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【FRP工藝】10種最常見(jiàn)的復(fù)合材料成型工藝！附主材及優(yōu)缺點(diǎn)介紹

發(fā)布時(shí)間：2020-08-24

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復(fù)合材料的原材料包括樹(shù)脂、纖維和芯材等有多種選擇，各種材料又有其獨(dú)特的強(qiáng)度、剛度、韌性和熱穩(wěn)定性等性能，成本和產(chǎn)量也不盡相同。然而，復(fù)合材料作為一個(gè)整體，其最終性能不僅與樹(shù)脂基體和纖維（以及夾芯材料結(jié)構(gòu)中的芯材）有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)中材料的設(shè)計(jì)方法和制造工藝有密切聯(lián)系。本文將對(duì)常用的復(fù)合材料制造方法、每種方法的主要影響因素和不同工藝如何選擇原材料進(jìn)行介紹。

一、噴涂成型

方法描述：

把短切纖維增強(qiáng)材料與樹(shù)脂體系同時(shí)噴涂在模具內(nèi)，然后在常壓下固化成熱固性復(fù)合材料制品的一種成型工藝。

材料選擇：

樹(shù)脂：主要為聚酯

纖維：粗玻璃纖維紗

芯材：無(wú)，需要單獨(dú)與層合板結(jié)合

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 工藝歷史悠久

　　2) 低成本、可快速鋪覆纖維和樹(shù)脂

　　3) 模具成本低廉

主要缺點(diǎn)：

　　1) 層合板易形成樹(shù)脂富集區(qū)，重量偏高

　　2) 只能使用短切纖維，嚴(yán)重限制了層合板的力學(xué)性能

　　3) 為了便于噴涂，樹(shù)脂粘度需足夠低，損失了復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能

　　4) 噴涂樹(shù)脂中的高苯乙烯含量意味著對(duì)操作人員的潛在危害較高，低粘度則意味著樹(shù)脂易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚

　　5) 空氣中揮發(fā)的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定要求

典型應(yīng)用：

簡(jiǎn)易圍欄，低載荷結(jié)構(gòu)板，如敞篷車(chē)車(chē)身、卡車(chē)整流罩、浴缸和小型船艇

二、手糊成型

方法描述：

手動(dòng)將樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維，纖維可以為機(jī)織、編織、縫合或粘結(jié)等增強(qiáng)方式，手糊成型通常用滾輪或刷子完成，然后用膠滾擠壓樹(shù)脂使之滲入纖維。層合板置于常壓下固化。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：無(wú)要求，環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯、酚醛樹(shù)脂均可

　　纖維：無(wú)要求，但是基重較大的芳綸纖維難以手糊浸潤(rùn)

　　芯材：無(wú)要求

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 工藝歷史悠久

　　2) 簡(jiǎn)單易學(xué)

　　3) 如果使用室溫固化樹(shù)脂，模具成本低廉

　　4) 材料和供應(yīng)商選擇空間大

　　5) 高纖維含量，所用纖維比噴涂工藝長(zhǎng)

主要缺點(diǎn)：

　　1) 樹(shù)脂混合、層合板樹(shù)脂含量和品質(zhì)與操作人員的熟練程度密切相關(guān)，難以獲得低樹(shù)脂含量且低孔隙率的層合板

　　2) 樹(shù)脂的健康和安全隱患，手糊樹(shù)脂分子量越低，潛在的健康威脅就越大，粘度越低意味著樹(shù)脂越容易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚

　　3) 如果沒(méi)有安裝良好的通風(fēng)設(shè)備，從聚酯和聚乙烯基酯揮發(fā)到空氣中的苯乙烯濃度很難達(dá)到法律規(guī)定的要求

　　4) 手糊樹(shù)脂的黏度需要非常低，因此苯乙烯或其他溶劑的含量必須較高，這樣就損失了復(fù)合材料的機(jī)械/熱性能

典型應(yīng)用：

標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電葉片，批量制作的船艇，建筑模型

三、真空袋工藝

方法描述：

真空袋工藝是上述手糊工藝的延伸，即在模具上封一層塑料膜將手糊好的層合板抽真空，給層合板施加一個(gè)大氣壓的壓力，達(dá)到排氣緊實(shí)的效果，以提高復(fù)合材料的品質(zhì)。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：主要為環(huán)氧和酚醛樹(shù)脂，聚酯和聚乙烯基酯不適用，因?yàn)樗鼈兒斜揭蚁?，揮發(fā)進(jìn)入真空泵

　　纖維：無(wú)要求，即使基重較大的纖維也可以在壓力下被浸潤(rùn)

　　芯材：無(wú)要求

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 可以達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝更高的纖維含量

　　2) 空隙率比標(biāo)準(zhǔn)手糊工藝低

　　3) 負(fù)壓條件下，樹(shù)脂充分流動(dòng)提高了纖維的浸潤(rùn)程度，當(dāng)然部分樹(shù)脂會(huì)被真空耗材吸收

　　4) 健康和安全：真空袋工藝可以減少固化過(guò)程中揮發(fā)物的釋放

主要缺點(diǎn)：

　　1) 額外的工藝增加了勞動(dòng)力和一次性真空袋材料的成本

　　2) 對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高

　　3) 樹(shù)脂混合及樹(shù)脂含量的控制很大程度上取決于操作人員的熟練程度

　　4) 盡管真空袋減少了揮發(fā)物的釋放，操作人員受到的健康威脅仍然高于灌注或預(yù)浸料工藝

典型應(yīng)用：

大尺寸、單次限定版的游艇，賽車(chē)零部件，船舶制造過(guò)程中芯材的粘結(jié)

四、纏繞成型

方法描述：

纏繞工藝基本用于制造中空、圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)件，如管道和槽。纖維束經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸潤(rùn)后沿各種方向纏繞在芯軸上，工藝過(guò)程由纏繞機(jī)和芯軸轉(zhuǎn)速控制。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：無(wú)要求，如環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹(shù)脂等

　　纖維：無(wú)要求，直接使用線軸架的纖維束，不需要機(jī)織或縫織成纖維布

　　芯材：無(wú)要求，但蒙皮通常為單層復(fù)合材料

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）生產(chǎn)速度快，是一種經(jīng)濟(jì)合理的鋪層方式

　　2）可通過(guò)測(cè)定穿過(guò)樹(shù)脂槽的纖維束攜帶樹(shù)脂量控制樹(shù)脂含量

　　3）纖維成本最小化，無(wú)中間編織工藝

　　4）結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，因?yàn)橹本€纖維束可以沿各個(gè)承載方向鋪層

主要缺點(diǎn)：

　　1）此工藝僅限于圓形中空結(jié)構(gòu)

　　2）纖維不易沿部件軸向準(zhǔn)確排布

　　3）大型結(jié)構(gòu)件的芯軸陽(yáng)模成本較高

　　4）結(jié)構(gòu)外表面非模具面，因此美觀性較差

　　5）使用低粘度樹(shù)脂，需要注意力學(xué)性能和健康安全性能

典型應(yīng)用：

化學(xué)品儲(chǔ)藏罐和輸送管，氣缸，救火員呼吸罐

五、拉擠成型

方法描述：

從線軸架抽出的纖維束浸膠后穿過(guò)加熱盤(pán)，在加熱盤(pán)完成樹(shù)脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)，并且控制樹(shù)脂含量，最終將材料固化成要求的形狀；這種形狀固定的固化產(chǎn)品被機(jī)械切割為不同長(zhǎng)度。纖維也可以沿0度以外的方向進(jìn)入熱盤(pán)。擠拉成型是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，制品截面通常有固定形狀，允許有微小變化。將通過(guò)熱盤(pán)的預(yù)浸潤(rùn)材料固定并鋪入模具立即固化，雖然這樣的流程連續(xù)性較差，但可以實(shí)現(xiàn)截面形狀的改變。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹(shù)脂等

　　纖維：無(wú)要求

　　芯材：未普遍使用

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）生產(chǎn)速度快，是一種經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)浸潤(rùn)及固化材料的方式

　　2）樹(shù)脂含量控制精確

　　3）纖維成本最小化，無(wú)中間編織工藝

　　4）結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，因?yàn)槔w維束沿直線排布，纖維體積分?jǐn)?shù)較高

　　5）纖維浸潤(rùn)區(qū)域可完全密閉，減少揮發(fā)物釋放

主要缺點(diǎn)：

　　1）此工藝限制了截面形狀

　　2）加熱盤(pán)成本較高

典型應(yīng)用：

房屋結(jié)構(gòu)的梁和桁架，橋梁，梯子和圍欄

六、樹(shù)脂傳遞模塑工藝 (RTM)

方法描述:

將干纖維鋪覆在下模內(nèi)，可以預(yù)先施加壓力使纖維盡量與模具形狀貼合，并予以粘合綁定；然后，把上模固定在下模上形成型腔，再將樹(shù)脂注入型腔。通常采用真空輔助樹(shù)脂的注入和對(duì)纖維的浸潤(rùn)，即真空輔助樹(shù)脂注入工藝（VARI）。一旦纖維浸潤(rùn)完成，即關(guān)閉樹(shù)脂導(dǎo)入閥，并將復(fù)合材料進(jìn)行固化。樹(shù)脂注入和固化既可以在室溫下進(jìn)行，也可以在加熱條件下完成。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯和酚醛樹(shù)脂，雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂可以在高溫下使用

　　纖維：無(wú)要求?？p合纖維更適合此工藝，因?yàn)槔w維束間隙利于樹(shù)脂傳送；有專(zhuān)門(mén)研發(fā)的纖維可以促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng)

　　芯材：蜂窩泡沫不適用，因?yàn)榉涓C單元將被樹(shù)脂充滿(mǎn)，壓力也會(huì)導(dǎo)致泡沫塌陷

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）纖維體積分?jǐn)?shù)較高，孔隙率低

　　2）由于樹(shù)脂被完全密封，健康安全，操作環(huán)境干凈整潔

　　3）減少勞動(dòng)力使用

　　4）結(jié)構(gòu)件上下兩面均為模具面，易于后續(xù)表面處理

主要缺點(diǎn)：

　　1）搭配使用的模具價(jià)格昂貴，為了承受較大壓力，重量大，相對(duì)笨重

　　2）僅限于小型部件的制造

　　3）易出現(xiàn)未浸潤(rùn)區(qū)域，導(dǎo)致大量報(bào)廢

典型應(yīng)用：

小型而復(fù)雜的航天飛機(jī)和汽車(chē)零部件，火車(chē)座椅

七、其他灌注工藝 - SCRIMP，RIFT，VARTM等

方法描述:

將干纖維以類(lèi)似與RTM工藝中的方式鋪覆，然后鋪上剝離布和導(dǎo)流網(wǎng)。鋪層完成后，用真空袋完全密封，在真空度達(dá)到一定要求時(shí)，將樹(shù)脂導(dǎo)入整個(gè)鋪層結(jié)構(gòu)。樹(shù)脂在層合板中的分布依靠導(dǎo)流網(wǎng)引導(dǎo)樹(shù)脂流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后自上而下將干纖維完全浸潤(rùn)。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯樹(shù)脂

　　纖維：任何常見(jiàn)纖維。縫合纖維更適合此工藝，因?yàn)槔w維束間隙加速樹(shù)脂傳送

　　芯材：蜂窩泡沫不適用

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 同RTM工藝，但僅其中一面為模具面

　　2) 模具一面為真空袋，大大節(jié)省模具成本，且對(duì)模具承受壓力的要求降低

　　3) 大型結(jié)構(gòu)件也可以具有很高的纖維體積分?jǐn)?shù)和較低的孔隙率

　　4) 標(biāo)準(zhǔn)的手糊工藝模具改造后可用于此工藝

　　5) 夾芯結(jié)構(gòu)可一次成型

主要缺點(diǎn)：

　　1) 對(duì)于大型結(jié)構(gòu)，工藝相對(duì)復(fù)雜，且修補(bǔ)無(wú)法避免

　　2) 樹(shù)脂粘度必須非常低，也降低了力學(xué)性能

　　3) 易出現(xiàn)未浸潤(rùn)區(qū)域，導(dǎo)致大量報(bào)廢

典型應(yīng)用：

試制小型船艇，火車(chē)和卡車(chē)的車(chē)身板，風(fēng)電葉片

八、預(yù)浸料 - 高壓釜工藝

方法描述:

纖維或纖維布由材料制造商使用含有催化劑的樹(shù)脂預(yù)先浸潤(rùn)，制造方法為高溫高壓法或溶劑溶解法。催化劑為室溫潛伏型，使材料在室溫下有幾周或幾個(gè)月的有效期；冷藏條件可以延長(zhǎng)其儲(chǔ)存期限。預(yù)浸料可以手工或機(jī)器鋪入模具表面，然后覆蓋真空袋，加熱至120-180°C。加熱后樹(shù)脂可以再次流動(dòng)，并最終固化?？梢杂酶邏焊獙?duì)材料施加額外的壓力，通常可以達(dá)到5個(gè)大氣壓。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：通常為環(huán)氧、聚酯、酚醛樹(shù)脂，耐高溫樹(shù)脂如聚酰亞胺、氰酸酯和雙馬來(lái)酰亞胺也可使用

　　纖維：無(wú)要求。纖維束或纖維布均可

　　芯材：無(wú)要求，但泡沫需耐高溫高壓

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）樹(shù)脂和固化劑比例以及樹(shù)脂含量均由供應(yīng)商準(zhǔn)確設(shè)定，很榮易獲得高纖維含量和低孔隙率的層合板

　　2）材料具有優(yōu)良的健康安全特性，工作環(huán)境潔凈，潛在地節(jié)省了自動(dòng)化和人工成本

　　3）單向材料纖維成本最小化，無(wú)需中間工藝將纖維織成布

　　4）制造工藝要求樹(shù)脂高粘度浸潤(rùn)性良好，也優(yōu)化了力學(xué)和熱學(xué)性能

　　5）室溫下可工作時(shí)間的延長(zhǎng)意味著，結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及復(fù)雜形狀的鋪層亦很容易實(shí)現(xiàn)

　　6）潛在地節(jié)省了自動(dòng)化和人工成本

主要缺點(diǎn)：

　　1）材料成本增加，但為了滿(mǎn)足應(yīng)用需求也是難以避免的

　　2）需要高壓釜完成固化，成本較高，操作時(shí)間較長(zhǎng)且有尺寸限制

　　3）模具需要承受高的工藝溫度，對(duì)芯材有同樣的要求

　　4）對(duì)于較厚部件，預(yù)浸料鋪層時(shí)需預(yù)抽真空，以排除層間氣泡

典型應(yīng)用：

航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件（如機(jī)翼和尾部），F(xiàn)1賽車(chē)

九、預(yù)浸料 - 非高壓釜工藝

方法描述:

低溫固化預(yù)浸料制造工藝與高壓釜預(yù)浸料完全相同，不同的是樹(shù)脂的化學(xué)特性允許其在60-120°C實(shí)現(xiàn)固化。對(duì)于低溫60°C固化，材料的工作時(shí)間僅一周；對(duì)于高溫催化劑（>80°C），工作時(shí)間可達(dá)到幾個(gè)月。樹(shù)脂體系的流動(dòng)性允許僅使用真空袋固化，避免使用高壓釜。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：通常僅環(huán)氧樹(shù)脂

　　纖維：無(wú)要求，與傳統(tǒng)預(yù)浸料一樣

　　芯材：無(wú)要求，但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）具備傳統(tǒng)高壓釜預(yù)浸料（(i.)）-（(vi.)）全部?jī)?yōu)點(diǎn)

　　2）模具材料便宜，如木材，因?yàn)楣袒瘻囟容^低

　　3）大型結(jié)構(gòu)件制造工藝簡(jiǎn)單化，只需真空袋加壓，循環(huán)烤箱的熱空氣或者模具本身的熱空氣加熱系統(tǒng)即可滿(mǎn)足固化要求

　　4）常見(jiàn)的泡沫材料也可使用，工藝較為成熟

　　5）相比于高壓釜，能耗更低

　　6）先進(jìn)的工藝保證了良好的尺寸精度和可重復(fù)性

主要缺點(diǎn)：

　　1）材料成本仍然高于干纖維，盡管樹(shù)脂成本低于航空航天用預(yù)浸料

　　2）模具需要承受高于灌注工藝的溫度（80-140°C）

典型應(yīng)用：

高性能風(fēng)電葉片，大型賽艇和游艇，救援飛機(jī)，火車(chē)部件

十、半預(yù)浸料SPRINT/梁用預(yù)浸料SparPreg 非高壓釜工藝

方法描述:

較厚結(jié)構(gòu)（>3mm）中使用預(yù)浸料很難在固化過(guò)程中將層間或重疊鋪層部分的氣泡排出，為了克服這一困難，預(yù)抽真空被引入了鋪層工藝，卻顯著增加了工藝時(shí)間。近年來(lái)，固瑞特推出了一系列具有專(zhuān)利技術(shù)的改進(jìn)型預(yù)浸料產(chǎn)品，使高品質(zhì)（低孔隙率）較厚層合板的制造實(shí)現(xiàn)了一步完工藝即可完成。半預(yù)浸料SPRINT由兩層干纖維夾一層樹(shù)脂膜的夾芯結(jié)構(gòu)組成，材料鋪入模具后，真空泵即可將其中的空氣在樹(shù)脂升溫變軟并浸潤(rùn)纖維前完全抽干，然后再進(jìn)行固化。梁用預(yù)浸料SparPreg是一種改進(jìn)的預(yù)浸料，在真空條件下固化時(shí)，可以很容易地將氣泡從粘合的兩層材料間排除。

材料選擇：

　　樹(shù)脂：多為環(huán)氧樹(shù)脂，其他樹(shù)脂也可用

　　纖維：無(wú)要求

　　芯材：大部分，但使用標(biāo)準(zhǔn)PVC泡沫需特別注意高溫

主要優(yōu)點(diǎn)：

　　1）對(duì)于較厚的部件（100mm），依然可以精確獲得高纖維體積分?jǐn)?shù)和低孔隙率

　　2）樹(shù)脂體系的起始狀態(tài)為固體，高溫固化后性能優(yōu)異

　　3）允許使用成本較低的高基重纖維布（如1600克/平方米），提高鋪層速度，節(jié)約制造成本

　　4）工藝十分先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單且樹(shù)脂含量精確控制

主要缺點(diǎn)：

　　1）材料成本仍然高于干纖維，盡管樹(shù)脂成本低于航空航天用預(yù)浸料

　　2）模具需要承受高于灌注工藝的溫度（80-140°C）