复合材料非热压罐制造工艺综述（下）

4.树脂传递模塑（RTM）

RTM工艺使用封闭模具来制造复合材料部件。图5展示了RTM工艺中的各个步骤。根据模具形状切割纤维预制件并放置在封闭的模腔中。低粘度热固性树脂通过注射口注入模腔，通常压力为 3.5 至7 bar。注入的树脂浸渍预制件，排出滞留的气泡，直至完全润湿。一旦树脂开始从排气口流出，则停止树脂注射并关闭排气口。通过加热模具或向树脂体系中添加初始抑制剂使树脂固化。树脂固化后，打开模具，脱模部件。RTM工艺的一些变体包括 VIPR、FASTRAC、轻质 RTM (LRTM)、结构反应注射成型 (S-RIM) 和共注射树脂传递成型。RTM的优点在于该工艺可以生产出尺寸公差较小且表面光洁度较好的零件。RTM可以制造形状复杂的复合材料零件。使用RTM工艺可以实现复合材料零件的一致性。由于树脂压力高且模具开合速度更快，因此可以实现快速制造周期，并通过工艺控制进一步改善。RTM工艺的缺点是可制造零件的尺寸有限。由于树脂压力高和纤维压实松散，可能会冲刷分散纤维。此外，注射浇口和排气口的位置不当可能会导致复合材料中出现宏观空隙。

图5.树脂传递模塑（RTM）

5. 真空辅助树脂传递模塑成型 (VARTM)

在VARTM方法中，将增强材料放置在单面模具上，并用真空袋密封以形成封闭的模具。在排气口处施加真空，驱使树脂在大气压下浸渍增强材料，同时排出气泡并压实纤维预制件（图6）。树脂流过多孔预制件并到达排气口。注射完成后，保持真空直到部件完全固化并脱模。VARTM工艺用于以低成本小批量生产大型复合材料部件。该工艺广泛应用于能源、航空航天、海洋、国防和基础设施建筑行业。人们已经发明了VARTM的各种变体，以满足以更低的成本制造更高质量的复杂零件的需求。VARTM工艺具有以下优点：模具工具和模具材料选择灵活，树脂和催化剂可以分开储存并在灌注前混合，挥发性有机化合物（VOC）排放量低，可以对工艺进行目视检查以避免未完全浸润的发生。然而，该工艺的缺点是密封胶带、剥离层和真空袋等耗材可能无法重复使用。低树脂注射压力会限制孔隙压缩性，导致孔隙率高和纤维体积分数低。如果不熟悉此技术的操作员操作，该工艺可能容易出现漏气。

图6.VARTM 示意图

6. 快速固化

在快速固化工艺中，预浸料堆叠在单面模具中以形成层压板，并用真空袋密封。层压板模具组件（如图7所示）放置在由两个柔性膜支撑的压力室内。传热流体(HTF)系统通过使HTF在压力室中循环来控制层压板的温度并调节树脂粘度。HTF具有高热容量和热导率，在施加10 kPa的低压时保持快速加热和冷却速率。为了进一步增加层压板压实度并减少空隙，对HTF施加交变压力。快速固化工艺缩短了固化周期、资金、工具和运营成本。此外，此工艺可以制造高质量的中等体积复合材料部件。尽管如此，完全依赖流体传热可能是一个缺点。由于施加的压力低，快速固化工艺可能仅限于中等复杂程度的部件。大量研究表明，使用快速固化工艺制造的层压板可与高压釜生产的板相媲美，并且优于热压机和烘箱固化生产的板。快速固化工艺制备的复合材料性能增强，这归因于快速固化技术中的纤维桥接、一致固化和纤维/基质粘合性改善。

图7.快速固化工艺

7.树脂膜灌注（RFI）

在RFI工艺中，需要使用一个所需形状的阳模或阴模。将一层薄薄的纯树脂与纤维层交错放置在模具中。将铺层组件装入真空袋中，并用真空泵抽出空气。然后将铺层组件放置在烤箱或高压釜内进行固化。当模具被加热和加压时，树脂熔化，流入纤维，然后固化。该工艺的优点包括：工具便宜，不会出现任何形式的卷曲层，制造厚复合材料时不必连续重复压实操作，树脂易于增韧，可生产出高质量的复合材料，干纤维不需要特殊储存。缺点是材料成本高，复杂形状的零件难以制造，并且RFI 操作需要技术熟练的技术人员。RFI方法用于制造汽车工业中大型整体式或夹层结构，如加强蒙皮和肋型结构、前后保险杠部件。图8给出了RFI制造装置的示意图。

图8.树脂膜灌注 (RFI)

8.双柔性模具下的树脂灌注（RIDFT）

RIDFT工艺是液态复合材料成型(LCM)技术的一种变体。RIDFT 理念的提出是为了解决其他 LCM工艺中存在的问题。这些问题包括模具成本高、生产速度慢、树脂灌注复杂、加工时间长、预制件昂贵以及环境污染。RIDFT工艺使用二维树脂流，以越来越高的生产速度生产具有成本效益的复合材料部件，同时减少向环境中排放的挥发性有机化合物。图9说明了RIDFT工艺的不同阶段。首先将纤维增强材料放置在两个硅胶隔膜之间并关闭（步骤 1）。通过排气口从两个硅胶片之间抽出空气以压实纤维增强材料，从而降低渗透性（步骤 2）。一旦树脂灌注门打开，真空压力就会驱使树脂从储液器中浸渍纤维增强材料（步骤 3）。将流量分布介质放置在硅胶片的顶部，以提高渗透性并帮助树脂快速渗透。浸渍后，关闭灌注浇口，借助真空将硅胶片内的润湿增强材料覆盖在单面模具上 （步骤 4）。此时，排气口仍然保持打开状态。使成型部件固化，然后脱模（步骤 5）。使用硅胶片可防止润湿增强材料直接接触模具，从而延长模具寿命。然而，在零件之间生产运行期间清洁他们需要更长的时间。汽车行业寻求高效、具有成本竞争力且环境友好的复合材料制造工艺，例如 RIDFT，以降低复合材料涂装的高成本。RIDFT工艺的各个阶段如图9所示。

图9.RIDFT 过程示意图

展望：

未来非热压罐制造工艺将呈现集成化、节能化、自修复化等诸多特点。集成传感器和数据分析将提高生产精度和质量控制。自修复和智能复合材料将增强产品的耐用性和功能性。节能固化技术的引入将降低能耗，而结合3D打印与树脂传递模塑技术将使复杂结构的生产变得更加高效。此外，高性能树脂系统将满足更加苛刻的应用需求。这些进展将推动制造工艺向更智能、高效和环保的方向发展。

参考资料：

1. Okunzuwa Austine Ekuase, Nafiza Anjum, Vincent Obiozo Eze and Okenwa I. Okoli复合材料非热压罐制造工艺综述《复合材料科学学报》2022 年特刊

2.Budelmann，D.；Schmidt，C. ；Meiners，D. 预浸料粘性：机制、测量和制造含义综述。《聚合物复合材料》

3.Erden, S.；Ho, K. 纤维增强复合材料。《纤维增强复合材料的纤维技术》

4.Centea, T.；Grunenfelder, LK；Nutt, SR 非热压罐预浸料综述——材料特性、工艺现象和制造注意事项。《复合材料A 部分应用科学制造》2015 年