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根據(jù)纖維類型，復(fù)合材料可分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由纖維增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料比由顆粒制成的復(fù)合材料更堅(jiān)固、更剛度，稱為纖維增強(qiáng)塑料(FRP)。在FRP系統(tǒng)中，纖維充當(dāng)承重構(gòu)件，而基質(zhì)將纖維粘合在一起，保護(hù)纖維免受磨損和環(huán)境影響，并充當(dāng)載荷傳遞介質(zhì)。FRP系統(tǒng)中常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸/凱夫拉纖維和硼纖維。這些纖維以短切或連續(xù)形式與聚合物基質(zhì)結(jié)合。根據(jù)所用基質(zhì)，聚合物基質(zhì)復(fù)合材料 (PMC)是廣泛使用的復(fù)合材料，它在制造復(fù)雜和大型形狀方面的具有充分的靈活性優(yōu)勢。熱固性或熱塑性聚合物常被用作基質(zhì)成分。常用的熱塑性聚合物有聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 和聚氯乙烯 (PVC)，熱固性聚合物的例子有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、聚酰亞胺和雙馬來酰亞胺。熱固性聚合物由于易于加工，常用于制造聚合物基復(fù)合材料。

高壓釜工藝通常用于制造高結(jié)構(gòu)應(yīng)用的纖維增強(qiáng)塑料(FRP)復(fù)合材料。將預(yù)浸漬樹脂的纖維層（預(yù)浸料）堆疊在模具上，以形成所需的組件形狀。組件上覆蓋有不同層的排氣管和通氣管，然后用真空袋密封。排氣管有助于吸收從層壓板中擠出的多余樹脂，而通氣管則形成一個通道，通過該通道將空氣和揮發(fā)物從組件中排出。將模具層壓板組件放置在高壓釜中，高壓釜是一個大型、溫度和壓力受控的容器。袋子連接到真空系統(tǒng)，并將預(yù)設(shè)的溫度和壓力（固化循環(huán)）施加到層壓板。溫度引發(fā)的持續(xù)化學(xué)反應(yīng)固化了樹脂。壓力將層壓板壓縮到所需的纖維體積分?jǐn)?shù)，并消除固化過程中存在的任何空隙。此外，壓力使層壓板與工具表面貼合。雖然高壓釜工藝的產(chǎn)品是一種高性能、可靠的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但許多制造商仍擔(dān)心它的諸多缺點(diǎn)。缺點(diǎn)是投資巨大、能耗過高以及工具成本高昂。因此，出于安全原因，只有如航空航天這樣的高精尖產(chǎn)業(yè)能夠負(fù)擔(dān)得起這些成本。大多數(shù)制造商正在轉(zhuǎn)向其他替代方案。

非熱壓罐 (OoA) 工藝通過在熱壓罐外部施加真空、壓力和熱量來制造復(fù)合材料。非熱壓罐工藝使用的壓力低于熱壓罐，并在烘箱或加熱毯中固化復(fù)合材料。因此，開創(chuàng)了一種特殊的樹脂系統(tǒng)來有效消除空隙。非熱壓罐工藝比熱壓罐固化更具成本效益。本綜述討論了常見的非熱壓罐工藝，同時簡述了非熱壓罐工藝的未來發(fā)展方向。

預(yù)浸料是用部分（B 階段）固化的樹脂基質(zhì)預(yù)浸漬的單向纖維片。預(yù)浸料的生產(chǎn)方法是將纖維放置在兩片樹脂片（通常是環(huán)氧樹脂）之間，穿過滾筒的纖維獲得完全浸潤。為了防止過早固化，潤濕的預(yù)浸料通常被卷起并儲存在冰箱中?18°C的環(huán)境中。其厚度從 0.01 毫米到 0.8 毫米不等，具體取決于所用纖維的形式。常見的纖維預(yù)浸料包括單向帶、編織和預(yù)浸料絲束。用于預(yù)浸料制造的樹脂類型有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和氰酸酯。預(yù)浸料非常柔韌，因此可以將其成型并適應(yīng)復(fù)雜的模具。此外，由于樹脂部分固化，預(yù)浸料的表面具有粘性，這有助于預(yù)浸料層的堆疊并防止相互之間的移動。預(yù)浸料可以通過手動鋪層工藝或自動化鋪層。圖 1為典型預(yù)浸料的示意圖。

圖 1. 典型預(yù)浸料

真空袋壓工藝使用柔性透明薄膜，利用大氣壓封閉和壓實(shí)濕層壓板。圖 2描述了真空袋壓工藝。

圖 2. 真空袋成型工藝

表 1. 真空袋裝組件的功能

純真空袋 (VBO) 固化是一種用于加工復(fù)合材料層壓板的非高壓釜 (OoA) 技術(shù)。該技術(shù)在沒有外部壓力的爐子（例如高壓釜）中進(jìn)行，以壓實(shí)層壓板。在沒有高壓的情況下，重要的是要考慮 OoA 樹脂的特性、纖維基層結(jié)構(gòu)和預(yù)浸料系統(tǒng)。圖 3顯示了純真空袋復(fù)合材料的制造組件及其耗材。OoA 預(yù)浸料的特點(diǎn)是部分浸漬的微結(jié)構(gòu)具有平面滲透性，允許空氣排出并有助于在不使用高壓釜壓力的情況下制造低孔隙率部件。部分浸漬的微結(jié)構(gòu)包括干燥和富含樹脂的區(qū)域。固化過程中可使用 0.1 MPa 的低壓進(jìn)行壓實(shí)，缺點(diǎn)在于不足以防止空隙形成。因此，在樹脂凝膠化之前，必須將層壓板中夾帶的空氣、水分和其他揮發(fā)性物質(zhì)抽空。因此，部分浸漬微結(jié)構(gòu)中的干燥區(qū)域形成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有利于氣體在初始低溫固化階段排出。高溫下，樹脂富集區(qū)域的樹脂會滲入干燥區(qū)域。

圖3. VBO固化劑的制造組裝

OoA 預(yù)浸料的固結(jié)方法是，在室溫下抽真空，抽空真空袋，壓實(shí)部件，并將層壓板中的空隙推向真空源，如圖4所示。這樣做的結(jié)果是，纖維體積分?jǐn)?shù)增加，預(yù)浸料的平面內(nèi)滲透性降低。在此期間，由于基質(zhì)的高粘度，樹脂流動受到限制。當(dāng)部件的溫度升高時，樹脂粘度會降低，從而使樹脂逐漸滲透到纖維床中。樹脂流入干纖維束并飽和層間空間。OoA 預(yù)浸料的浸漬通常在第一次溫度上升結(jié)束時完成。根據(jù)浸漬速率，一旦達(dá)到停留溫度，干燥的抽真空通道就會飽和。在固結(jié)的最后階段，樹脂經(jīng)歷凝膠化和玻璃化，然后固化完成。

圖4.OoA 預(yù)浸料的固結(jié)過程

RTM工藝使用封閉模具來制造復(fù)合材料部件。圖5展示了RTM工藝中的各個步驟。根據(jù)模具形狀切割纖維預(yù)制件并放置在封閉的模腔中。低粘度熱固性樹脂通過注射口注入模腔，通常壓力為 3.5 至7 bar。注入的樹脂浸漬預(yù)制件，排出滯留的氣泡，直至完全潤濕。一旦樹脂開始從排氣口流出，則停止樹脂注射并關(guān)閉排氣口。通過加熱模具或向樹脂體系中添加初始抑制劑使樹脂固化。樹脂固化后，打開模具，脫模部件。RTM工藝的一些變體包括 VIPR、FASTRAC、輕質(zhì) RTM (LRTM)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型 (S-RIM) 和共注射樹脂傳遞成型。RTM的優(yōu)點(diǎn)在于該工藝可以生產(chǎn)出尺寸公差較小且表面光潔度較好的零件。RTM可以制造形狀復(fù)雜的復(fù)合材料零件。使用RTM工藝可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料零件的一致性。由于樹脂壓力高且模具開合速度更快，因此可以實(shí)現(xiàn)快速制造周期，并通過工藝控制進(jìn)一步改善。RTM工藝的缺點(diǎn)是可制造零件的尺寸有限。由于樹脂壓力高和纖維壓實(shí)松散，可能會沖刷分散纖維。此外，注射澆口和排氣口的位置不當(dāng)可能會導(dǎo)致復(fù)合材料中出現(xiàn)宏觀空隙。

圖5.樹脂傳遞模塑（RTM）

在VARTM方法中，將增強(qiáng)材料放置在單面模具上，并用真空袋密封以形成封閉的模具。在排氣口處施加真空，驅(qū)使樹脂在大氣壓下浸漬增強(qiáng)材料，同時排出氣泡并壓實(shí)纖維預(yù)制件（圖6）。樹脂流過多孔預(yù)制件并到達(dá)排氣口。注射完成后，保持真空直到部件完全固化并脫模。VARTM工藝用于以低成本小批量生產(chǎn)大型復(fù)合材料部件。該工藝廣泛應(yīng)用于能源、航空航天、海洋、國防和基礎(chǔ)設(shè)施建筑行業(yè)。人們已經(jīng)發(fā)明了VARTM的各種變體，以滿足以更低的成本制造更高質(zhì)量的復(fù)雜零件的需求。VARTM工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：模具工具和模具材料選擇靈活，樹脂和催化劑可以分開儲存并在灌注前混合，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放量低，可以對工藝進(jìn)行目視檢查以避免未完全浸潤的發(fā)生。然而，該工藝的缺點(diǎn)是密封膠帶、剝離層和真空袋等耗材可能無法重復(fù)使用。低樹脂注射壓力會限制孔隙壓縮性，導(dǎo)致孔隙率高和纖維體積分?jǐn)?shù)低。如果不熟悉此技術(shù)的操作員操作，該工藝可能容易出現(xiàn)漏氣。

圖6.VARTM 示意圖

在快速固化工藝中，預(yù)浸料堆疊在單面模具中以形成層壓板，并用真空袋密封。層壓板模具組件（如圖7所示）放置在由兩個柔性膜支撐的壓力室內(nèi)。傳熱流體(HTF)系統(tǒng)通過使HTF在壓力室中循環(huán)來控制層壓板的溫度并調(diào)節(jié)樹脂粘度。HTF具有高熱容量和熱導(dǎo)率，在施加10 kPa的低壓時保持快速加熱和冷卻速率。為了進(jìn)一步增加層壓板壓實(shí)度并減少空隙，對HTF施加交變壓力?？焖俟袒に嚳s短了固化周期、資金、工具和運(yùn)營成本。此外，此工藝可以制造高質(zhì)量的中等體積復(fù)合材料部件。盡管如此，完全依賴流體傳熱可能是一個缺點(diǎn)。由于施加的壓力低，快速固化工藝可能僅限于中等復(fù)雜程度的部件。大量研究表明，使用快速固化工藝制造的層壓板可與高壓釜生產(chǎn)的板相媲美，并且優(yōu)于熱壓機(jī)和烘箱固化生產(chǎn)的板?？焖俟袒に囍苽涞膹?fù)合材料性能增強(qiáng)，這歸因于快速固化技術(shù)中的纖維橋接、一致固化和纖維/基質(zhì)粘合性改善。

圖7.快速固化工藝

在RFI工藝中，需要使用一個所需形狀的陽?；蜿幠?。將一層薄薄的純樹脂與纖維層交錯放置在模具中。將鋪層組件裝入真空袋中，并用真空泵抽出空氣。然后將鋪層組件放置在烤箱或高壓釜內(nèi)進(jìn)行固化。當(dāng)模具被加熱和加壓時，樹脂熔化，流入纖維，然后固化。該工藝的優(yōu)點(diǎn)包括：工具便宜，不會出現(xiàn)任何形式的卷曲層，制造厚復(fù)合材料時不必連續(xù)重復(fù)壓實(shí)操作，樹脂易于增韌，可生產(chǎn)出高質(zhì)量的復(fù)合材料，干纖維不需要特殊儲存。缺點(diǎn)是材料成本高，復(fù)雜形狀的零件難以制造，并且RFI 操作需要技術(shù)熟練的技術(shù)人員。RFI方法用于制造汽車工業(yè)中大型整體式或夾層結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)蒙皮和肋型結(jié)構(gòu)、前后保險杠部件。圖8給出了RFI制造裝置的示意圖。

圖8.樹脂膜灌注 (RFI)

RIDFT工藝是液態(tài)復(fù)合材料成型(LCM)技術(shù)的一種變體。RIDFT 理念的提出是為了解決其他 LCM工藝中存在的問題。這些問題包括模具成本高、生產(chǎn)速度慢、樹脂灌注復(fù)雜、加工時間長、預(yù)制件昂貴以及環(huán)境污染。RIDFT工藝使用二維樹脂流，以越來越高的生產(chǎn)速度生產(chǎn)具有成本效益的復(fù)合材料部件，同時減少向環(huán)境中排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物。圖9說明了RIDFT工藝的不同階段。首先將纖維增強(qiáng)材料放置在兩個硅膠隔膜之間并關(guān)閉（步驟 1）。通過排氣口從兩個硅膠片之間抽出空氣以壓實(shí)纖維增強(qiáng)材料，從而降低滲透性（步驟 2）。一旦樹脂灌注門打開，真空壓力就會驅(qū)使樹脂從儲液器中浸漬纖維增強(qiáng)材料（步驟 3）。將流量分布介質(zhì)放置在硅膠片的頂部，以提高滲透性并幫助樹脂快速滲透。浸漬后，關(guān)閉灌注澆口，借助真空將硅膠片內(nèi)的潤濕增強(qiáng)材料覆蓋在單面模具上 （步驟 4）。此時，排氣口仍然保持打開狀態(tài)。使成型部件固化，然后脫模（步驟 5）。使用硅膠片可防止?jié)櫇裨鰪?qiáng)材料直接接觸模具，從而延長模具壽命。然而，在零件之間生產(chǎn)運(yùn)行期間清潔他們需要更長的時間。汽車行業(yè)尋求高效、具有成本競爭力且環(huán)境友好的復(fù)合材料制造工藝，例如 RIDFT，以降低復(fù)合材料涂裝的高成本。RIDFT工藝的各個階段如圖9所示。

圖9.RIDFT 過程示意圖

未來非熱壓罐制造工藝將呈現(xiàn)集成化、節(jié)能化、自修復(fù)化等諸多特點(diǎn)。集成傳感器和數(shù)據(jù)分析將提高生產(chǎn)精度和質(zhì)量控制。自修復(fù)和智能復(fù)合材料將增強(qiáng)產(chǎn)品的耐用性和功能性。節(jié)能固化技術(shù)的引入將降低能耗，而結(jié)合3D打印與樹脂傳遞模塑技術(shù)將使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)變得更加高效。此外，高性能樹脂系統(tǒng)將滿足更加苛刻的應(yīng)用需求。這些進(jìn)展將推動制造工藝向更智能、高效和環(huán)保的方向發(fā)展。

參考資料：

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