复合材料液体模塑成型工艺与装备进展.pdf

２０１４年第９期玻璃钢／复合材料５９塑还可使用聚酸胺纤维、碳纤维和混杂纤维。为了进行批量生产，该工艺可配备梭式压机。Ｔｅｘｔｒｏｎ，ＭｉｅｒｏｍａｔｉｃＰｅｒｔｉｎｏ公司研制成一种带三个半模、一个盖和两个模腔的设备。大型制品采用多个注射口，即可同时又可分次注射。该工艺制得的制品无需打毛边，但由于表面纤维排列和树脂浸入纤维毡时带有气泡，所以它不适用于外观要求较高的制品。ＦｕｔｕｒｅＣｏａｔｉｎｇ公司则指出这问题可用模内涂层工艺得以解决。２．６．３发展趋势结构反应注射模塑（ＳＲＩＭ）工艺还有许多方面需要改进，比如加快生产速度，改善制品的质量，开发潜在的应用范围和研制新的增强材料等。目前形状复杂、抗拉和抗弯强度要求较高的产品已采用预成型连续纤维毡。结构反应注射模塑（ＳＲＩＭ）工艺经过进一步的完善，一定可以有更加突出的作用。２．７脉动灌注脉动灌注是意大利国家研究委员会复合材料及生物医用研究院、那不勒斯大学材料及生产工程学院提出的一种新的树脂灌注方法，其主要创新在于应用设计合理的可重复使用的压力分配器，降低材料成本、劳动时间和浪费。该工艺使用两层真空袋，内袋形成内真空室，无需导流介质。在内袋和外袋之间放置合适的压力分配器，压力分配器形成外真空室，通过控制两个真空室之间的压力差来实现树脂在增强材料面内和厚度方向流动呈脉动流动。脉动灌注主要有以下两种制备方式：（１）静态模式：外真空室的真空度高于内真空室，引起压力分配器上升。依靠压力分配器独特的形状，拉起内袋的某些部分，在增强材料和内袋之间形成一个薄的开口，使树脂可以流动。注入足够浸渍干纤维的树脂时，外袋的真空减少，内袋的真空增加，促进树脂通过增强材料，并压实纤维；（２）动态模式：通过压力调节器调节内真空室和外真空室之间的压力差，促进树脂流过增强材料。脉动频率取决于树脂和构成内真空室、外真空室材料的弹性特征以及压力调节器。为在灌注过程中提供连续的脉动，在真空泵上增加了一个阀门。通过比较传统真空灌注工艺和静动态脉动灌注工艺制备的环氧／玻璃纤维复合材料的拉伸性能，评定脉动灌注工艺制备长纤维复合材料的可行性。实验结果表明，动态脉动灌注工艺制备的层压板的力学性能与传统真空辅助树脂传递模塑（ＶＡＲＴＭ）的相似。不同工艺制备的复合材料的力学性能见表３。表３不同工艺制备的复合材料的力学性能３液体模塑成型装备技术进展３．１工业化生产线ＲＴＭ工业化生产线是模具操作设备，注射设备，温度控制系统、真空辅助系统、供料系统等多种设备的集成。常见的形式有环形生产线、多工位生产线和单工位集成生产线。法国Ｍａｔｒａｓｕｒ公司的ＲＴＭＣｏｎｃｅｐｔ生产线是双工位生产线的典型代表。生产线采用一上模、两下模的工作时间和辅助时间重叠式生产方式，比单模节约了１／３的时间。集中控制压力、温度、真空度、固化时间、自动开模等参数和过程。根据不同加工部件结构复杂程度，每小时可生产３～５件带胶衣部件，仅需一名操作人员。法国ＳＯＴＩＲＡ公司为美国Ｆｏｒｄ公司生产汽车扰流板的单工位生产线也很有代表性。该生产线采用Ｃａｎｎｏｎ公司制造的压机，Ｍａｔｒａｓｕｒ的注射系统，模具为一模三腔金属模具。据称该生产线最高可达到１千件／天的生产能力。北京玻璃研究设计院设计制造的ＲＴＭ机组的基本单元包括合模升降台、阴模推车及行走轨道、胶衣喷涂室、储料罐、加热系统、真空系统、空气压缩系统、树脂注入系统。该机组工作台面为２２４０×２６２０ｍｍ，最大开模高度为７３０ｒａｍ。该机组的特点是采用气、电混合动力，气动加压，工作台面具有浮动功能，非常适合大型部件的制造。３．２树脂注射设备树脂注射设备包括加热恒温系统、混合搅拌器、计量泵以及各种自动化仪表。注射机按混合方式可分为单组分式、双组分加压式、双组分泵式、加催化剂泵式４种。现在用于批量生产的注射机主要是加催化剂泵式。选择注射设备首先要根据具体的用途和生产制品的大小和批量，选择恰当注射量的设备，注射量选择过小或过大都会给制造过程带来困难或者浪费。，（＆ｉ９复合材料液体模塑成型工艺与装备进展其次，应考虑所采用的树脂体系的工艺性能，包括粘度、混合比例、凝胶时间等，设备的选择应能满足所有数值的工艺性能要求。一①个好的注射设备应具有以下特征：树脂混②合比例准确、混合均匀，气泡少；容器、管路和泵具③有加热能力；注射流量或压力可方面地调节和控④⑤制；具有辅助真空能力；注射过程无树脂倒流；⑥⑦良好的循环系统，保证树脂均匀和不产生气泡；安全且方便的溶剂清洗和空气吹干系统。注射设备可分为两种基本形式，即单组分注射系统和多组分（两组分或以上）注射系统。根据设备的结构，单组分注射系统科分为压力釜式和齿轮泵式，而多组分注射系统可分为单活动塞泵和双活动塞泵形式。如图１５所示。图１５树脂注射设备的基本形式３．２．１单组分注射设备单组分注射系统适用于注射预先混合并且使用期足够长的树脂体系，如高温固化单组分或双组分环氧或双马来酰亚胺树脂体系。根据注射树脂的方式，分为压力釜式和齿轮泵式两种。压力釜式注射系统用压缩空气或机械加压的方式将树脂注入模具中。这种系统注射可以方便地实现恒压注射。另外，这种设备注射树脂的总量一般不大，因而非常适合实验室研究工作的使用。齿轮泵式注射系统使用齿轮泵实现连续的恒流量注射，注射总量几乎是无限的，非常适合于大型制品的注射成型。由于单组分注射设备使用的是已混合好的树脂体系，且在注射时树脂容器和管路都要加热，因此必须注意树脂在工作温度下的使用期，应在树脂超过使用期前完成树脂注射，并及时清洗树脂罐和管路。３．２．２多组分注射系统多组分注射体系适用于混合树脂反应活性高的多组分树脂体系。其基本原理是：注射前树脂、固化剂和促进剂分别在各自的活塞泵循环系统中循环，ＦＲＰ／ＣＭ２０１４，Ｎ０．９循环过程中树脂流过加热器得到加热，并保持树脂的均匀，同时排除气泡。注射时树脂、固化剂和促进剂在注射头会合，再经静态混合器混合后注入模具，注射完成后用溶剂和／或压缩空气清洗注射头及静态混合器。该设备多采用气动的活塞泵来注射树脂，根据采用活塞泵的形式，又可以分为单动式和双动式两种。单动式设备的注射效率较低，适合较慢的注射，另外树脂和固化剂流动的脉冲较大。双动设备注射效率较高，适合大制品和大批量生产使用，树脂流动也较平稳。３．３典型装备瑞典的Ａｐｌｉｃａｔｏｒ公司与ＯＣＦ公司一起研制的ＲＩ－１０设备，使ＲＴＭ工艺朝高质量、高速度的全系统生产方面迈了一大步。它既可以用于制作高玻璃纤维含量的结构件，也可以生产Ａ级表面的汽车部件。ＲＩ．１０有一个单冲程液压泵，二个输送气缸，一个用于输送树脂，一个用于输送催化剂。由专用的输入阀直接将泵和模具连接起来，混合料由该阀流进，没有溶剂和树脂暴露于工作区。该系统及喷枪都由一台程控机（ＰＬＣ）控制。所有的注射参数都可预先设定，供所有的模具选择。注射在一个连续的冲程内进行，这可避免传统活塞泵中因压力下降以及流量脉动所引起的麻烦。美国液控系统公司（ＬｉｑｕｉｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ）制造的各式ＭｕｌｔｉｆｌｏｗＲＴＭ机，可对从几克到数百千克的反应树脂体系进行计量，混合并注射进低压力闭合模。这种机器的特点是有一台Ｐｏａｉｌｏａｄ正向转换活塞泵，粘度的测量精确达０．１％～０．５％，且在温度、压力或材料粘度变化时不受影响。这种泵通过真空辅助确保计量管完全充满料。ＭｕｌｔｉｆｌｏｗＣＭＦＨ型用于制造大型增强材料件。输入量为４５ｋｇ／ｍｉｎ。可适用于多种树脂体系，包括聚酯、环氧、聚氨酯和甲基丙烯酸树脂。—美国ＧｌｅｅＣｒａｆｔ公司生产的的ＬＰＩ型注射机，是一种廉价、简易的注射设备。该系统的特色为在—１８９１３００型１１：１的物料泵上安装了ＳＰ一８５催化剂泵。催化剂和树脂以容积计量，通过ＬＩ喷枪进行混合和分配。１８９１３．００型是一种双球往复式泵，即使在低操作压力下，它也有输出能力，来满足物料的需求量，能达到的最高传递速率为９ＳＬ／ｍｉｎ。英国ＰｌａｓｔｅｃｈＴＴ公司生产的ＭｅｇａｊｅｃｔＰｒｏ型注①射机自动化程度很高。其主要特点为：系统的工作控制全部通过一个液晶触屏面板来完成，可以为２０１４年第９期玻璃钢／复合材料６１多个模具设定注射工艺参数，如注射量、注射压力、引发剂用量、加热器温度等，并实现注射全过程的一②键控制；注射枪头位置设置有树脂压力传感器③（ＭＰＧ），用以控制注射速度；引发剂泵的调节采④用电机控制，可保证树脂在模内引发同步；包含自⑤动凝胶系统；特殊的喷枪空气清洗控制器，可以减少清洗剂的用量，减少污染。４液体模塑成型技术的发展趋势ＬＣＭ技术是一种应用面很广的复合材料成型技术，它既可以用于大批量工业制品的生产，又可用于航空航天领域的高性能复合材料构件，恰当的结构设计和工艺设计可实现制品性能的提高和制造成本的降低。表４给出了ＬＣＭ技术在航空航天和工业领域的一些应用和潜在应用的实例。袁４ＬＣＭ工艺技术的应用应用领域应用实例９９９￣，建筑行业需篙篙配屯船舶领域篓誓、紧急逃交通运输呈凳样、随着航空装备先进树脂基复合材料用量的不断增加和应用要求的不断提高，液体模塑成型工艺将继续向整体化、自动化、数字化和智能化发展。（１）整体化通过整体模块化结构的应用，将极大地减少复合材料构件和构件间的连接，提高复合材料构件的结构效率，提升复合材料应用的减重效率。（２）自动化自动铺放技术和预浸料自动拉挤技术等自动化进一步在大型复合材料构件研制中得到应用，可以明显提高制造效率和复合材料构件的质量稳定性，进一步发展柔性高效的液体模塑成型自动化技术，会在一定程度上改变复合材料制造的劳动密集型特征。（３）数字化树脂基复合材料构件制造过程将以更快的速度向数字化技术体系发展，包括复合材料数字化数据体系、数字化设计技术体系、制造技术数字化检测和后加工技术数字化技术体系。这些体系的形成不但以技术发展为基础，同时也需要有适宜发展的环境。（４）智能化树脂基复合材料构件的制造涉及材料的固化反应和树脂流动浸润过程，固化反应和树脂流动浸润过程的控制决定了复合材料构件的内部质量。在固化机制、固化模拟优化技术发展的基础上进一步发展固化反应和树脂流动浸润过程实时智能化控制技术，无疑将会使复合材料制造过程控制实现新的跨越。５致谢感谢陈博先生为本文撰写提供了许多难得的文献资料，并提出了诸多宝贵的建议！参考文献［１］ＣＤ拉德，ＡＣ朗，ＫＮ肯德尔，等．复合材料液体模塑成型技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．［２］张彦飞，刘亚青，杜瑞奎，代建学，等．复合材料液体模塑成型技术（ＬＣＭ）的研究进展［Ｊ］．塑料，２００５，２（３４）．［３］黄发荣，周燕，等，先进树脂基复合材料［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００８．［４］康永，罗红，等．ＲＴＭ加工工艺存在的问题及研究现状［Ｊ］．中国粉体工业，２０１２．［５］李彩球，刘晓慧，等．ＲＴＭ制品常见缺陷及其对策［Ｊ］．玻璃钢／—复合材料，２００２，（５）：４１４２．［６］张林文，胡幼奕．ＲＴＭ成型技术再认识［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９９８，（５）：７－８．［７］刘德安，马烨，沈国木．ＲＴＭ模具的材料与加固［Ｊ］．玻璃钢／复合ＦＲＰ／ＣＭ２０１４＇Ｎｏ，９６２复合材料液体模塑成型工艺与装备进展２０１４年９月材料，１９９９，（４）：２４－２６．［８］ＨａｓｋｏＧ，ＤｅｘｔｅｒＨＢ，ＬｏｏｓＳ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｃｉｅｎｃｅ－ｂａｓｅｄＲＴＭｆｏｒｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇｐｒｉｍａｒｙａｉｒｃｒａｆｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＪＡｄｖＭａｔｅｒ，１９９４，（２）：９．［９］李婧，等．复合材料液体模塑成型设备及工艺开发［Ｄ］．吉林大学，２００５．［１Ｏ］鞠金山．碳／环氧复合材料在雷达天线侧量杆上的应用［Ｊ］．电讯技术，１９９８，（２）：４５．［１１］张明龙，尹昌平，梁济丰，育加余，曾竞成，等．复合材料柔性ＲＴＭ工艺的研究进展［Ｊ］．材料导报，２００７．［１２］刘建超，左仓，高克洲．固体火箭发动机复合裙成型工艺研究［Ｊ］．固体火箭技术，２００１，（１）：６４．［１３］董永祺，等．我国树脂基复合材料成型工艺的发展方向［Ｊ］．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