复合材料非热压罐制造工艺综述（上）

根据纤维类型，复合材料可分为颗粒增强复合材料、不连续纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料。由纤维增强材料制成的复合材料比由颗粒制成的复合材料更坚固、更刚度，称为纤维增强塑料(FRP)。在FRP系统中，纤维充当承重构件，而基质将纤维粘合在一起，保护纤维免受磨损和环境影响，并充当载荷传递介质。FRP系统中常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶/凯夫拉纤维和硼纤维。这些纤维以短切或连续形式与聚合物基质结合。根据所用基质，聚合物基质复合材料 (PMC)是广泛使用的复合材料，它在制造复杂和大型形状方面的具有充分的灵活性优势。热固性或热塑性聚合物常被用作基质成分。常用的热塑性聚合物有聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 和聚氯乙烯 (PVC)，热固性聚合物的例子有环氧树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺和双马来酰亚胺。热固性聚合物由于易于加工，常用于制造聚合物基复合材料。

高压釜工艺通常用于制造高结构应用的纤维增强塑料(FRP)复合材料。将预浸渍树脂的纤维层（预浸料）堆叠在模具上，以形成所需的组件形状。组件上覆盖有不同层的排气管和通气管，然后用真空袋密封。排气管有助于吸收从层压板中挤出的多余树脂，而通气管则形成一个通道，通过该通道将空气和挥发物从组件中排出。将模具层压板组件放置在高压釜中，高压釜是一个大型、温度和压力受控的容器。袋子连接到真空系统，并将预设的温度和压力（固化循环）施加到层压板。温度引发的持续化学反应固化了树脂。压力将层压板压缩到所需的纤维体积分数，并消除固化过程中存在的任何空隙。此外，压力使层压板与工具表面贴合。虽然高压釜工艺的产品是一种高性能、可靠的复合结构，但许多制造商仍担心它的诸多缺点。缺点是投资巨大、能耗过高以及工具成本高昂。因此，出于安全原因，只有如航空航天这样的高精尖产业能够负担得起这些成本。大多数制造商正在转向其他替代方案。

非热压罐 (OoA) 工艺通过在热压罐外部施加真空、压力和热量来制造复合材料。非热压罐工艺使用的压力低于热压罐，并在烘箱或加热毯中固化复合材料。因此，开创了一种特殊的树脂系统来有效消除空隙。非热压罐工艺比热压罐固化更具成本效益。本综述讨论了常见的非热压罐工艺，同时简述了非热压罐工艺的未来发展方向。

1.预浸料

预浸料是用部分（B 阶段）固化的树脂基质预浸渍的单向纤维片。预浸料的生产方法是将纤维放置在两片树脂片（通常是环氧树脂）之间，穿过滚筒的纤维获得完全浸润。为了防止过早固化，润湿的预浸料通常被卷起并储存在冰箱中−18°C的环境中。其厚度从 0.01 毫米到 0.8 毫米不等，具体取决于所用纤维的形式。常见的纤维预浸料包括单向带、编织和预浸料丝束。用于预浸料制造的树脂类型有环氧树脂、酚醛树脂和氰酸酯。预浸料非常柔韧，因此可以将其成型并适应复杂的模具。此外，由于树脂部分固化，预浸料的表面具有粘性，这有助于预浸料层的堆叠并防止相互之间的移动。预浸料可以通过手动铺层工艺或自动化铺层。图 1为典型预浸料的示意图。

图 1. 典型预浸料

2.真空袋装工艺

真空袋压工艺使用柔性透明薄膜，利用大气压封闭和压实湿层压板。图 2描述了真空袋压工艺。

图 2. 真空袋成型工艺

该方法使用真空泵抽出真空袋内的空气，然后在大气压下压缩部件。树脂被挤压并从湿层压板吸入排气装置（编织聚酯织物）。真空袋工艺中使用的材料价格低廉，但用该工艺制造的部件比手工铺层具有更好的机械性能。此外，无论处理的材料数量和类型如何，施加的压力都均匀分布在整个表面上。均匀施加压力的效果使得层压板更薄，空隙更少。因此，该工艺有效地控制了层压板中的过量树脂，从而增加了纤维体积分数。此外，这一过程易于加工，可以应用各种模具。然而，使用这种工艺的缺点是，更大更复杂的铺层需要更多劳动力。且该过程开始之后中间不能有中断。发生过度排气时的纤维体积分数不能像其他方法那样有效地被计算。真空袋工艺中用于生产的材料列于表 1中。真空袋技术可用于制造游艇、甲板、船体、上层建筑、舱壁等主要结构以及隔板和内部接缝等次要结构。与手工铺层工艺相比，真空袋工艺显著改善了制造部件的机械性能。

表 1. 真空袋装组件的功能

3. 纯真空袋（VBO）/烤箱固化

纯真空袋 (VBO) 固化是一种用于加工复合材料层压板的非高压釜 (OoA) 技术。该技术在没有外部压力的炉子（例如高压釜）中进行，以压实层压板。在没有高压的情况下，重要的是要考虑 OoA 树脂的特性、纤维基层结构和预浸料系统。图 3显示了纯真空袋复合材料的制造组件及其耗材。OoA 预浸料的特点是部分浸渍的微结构具有平面渗透性，允许空气排出并有助于在不使用高压釜压力的情况下制造低孔隙率部件。部分浸渍的微结构包括干燥和富含树脂的区域。固化过程中可使用 0.1 MPa 的低压进行压实，缺点在于不足以防止空隙形成。因此，在树脂凝胶化之前，必须将层压板中夹带的空气、水分和其他挥发性物质抽空。因此，部分浸渍微结构中的干燥区域形成内部网络，有利于气体在初始低温固化阶段排出。高温下，树脂富集区域的树脂会渗入干燥区域。

图3. VBO固化剂的制造组装

OoA 预浸料的固结方法是，在室温下抽真空，抽空真空袋，压实部件，并将层压板中的空隙推向真空源，如图4所示。这样做的结果是，纤维体积分数增加，预浸料的平面内渗透性降低。在此期间，由于基质的高粘度，树脂流动受到限制。当部件的温度升高时，树脂粘度会降低，从而使树脂逐渐渗透到纤维床中。树脂流入干纤维束并饱和层间空间。OoA 预浸料的浸渍通常在第一次温度上升结束时完成。根据浸渍速率，一旦达到停留温度，干燥的抽真空通道就会饱和。在固结的最后阶段，树脂经历凝胶化和玻璃化，然后固化完成。

图4.OoA 预浸料的固结过程