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.net2 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