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。 今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为 衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料 具有比强度、比模量高、耐疲劳、热性能优越、各向异 性和可设计性等优点，这类材料自 20 世纪 40 年代 问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天三大材 料之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进， 这种材料必将在航空航天、交通运输、机械化工、体 育及医疗器械等各个领域发挥巨大的作用。 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料 工业得到迅速发展，其传统的成型工艺日臻完善，新 的成型方法不断涌现。本文拟通过梳理几种先进树 脂基复合材料的工艺发展历程，分析发展过程中的 关键技术，来探讨先进复合材料成型工艺的演化对 复合材料工业发展的影响。 2 复合材料成型工艺简述 复合材料工艺的关键是在满足制品形状，尺寸 及表面质量的前提下，使增强材料能按预定方向均 匀铺设，并尽量减少其性能下降，使基体材料充分完 成固化反应，通过界面与增强材料良好结合，排出挥 发的气体，减少制品的空隙率。同时，还应考虑操作 方便和对操作人员的健康影响。所选择的设备和工 艺过程应与制品的批量相适应，使单件制品的平均
纤维复合材料 1年 成本最低。经过半个多世纪的发展,复合材料成型的喷射成型、袋压成型、热压罐成型和热膨胀模塑成 方法已经有几十种。每种工艺都有各自的优缺点,型(低压成型)等新工艺与传统的手糊工艺统称为 有各自的适应范围,但它们之间存在着共性,从原材接触低压成型工艺。图2是不同接触低压成型工艺 料到形成制品的过程,可以统一用图1表示 的示意图。 增强材料 烈模具 增强材料、柔性薄膜 树脂层合 材进剂 说模剂 毡 接触模具 模具胶衣 颜料 败液配制 橡胶薄膜 空气或真空 i增强材料 准备…成型工序 柔性薄膜 半成品加工 N空压机 或薄板 模具 高压釜 胶衣 成型作业 胶衣增强材料 图2(a)手糊成型;(b)真空袋压成型 (c)加压袋法;(d)高压釜加压法 图1复合材料成型加工的典型工艺流程 接触低压成型工艺的过程是,先将材料在阴模 阳模或对模上制成设计形状,通过加热或常温固化, 3树脂基复合材料成型工艺的发展脱模后再经过辅助加工获得制品。接触成型工艺的 3.1接触低压成型工艺 最大优点是设备简单,适应性广,投资少,见效快。 但其同时存在着生产效率低、劳动强度大、产品重复 树脂基复合材料于1932年在美国出现,1940 年以手糊成型的方法制成了玻璃纤维增强聚酯的军 性差等显著缺点。于是改进这种工艺成为先进复合 用飞机雷达罩。其后不久,美国菜特空军发展中心材料的成型工艺下一步发展的关键。 设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼 1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产 的飞机,并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产 线,使复合材料制品形成了规模化生产。这一举措 飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工 程界的关注。第二次世界大战以后这种材料迅速扩使复合材料成型工艺走向了自动化、高效化、专业化 展到民用领域,风靡一时,发展很快。 的方向,对复合材料工业的发展起到了决定性的作 手糊成型工艺又称接触成型工艺,是手工作业用。现在,生产设备的大型化、自动化,生产工艺的 把玻璃纤维织物和树脂交替铺在模具上,粘结在 连续化、高效化等是接触低压成型工艺发展的关键。 起后固化成型的工艺。该工艺不仅设备简单、容易3.2拉挤成型工艺 掌握,还可在产品不同部位任意增补增强材料,易于 复合材料拉挤成型工艺的研究始于20世纪50 满足复杂外形产品设计需要。但缺点是生产效率年代。到60年代中期,拉挤成型工艺已投入到连续 低,生产周期长,不宣大批量生产;且产品质量不易化生产中。70年代,拉挤技术又有了重大的突破。 控制,性能稳定性不高,力学性能较低;另外,手糊工该工艺将已润湿的树脂胶液的连续纤维束或带在牵 艺的生产环境差、气味大、加工时粉尘多,易对施工引结构拉力的作用下,通过成型模成型,并在模中或 人员造成伤害 固化炉中固化,连续生产出长度不受限制的复合型 所以,先进复合材料成型工艺在随后的几年里材。由于在成型过程中需经过成型模的挤压和外牵 致力于改善手糊工艺的各项不足,首先是1950年真引拉拔,而且生产过程和制品长度是连续的,故又称 空袋和压力袋成型工艺的研究成功提高了手糊工艺 为拉挤连续成型工艺。该工艺具有生产效率高,易 产品性能的稳定性,其次是1960年左右,玻璃纤维于控制,产品质量稳定和制造成本较低等优点;而且 聚酯树脂喷射成型技术得到了应用,使手糊工艺纤维按纵向排列,使制品具有高的拉伸强度和弯曲 的质量和生产效率大为提高凹。这期间相继出现强度。图3是拉挤成型工艺的示意图 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
8 纤 维 复 合 材 料 2011 年 成本最低。经过半个多世纪的发展，复合材料成型 方法已经有几十种。每种工艺都有各自的优缺点， 有各自的适应范围，但它们之间存在着共性，从原材 料到形成制品的过程，可以统一用图 1 表示［1］。 图 1 复合材料成型加工的典型工艺流程 3 树脂基复合材料成型工艺的发展 3． 1 接触低压成型工艺 树脂基复合材料于 1932 年在美国出现，1940 年以手糊成型的方法制成了玻璃纤维增强聚酯的军 用飞机雷达罩。其后不久，美国莱特空军发展中心 设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼 的飞机，并于 1944 年 3 月在莱特 － 帕特空军基地试 飞成功。从此纤维增强复合材料开始受到军界和工 程界的关注。第二次世界大战以后这种材料迅速扩 展到民用领域，风靡一时，发展很快［2］。 手糊成型工艺又称接触成型工艺，是手工作业 把玻璃纤维织物和树脂交替铺在模具上，粘结在一 起后固化成型的工艺。该工艺不仅设备简单、容易 掌握，还可在产品不同部位任意增补增强材料，易于 满足复杂外形产品设计需要。但缺点是生产效率 低，生产周期长，不宜大批量生产; 且产品质量不易 控制，性能稳定性不高，力学性能较低; 另外，手糊工 艺的生产环境差、气味大、加工时粉尘多，易对施工 人员造成伤害。 所以，先进复合材料成型工艺在随后的几年里 致力于改善手糊工艺的各项不足，首先是 1950 年真 空袋和压力袋成型工艺的研究成功提高了手糊工艺 产品性能的稳定性，其次是 1960 年左右，玻璃纤维 － 聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺 的质量和生产效率大为提高［2］。这期间相继出现 的喷射成型、袋压成型、热压罐成型和热膨胀模塑成 型( 低压成型) 等新工艺与传统的手糊工艺统称为 接触低压成型工艺。图 2 是不同接触低压成型工艺 的示意图。 图 2 ( a) 手糊成型; ( b) 真空袋压成型; ( c) 加压袋法; ( d) 高压釜加压法 接触低压成型工艺的过程是，先将材料在阴模、 阳模或对模上制成设计形状，通过加热或常温固化， 脱模后再经过辅助加工获得制品。接触成型工艺的 最大优点是设备简单，适应性广，投资少，见效快。 但其同时存在着生产效率低、劳动强度大、产品重复 性差等显著缺点。于是改进这种工艺成为先进复合 材料的成型工艺下一步发展的关键。 1963 年前后在美、法、日等国先后开发了高产 量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产 线，使复合材料制品形成了规模化生产。这一举措 使复合材料成型工艺走向了自动化、高效化、专业化 的方向，对复合材料工业的发展起到了决定性的作 用。现在，生产设备的大型化、自动化，生产工艺的 连续化、高效化等是接触低压成型工艺发展的关键。 3． 2 拉挤成型工艺 复合材料拉挤成型工艺的研究始于 20 世纪 50 年代。到 60 年代中期，拉挤成型工艺已投入到连续 化生产中。70 年代，拉挤技术又有了重大的突破。 该工艺将已润湿的树脂胶液的连续纤维束或带在牵 引结构拉力的作用下，通过成型模成型，并在模中或 固化炉中固化，连续生产出长度不受限制的复合型 材。由于在成型过程中需经过成型模的挤压和外牵 引拉拔，而且生产过程和制品长度是连续的，故又称 为拉挤连续成型工艺。该工艺具有生产效率高，易 于控制，产品质量稳定和制造成本较低等优点; 而且 纤维按纵向排列，使制品具有高的拉伸强度和弯曲 强度［4］。图 3 是拉挤成型工艺的示意图
何亚飞,等:树脂基复合材料成型工艺的发展 热模拉拔 化需求。据1997年4月在巴黎召开的第32届“欧 。洲复合材料与先进材料与加工工程科学”会议报 挤胶器 导,德国的凯瑟斯劳腾复合材料研究所研制了一种 双面传送压机,可以压制聚合物基复合材料连续薄 板。该研究所用纤维布和热塑性树脂膜用连续等压 工艺压制出浸渍质量良好的宽达600mm的预浸 带。压机的主要工作参数为温度410℃,压力5 5MPa。预压带在加热条件下,可在1min的时间内 图3拉挤成型示意图 模压或冲压成最终的制品,形成了集预处理、塑化、 模压和后加工一条龙生产线。 拉挤成型技术经过数十年的发展,已取得了很大3.4缠绕成型工艺 进步。从开始的等截面拉挤制品发展到截面厚度可 从1946年纤维缠绕成型技术在美国出现至今 变、宽度不变的拉挤制品,进而发展到截面形状可变、缠绕成型工艺已历经半个世纪的发展,经过了从纤 面积不变的拉挤制品。原材料也实现了多样化,使制维缠绕和带缠绕的发展过程,成为聚合物基复合材 品性能具有了可设计性。在这一过程中,拉挤生产线料制造的重要手段之一。缠绕成型工艺是将浸过树 的成功运用,帮助形成了连续拉挤成型工艺;另外,新脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律 型拉挤成型技术不断涌现,如RIM拉挤成型机,弯曲缠绕到芯模上,然后经固化、脱模,最终获得制品。 形型材拉挤工艺等,都极大的促进了拉挤工艺的发 纤维缠绕成型的优点是:(1)能够按产品的受 展。现在,拉挤工艺主要用于生产各种玻璃钢型材,力状况设计缠绕规律,从而能充分发挥纤维的强度 如玻璃钢棒,工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形(2)比强度高:一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体 断面型材等。目前最大的拉挤成型机,可以生产断面积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻40% 为800×800(mm)的空腹玻璃钢型材。 60%;(3)可靠性高:纤维缠绕制品易实现机械化和 3.3模压成型工艺 自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富定,精确;(4)生产效率高:采用机械化或自动化生 有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混产,需要的操作工人少,缠绕速度快(240m/min), 料或预浸料加入金属对模内,经加热、加压来固化成故劳动生产率高;(5)成本低:在生产同一产品时, 型的一种方法。模压成型工艺的主要优点是生产效可合理配选若干种材料(包括树脂、纤维和内衬), 率高,便于实现专业化和自动化生产,可有效降低制使其再复合,达到最佳的技术经济效果。 造成本;产品尺寸精度高,重复性好;表面光洁,无需 纤维缠绕成型的缺点是:(1)缠绕成型适应性 二次修饰;能一次成型结构复杂的制品。另外,模压小,不能缠绕任意结构形式的制品,特别是表面有凹 法制备基体试件可以有效地避免分子取向,能较客陷的制品,因为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架 观地反映非晶态髙聚物的性能。模压成型的不空;(2)缠绕成型需要有缠绕机,芯模,固化加热炉, 足之处在于模具制造复杂,投资较大。再加上受压脱模机及熟练的技术工人,这方面需要的投资大,技 机限制,最适合于批量生产中小型复合材料制品。术要求也高,因此,只有大批量生产时才能降低成 随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺本,才可以获得较可观的技术经济效益。因此,研制 性能的不断改进和发展,压机吨位和台面尺寸的不大型的缠绕系统和优良的缠绕机,以及构建先进的 断增大,压机也逐渐形成成熟的数控系统,模压料的缠绕生产线,成为了发展缠绕工艺的关键 成型温度和压力的相对降低,使得模压成型制品的 第一台缠绕机于1947年在美国 Kellog公司问 生产率显著提高,质量向精细化发展,尺寸逐步向大世。20世纪60年代初期,第一代机械式纤维缠绕 型化发展,目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体机研制成功。1973年,ntec公司开发了第一台微 卫生间组件等。 处理器控制的纤维缠绕机。80~90年代,更多的计 近几年来,以长短纤维为增强材料,以热塑性、算机技术投入到缠绕机的开发当中,新一代微机控 热固性树脂为基体材料的各类复合材料模压成型工制纤维缠绕机开始硏制,英国的 Pultrex有限公司采 艺发展很快,产品性能价格比髙,对环境污染小,生用通用数控系统成功开发了四轴联动纤维数控缠绕 产率高,正在不断适应汽车、航空航天、通讯等工业机。与此同时,很多公司开始探索用计算机设计缠 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2 期 何亚飞，等: 树脂基复合材料成型工艺的发展 9 图 3 拉挤成型示意图 拉挤成型技术经过数十年的发展，已取得了很大 进步。从开始的等截面拉挤制品发展到截面厚度可 变、宽度不变的拉挤制品，进而发展到截面形状可变、 面积不变的拉挤制品。原材料也实现了多样化，使制 品性能具有了可设计性。在这一过程中，拉挤生产线 的成功运用，帮助形成了连续拉挤成型工艺; 另外，新 型拉挤成型技术不断涌现，如 RIM 拉挤成型机，弯曲 形型材拉挤工艺等，都极大的促进了拉挤工艺的发 展。现在，拉挤工艺主要用于生产各种玻璃钢型材， 如玻璃钢棒，工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形 断面型材等。目前最大的拉挤成型机，可以生产断面 为 800 ×800( mm) 的空腹玻璃钢型材。 3． 3 模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富 有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混 料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压来固化成 型的一种方法。模压成型工艺的主要优点是生产效 率高，便于实现专业化和自动化生产，可有效降低制 造成本; 产品尺寸精度高，重复性好; 表面光洁，无需 二次修饰; 能一次成型结构复杂的制品。另外，模压 法制备基体试件可以有效地避免分子取向，能较客 观地反映非晶态高聚物的性能［5］。模压成型的不 足之处在于模具制造复杂，投资较大。再加上受压 机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。 随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺 性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸的不 断增大，压机也逐渐形成成熟的数控系统，模压料的 成型温度和压力的相对降低，使得模压成型制品的 生产率显著提高，质量向精细化发展，尺寸逐步向大 型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体 卫生间组件等。 近几年来，以长短纤维为增强材料，以热塑性、 热固性树脂为基体材料的各类复合材料模压成型工 艺发展很快，产品性能价格比高，对环境污染小，生 产率高，正在不断适应汽车、航空航天、通讯等工业 化需求。据 1997 年 4 月在巴黎召开的第 32 届“欧 洲复合材料与先进材料与加工工程科学”会议报 导，德国的凯瑟斯劳腾复合材料研究所研制了一种 双面传送压机，可以压制聚合物基复合材料连续薄 板。该研究所用纤维布和热塑性树脂膜用连续等压 工艺压制出浸渍质量良好的宽达 600 mm 的预浸 带。压机的主要工作参数为温度 410℃，压 力 5． 5MPa。预压带在加热条件下，可在 1 min 的时间内 模压或冲压成最终的制品，形成了集预处理、塑化、 模压和后加工一条龙生产线［1］。 3． 4 缠绕成型工艺 从 1946 年纤维缠绕成型技术在美国出现至今， 缠绕成型工艺已历经半个世纪的发展，经过了从纤 维缠绕和带缠绕的发展过程，成为聚合物基复合材 料制造的重要手段之一。缠绕成型工艺是将浸过树 脂胶液的连续纤维( 或布带、预浸纱) 按照一定规律 缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，最终获得制品。 纤维缠绕成型的优点是: ( 1) 能够按产品的受 力状况设计缠绕规律，从而能充分发挥纤维的强度; ( 2) 比强度高: 一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体 积、同压力的钢质容器相比，重量可 减 轻 40% ～ 60% ; ( 3) 可靠性高: 纤维缠绕制品易实现机械化和 自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳 定，精确; ( 4) 生产效率高: 采用机械化或自动化生 产，需要的操作工人少，缠绕速度快( 240 m /min) ， 故劳动生产率高; ( 5) 成本低: 在生产同一产品时， 可合理配选若干种材料( 包括树脂、纤维和内衬) ， 使其再复合，达到最佳的技术经济效果。 纤维缠绕成型的缺点是: ( 1) 缠绕成型适应性 小，不能缠绕任意结构形式的制品，特别是表面有凹 陷的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架 空; ( 2) 缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉， 脱模机及熟练的技术工人，这方面需要的投资大，技 术要求也高，因此，只有大批量生产时才能降低成 本，才可以获得较可观的技术经济效益。因此，研制 大型的缠绕系统和优良的缠绕机，以及构建先进的 缠绕生产线，成为了发展缠绕工艺的关键。 第一台缠绕机于 1947 年在美国 Kellog 公司问 世。20 世纪 60 年代初期，第一代机械式纤维缠绕 机研制成功。1973 年，Entec 公司开发了第一台微 处理器控制的纤维缠绕机。80 ～ 90 年代，更多的计 算机技术投入到缠绕机的开发当中，新一代微机控 制纤维缠绕机开始研制，英国的 Pultrex 有限公司采 用通用数控系统成功开发了四轴联动纤维数控缠绕 机。与此同时，很多公司开始探索用计算机设计缠
10 纤维复合材料 1年 绕模式,即纤维缠绕CAD技术开始出现。用计算机 辅助设计缠绕模式,大大简化了缠绕模式的设计,从 prepregnated tape 而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入21世 纪,缠绕机的功能更加完善,各种类型的缠绕机广泛 应用于航空航天、军工和民用工业等领域。我国在 20世纪60年代成功研制出链条式缠绕机,70年代 (a) Automatic laying tape 引进德国WE-250数控缠绕机,改进后实现国产化 iber placement head 生产,80年代后我国引进了各种型式缠绕机40多 bindle head box, iber storage box 台,经过改进后,自主成功的设计制造出微机控制缠 绕机,并进入国际市场。 缠绕设备的发展主要在计算机控制,设备的精 度、浸刮胶方式、立体多轴缠绕及张力控制,正向着 高自动化、高集成化、高产量化的方向发展。高性能 的树脂基体及高强纤维都在逐步应用到缠绕领域 b) Automatic laying fibers 这促使缠绕工艺有更大的应用领域和发展前景。 3.5铺放成型工艺 图4自动铺丝和自动铺带原理图 纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自 于1990年投入使用,1995年 Ingersol公司研制出 动窄带铺放成型技术的统称,是在已有缠绕和自动 其第一台铺放成型机 铺放技术基础上发展起来的一种全自动制造技术 纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(新型缠 随着自动铺放技术的不断发展,控制系统从模 绕技术)提出的,主要用于生产航空航天的大型拟控制升级到全数字控制。20世纪90年代还开发 了专用的CAD/CAM软件与硬件配套,使其功能日 的、特殊结构的构件 臻完善。设备制造商和飞机部件制造商也不断开发 自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带, 出自动铺放新技术,包括双向铺放头技术、丝束重定 在铺带头中完成预定形状的切割、定位,加热后按照 向控制技术、张力控制技术、预浸丝束整形技术、F 定设计方向在压辊作用下,直接铺叠到曲率半径 ber steer技术、柔性压辊技术、热塑性自动铺放技 较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采用龙门式 术、超声固接成型技术和 CAD/CAM软件技术等 结构,其核心部件是铺带头,须完成超声切割、夹紧 首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司 衬纸剥离和张力控制等功能。铺丝技术综合了自动 它研制了V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。在 铺带和纤维缠绕技术的优点,由铺丝头将数根预浸 第4代战斗机的典型应用包括S形进气道和机身, 纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度 F35中的机身翼身融合体蒙皮。在商用飞机方面有 可变的预浸带后铺放在芯模表面,经过加热软化后 Premier-I和霍克商务机的机身部件、大型客机波 压实定型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产 音747及波音767客机的发动机进气道整流罩试验 品表面制备,铺设时没有皱褶,无须作剪裁或其他处 件和波音787机身则全部采用复合材料自动铺丝技 理。铺丝可以代替铺带,相对于铺带,它的成本较 高,效率也低一些,但复杂的曲面表面必须用铺丝工 术分段整体制造等,自动铺放技术的应用大大简化 艺完成,图4是自动铺带和自动铺丝的原理图。 了制造工艺,带来了航空制造技术的变革。 目前,美洲、欧洲、亚洲的几十家制造商在应用 自动铺放技术源于20世纪60年代,在美国空 自动铺带技术制造复合材料结构。空客法国Nate 军实验室支持下起步,后经ACT、CAI(计算机辅助 设计)等计划支持,迅速发展。该技术于20世纪70 工厂中,现有十几台铺带机在生产线上运行;空客德 国 Stade工厂有一条4台铺带机组生产线;空客西 年代由 boeing、 Cincinnati Milacron、 Hercules等公司 班牙的Ⅲ lescas工厂有6台铺带机在运行;日本三菱 联合开发,已经经历近40年的发展。1982年Bo-重工、富士重工等也已应用了此项技术。经过20多 ing公司的机械工程师提出了“AwSD铺放头”设想, 年的发展,国外纤维铺放成型技术已基本成熟,预计 解决了纤维束压实、切断和重送的问题,1985年到2010年世界上将有60多台纤维铺放机投入使 Hercules公司研制出第一台原理样机,1989年,Cin- 用。 cinnati milacron公司设计出第一台纤维铺放系统并 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
10 纤 维 复 合 材 料 2011 年 绕模式，即纤维缠绕 CAD 技术开始出现。用计算机 辅助设计缠绕模式，大大简化了缠绕模式的设计，从 而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入 21 世 纪，缠绕机的功能更加完善，各种类型的缠绕机广泛 应用于航空航天、军工和民用工业等领域。我国在 20 世纪 60 年代成功研制出链条式缠绕机，70 年代 引进德国 WE － 250 数控缠绕机，改进后实现国产化 生产，80 年代后我国引进了各种型式缠绕机 40 多 台，经过改进后，自主成功的设计制造出微机控制缠 绕机，并进入国际市场。 缠绕设备的发展主要在计算机控制，设备的精 度、浸刮胶方式、立体多轴缠绕及张力控制，正向着 高自动化、高集成化、高产量化的方向发展。高性能 的树脂基体及高强纤维都在逐步应用到缠绕领域， 这促使缠绕工艺有更大的应用领域和发展前景［6］。 3． 5 铺放成型工艺 纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自 动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动 铺放技术基础上发展起来的一种全自动制造技术。 纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革( 新型缠 绕技术) 提出的［7］，主要用于生产航空航天的大型 的、特殊结构的构件。 自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带， 在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照 一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径 较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采用龙门式 结构，其核心部件是铺带头，须完成超声切割、夹紧、 衬纸剥离和张力控制等功能。铺丝技术综合了自动 铺带和纤维缠绕技术的优点，由铺丝头将数根预浸 纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度 可变的预浸带后铺放在芯模表面，经过加热软化后 压实定型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产 品表面制备，铺设时没有皱褶，无须作剪裁或其他处 理。铺丝可以代替铺带，相对于铺带，它的成本较 高，效率也低一些，但复杂的曲面表面必须用铺丝工 艺完成，图 4 是自动铺带和自动铺丝的原理图。［8］ 自动铺放技术源于 20 世纪 60 年代，在美国空 军实验室支持下起步，后经 ACT、CAI( 计算机辅助 设计) 等计划支持，迅速发展。该技术于 20 世纪 70 年代由 Boeing、Cincinnati Milacron、Hercules 等公司 联合开发，已经经历近 40 年的发展。1982 年 Boeing 公司的机械工程师提出了“AvSD 铺放头”设想， 解决了纤维束压实、切断和重 送 的 问 题，1985 年 Hercules 公司研制出第一台原理样机，1989 年，Cincinnati Milacron 公司设计出第一台纤维铺放系统并 图 4 自动铺丝和自动铺带原理图 于 1990 年投入使用，1995 年 Ingersoll 公司研制出 其第一台铺放成型机。 随着自动铺放技术的不断发展，控制系统从模 拟控制升级到全数字控制。20 世纪 90 年代还开发 了专用的 CAD/CAM 软件与硬件配套，使其功能日 臻完善。设备制造商和飞机部件制造商也不断开发 出自动铺放新技术，包括双向铺放头技术、丝束重定 向控制技术、张力控制技术、预浸丝束整形技术、Fiber Steer 技术、柔性压辊技术、热塑性自动铺放技 术、超声固接成型技术和 CAD/CAM 软件技术等［8］。 首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司， 它研制了 V － 22 倾转旋翼飞机的整体后机身。在 第 4 代战斗机的典型应用包括 S 形进气道和机身， F35 中的机身翼身融合体蒙皮。在商用飞机方面有 Premier － I 和霍克商务机的机身部件、大型客机波 音 747 及波音 767 客机的发动机进气道整流罩试验 件和波音 787 机身则全部采用复合材料自动铺丝技 术分段整体制造等，自动铺放技术的应用大大简化 了制造工艺，带来了航空制造技术的变革。 目前，美洲、欧洲、亚洲的几十家制造商在应用 自动铺带技术制造复合材料结构。空客法国 Nate 工厂中，现有十几台铺带机在生产线上运行; 空客德 国 Stade 工厂有一条 4 台铺带机组生产线; 空客西 班牙的 Illescas 工厂有 6 台铺带机在运行; 日本三菱 重工、富士重工等也已应用了此项技术。经过 20 多 年的发展，国外纤维铺放成型技术已基本成熟，预计 到 2010 年世界上将有 60 多台纤维铺放机投入使 用
2期 何亚飞,等:树脂基复合材料成型工艺的发展 虽然国内自动铺带技术研究起步较晚,但在技目前其自身还存在一些问题,例如①树脂对纤维的 术研究和设备研究方面也已有一定的成果,国内自浸渍不够理想,制品里存在空隙率较高,且存在干纤 动铺带技术也不再是空白。 维的现象;②制品的纤维含量较低(一般为50%) 从2004年开始,南京航空航天大学与航空材料③大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂 研究院联合开发自动铺带设备’完成了小型铺带机的流动不均衡,不能进行预测和控制;④对于制造大 的研制,并应用于复合材料结构件的研制;北京航空尺寸复合材料来说,模具成本高,脱模困难等。 制造工程研究所与 Forest-Line公司合作研制的大 近年来针对RTM存在的问题和局限性,国内外 型复合材料自动铺带机的调试工作已接近尾声,有开展了大量颇有成效的研究,使得RTM技术渐趋成 望在“十二五”实现应用,可以满足小曲率大型壁板熟。真空辅助RTM(ⅤARTM)成型工艺就是RTM 类复合材料构件的制造;国内开展自动铺带技术研技术的改进,该工艺是在树脂注入过程中同时从闭 究的还有武汉理工大学、天津工业大学等多所大学,合模具出口处抽真空。模具抽真空不仅提高了模具 包括铺放机构、数控系统和人机交互等研究工作。充模的压力,而且排除了模具和预成型体中,尤其是 2007年,哈飞集团从西班牙 M. Torres公司购买了一纤维束中的气体,因此同时提高了预成型体中的宏 台复合材料自动铺带机,并已开展了复合材料自动观流动和树脂在纤维束间的微观流动速度,有利于 铺带制造技术应用研究,将在2010年初与空客公司纤维的完全浸润,从而减少制品的缺陷。另外, 合作,进行A320方向舵前、后梁的生产。该设备采压缩RM(CRTM)成型工艺还较好的解决了在成型 用龙门式结构,主要包括带装夹和释放(开卷)系高纤维体积含量的复合材料制品时,预成型体的渗 统衬纸带回卷系统、带缺陷检测传感系统带对中透率较小,注射树脂时需要较大的压力,注射时间 和导向系统、切带系统、铺带和压实系统、工作区域长,效率低,注射过程中带入气体很难排除等问题。 安全系统、铺带监控系统、带卷装卸系统、工装定位 在RTM工艺优化过程中,发展有增强材料自动 及自动补偿系统等。 预成型的技术与设备、低成本模具设计与制造技术 由于自动铺放成型采用的材料体系成熟度高,自动控制的树脂注入系统以及RTM与其它成型工 设计成型方法继承性好,易于数字化设计和自动化艺的复合成型技术是关键。树脂传递模型机组、树 制造,已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的 脂注射成型技术等先进工艺和设备就是杰出的研究 主要成型方法。复合材料的大量应用推动了自动铺成果,很大程度上促进了RTM规模化、自动化的发 放技术的快速发展,各类新技术层出不穷;而自动铺 展。九十年代初开始,掀起了对RTM工艺及理论研 放技术的迅速发展也在很大程度上促进了现代复合究的高潮,RM设备、树脂和模具技术日趋完善。 材料工业的进步 在美国,RTM以每年20%~25%的增长率向上增 3.6RTM成型工艺 RTM( Resin Transfer Moldin,树脂传递模塑)技长,并且增长率还在继续增大 术是模压成型技术的一种,是为适应飞机雷达罩成4复合材料成型工艺中 型发展起来的。从20世纪50年代起,英、美国家开 不同步骤的进展 始采用此技术。经过多年的发展,现已成功地用于 各种纤维增强复合材料的生产中。复合材料RTM 分析复合材料成型工艺的发展历程,可以发现: 工艺技术是目前欧美树脂基复合材料低成本技术发性能更好的原料的研究与运用,工艺参数的优化,工 展的两大主要方向之一圆。RTM是将树脂注入到艺过程中关键步骤的改进,新技术的研究,生产设备 闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法,是近自动化、智能化程度的提高,生产线的规模化、专业 年来发展迅速的适宜多品种、中批量、高质量先进复化、可控制化这些因素成为了关键。 合材料制品生产的成型工艺。RTM的特点明显,主4.1先进的原材料 要体现在:①具有无需胶衣涂层即可为构件提供双 随着社会工业对复合材料的要求越来越高,开 面光滑表面的能力;②能制造出具有良好表面品质发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤 的、高精度的复杂构件;③成型效率高,适合于中等维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材 规模复合材料制品的生产;④便于使用计算机辅助料;同时,新型的高性能树脂、金属、陶瓷基体也应运 设计进行模具和产品设计;⑤成型过程中散发的挥而生,如一般环氧树脂逐步被韧性更好、耐温更高的 发性物质很少,有利于身体健康和环境保护。但是,增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代。 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2 期 何亚飞，等: 树脂基复合材料成型工艺的发展 11 虽然国内自动铺带技术研究起步较晚，但在技 术研究和设备研究方面也已有一定的成果，国内自 动铺带技术也不再是空白。 从 2004 年开始，南京航空航天大学与航空材料 研究院联合开发自动铺带设备，完成了小型铺带机 的研制，并应用于复合材料结构件的研制; 北京航空 制造工程研究所与 Forest － Line 公司合作研制的大 型复合材料自动铺带机的调试工作已接近尾声，有 望在“十二五”实现应用，可以满足小曲率大型壁板 类复合材料构件的制造; 国内开展自动铺带技术研 究的还有武汉理工大学、天津工业大学等多所大学， 包括铺放机构、数控系统和人机交互等研究工作。 2007 年，哈飞集团从西班牙 M． Torres 公司购买了一 台复合材料自动铺带机，并已开展了复合材料自动 铺带制造技术应用研究，将在 2010 年初与空客公司 合作，进行 A320 方向舵前、后梁的生产。该设备采 用龙门式结构，主要包括带装夹和释放( 开卷) 系 统、衬纸带回卷系统、带缺陷检测传感系统、带对中 和导向系统、切带系统、铺带和压实系统、工作区域 安全系统、铺带监控系统、带卷装卸系统、工装定位 及自动补偿系统等。 由于自动铺放成型采用的材料体系成熟度高， 设计成型方法继承性好，易于数字化设计和自动化 制造，已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的 主要成型方法。复合材料的大量应用推动了自动铺 放技术的快速发展，各类新技术层出不穷; 而自动铺 放技术的迅速发展也在很大程度上促进了现代复合 材料工业的进步。 3． 6 RTM 成型工艺 RTM( Resin Transfer Molding，树脂传递模塑) 技 术是模压成型技术的一种，是为适应飞机雷达罩成 型发展起来的。从 20 世纪 50 年代起，英、美国家开 始采用此技术。经过多年的发展，现已成功地用于 各种纤维增强复合材料的生产中。复合材料 RTM 工艺技术是目前欧美树脂基复合材料低成本技术发 展的两大主要方向之一［9］。RTM 是将树脂注入到 闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法，是近 年来发展迅速的适宜多品种、中批量、高质量先进复 合材料制品生产的成型工艺。RTM 的特点明显，主 要体现在: ①具有无需胶衣涂层即可为构件提供双 面光滑表面的能力; ②能制造出具有良好表面品质 的、高精度的复杂构件; ③成型效率高，适合于中等 规模复合材料制品的生产; ④便于使用计算机辅助 设计进行模具和产品设计; ⑤成型过程中散发的挥 发性物质很少，有利于身体健康和环境保护。但是， 目前其自身还存在一些问题，例如①树脂对纤维的 浸渍不够理想，制品里存在空隙率较高，且存在干纤 维的现象; ②制品的纤维含量较低( 一般为 50% ) ; 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; ④对于制造大 尺寸复合材料来说，模具成本高，脱模困难等。 近年来针对 RTM 存在的问题和局限性，国内外 开展了大量颇有成效的研究，使得 RTM 技术渐趋成 熟。真空辅助 RTM( VARTM) 成型工艺就是 RTM 技术的改进，该工艺是在树脂注入过程中同时从闭 合模具出口处抽真空。模具抽真空不仅提高了模具 充模的压力，而且排除了模具和预成型体中，尤其是 纤维束中的气体，因此同时提高了预成型体中的宏 观流动和树脂在纤维束间的微观流动速度，有利于 纤维的完全浸润，从而减少制品的缺陷［10］。另外， 压缩 RTM( CRTM) 成型工艺还较好的解决了在成型 高纤维体积含量的复合材料制品时，预成型体的渗 透率较小，注射树脂时需要较大的压力，注射时间 长，效率低，注射过程中带入气体很难排除等问题。 在 RTM 工艺优化过程中，发展有增强材料自动 预成型的技术与设备、低成本模具设计与制造技术、 自动控制的树脂注入系统以及 RTM 与其它成型工 艺的复合成型技术是关键。树脂传递模型机组、树 脂注射成型技术等先进工艺和设备就是杰出的研究 成果，很大程度上促进了 RTM 规模化、自动化的发 展。九十年代初开始，掀起了对 RTM 工艺及理论研 究的高潮，RTM 设备、树脂和模具技术日趋完善。 在美国，RTM 以每年 20% ～ 25% 的增长率向上增 长，并且增长率还在继续增大［11］。 4 复合材料成型工艺中 不同步骤的进展 分析复合材料成型工艺的发展历程，可以发现: 性能更好的原料的研究与运用，工艺参数的优化，工 艺过程中关键步骤的改进，新技术的研究，生产设备 自动化、智能化程度的提高，生产线的规模化、专业 化、可控制化这些因素成为了关键。 4． 1 先进的原材料 随着社会工业对复合材料的要求越来越高，开 发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤 维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材 料; 同时，新型的高性能树脂、金属、陶瓷基体也应运 而生，如一般环氧树脂逐步被韧性更好、耐温更高的 增韧环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等取代