复合材料的成型工艺

复合材料的成型工艺

图1：热固性复合材料最基本的制备方法是手糊，通常包括将干层或半固化片层用手铺设到

模具上，

形成一个积层。图中展示的是自由宇航公司的技术员（佛罗里达州墨尔本）正在通过手糊工

艺

加工一个碳/环氧预浸料，将用于制造通用航空飞机部件。资料来源：自由宇航公司

在复合材料的加工成型过程中会使用一系列模具，用来给未成形的树脂及其纤维增强材料提供一个成型的平台。手糊（hand layup）成型是热固性复合材料最基本的制备方法，即通过人工将干层或半固化片层铺设到模具上，形成一个积层。铺层方式分为两种：一种称为干法铺层，是先铺层后将树脂浸润（例如，通过树脂渗透方式）到干铺层上的方式，另一种方式是湿法铺层，即先浸润树脂后铺层的顺序。

现在普遍使用的固化方式可以分为以下几种：最基本的是室温固化。不过，如果提高固化温度的话，固化进程也会相应加快。比如通过烤箱固化，或使用真空袋（vacuum ba g）通过高压釜固化。如果采用高压釜固化的话，真空袋内通常会包含透气膜，被放置在经手糊的半成型制品上，再连接到高压釜上，等最终固化完成后再将真空袋撤去。在固化过程中，真空袋的作用是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，将产品中汇总的气体排出，从而使产品更加密实、力学性能更好。

图2：热压釜独有的高温和高压条件使其成为完成热固性树脂零部件的固化的重要工具。控制软件的改进则能够帮助经营者提高35-40%的生产量。同时，一些新的树脂配方正在开发当中，将通过低压固化处理。图中是Helicomb国际公司（俄克拉荷马州塔尔萨）的一名操作人员正在使用高压釜进行固化处理。来源：Helicomb国际公司

许多高性能热固性零件都需要在高热高压的条件下完成固化。但是高压釜（Autocl aves）的设备成本和操作成本都较昂贵。采购高压釜设备的制造商通常会一次性固化一定数量的部件。对于高压釜的温度，压力，真空和惰性气体（inert atmosphere）等一系列参数，计算机系统能帮助实现远程甚至无人监控和检测，并最大限度地提高该技术的利用效率。

在加温固化的时候，温度首先由局部升起，再逐渐达到整体均匀的效果，然后按照设定值保持一定的时间直至初步固化完成。但是，不能忽视的一步是冷却，温度必须缓缓下降至室温，这是为了避免由于不均匀的热胀冷缩而导致部件的失真或变形。当固化完成之后，部件要进行脱模处理，另外还有一些部件还要经过二级独立后固化（postcure）处理，在此期间的温度通常比初始固化的温度高，目的是为了提高树脂材料的交联密度（crosslink density），从而获得更好的材料性能。

电子束（Electron-beam）固化是一种适用于薄层板的有效的固化技术。电子束固化是通过电子流对手糊成型的复合材料产生电离辐射，在辐射敏感型树脂中产生聚合和交联反应（crosslinking reaction）。 X射线和微波固化技术的工作方式与此类似。此外，还有紫外线（UV）固化，该程序是利用紫外线辐射来激活热固性树脂中的光引发剂（photoinit iator），从而引发交联反应。紫外线固化需要光渗透树脂和增强材料。紫外线（UV）或电子束（E-beam）是辐射固化的一种先进手段，能够引发具有化学活性的液体配方，在基体表面实现快速反应的固化过程，这正是区别于传统热固化技术的最大特点。紫外线与电子束虽

然都属于辐射固化，但两者不尽相同，紫外线是一种电磁辐射，而电子束却是经加速的高能电子流。

目前正在兴起的一种技术是对固化本身的监测。介电固化监测器（Dielectric cur e monitors）是通过测量树脂中离子的传导性能（小，极化，相对较少杂质）来监测材料的固化程度。离子通常倾向于向电极相反的一极移动，但移动的速度受限于树脂粘度——即粘度越高，速度越慢。正如在固化过程中，随着交联反应的进行，树脂粘度也随之增加。其他方法还包括树脂偶极监测（dipole monitoring），由交联反应产生的微伏监测，用以对聚合物在固化过程中的放热反应（exothermic reaction）的监测；此外，还有一种方式是通过光纤技术（fiber-optic technology）进行红外线监测（infrared monitoring）。

另外一个值得注意的技术是高性能复合材料部件的低压固化（OOA，out-of-autocl ave）。热压釜系统昂贵的成本让不少材料制造商望而却步，特别在航空航天领域对低压固化（OOA）的呼声越来越高，因为低压固化只需要烤箱，甚至在室温下就能完成热固化，这就意味着较少的资本投入，和与热压釜相比而言较低的运行成本，尤其是对制造大规模的部件而言。先进复合材料集团（ACG，位于英国希诺）推出了世上第一款树脂低压固化设备，是为航空应用的环氧树脂而开发设计的。低压固化的环氧树脂和粘合剂将在不久的未来成为市场上炙手可热的产品。

1. 开模工艺技术

开模成型技术(open molding)是制造玻璃纤维复合材料产品被最普遍采用的低成本成型技术。该技术通常用于船体和甲板、房车零部件、卡车驾驶室和挡泥板、温泉、浴缸、淋浴间、和其他规模较大并且形状不复杂的部件的制造。手糊（hand layup）和一些半机械化技术，如喷射（sprayup）都属于开模成型技术。

通常，在一个开放的模具中进行喷射成型时，首先要对模具进行脱模处理。喷涂胶衣通常在模具脱膜处理后再进行。待胶衣固化后，才能在模具上进行喷射。在此过程中，连续玻璃纤维通过切割器按照规定的长度切成较短的纤维纱，与喷枪中喷出的催化树脂（粘度在500到1000 cps之间）混合成短纤维树脂流一起喷入模具中。为了减少有毒性有机化合物（VOCs）的挥发量，各设备制造商近年开发了许多新的技术，例如，采用低压喷射技术或非雾化喷射技术（non-atomizing spray），即采用液态喷头在低于喷射产生雾化的压力的条件下使喷头喷出的胶衣和树脂成液态流的扇面，也就是非雾化状态。另一种方式是滚筒浸渍技术（roller impregnator），是将树脂泵入一个类似于油漆滚筒的设备中，待充分混合后再由喷枪喷出。

喷射成形的最后一步是先用手工和滚筒辊压积层直至层间紧凑，之后，再在积层之间加入木材，泡沫或其他夹芯材料进行固化，待冷却后，将成形的产品从可重复使用的模具上移出。