樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding, RTM）是一種高效率、低成本的先進復合材料生產(chǎn)工藝。該工藝于20世紀40年代中期出現(xiàn)，當時被稱作“樹脂注射”或“真空注射”工藝[1]，用于制造潛艇電源箱和船的殼體。其制件具有良好的表面質(zhì)量，但在當時生產(chǎn)周期過長。隨著復合材料用增強材料和樹脂的不斷發(fā)展，RTM工藝開始應用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域。通過應用產(chǎn)品自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，該工藝的生產(chǎn)效率提高到900件/天。20世紀80年代初，航空工業(yè)為了減小飛行器質(zhì)量，開始采用復合材料，RTM工藝作為一種先進的復合材料生產(chǎn)工藝被應用于航空工業(yè)。

RTM工藝與手糊工藝、真空袋等傳統(tǒng)的復合材料成型工藝相比，具有投資成本低、成型效率高、環(huán)境友善、同時可以生產(chǎn)兩面光滑的制品等諸多優(yōu)點[2-3]，適合中批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)已廣泛應用于交通運輸業(yè)、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、國防工業(yè)等部門。

在RTM工藝實施過程中，由于樹脂浸漬纖維的過程受溫度、壓力等多種因素的影響且難以控制，因而其制品常常出現(xiàn)缺陷?，F(xiàn)有的大部分研究方法集中于對樹脂浸漬纖維過程進行模擬，通過選擇合理的注口位置、冒口位置、注射壓力等工藝參數(shù)來降低缺陷率。但至今仍然沒有形成一套完整的理論或方法來模擬這一過程。在工業(yè)實踐中，歐美等西方國家的RTM缺陷控制方法主要依靠經(jīng)驗積累和試驗，以獲取合適的生產(chǎn)工藝參數(shù)。本文將介紹傳統(tǒng)的RTM工藝流程，通過對RTM制品缺陷的產(chǎn)生機理進行分析，提出處理缺陷的4個原則，并驗證RTM工藝的優(yōu)化流程。

1 RTM工藝及試驗

1.1 RTM工藝

樹脂傳遞模塑是將低粘度的樹脂注入到預先鋪放好增強材料的閉合模具中，樹脂經(jīng)過浸潤增強材料、固化成型，最后脫模得到制品的工藝方法。通常，其工藝流程主要有如下步驟，如圖1所示：（1）模具準備；（2）纖維預制體制備；（3）預制體的裝模、閉模；（4）樹脂注入；（5）樹脂固化過程；（6）制品脫模; （7）制品修整、質(zhì)量檢測。

1.2 RTM工藝設(shè)備和原材料

本試驗在法國國立高等工程技術(shù)學院（Arts et Métiers Paris Tech）復合材料實驗室開展，試驗中采用如下設(shè)備和原材料。

（1）RTM注射設(shè)備：本試驗中選用的是由法國Matrasur公司提供的壓力罐，實驗室的壓力系統(tǒng)可提供壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1.2MPa。

（2）試驗用模具：模具為一個400mm×400mm，厚度為5mm的方形板的鋁合金模具。該模具有4個可選注口和4個可選冒口。本試驗采用1個注口和1個冒口的注射方式。

圖1 傳統(tǒng)的RTM工藝流程圖Fig.1 Flow diagram of the traditional RTM process

（3）RTM原材料：RTM的原材料由樹脂和增強材料組成。其中本文選用的樹脂為不飽和聚酯樹脂，增強材料為玻璃纖維連續(xù)氈、復合氈和方格布。制品纖維體積理論含量為39%～40%。

2 缺陷的產(chǎn)生機理及解決方案

在試驗初期，采用RTM工藝制備的復合材料樣板存在諸多缺陷，這些缺陷直接影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，可以將這些缺陷歸納為3類：氣泡、纖維滑移和干斑。以下分別對這3種缺陷產(chǎn)生機理進行分析。

氣泡是RTM工藝制品中最為常見的一種缺陷，它的出現(xiàn)使得RTM制品中纖維與樹脂的界面粘接性變差，導致制品的強度下降。其產(chǎn)生的首要原因是樹脂宏微觀流動性不一致。此外，樹脂和催化劑的混合過程和溶劑及小分子生成物揮發(fā)也會導致氣泡的產(chǎn)生。由于本試驗中采用的樹脂為不飽和聚酯，其固化過程中無小分子放出，故本試驗中不必考慮由溶劑及小分子生成物揮發(fā)所導致的氣泡。

2.1 樹脂的宏觀和微觀流動協(xié)調(diào)原則

試驗中，樹脂填充模具的過程存在兩種流動形式：即宏觀流動和微觀流動。宏觀流動指樹脂在纖維束間隙之間的流動；微觀流動即樹脂在纖維束中單絲孔隙間流動。當其中一種流動方式占主導地位時，樹脂的流動前鋒會呈手指狀分布，國外的一些研究者將這一現(xiàn)象稱為手指化現(xiàn)象，樹脂進一步流動，流動前鋒將相互包裹從而形成氣泡（如圖2所示）。

當樹脂的宏觀流動占主導地位時，即樹脂在纖維束間隙的流動超前于纖維單絲孔隙間的流動時，此時樹脂流動前鋒為宏觀流動，其相互包裹從而在纖維單絲孔隙中產(chǎn)生氣泡。

圖2 氣泡的形成機理Fig.2 Formation mechanism of the bubble

因此，要消除該種類型氣泡的產(chǎn)生，就需要協(xié)調(diào)樹脂的宏微觀流動性。樹脂的宏觀流動性主要受樹脂粘度、注射壓力和溫度的影響。而微觀流動性主要依靠樹脂間的毛細力驅(qū)動。在本試驗中，產(chǎn)生氣泡的原因在于微觀流動性相對于宏觀流動性較弱。因此，試驗通過將預制增強纖維放入溫度為60℃干燥爐中干燥5h以提高樹脂的微觀流動性。同時將樹脂注射壓力從0.09MPa降低為0.08MPa以減緩宏觀流動。

2.2 注射試劑無氣泡原則

目前，RTM工藝注射設(shè)備分2種: 壓力罐和定量注射泵。當使用定量注射泵時，樹脂和固化劑可按配比在注射頭中定量混合，且混合過程不會導致氣泡的產(chǎn)生，但該設(shè)備難以清洗，且設(shè)備成本昂貴。對于在試制階段或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，通常采用方便清潔且設(shè)備成本較低的壓力罐。因此，本試驗采用壓力罐作為注射設(shè)備。壓力罐的缺點是不能定量，在注射前需要預先混合樹脂和固化劑，這一過程不可避免會產(chǎn)生氣泡。本試驗通過將樹脂和固化劑混合試劑放入真空箱中保持5min，真空度-0.05MPa，以消除這類氣泡。

2.3 預制材料厚度適中原則

纖維滑移是RTM制件缺陷之一，它的出現(xiàn)使得制件中增強纖維含量分布不均，纖維的鋪層方向發(fā)生改變等，從而導致制件的力學性能下降。纖維的滑移通常是由于纖維鋪層厚度不足、注射過程的壓力過大導致。試驗初期采用的預制纖維增強體的厚度為4.84mm（模具型腔間隙5mm），獲得初始制品，纖維材料向冒口附近滑移；然后重新選擇預制纖維鋪層，其厚度為5mm，獲得無纖維滑移的制品。

2.4 減小邊界效應原則

干斑是由于樹脂未能充分浸漬纖維而在制品表面出現(xiàn)局部纖維增強體外露的缺陷。通常，這類缺陷主要通過選擇合適的注口冒口來消除。但此方法僅適用于模具制作前對缺陷的預防, 對于已有模具，這一方法并不適用。試驗發(fā)現(xiàn)，干斑形成的一個主要影響因素是邊界效應。邊界效應[4]指在靠近模具的邊緣處，由于缺少增強纖維，此處樹脂的滲透率略高，因而在邊界處出現(xiàn)樹脂流動超前的現(xiàn)象（圖3）。

圖3 樹脂的邊界效應Fig.3 Boundary effect of resin

為了在數(shù)學上解決邊界效應中的流體計算問題，Parna等[5]提出在模具邊緣處應用Navier Stokes方程，樹脂在纖維中流動采用Brinkman方程。為了避免繁復的計算，F(xiàn)ong等[6]提出利用滲透率的局部均勻性，從而獲得流體在邊界處的簡化計算方法：

式中，kcanal表示樹脂在模具邊緣處的滲透率，kf表示樹脂在附近纖維的滲透率，k表示樹脂在纖維增強材料和模具邊緣處中流動的平均滲透率。

根據(jù)以上邊界處流體的計算方法，本文提出了一種減少邊界效應的方法：在鋪放好預制纖維周圍布置短玻纖維，即通過減少ec達到減少邊界效應的方法。

3 RTM改進工藝實例

本文提出了的適合小批量生產(chǎn)或產(chǎn)品試制過程的RTM改進工藝如圖4所示。具體的改進部分如下： （1）為了消除氣泡的產(chǎn)生，基于上文提出的樹脂宏微觀流動協(xié)調(diào)原則和注射試劑無氣泡原則，需選擇合適的注射壓力（0.08MPa）和纖維的干燥處理方法（60℃，5h），同時注射前處理混合試劑，以消除氣泡；（2）對于纖維滑移缺陷，需通過重新選擇增強纖維厚度，降低注射壓力，以消除纖維滑移缺陷； （3）對于不能重新選擇澆口和冒口位置的模具，需通過在預制纖維周圍鋪放玻璃短纖消除干斑。根據(jù)以上原則按RTM改進工藝進行試驗，脫模后獲得合格RTM制品。

圖4 RTM改進工藝流程Fig.4 Improved process flow of RTM

4 結(jié)論

本文應用傳統(tǒng)的RTM工藝流程獲得了有缺陷的復合材料制件。結(jié)合缺陷控制理論進行分析和試驗研究，提出了適合于小批量RTM工藝生產(chǎn)或產(chǎn)品試制過程的缺陷控制4原則和一套符合生產(chǎn)實際的RTM改進工藝生產(chǎn)流程。經(jīng)驗證表明：改進的工藝生產(chǎn)流程解決了RTM制品中的氣泡、滑移和干斑缺陷，對于RTM的實驗室研究和工業(yè)試制過程均有一定的指導意義。

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[4] Carronier D. Approche intégrée du RTM. Paris: HERMèS, 1996:45-46.

[5] Parna R S, Frederick R, Phelan Jr F R. The effects of heterogeneities in resin transfer molding preforms on mold filling//Proceedings of 36th International SAMPE Symposium.1991:506-520.

[6] Fong L H, Lee L J. Preforming analysis of thermoformable fiber mats preforming effets on mold filling. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 1994, 13(7):637-663.