发布时间 : 星期六 文章纤维预定型技术更新完毕开始阅读7649ebaab0717fd5360cdcc6
1.3 纤维预定型技术
1.3.1预定型技术研究的主要原因（主要在RTM工艺中的应用）
复合材料树脂传递模塑工艺，即RTM工艺(Resin Transfer Molding)，是一种液体注射模塑工艺。它以相对低的模具费用、很低的有机物挥发量、良好的可设计性及适合于成型中批量大型整体复杂构件等优点，已广泛应用于航空航天、
造船、汽车、电子及民用建筑等多个领域。近年来对RTM工艺的研究已成为复合材料工艺发展的热点。
由RTM的工艺过程可知，在RTM工艺中，一般是将增强体逐层剪切或整形以符合模具表面的多种曲面形状，然后逐层铺放在模具中，再进行合模注射。铺放增强体是整个RTM工艺中最费时的一道工序；除此之外，由于这种铺层方法中的各种增强体材料均处于无外力作用而相互独立的状态下，这样就容易在合模和注入树脂时引起增强体材料滑移错位和内部的纤维屈曲等缺陷，从而破坏了按结构、力学要求设计的铺层方式，造成复合材料制品性能下降或完全使其制品成为废品；并且对于带有曲面形状的复杂制品的铺模和合模都极其困难和费时，同时会造成树脂流动充模行为的复杂化和不可预测，造成干斑等工艺缺陷。基于以上原因，逐步发展了纤维预成型技术。
纤维预成型技术就是通过在铺层厚度方向上的缝纫或粘接剂的连接作用，使增强材料保持在一起，以达到在装模和注射过程中保持纤维增强体形状和结构的一种技术。其中采用胶粘剂连接纤维的技术又称为直接预成型技术。它是通过在纤维增强体材料表面上喷加少量粘接剂即定型剂(通常为3wt%～8wt%)，然后在一定压力和温度下使定型剂在各增强体材料内发挥粘合作用将预铺放的增强体固定为一整体单元［10］，这个整体单元就称之为直接预成型体(Adhesion-preformed Preformance)。 1.3.2 纤维预定型技术的基本含义
［5、11］
纤维预定型技术（纤维增强材料的预成型技术）是指将纤维增强材料（如单向纤维或单向织物、二维织物、各种纤维毡等形式）预先制作成具有模腔形状的坯料（预成型坯料、预制件、预制体）的工艺方法。它是以RTM、 RFI（Resin Film Infusion）等为典型代表的复合材料液体成型技术 (Liquid composite molding, 简称LCM技术)中的一项关键技术环节，也一直是国内外先进树脂基复合材料低成本制造技术的一个重要内容。目前，我国在以LCM制造的先进复合材料产品制造成本中，其中的纤维预制体的制造成本占有相对较高的比重，成为制约相应复合材料扩大应用的主要障碍，因此发展具有中国特色的高效、低成本的纤维预制体制备技术意义重大。
目前LCM采用的纤维预制体大致可以归纳为以下几类：织物（机织、编织和针织）预制体、缝合预制体、纤维缠绕预制体以及包括短切纤维预制体和连续纤维毡预制体等在内的增粘纤维预制体等。其制备工艺方法多种多样，但归纳起来大致可分为以下三种：纺织预成型技术、纤维预成型技术（tackified fiber preform）和纤维缠绕预成型技术等。
由于纺织技术具有很多独有的特点，如三维编织技术的工艺特点：能够纺造多种形状的异形体，结构整体性好，层间剪切强度高、尺寸稳定性好、结构强度和损伤容限高，并可以使构件具有多项功能性；缝合技术不仅能在不改变原有层板结构的基础上实现对复合材料的连接，而且能大幅度提高断裂韧性和CAI（Compress After Impact），另外多自由度缝合头专用设备的开发成功又有效地解决了大面积、大厚度以及形状复杂的纤维预制体的缝合问题，因此，目前国内外先进复合材料用纤维预制体的制备以编织、缝合等纺织预成型技术应用得最为广泛。但是，采用单一的编织、缝合等纺织手段制备纤维预制体，在不同程度上存在一些缺点和不足，如编织法制备的预制体悬挂性能不佳在结构中可能造成部分树脂聚集区，或者设备较昂贵、或者制备形状复杂的预制体难度较大，工艺周期较长等导致纤维预制体制造成本偏高；缝合工艺简单、制造成本相对较低，但可能会造成纤维的局部损伤，有时还导致复合材料层和板表面涂层的弯曲，进而形成表面起伏等。因此，从时间、成本（主要是指设备和制造成本）以及工艺可实施难易程度等方面来讲，纺织预成型技术还难以完全满足一些实际需要，这些都在一定程度上影响了纺织预成型技术的进一步推广应用。
纤维预成型技术（tackified fiber preform）是二十世纪90年代初以来开发的一种新颖、实用的纤维预制体制备技术。其基本原理是在增强纤维或织物表面涂敷少量的特殊增粘材料 — 增粘剂/定型剂（tackifier / binder / tackifying adhesives / perform stabilizers），通过溶剂挥发、先升温软化或熔融（预固化）后冷却等手段使迭层织物或纤维束之间粘合在一起，同时借助压力和形状模具的作用来制备所需形状、尺寸和纤维体积含量的纤维预制体。织物预成型技术在一定程度上克服或弥补了编织、缝合等纺织预成型技术的某些不足，对质量要求高、性能要求稳定、结构复杂的制件尤为重要，尤其适用于制备结构形状复杂或大型的纤维预制体，在保证产品质量、生产工艺快速及自动化方面具有重要意义，是实施LCM低成本化的重要途径/手段。
纤维缠绕预成型技术则是二十世纪90年代末、二十一世纪初以来开发的一种新的纤维预制体制备技术。其原理基本类似常见的纤维缠绕成型技术，不同之处有二：
（1）一般采用干态纤维进行缠绕、并在芯模端部安装封头型夹具；
（2）芯模端部一般需放置一定宽度的增粘剂纤维布带，并需经过加热加压、冷却、切
割等工序。
其优点是纤维嵌置性好、纤维铺放角度和厚度可通过不同的缠绕方式控制，以满足不同结构形状和结构强度的要求。但其应用领域有限，仅适于制造圆柱体、圆锥体、方管等特殊形状的预制体。
本文的纤维定型技术主要是采用的第二种，即纤维预定型技术，通过预定型剂使使迭层织物或纤维束之间粘合在同时借助压力和形状模具的作用来制备所需形状、尺寸和纤维体积含量的纤维预制体。
1.3.3纤维预成型技术及主要操作方法
纤维预成型技术一般是预先制成薄层单层件，再用此单层件在模具中铺放设计需要的层数并制成整体结构纤维预制体。此技术的关键之一就是选择既具有足够的粘附力、又要与注射树脂相容的增粘剂/定型剂，它对定型、浸润、渗透和相容等起着决定性的作用，其主要作用是将纤维粘合在一起，以保持预制体形状、防止纤维在注射树脂时冲刷变形。定型剂一般分为热塑性和热固性两种：
热塑性增粘剂有尼龙、PET、PP和PPS等。
热固性增粘剂有环氧、乙烯基酯、聚酯、双马来酰亚胺等树脂。
例如Cytec Industries Inc. 针对环氧树脂和双马树脂研制了相应的增粘
剂：CYCOM 782RTM是一种改性双马结构的预制体增粘剂，与5250-4RTM、5280-1RTM和824RTM等双马树脂基体并用；CYCOM 790RTM是一种改性环氧结构的预制体增粘剂，与823RTM、875RTM和890RTM等环氧树脂基体并用。
根据增粘剂的物理状态和实施工艺途径的不同，目前基本可以将纤维预成型技术分为如下四类：柔性树脂膜铺放法、固态树脂粉末沉积法和液态树脂喷洒法以及特殊增粘剂纤维布带铺放法等。
1.3.3.1柔性树脂膜铺放法［8］
柔性树脂膜铺放法的基本工艺特点是一般先将适量的柔性膜状增粘剂铺放到纤维/织物的表面，经过加热使树脂膜软化、冷却处理、卸接触压等工序制得具有增粘作用的单向纤维带或二维织物，然后按需求裁剪、逐层迭放，在压力和形状预成型模等的作用下，即可得到表面均匀粘附增粘剂的预制体。
柔性树脂膜铺放法的第一步、也是关键的一步就是制备合适的柔性树脂膜。成膜工艺可以采用现有技术中的多种工艺制造薄膜。例如，可通过高温下将增粘剂树脂浇在脱模纸上并在冷却后在压送辊之间延展而制成树脂薄膜。也可用适当溶剂配成溶液后浇在平整的脱模纸
上，待溶剂挥发后制成树脂薄膜。薄膜可以在纤维带制造程序中作为一个整体步骤来形成，或者可另外形成并储存成卷状备用。但是此预成型技术对柔性树脂膜有一些特殊的要求：
1° 在组成或结构上，树脂膜应由可与LCM选择的树脂体系兼容的树脂制成； 2° 在LCM选择的树脂体系固化制度下，树脂膜能够熔融固化，使之复合材料制件完
全成为一个整体；
3° 薄膜必须具有与脱膜纸足够的粘附力以允许将纤维带成型为具体的轮廓形状，但
是用手的压力又可将其从脱膜纸上取下来而不会对薄膜造成损坏或使纤维分开； 4° 薄膜必须有与纤维足够的粘附性，以允许可以切割纤维带/织物、把带放在预成
型件中及移去脱模纸而不会弄乱定向纤维的方向。
国外Dow化学公司生产的Tackix 123环氧树脂、3M公司生产的PR500环氧树脂
或PR500和PT500组成的环氧树脂混合物（如PR500/PT500为80/20）以及Cytec 化学公司制造的5250-4 RTM双马来酰亚胺树脂等都是可用于形成薄膜的成膜树脂。
美国陶氏联合技术复合制品公司对柔性树脂膜铺放法进行了研究，专利［8］详细介绍了低树脂量定向纤维带的技术。其基本思路是将多根定向纤维放在一对树脂薄膜之间，通过适当的预成型工艺制备定向纤维带，然后将具有良好粘性和变形性的定向纤维带按要求铺放在预成型模内结合成纤维预制体。研究表明，在采用柔性树脂膜铺放法制备纤维/织物预制体、尤其是定向纤维带及其预制体的时候，必须控制以下两点：
（1）控制树脂含量。树脂含量过多，会阻止LCM用基体树脂的渗透，过低，则其粘附性不足以使纤维定位。一般而言，纤维带的树脂重量含量控制在3%~18%范围内比较合适，在这种树脂含量下，定向纤维带具有足够的粘附性防止纤维移动，并可弯折及处置在成型的轮廓表面来满足所需形状，同时又能保证LCM过程中基体树脂能够完全渗入。工艺上一般可通过控制纤维和树脂薄膜的面密度来控制树脂含量。
（2）控制预成型温度。组合在一起的树脂薄膜和纤维在通过加热段时，加热段的温度一般要求控制在树脂薄膜软化点和熔化点之间，此时树脂薄膜软化允许表面纤维部分埋在薄膜中，而不会使薄膜完全渗入纤维和纤维之间的间隙中，从而达到通过表面接触和少量渗透来固定住纤维的目的。如果树脂熔化，由于薄膜较薄，会失去粘附性和均匀性，进而会导致纤维分离或分散。
1.3.3.2 固态树脂粉末沉积法
［3,6］
固态树脂粉末沉积法的工艺特点是将一定颗粒细度和粒径的粉末增粘剂按照一定的工艺要求均匀沉积在织物表面，升温后树脂熔融（预固化，即半固化使其具有一定的粘接性）