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  先进复合材料以其优异的性能,如比刚性、强度、耐腐蚀性等,已经广泛地应用于船舶、航空、建筑、交通以及运动、休闲用品等领域。然而,对于几何形状复杂的大型夹芯和加筋构件,由于尺寸大、性能要求高,采用缠绕、模压等工艺成型困难,而采用手糊或喷射成型则制品的质量得不到保证,因此传统的成型工艺在成型大型复杂结构件时存在难以逾越的技术障碍,严重影响了复合材料的广泛应用。
 
  复合材料液体模塑成型技术(简称LCM)是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中(或加热熔化,预先放入模腔内的树脂膜),液态聚合物在流动充模的同时完成树脂/纤维的浸润并经固化成型为制品的一类制备技术。树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑、树脂膜渗透成型工艺和结构反应注射模塑成型是最常见的先进LCM工艺技术。LCM技术可以成型带有夹芯、加筋、预埋件等大型构件,可按照结构要求定向铺放纤维,具有高性能、低成本制造优势。该技术为闭模成型工艺,能满足日趋严格的苯乙烯挥发控制要求。
 
  LCM工艺技术是先进复合材料低成本制备技术的主要发展方向,是目前复合材料制备领域的研究热点。它的出现给复合材料领域带来很大的冲击,打破了长久以来高性能复合材料必然具有制造成本高的惯例,为高性能复合材料开辟了广阔的应用领域。
 
 
树脂传递模塑工艺(RTM)
 
  RTM最早出现在19世纪40~50年代,但直至80年代末,随着国防应用、汽车构件以及高性能体育用品等开发,RTM工艺才有较快的发展。RTM工艺具有生产周期短、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,特别是随着低黏度树脂的开发,使得注塑大型制件成为可能;同时,由于纺织预成型件技术的不断完善,如机织、编织、针织以及缝编,使得模塑成型的成本大大降低。近几年来,更是受到来自对减少污染物排放的新的环保要求,从而使闭模成型复合材料工艺日益受到重视,特别是促进了RTM及其相关加工技术的不断演变与发展。
 
 
真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM/SCRIMP)
 
  真空辅助树脂传递模塑工艺适用于质量要求高、小批量和尺寸较大的制品。它和传统的热压罐成型工艺相比,具有模具低成本、树脂室温固化以及几乎不受限制的制品尺寸等突出的特点。在国外VARTM已成功地用于舰船、军事设施、国防工程、航空和民用工业等领域。目前,真空辅助树脂传递注塑中应用最广泛工艺之一的SCRIMPTM成型工艺,是19世纪80年代后期在RTM工艺基础上发展起来的以低成本、适合制作大型复合材料制品的成型工艺。该工艺的成品有较好的品质,如孔隙率低、纤维含量高和良好的机械性能,并且可以将挥发性有毒气体的排放量控制在最小的程度。
 

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有限元船舵模型             复合材料船舵铺层
 
 
  SCRIMP是利用薄膜将增强材料密封于单边模具上,完全借助于真空将低黏度树脂吸入,利用高渗透率介质沿增强材料的表面快速浸渍,并同时向增强材料厚度方向进行浸润的加工工艺。用这种方法加工的复合材料,纤维含量高、制品力学性能优良,而且产品尺寸不受限制,尤其适合制作大型制品。最近,由于树脂体系和纺织增强材料成型技术的不断发展,航空制造业对VARTM表现出了浓厚的兴趣,主要表现为采用碳纤维-环氧树脂、碳纤维-双马来酰亚胺树脂的复合材料。
 
  和传统的开模成型工艺相比,SCRIMP成型工艺具有许多的优点。SCRIMP工艺比手工铺放节约成本约50%,树脂浪费率低于5%,特别是加工过程的环保性,是SCRIMP工艺最突出的优点。在同样原材料的情况下,与手糊构件相比,复合材料的强度、刚度或硬度及其他的物理特性可提高30%~50%以上。产品质量不受操作人员影响,产品性能的均匀性和重复性比开模产品好得多,缺陷也少得多。SCRIMP由于采用了闭模成型工艺,挥发性有机物和有毒空气污染物均受到很大程度的控制,VOC排放不超过5PPm的标准,而开模成型的苯乙烯挥发量超过500PPm。SCRIMP工艺特别适合制造较大的制品,并且可以进行芯材、加筋结构件的一次成型以及厚的、大型复杂几何形状的制造,提高了产品的整体性,而且材料和人工的节省实为可观。采用SCRIMP制作的构件,不论是同一构件还是构件与构件间,制品都有保持着良好的重复性。SCRIMP成型时树脂的消耗量可以进行严格控制,纤维体积比可高达60%,制品孔隙率小于1%。
 
  国内外复合材料生产厂家,特别是一些造船厂和风力发电叶片厂,目前有不少已经采用了SCRIMP工艺,但多数制造技术在使用上都是以“试误(TrialandError)”的方式来积累加工经验的,这样就使得制品的品质受到很大的影响。而要充分发挥采用SCRIMP工艺制品的特点,达到高水平的品质,生产企业应该注意诸如浸渍时的真空度的选择、增强材料的特性、树脂黏度、树脂种类、浸渍程度、树脂的凝胶及固化情况等。
 
 
LCM工艺用纺织增强材料
 
  目前,常用的增强材料主要是玻璃纤维、碳纤维、芳纶和高密度聚乙烯纤维等。而增强材料的结构可以有许多种类可供选择,题图为常用的增强材料的结构形式,如机织的方格布、三维正交机织物、经编多轴向织物等。在复合材料加工过程中,增强材料的结构、材质和铺放形式都直接影响到树脂浸润和加工工艺。
 
 
LCM工艺技术的应用
 
  SCRIMP工艺的高纤维含量、优异的制品性能、良好的生产重复性,特别是低成本的快速成型,使其制品性能可以与航空、宇航等领域广泛采用的热压釜工艺相媲美。随着SCRIMP技术从早期的国防军工领域应用向民用工业的拓展,SCRIMP工艺已经大量地应用于制造船体、船舶甲板、巡逻艇、风机叶片、桥梁、运输壳体以及其他民用和海洋基础工程。目前SCRIMP工艺可成型面积达185m2、厚度达700mm、纤维重量含量达70~80%、孔隙率低于1%的制品,其树脂浪费率低于5%,与手工铺放相比,节约劳动成本50%以上。
 
  SCRIMP制品的主要应用领域是船体结构,瑞典海军的隐型护卫舰Visby,艇长72m,是目前建造的最大的FRP夹芯结构,舰上的部件如船体、甲板和上层建筑也都是用SCRIMP工艺制造的。左图为作者在美国特拉华大学复合材料中心主持的《低成本制造大型流体动力表面》项目所完成的复合材料船舵的计算机模型和实际增强体铺放。图中模型,高38",宽42",为真实船舵大小的1/4。
 
  SCRIMP工艺的另一个主要应用领域是风机叶片的制造。国内目前的风机叶片制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响,大多采用湿法手糊工艺,常温固化。能够实现600KW和750KW机组叶片的批量生产。湿法手糊工艺相对简单,不需要加温加压装置,不需要昂贵的工装设备。成型工艺具有生产效率低、劳动强度大、卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点,该工艺通常只用于生产叶片长度较短且批量较小时。但对于大型的兆瓦级风力机叶片,由于叶片体形庞大,最宽处达300cm,最高处大于200cm,手糊成型工艺是无法胜任的。
 
  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)和大批量的生产。这种工艺适宜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在模腔中成型),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。