国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状

国内外先进复合材料低成本制造技术的发展现状

从低成本成型的研发现状看，大致可分为以下5方面的内容：（1）对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率，如Filament Winding（FW，纤维缠绕）、Pultrusion（拉挤）、 Braiding（编织）、 Tow placement（丝束排布）、自动成套裁剪、预浸材料激光样板切割（Laser template）等自动化技术。（2）湿法工艺技术：RTM、RFI等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂。（3）热塑性复合材料的易成型新材料开发及IN-SITU（原位）成型方法：D irect consolidate（直接固结）、Commingled yarn（搀混纱线）、Powder co ated towpreg（粉末涂覆丝束预浸）等新成型方法。（4）不用热压罐的新固化技术，用微波、电子束、超声波、X线等高效率能量的新固化方法。（6）CAD/C AM模拟技术：铺层、浸渍、成型、固化等工序的模型化/模拟技术，有助于保证产品质量，提高生产效率。

低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术，也称液体模塑成型技术（简称LCM），主要有树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂渗透成型工艺（SCRIMP）和结构反应注射模塑等。其中最重要的是树脂传递模塑技术（RTM）以及由此而发展起来的VARTM。RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。是目前国际上发展应用最快，并在航空工业应用最多的低成本技术之一。

从国际上看，美国在湿法成型技术上处于领先地位，特别是在航空航天领域内，在过去十年里，美国应用RTM技术的增长率为20-25%。据美国塑料工程学会预测，在今后五年里美国应用RTM技术的增长率将提高到30-32%。美国基本形成了RTM有关的材料体系、制造工艺、技术装备和验证系统，并在武器装备上得

到批量应用，应用范围从次结构件发展到主结构件，包括机翼主承力正弦波梁，其它构件包括前机身隔框、油箱构架和壁板、中机身武器舱门帽型加强筋、机翼中间梁、尾翼梁和加强筋等。RTM技术的成熟和发展，为美国的航空工业带来巨大的经济效益，如美国F-22机上采用RTM技术制造的各种复合材料部件达4 00件，占复合材料结构总量的1/4，单这一项就比原设计节省开支约2.5亿美元。欧洲是湿法成型发展较快的另一地区，RTM制件的增长率为8-10%。业内人士估计，20年以后大多数大型的复合材料结构或半结构部件都将是RTM制品，所有重型卡车的壳体只有用RTM生产。

由RTM 开发出来的VARTM和SCRIMP工艺近年来更是发展迅速，这种方法改变了RTM采用双边闭合模的办法，而只采用单边硬模，用来铺放纤维增强体，另一面则采用真空袋覆盖，由电脑控制的树脂分配系统先使树脂胶液迅速在长度方向充分流动渗透。然后在真空压力下向厚度方向缓慢浸润，大大改善了浸渍效果，减少了缺陷发生，产品性能的均匀性和重复性以及质量都能得到有效的保证。在同样原材料的情况下，与手糊制件相比，成本节约可达50%，树脂浪费率低于5%，而制件的强度、刚度及其它的物理特性可提高30%-50%以上。另外由于采用闭模成型，挥发性有机物和有毒空气污染物均受到很好的控制，VOC排放不超过5PPm的标准，而开模成型的苯乙烯的挥发量超过500PPm。SCRIMP工艺使大尺寸、几何形状复杂、整体性要求高的的制件的制造成为可能，目前它可成型面积达185m2、厚度为3-150mm、纤维含量达70-80%、孔隙率低于1%的制品。树脂浪费率低于5%，节约劳动成本50%以上。在船艇制造、风机叶片、桥梁、汽车部件及其它民用和海洋基础工程等方面得到广泛应用。实践证明，SCR IMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着S CRIMP技术从军事应用向民用工业的转移，在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间，如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。以Lotus公司为代表的汽车厂家已实现该工艺的大规模生产。SCRIMP工艺的另一个主要应用领域是风机叶片的制造，目前，国外采用闭模的真空辅助成型工艺用于生产大型叶片（叶片长

度在40m以上时）和大批量的生产。这种工艺适合一次成型整体的风力发电机叶片（纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型），而无需二次粘接。世界著名的叶片生产企业LM公司开发出56M的全玻纤叶片就是采用这种工艺生产的。

除湿法成型外，其它的低成本制造技术还有纤维缠绕、拉挤等。纤维缠绕主要用于圆柱体及旋转体的制造，如压力容器、石油管道、排水管道等。缠绕成型的一种拓展技术为预浸带自动缠绕，采用的是经树脂预浸渍的纤维预浸带，这种方法比一般的纤维丝束缠绕铺放的效率更高，业内专家介绍，美国波音787 飞机上采用50%的复合材料，其中整体机身段就是采用纤维预浸带缠绕工艺制造的，机身段是长度和直径都在5m以上的超大型制件，而采用这种高效的成型技术，整个制件的成型仅在三天之内就完成，其中装模和准备一天，缠绕一天，固化及卸模一天，不仅高效快速，且能有效的保证了产品的质量。另一种高效的低成本成型是拉挤成型，拉挤成型有高度自动化大量生产的特性，特别适合民生用产品，许多金属件也逐渐被拉挤成型的FRP制件来取代，各式各样的拉挤制件件，如实心方管、实心圆管、工型梁、C型梁、空心方管、空心圆管以及空心加助补强制件件，几乎任何截面都可制造出，其截面形状变化能力非常高。用以取代金属制件用于建筑工程，完全没有锈蚀的问题，且结构轻便、施工与保养容易。另外如屋顶波浪版、工型梁、中空方型梁都可用拉挤的复合材料取代又重又容易锈蚀的钢制结构。可以预见拉挤成型制件的轻、强、产量大、容易制造、成本低等优点会逐渐取代金属件，而在民品工业中占有一席之地。

国内复合材料低成本产业起步较晚，技术水平较低，特别是高端的航空航天产品的低成本制造，目前仅停留在实验阶段，这也从一个侧面反映出我国复合材料产业的总体现状和水平。在低成本成型技术的研发方面，高端的航空航天产品，由于应用需求问题，目前仍处于初级阶段，在原材料、制造设备、成型技术以产品