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1、复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析沃西源，薛 芳，李 静（北京空间机电研究所，北京 100076）摘 要:简述了聚合物基复合材料模压成型工艺特性，对模压成型的设备、预浸料、工装模具、工作环境条件等提出相应要求，着重对成型工艺过程中模压成型温度、压力、保温时间等工艺参数对复合材料制品性能影响做了分析，且简要介绍了复合材料模压制品可能出现的质量问题、产生原因、预防措施等内容。关键词:复合材料；模压成型；工艺特性；质量控制中图分类号:V262.97 文献标识码:A 文章编号:1007-9815（2009）06-0041-04收稿日期:2009-12-09作者简介:沃西源（1942-），男，浙江
2、镇海人，研究员，主要从事复合材料成型工艺与应用技术研究，(电话)010-88520472，68383038。Analysis on the Process Properties and Influencing Factors of Composites MoldingWO Xi-yuan;XUE Fang;LI Jing(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity,Beijing 100076 China)Abstract:The paper introduced the process properties of compress
3、ion molding of resin matrix composites,then proposed the requirement for the equipment,prepreg,mold and work environment,at last the effect of the com-pression molding pressure,temperature and holding time on the properties of the products were analyzed primarily.In addition,the quality problems of
4、the compression molding which may appear during preparation,the correlating reasons and resolutions were discussed.Key words:composites;molding;process properties;quality controlVol.34 No.6Dec.2009高 科 技 纤 维 与 应 用Hi-Tech Fiber&Application第34卷 第6期2009年12月当今国际社会公认：材料、能源和信息技术是现代文明的3大支柱。在新材料应用中，没有现今复合材料的
5、进步和发展，就不能有现代航空航天技术的发展。对某些新一代航天器特定结构，单一材料是无法满足其技术要求的。随着航天技术的日趋发展，复合材料越来越受到重视，并不断朝着更高比刚度、耐更苛刻工作环境等超高性能方向发展。现今复合材料在材料科学中占据着重要地位，它的发展大大丰富了材料科学的内容，对航天技术的进展也起着重要的推动作用。复合材料成型工艺方法主要有手糊、注射、缠绕、真空导流、模压、热压罐、软模、树脂传递模塑等。复合材料成型工艺是其重要环节，通常包括两个阶段，首先是使原材料在一定温度和压力下产生变形或流动，获取所需的形状，然后设法保持其形状。文章着重对复合材料模压成型工艺特性、成型过程、影响制品质
6、量因素及制品缺陷的产生原因及预防措施等内容作了简单叙述。1 模压成型工艺特性模压成型工艺是将一定量预浸料放入到金属模具的对模模腔中，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满流动、充满模腔成型和固化，从而获得复合材料制品的一种工艺方法，见图1。模压成型工艺的特点是在成型过程中需要加热，加热的目的是使预浸料中树脂软化流动，充满模腔，并加速树脂基体材料的固化反应。预浸料充满模腔过程中，不仅树脂基体流动，增强材料也随之流动，树脂基体和增强纤维同时填满模腔的各个部位1,2。只有树脂基体粘度很大、粘结力很强，才能与增强纤维一起流动，因此模
7、压工艺所需的成型压力较大，这就要求金属模具具有高强度、高精度和耐腐蚀，并要求用专用的热压机来控制固化成型的温度、压力、保温时间等工艺参数。模压成型与热压罐成型的不同之处，是模压成型无需像热压罐成型时将预浸坯料连同工装模具放入罐体内。它具有良好的可观察性且压力调节范围较大，结构内部质量易于保证，外形尺寸精度较高，因而广泛应用于型面复杂的复合材料结构构件制造。如复合材料发动机叶片模压成型，其模具见图2。模压成型方法生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，尤其对结构复杂的复合材料制品一般可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。其主要不足之处是模具设计与制造较为复杂，初次投入较大。尽管模压成型工艺有上述不
8、足之处，目前模具成型工艺方法在复合材料成型工艺中仍占有重要的地位。3 模压成型工艺模压成型工艺是将复合材料制品设计图纸物化为真实制品的一门工程科学，是复合材料成型技术的核心内容之一3，其主要成型工艺流程主要简述如下：高科技纤维与应用-42-第34卷准备工作。做好预浸料、成型工装模具、随炉试件的配套工作；预浸料裁剪与铺层。预浸料复验合格后，按下料样板裁剪，且按制品铺层要求进行铺叠；装模。将铺叠的预浸料装模，按工艺规程要求合模进行预压实，使其结构致密；固化成型。按工艺文件要求进行固化成型，严格控制各固化工艺参数；脱模、清理。按工艺文件要求进行脱模和修整，且清理好工装模具；随炉试件试验。按工艺文件要
9、求加工随炉试件，按试验方法标准进行试验；无损检测及最终检验。按设计文件要求对制品进行无损检测和最终检验。4 影响复合材料模压制品质量的因素复合材料模压成型工艺过程是将一定量的经过一定预处理的预浸料放入模具腔体内，施加一定压力使预浸料充满模腔，在预定的温度条件下，预浸料在模腔内逐渐固化，然后将复合材料制品从模具中取出，再进行必要的后加工即得到最终复合材料制品。从上述工艺过程可见，影响最终制品成型的因素有预浸料（控制其制备环境和树脂含量等技术指标，采用预处理工艺使溶剂充分挥发）、热压机（确保热压机处于正常工作状态）、工作模具（控制工装模具加工精度、操作简便）、工作环境（控制操作现场的温度、相对湿度
10、，环境清洁整齐，工作安全可靠）等，其中最为重要的是阴模毛坯阳模测温点上模挡块框架底模底板图1 模压成型原理示图图2 复合材料发动机叶片模压成型模具示图沃西源，薛芳，李静:复合材料模压成型的工艺特性和影响因素分析第6期-43-预浸料装模后在模腔内固化成制品的过程，它是温度、压力和保温时间综合作用的结果4,5。在此着重分析温度、压力、时间、挥发份等因素对模压成型过程的影响。4.1 温度模压成型过程中预浸料的流动、充模、固化反应速度都与温度有着密切关系，而且温度在模压成型过程中又起着主要作用，它影响着树脂基体交联程度，因而也影响复合材料制品最终性能。复合材料在温度作用下，粘度和流动性发生了较大的变化
11、。温度使聚合物松弛（粘度降低、流动增加）和交联反应（粘度增加、流动性降低）。温度升高使预浸料逐渐熔融，粘度则由大至小，其交联反应开始，随着工装模具温度逐渐传至预浸料，预浸料的温度不断地升高，交联反应速度会增大。实践表明，升高模温可以加速固化速度，缩短固化时间，但过高温度会使预浸料由于固化速度太快使其流动性迅速降低而引起充模不满，特别是大型薄壁、形状复杂的复合材料制品，温度过高时制品外层固化比内层固化快的多，致使内层挥发物难以排除，从而使制品物理和力学性能降低，还会使制品产生缺陷和变形。当固化温度过低时，固化温度慢，会出现固化度低等现象。4.2 模压压力压力可以加速预浸料在模腔内流动，增加密度，
12、克服树脂基体缩聚反应时放出的低分子物产生的压力，避免出现肿胀、脱层等现象，同时模压压力也可使工装模具闭合，制品具有固定尺寸和防止冷却时发生变形等作用。模压压力可用理论公式计算。模压压力的大小取决于预浸料的种类、制品形状及预浸料状态。如果预浸料的流动性愈小，固化速度愈快，压缩率愈大，所需的压力也愈大；反之所需的压力也就愈小。在模压制品成型过程中，温度和压力是相互关联的。提高模具温度，可增加预浸料流动性，如在模压开始到流动性最大这段时间降低成型压力也可达到预期目的。4.3 模压时间模压时间是固化过程所需要的时间，指预浸料放入工装模具中开始升温，加压至固化完全这段时间。模压时间与预浸料的类型、挥发物
13、含量、制品形状、厚度、工装模具结构、模压温度、压力等因素有关。模压时间的长短对制品性能影响甚大，模压时间太短，固化不完全，制品物理和力学性能低，表面粗糙度差、制品易出现变形。模压时间增加可降低制品收缩率和变形，但应注意模压时间过长，树脂交联过度，制品内应力会增加，因此选择适当的模压时间。4.4 挥发物模压过程中，挥发物含量对预浸料的流动性影响很大。挥发物含量大，模压时间预浸料流动性大，过高的挥发物含量使预浸料流动性过大引起树脂基体流失、制品产生气泡、表面粗糙度下降等现象，但挥发物含量过低又会使预浸料流动性降低，造成复合材料制品成型困难。4.5 纤维体积分数模压过程中，纤维的体积分数过高会阻碍树
14、脂基体的流动性，给模压成型工艺带来一些困难，但要获得性能良好的复合材料制品又需纤维较高的预浸料来提高制品的纤维体积分数，因此在模压成型时需根据设计文件对纤维体积分数要求，兼按产品结构形状等特性进行工艺优化，严格控制纤维的体积分数。5 复合材料制品缺陷、产生原因及预防措施影响复合材料制品质量的因素诸多，从原材料的选用到预浸料的制备和贮存，从生产环境到每到工序都会影响最终制品的性能。对于复合材料，最终制品一旦发生重大质量问题则较难挽救，特别是较大的整体成型制品。无论从当前原材料昂贵的价格还是从制品的生产周期考虑，制品质量问题都将造成巨大的经济损失。因此总结多年实践工作经验、找出复合材料缺陷产生原因
15、、制定有效措施确保制品质量是具有重大现实意义的6。表1列举了聚合物基复合材料模压制品的主要缺陷、产生原因及预防措施。6 结语优质复合材料模压制品的制造，出自设计、工艺、试验和检测人员的密切配合，反映了复合高科技纤维与应用-44-第34卷 缺陷类别 产生原因 预防措施外形尺寸超差 工装模具尺寸精度加工偏差 预浸料叠层数量控制不严 热压机工作平台不平行 修正工装模具 严格控制预浸料叠层数量 校正工装平台精度翘曲变形 结构件厚薄差异 固化度偏低 固化成型各区域温度不匀 预浸料挥发份含量偏大 脱模工艺不合理 改进制品结构设计及成型工艺 调整及控制固化工艺或采取后固化 检查、调整加热装置 充分晾置或采用
16、预热处理 改进脱模工艺或增设脱模工装裂纹 制品结构铺层不妥 脱模工艺不合理 工装模具结构不合理 预浸料挥发份含量大 改进制品结构设计及铺层工艺 改进脱模工装及脱模工艺 改进模具结构形式（合理设置排气口及流胶槽）控制环境温度、湿度，对预浸料进行充分晾置及预热处理孔隙 纤维线密度不匀，预浸料质量不稳定 预浸料挥发份含量大 加压时机不当 控制预浸料质量 控制环境温度、湿度，对预浸料进行充分晾置及预热处理 严格控制加压时机，不能过早或过晚加压分层 铺层时未充分压实 铺层时预浸料上有污染物 固化压力不够或脱模不当 制品胶、铆连接时应力集中 铺层时采取工艺措施保证层间压实 严禁将脱模剂或油污物粘在预浸料上
17、，操作时应使用防护用品，防止污染预浸料 控制固化压力，改进脱模工艺 改进操作工艺，避免加工时应力集中现象疏松 铺层时未充分压实 预浸料数量不足或加料不匀 固化加压时机控制不到位 铺层时采用辅助工装使预浸料压实 控制预浸料数量，均匀加料 调整加压时机富树脂 预浸料树脂含量过高 未采用预吸胶工艺 工装模具加工精度有偏差 固化加压时机不当 调整预浸料制备工艺参数 控制预吸胶压实工艺 修正工装模具，控制加工精度要求 合理控制加压时机贫树脂 树脂基体含量过低 加压过早，树脂基体流失过多 工装模具加工尺寸精度有偏差 提高树脂基体含量，调整预浸料制备工艺 合理控制加压时机 控制工装模具加工精度表1 聚合物基
18、复合材料模压成型制品的主要缺陷、产生原因及预防措施材料制造技术的综合性。实践表明，在复合材料成型过程中，最终检验仅仅是对制品质量好坏的判断，已无法回溯，而成型工艺过程中每道工序的控制才是保证生产合格制品的关键。通过复合材料制品质量影响因素的分析以及缺陷和预防措施的分析，可见复合材料成型过程中质量控制的重要性。当今复合材料模压制品工艺发展甚快，但目前工艺技术仍未完全实现实时监控，因而对复合材料制品性能稳定和可靠性要求的研究，是现今复材料发展的必由之路，希望引起主管领导和广大复合材料工作者的高度重视。参考文献：1 王汝敏.聚合物基复合材料及工艺M.北京:科学技 术出版社,2004.2 航空航天工业部科技研究院.复合材料设计手册M.北京:航空工业出版社,1990.3 SCHWARTE N.M.Composite materials hand bookM.Mogtaw-hill,1994.4 LUBIN G.Hand book of compositesM.VNR,1992.5 肖翠荣,唐羽章.复合材料工艺学M.长沙:国防科 技大学出版社,1991.6 赵渠森,申屠年.先进复合材料制造技术J.高科技纤 维与应用,1999,24(5):112.