复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析

复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析
摘要：本文简述了聚合物基复合材料模压成型工艺特性，对模压成型的设备、
预浸料、工装模具、工作环境条件等提出相应要求，着重对成型工艺过程中模压
成型温度、压力、保温时间等工艺参数对复合材料制品性能影响做了分析，且简
要介绍了复合材料模压制品可能出现的质量问题、产生原因、预防措施等内容。

关键词：复合材料；模压成型；工艺特性；影响因素
现今社会复合材料越来越受到重视，并不断朝着更高比刚度、耐更苛刻工作
环境等超高性能方向发展。

因此复合材料在材料科学中占据着重要地位，它的发
展大大丰富了材料科学的内容。

复合材料成型工艺方法主要有手糊、注射、缠绕、真空导流、模压、热压罐、软模、树脂传递模塑等。

复合材料成型工艺是其重要
环节，通常包括两个阶段，首先是使原材料在一定温度和压力下产生变形或流动，获取所需的形状，然后设法保持其形状。

本文着重对复合材料模压成型工艺特性、成型过程、影响制品质量因素及制品缺陷的产生原因及预防措施等内容作了简单
叙述。

一、模压成型工艺特性
模压成型工艺是将一定量预浸料放入到金属模具的对模腔中，利用带热源的
压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔
内受热软化、受压流动、充满流动、充满模腔成型和固化，从而获得复合材料制
品的一种工艺方法。

模压成型工艺的特点是在成型过程中需要加热，加热的目的是使预浸料中树
脂软化流动，充满模腔，并加速树脂基体材料的固化反应。

预浸料充满模腔过程中，不仅树脂基体流动，增强材料也随之流动，树脂基体和增强纤维同时填满模
腔的各个部位。

只有树脂基体粘度很大、粘结力很强才能与增强纤维一起流动，
因此模压工艺所需的成型压力较大，这就要求金属模具具有高强度、高精度和耐
腐蚀，并要求用专用的热压机来控制固化成型的温度、压力、保温时间等工艺参数。

模压成型方法生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，尤其对结构复杂的
复合材料制品一般可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。

主要不足之处是模
具设计与制造较为复杂，初次投入较大。

二、工艺数模设计
工艺数模是复合材料构件制造的基础数据，是成型模具的设计依据。

工艺数
模设计主要有贴模面设计、工艺铺层的详细设计、铺层展开与排样、铺层书和激
光投影数据生成等。

其中，工艺铺层的详细设计着重确定铺层边界、顺序、剪口
以及铺层搭接或对接的选择等；激光投影数据生成则需在铺层边界生成过程中，
计算各个边界点的法矢，以便激光投影时能自动选择激光投影头，以提高投影质量。

三、模压成型工艺流程
复合材料构件采用“增材”制造模式，即构件由各个铺层铺叠而成。

铺层在固
化前与固化后存在一定的厚度差异；此外，铺层设计包括铺层顺序、剪口、展开
边界、激光铺层投影数据等依赖设计数模但与设计数模存在一定差异。

因此，复
合材料构件模压成型首先应进行工艺数模设计。

在工艺数模的基础上进行成型模
具设计；完成模具制造后，开始进行构件的铺贴、合模固化并对固化后的构件修边、打磨；最后对构件进行检验。

四、影响复合材料模压制品质量的因素
复合材料模压成型工艺过程是将一定量的经过一定预处理的预浸料放入模具
腔体内，施加一定压力使预浸料充满模腔，在预定的温度条件下，预浸料在模腔
内逐渐固化，然后将复合材料制品从模具中取出，再进行必要的后加工即得到最
终复合材料制品。

因此影响最终制品成型的因素有预浸料、热压机、工作模具、
工作环境等，其中最为重要的是预浸料装模后在模腔内固化成制品的过程，它是
温度、压力和保温时间综合作用的结果。

在此着重分析温度、压力、时间、挥发
份等因素对模压成型过程的影响。

1、温度
模压成型过程中预浸料的流动、充模、固化反应速度都与温度有着密切关系，而且温度在模压成型过程中又起着主要作用，它影响着树脂基体交联程度，因而
也影响复合材料制品最终性能。

复合材料在温度作用下，粘度和流动性发生了较
大的变化。

温度使聚合物松弛和交联反应。

温度升高使预浸料逐渐熔融，粘度则
由大至小，其交联反应开始，随着工装模具温度逐渐传至预浸料，预浸料的温度
不断地升高，交联反应速度会增大。

实践表明，升高模温可以加速固化速度，缩
短固化时间，但过高温度会使预浸料由于固化速度太快使其流动性迅速降低而引
起充模不满，特别是大型薄壁、形状复杂的复合材料制品，温度过高时制品外层
固化比内层固化快的多，致使内层挥发物难以排除，从而使制品物理和力学性能
降低，还会使制品产生缺陷和变形。

当固化温度过低时，固化温度慢，会出现固
化度低等现象。

2、模压压力
压力可以加速预浸料在模腔内流动，增加密度，克服树脂基体缩聚反应时放
出的低分子物产生的压力，避免出现肿胀、脱层等现象，同时模压压力也可使工
装模具闭合，制品具有固定尺寸和防止冷却时发生变形等作用。

模压压力可用理
论公式计算。

模压压力的大小取决于预浸料的种类、制品形状及预浸料状态。

如
果预浸料的流动性愈小，固化速度愈快，压缩率愈大，所需的压力也愈大；反之
所需的压力也就愈小。

在模压制品成型过程中，温度和压力是相互关联的。

提高
模具温度，可增加预浸料流动性，如在模压开始到流动性最大这段时间降低成型
压力也可达到预期目的。

3、模压时间
模压时间是固化过程所需要的时间，指预浸料放入工装模具中开始升温，加
压至固化完全这段时间。

模压时间与预浸料的类型、挥发物含量、制品形状、厚度、工装模具结构、模压温度、压力等因素有关。

模压时间的长短对制品性能
影响甚大，模压时间太短，固化不完全，制品物理和力学性能低，表面粗糙度差、制品易出现变形。

模压时间增加可降低制品收缩率和变形，但应注意模压时间过长，树脂交联过度，制品内应力会增加，因此选择适当的模压时间。

4、挥发物
模压过程中，挥发物含量对预浸料的流动性影响很大。

挥发物含量大，模压
时间预浸料流动性大，过高的挥发物含量使预浸料流动性过大引起树脂基体流失、制品产生气泡、表面粗糙度下降等现象，但挥发物含量过低又会使预浸料流
动性降低，造成复合材料制品成型困难。

5、纤维体积分数
模压过程中，纤维的体积分数过高会阻碍树脂基体的流动性，给模压成型工
艺带来一些困难，但要获得性能良好的复合材料制品又需纤维较高的预浸料来提
高制品的纤维体积分数，因此在模压成型时需根据设计文件对纤维体积分数要求，兼按产品结构形状等特性进行工艺优化，严格控制纤维的体积分数。

五、复合材料构件制造
完成复合材料构件工艺数模设计和成型模具制造后，采用手工铺贴或自动铺
覆的方式完成铺层操作。

对于手工铺层，需间隔几层后就抽真空压实，以减少层
间空气和避免架桥。

完成铺层操作后，合模，根据复合材料构件的树脂体系确定
固化参数（固化时间、固化温度、加压点等），进而选择适当的热压床来完成构
件的固化成型。

最后对成型的构件进行修边、打磨等后加工操作，并进行几何形
状与固化质量的检验。

目前多采用超C扫描检测复合材料构件的成型质量。

结语：综上所述，作为制造业中广泛采用的一种复合材料构件成型技术，模
压成型可充分利用先进的数字化设计制造技术来完成工艺数模和成型模具的设计
与制造，同时融合企业积累的宝贵经验来高质量、高效率、低成本地完成复合材
料构件的模压制造。

随着复合材料构件成型工艺仿真的进一步发展，模压成型工
艺将会得到更好的提升，从而促进复合材料在直升机制造领域应用的进一步发展。

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