高中化学 4.3 复合材料的制造先进复合材料主要生产工艺介绍素材1 苏教版选修2

先进复合材料主要生产工艺介绍

先进复合材料，具有轻质、高强、高模量、良好的抗疲劳性、耐腐蚀性、可设计性突出、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空航天及工业结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文着重介绍复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺。

复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要取决于成型固化工艺。所谓成型固化工艺包括两方面内容，一是成型，这就是将预浸料根据产品的要求，铺制成一定的形状，一般就是产品的形状。二是进行固化，这就是使已经铺制成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素下使形状固定下来，并能达到预计的使用性能要求。

复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。目前，已在生产中采用的成型方法有：

1、手糊成型--湿法铺层成型 2 、真空袋压法成型

3、压力袋成型

4、树脂注射和树脂传递成型

5、喷射成型

6、真空辅助树脂注射成型

7、夹层结构成型 8、模压成型

9、注射成型 10、挤出成型

11、纤维缠绕成形 12、拉挤成型

13、连续板材成型 14、层压或卷制成型

15热塑性片状模塑料热冲压成型 16离心浇注成型

本文主要介绍几种常用的工艺方法

1、手糊成型

手糊成型是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子挤压织物，使其均匀浸胶并排出气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度。然后在一定压力和温度下加热固化成型，或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型，最后脱模得到复合材料制品。

手工铺贴方法的优点是可使蒙皮厚度有大的变化，进行局部加强，嵌入接头用的金属加强片，形成加强筋和蜂窝夹芯区等。手工铺层的缺点是生产效率低、成本高，不适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。

目前，手工铺层使用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量，如复合材料预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等，即采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程。

2、挤出成型

挤出成型又称为挤塑，在加工中利用液压机压力在模具本身的挤出称压出。是指物料通

过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热融化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。

挤出成型技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，其裁剪、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。多轴龙门式机械臂完成铺带位置的自动控制，铺带头上装有预浸带输送和切割系统，根据待铺放工件边界轮廓自动完成预浸带的铺放和特定形状位置的切割。预浸带在加热状态时，在压辊的压力作用下铺叠到模具表面。

随着自动铺带设备、编程、计算机软件、铺带技术以及材料的进一步发展，自动铺带的效率变得更高，性能更可靠，操作性更友好。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%～50％，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，而且质量稳定，缩短了铺层及装配时间，工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。目前，最先进的第五代铺带机是带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机，铺带宽度最大可达到300mm，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。

3、热压法固化成型。

热压罐固化成型是航空航天复合材料结构件传统的制造工艺，它有产品重复性好、纤维体积含量高、孔隙率低或无孔隙、力学性能可靠等优点。热压罐固化的缺点主要是耗能高以及运行成本高等。而目前大型复合材料构件必需在大型或超大型热压罐内固化，以保证制件的内部质量，因此热压罐的三维尺寸也在不断加大，以适应大尺寸复合材料制件的加工要求。目前，热压罐都采用先进的加热控温系统和计算机控制系统，能够有效地保证在罐内工作区域的温度分布均匀，保证复合材料制件的内部质量和批次稳定性，如准确的树脂含量、低或无空隙率和无内部其他缺陷。这也是热压罐一直沿用至今的主要原因。

4、RTM成型。

RTM成型已是十分普及的工艺，它是以树脂转移成型为主体，包括各种派生的RTM技术，大约有25～30种之多，其中，RTM、真空辅助RTM（VARTM）、真空辅助树脂注射成型（VARI）、树脂膜熔浸成型（RFI）和树脂浸渍成形（SCRIMP）被称为RTM的5大主要成型工艺，也是目前应用最多的RTM工艺。

RTM的优点是成品的损伤容限高，可成型精度高、孔隙率小的复杂构件及大型整体件。RTM 成型的关键是，要有适当的增强预形件以及适当黏度的树脂或树脂膜。RTM要求树脂在注射温度下的黏度值低，第一代环氧树脂的粘度要求在500cps（0.5Pa·s）以下，以前对于较大尺寸的构件要求树脂黏度低于250cps（0.25Pa·s），RTM工艺的主要设备是各种树脂注射机和整体密闭型模具。

随着新型增强材料结构的不断创新，编织技术和预成形体技术与RTM技术相结合，形成了新的工艺发展和应用方向。如采用三维编织技术将增强材料预制成3D结构，然后再与RTM工艺复合，也可将纤维织物通过缝纫或粘结的方法，直接预制成制件形状，再采用RTM工艺成型复合材料。

5、模压成型

模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都实用的纤维复合材料成型方法。将定量的

模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其融化，并在压力作用下充满模腔，形成与模具形状一样的制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。

主要优点：①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。

模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，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不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的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。

6、复合材料数字化设计制造一体化。

复合材料零件成型独特的工艺特点决定了它在设计制造方面与金属零件有很大差异，而且更加复杂。

复合材料构件数字化设计制造以复合材料设计/制造平台和附和材料数字化制造设备为软硬件基础。改变了传统复合材料的设计/制造方式，采用数字量形式对产品进行全面描述和数据传递，实现了设计与制造之间的无缝集成。复合材料设计软件与现有CAD系统的集成为设计/制造复合材料构件提供了有力平台。包括初步设计、工程详细设计、制造详细设计和制造输出4个阶段。

复合材料构件数字化制造过程包括预浸料下料、铺层铺放、固化等工序，目前复合材料构件数字化制造主要体现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。复合材料构件数字化设计制造使实施并行工程成为可能，在设计早期阶段解决制造问题，大大减少了车间修改和重复工作。设计和制造数据的无缝集成缩短了制造时间，减少了人工编程带来的误差，提高了构件质量。

结束语

综上所述，随着复合材料用量的递增，使复合材料制造业迅速成为飞机制造业的主要组成部分。今后飞机50%以上的结构件将由金属转为复合材料，复合材料制造将成为飞机制造的基本手段。复合材料制造工艺和专用设备是先进复合材料关键技术之一，值得我们投入大量的人力物力加以研发和应用。掌握了先进复合材料制造技术，就掌握了未来科技的制胜法宝。

参考文献：

王荣国，武卫莉，谷万里.复合材料概论.哈尔滨工业大学出版社2004

刘雄亚，谢怀勤.复合材料工艺及设备.武汉工业大学出版社，1994

周祖福.复合材料学.武汉工业大学出版社，1995