2种新型碳纤维RTM派生成型工艺

  真空导入模塑工艺。VIMP是在RTM工艺上发展起来的一种新型的大尺寸复合材料制件的低成本液体模塑成型技术,其工艺原理是在单面刚性模具上用柔性真空袋膜包覆、密封纤维增强材料,利用真空负压排除模腔中的气体,并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物浸渍的一种工艺。

  VIMP又称树脂浸渍模塑法(SCRIMP),近几年已在大型风力发电叶片、飞机机舱罩、船舶制造等领域得到了广泛的应用。其基本的加工流程步骤如下:设计和加工单面的刚性模具:铺设增强材料和辅助材料:使用真空袋膜密封:抽真空并检查气密性;吸住树脂:固化成型:脱模后处理。VIMP的成型过程也可分为树脂的充模流动、热传递和固化反应三大步骤。充模流动作为工艺过程的第一步骤直接影响加工产品性能,因此成为该工艺的主要研究内容。

  导流介质的应用,使得VIMP工艺中树脂的充模流动模式与RTM工艺中明显不同。近年来人们采用了诸如贴体坐标/有限差分法、有限元/控制体积单元法、纯有限元法和边界单元法,对充模过程中各项工艺参数进行了预测。尤其是依据渗漏模型,利用Darcy定律和渗流量计算方程建立的有限元数值模拟方程,应用于模拟预测其流动行为,并取得了不错的效果,这些都为优化工艺,降低工艺实验成本及保证产品质量提供了有力的支持。

  与传统的RTM工艺相比,VIMP工艺的优点如下:对模具的要求大大降低。RTM工艺则需要阴阳双面模具,VIMP用模具只需要单面的刚性模具,模具制造成本大大降低。工艺操作简单,产品的尺寸和几何形状不受限制、力学性能优异;VIMP工艺是在真空负压下吸注树脂,克服了传统RTM工艺容易产生树脂孔隙的问题。VIMP工艺树脂目前在不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂和聚碳酸树脂上得到了广泛的应用。为研究与预测这些树脂在VIMP工艺窗口时的各项物理参数而建立的各种模型不断完善,但是如何在实践中能够得到吻合的数据,以及对于树脂流动过程中的行为监控(尤其是过流控制),还有待于进一步研究。随着压力传感检测、微波传感检测、光纤传感检测等先进手段的使用,VIMP工艺在未来势必会得到更广泛的应用。

  柔性辅助RTM(Flexible RTM)工艺是利用制造空心结构,通过柔性模对预成型体的压实作用来加工先进复合材料的一种成型技术。根据柔性模膨胀的方式,又分为气囊辅助RTM工艺和热膨胀软模辅助RTM工艺。与传统的RTM工艺相比,此法解决了内腔结构较复杂而无法脱模的问题,同时制件纤维体积含量得到提高,产品性能得到改善。该工艺在成型复杂复合材料构件中具有独特优势。气囊辅助RTM工艺是目前国外研究较多的一种先进工艺,它是通过将预成型体安放在密封气囊,通过气囊充压压实预成型体,使其附着于模腔内表面而成型。

  目前,在气囊辅助RTM工艺中存在的问题是,由于气囊较薄膨胀不均匀,有可能使复合材料构件的筋条位置偏移,从而影响其力学性能。热膨张软模辅助RTM工艺,则是将预成型体安放在硅橡胶等软质材料上后,置入刚性阴模内,利用软质材料和阴模材料热膨胀系数的不同,造成的膨胀体积差异对预成型体进行挤压成型。与传统的复合材料相比,该工艺无需外加的压力来源,尤其适合结构复杂腔体构件的整体成型。

  RTM工艺及其派生工艺经过近几十年的发展和完善,已经成为低成本加工技术中主要发展对象。如何将该技术更为广泛的应用于航空航天等领域,成为当前人们研究最为热点的课题。降低树脂黏度和改进成型工艺是今后的研究方向。

 

  阅读延伸:《RTM成型碳纤维复合材料的湿热性能