楊 青 潘利劍

（1.上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新研究院有限公司，上海 201512；2.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620）

模壓工藝是一種應(yīng)用非常廣泛的復(fù)合材料零件制造工藝，常見(jiàn)于片狀模塑（SMC）和玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂（GMT）等材料的成型［1-2］。濕法模壓工藝屬于其中的一種，也被稱為液體模壓成型，該工藝生產(chǎn)過(guò)程較簡(jiǎn)單，且成型速度快，適合大批量的零件制造；缺點(diǎn)在于樹(shù)脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)達(dá)不到熱壓罐和液體成型VARI的水平，不符合傳統(tǒng)航空航天領(lǐng)域的使用要求，因而相關(guān)的研究較少。隨著該工藝在汽車(chē)車(chē)身零部件中的成功應(yīng)用，既滿足了汽車(chē)次承力結(jié)構(gòu)的使用要求，達(dá)到輕量化效果，且非常適合汽車(chē)行業(yè)大批量生產(chǎn)，因而重新成為關(guān)注和研究的熱點(diǎn)［3-5］。

1 試驗(yàn)

濕法模壓工藝成型過(guò)程中，首先是將液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂澆注到纖維織物上，然后樹(shù)脂在適當(dāng)?shù)臏囟?、時(shí)間和固化壓力下，完成對(duì)纖維織物的浸潤(rùn)和固化成型。濕法模壓工藝的應(yīng)用價(jià)值在于快速成型，因此只有使用快速固化樹(shù)脂體系才能發(fā)揮這項(xiàng)工藝自身的特點(diǎn)。

文章選用的是一種中溫快速固化樹(shù)脂，該樹(shù)脂是單組分復(fù)配型環(huán)氧樹(shù)脂，不需要另加固化劑，可免脫泡使用。用流變儀作該樹(shù)脂的升溫黏度曲線，發(fā)現(xiàn)該樹(shù)脂的黏度隨著溫度呈現(xiàn)明顯的先減小后增大的趨勢(shì)，且在120℃時(shí)，黏度非常小，僅為46 mPa·s，能對(duì)纖維進(jìn)行很好的浸潤(rùn)。

隨著溫度的升高，該樹(shù)脂凝膠時(shí)間減少趨勢(shì)很明顯，在80～120℃區(qū)間內(nèi)黏度僅有60mPa·s，具有很好的流動(dòng)性。選擇80℃作為樹(shù)脂預(yù)熱溫度，有近1 h凝膠時(shí)間，不僅能夠節(jié)省加熱時(shí)間，還能節(jié)省能耗。纖維織物被樹(shù)脂浸潤(rùn)后，選擇120℃作為固化溫度，僅需不到10 min就能完全固化，實(shí)際生產(chǎn)中可以保持較高的制造效率。

碳纖維織物方面，選取Toray-T700-3k平紋織物（200 g／m2），10層疊合后，放置在模具內(nèi)，根據(jù)不同試驗(yàn)方案，進(jìn)行模壓成型。

試驗(yàn)過(guò)程中，為了確保樹(shù)脂和纖維能夠充分浸潤(rùn)，在樹(shù)脂噴涂完成后加壓前，靜置一段時(shí)間。采用VARI成型工藝進(jìn)行參數(shù)摸索，在使用導(dǎo)流網(wǎng)0.1 MPa壓力下，80℃樹(shù)脂6.5 min能夠完成浸潤(rùn)過(guò)程（使用導(dǎo)流網(wǎng)）。因此，選取0 min、2 min、4 min、10 min這幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，作為后續(xù)試驗(yàn)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化壓力對(duì)試樣性能的影響

在濕法模壓成型工藝的過(guò)程中，壓力的主要作用有：增加樹(shù)脂的流動(dòng)性，完成對(duì)織物鋪層的浸潤(rùn)；提高制件結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，減少制件中孔隙、分層等缺陷的產(chǎn)生。首先參考VARI工藝0.1 MPa的固化壓力進(jìn)行試制，但是發(fā)現(xiàn)此工況下，試樣內(nèi)部存在較大的干斑缺陷。因而，在正式試驗(yàn)制樣時(shí)，采取2倍、5倍、10倍和15倍大氣壓（即0.2 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa）進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行此工況試驗(yàn)時(shí)，樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為0 min，即纖維織物噴淋樹(shù)脂后，立刻合模升溫成型。

固化成型后，對(duì)試樣的厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1～2。

圖1 固化壓力與厚度的關(guān)系

由圖1可以發(fā)現(xiàn)：隨著壓力的增加，試樣厚度呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明固化壓力越大，試驗(yàn)的壓實(shí)程度越高，當(dāng)壓力為1.5 MPa時(shí)，厚度為1.62 mm。由圖2可以看出：隨著壓力的增加，試樣樹(shù)脂含量降低，纖維體積分?jǐn)?shù)提高，當(dāng)壓力從0.2 MPa增加到1.0 MPa時(shí)，試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)有顯著增加，達(dá)到65.5%；但是當(dāng)壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)降低至65.2%。結(jié)合圖1～2可以看出：當(dāng)壓力大于1.0 MPa后，試樣厚度進(jìn)一步降低，但是纖維體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有隨之增加，反而略有下降，說(shuō)明過(guò)大的壓力導(dǎo)致纖維致密度增加，影響了樹(shù)脂的浸潤(rùn)。

圖2 固化壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

對(duì)上述試樣按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)制作樣條，進(jìn)行拉伸、壓縮等力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3～4。

圖3 不同固化壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)固化壓力從0.2 MPa增加到0.5 MPa時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度增加較明顯，最大值達(dá)到595.3 MPa；當(dāng)壓力大于1.0 MPa后，抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明0.2～1.0 MPa區(qū)間內(nèi)施加壓力可以顯著減小試樣內(nèi)部缺陷。同理，由圖4也可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)壓力為1.0 MPa時(shí)，試樣纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，此時(shí)試樣的強(qiáng)度最好；當(dāng)固化壓力從0.2 MPa向1.0 MPa增加的過(guò)程中，壓縮強(qiáng)度不斷增加，1.0 MP壓力下，壓縮強(qiáng)度最大，達(dá)到330.2 MPa；當(dāng)繼續(xù)增加壓力，達(dá)到1.5 MPa時(shí)，壓縮強(qiáng)度反而降低至322.0 MPa。這說(shuō)明開(kāi)始時(shí)壓力增加有利于樹(shù)脂在纖維內(nèi)部的流動(dòng)和浸潤(rùn)，促進(jìn)樹(shù)脂和纖維的結(jié)合力增加。當(dāng)壓力超過(guò)1.0 MPa后，壓力使纖維織物堆疊更加緊密，影響樹(shù)脂與纖維浸潤(rùn)，材料發(fā)生了貧樹(shù)脂現(xiàn)象，纖維體積分?jǐn)?shù)下降，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度顯著降低。

圖4 不同固化壓力對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響

2.2 樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)試樣性能的影響

為了進(jìn)一步考察樹(shù)脂纖維的浸潤(rùn)效果對(duì)試樣性能的影響，研究1.0 MPa壓力下，不同浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)材料性能的影響。

依據(jù)上述工藝參數(shù)，分別進(jìn)行制樣，測(cè)試不同浸潤(rùn)時(shí)間下試樣厚度變化和纖維體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5～6。

圖5 浸潤(rùn)時(shí)間與厚度的關(guān)系

由圖5可以看出：隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，試樣厚度呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為4 min時(shí)，試樣厚度為1.65 mm；進(jìn)一步將時(shí)間增加到10 min，試樣厚度為1.6 mm，變化非常小。這說(shuō)明浸潤(rùn)時(shí)間增加有利于樹(shù)脂和纖維的浸潤(rùn)，另一方面也說(shuō)明，1.6 mm是纖維織物在1.0 MPa壓力下能夠壓縮到的最小厚度。同理，由圖6也可以看出：隨著浸潤(rùn)時(shí)間增加，纖維體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越高，說(shuō)明浸潤(rùn)時(shí)間的增加有利于樹(shù)脂和纖維的浸潤(rùn)。當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為4 min時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到66.8%；當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為10 min時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)僅為67.1%，說(shuō)明浸潤(rùn)時(shí)間的增加對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)的影響不再明顯，纖維織物中浸潤(rùn)的樹(shù)脂量已達(dá)到飽和。

圖6 浸潤(rùn)時(shí)間與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

針對(duì)上述樣品依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)制作樣條，進(jìn)行拉伸和壓縮性能的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖7～8。

圖7 不同浸潤(rùn)時(shí)間下的拉伸強(qiáng)度

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，材料的抗拉強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為4 min時(shí)，抗拉強(qiáng)度從595.3 MPa快速增加到629.8 MPa，試樣強(qiáng)度的增加非常顯著；而當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間大于4 min，抗拉強(qiáng)度僅增加到634.2MPa，增加較為緩慢。由圖8可以發(fā)現(xiàn)：試樣的抗壓強(qiáng)度也隨浸潤(rùn)時(shí)間增加不斷增強(qiáng)，當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為4 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度從330.3 MPa迅速增加到363.4 MPa，增加非常顯著；而當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為10 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅僅增加了4 MPa，達(dá)到367.0 MPa。即當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間小于4 min時(shí)的纖維體積分?jǐn)?shù)增加最快。因而在實(shí)際的生產(chǎn)中選擇4 min的浸潤(rùn)時(shí)間是比較合適的。

圖8 不同浸潤(rùn)時(shí)間下的壓縮強(qiáng)度

2.3 模具真空負(fù)壓對(duì)試樣性能的影響

為了增加纖維織物內(nèi)部氣泡的排除速度，增加樹(shù)脂的浸潤(rùn)速度，考察對(duì)模具腔體抽真空負(fù)壓0 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa 3種參數(shù)對(duì)試樣性能的影響。制樣過(guò)程中，抽真空時(shí)間為1 min，不再單獨(dú)增加樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間，合模固化壓力仍為1.0 MPa。

首先測(cè)試不同真空度下，試樣厚度變化和纖維體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9～10。

圖9 真空負(fù)壓與厚度的關(guān)系

由圖9可以看出：隨著真空負(fù)壓的增加，試樣厚度呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)壓為0.10 MPa時(shí)，試樣厚度為1.6 mm。由圖10可以發(fā)現(xiàn)：雖然試樣厚度隨真空負(fù)壓的增加而變小，但是纖維體積分?jǐn)?shù)則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，負(fù)壓為0.05 MPa時(shí)纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值66.9%，隨著真空負(fù)壓的繼續(xù)增加，纖維體積分?jǐn)?shù)顯著減小至64.3%。這說(shuō)明隨著真空負(fù)壓的增加，可能有部分樹(shù)脂被負(fù)壓抽走，造成纖維織物內(nèi)部貧樹(shù)脂。

圖10 真空負(fù)壓與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

針對(duì)上述樣品依據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)制造樣條，進(jìn)行拉伸和壓縮性能的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖11～12。

圖11 不同真空負(fù)壓下的拉伸強(qiáng)度

由圖11可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)負(fù)壓增加到0.05 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度有較顯著地提升，從601.5 MPa提高至633.5 MPa；但是隨著負(fù)壓增加到0.10 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度卻略有下降。由圖12可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)負(fù)壓增加到0.05 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度有較顯著地提升，達(dá)到329.0 MPa；但是當(dāng)負(fù)壓增加到0.10 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度大幅度下降至298.6 MPa，說(shuō)明此時(shí)樹(shù)脂和纖維結(jié)合力嚴(yán)重下降。結(jié)合試樣纖維體積分?jǐn)?shù)的變化情況，說(shuō)明當(dāng)負(fù)壓進(jìn)一步增加時(shí)，材料中的樹(shù)脂可能被抽走，造成了材料貧樹(shù)脂情況的發(fā)生。

圖12 不同真空負(fù)壓下的壓縮強(qiáng)度

對(duì)真空負(fù)壓0.05 MPa和0.10 MPa的試樣進(jìn)行金相分析，得到放大200倍情況下的圖像。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，真空負(fù)壓0.05 MPa的材料致密性較好，而真空負(fù)壓0.05 MPa的纖維夾雜的黑色孔洞較多。黑色孔洞代表纖維內(nèi)部的貧樹(shù)脂缺陷，說(shuō)明隨著負(fù)壓的進(jìn)一步增加，有部分樹(shù)脂被抽走，印證了前面的分析結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）固化壓力對(duì)試樣性能有較大影響，壓力太小，不利于樹(shù)脂在纖維織物內(nèi)部流動(dòng)和浸潤(rùn)；而壓力太大，會(huì)使纖維織物過(guò)于致密，導(dǎo)致樹(shù)脂在完成充分浸潤(rùn)前就被擠出，從而試樣內(nèi)部出現(xiàn)顯著缺陷。因此只有在合理的壓力區(qū)間，才能使試樣獲得較好的力學(xué)性能。

（2）增加浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)試樣內(nèi)部質(zhì)量有非常顯著的影響，浸潤(rùn)時(shí)間越長(zhǎng)零件質(zhì)量越好，但是過(guò)長(zhǎng)的浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)于試樣性能的提升不再顯著。因此生產(chǎn)中需要根據(jù)實(shí)際情況采取合理的浸潤(rùn)時(shí)間，達(dá)到質(zhì)量和效率的平衡。

（3）模腔真空負(fù)壓的施加，對(duì)于試樣力學(xué)性能有顯著影響，施加一定的真空負(fù)壓，有利于纖維織物內(nèi)部空氣的排除，可以提高樹(shù)脂和纖維的浸潤(rùn)效果，但是真空負(fù)壓的抽氣裝置要合理設(shè)計(jì)，防止在較大負(fù)壓下將樹(shù)脂抽走，影響零件質(zhì)量。

（4）當(dāng)固化壓力為1.0 MPa，浸潤(rùn)時(shí)間大于4 min，或模具真空負(fù)壓為0.05 MPa時(shí)，所制造試樣的拉伸強(qiáng)度均大于630 MPa，壓縮強(qiáng)度均大于320 MPa，說(shuō)明濕法模壓工藝制造碳纖維復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度，完全可以滿足汽車(chē)次承力結(jié)構(gòu)件的使用要求。