摘 要 纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、可設(shè)計等多種優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。作為復(fù)合材料成型工藝的一種，樹脂傳遞成型工藝（Resin Transfer Molding，RTM）是一種高質(zhì)量、高精度、低成本、綠色化的閉模成型工藝。以Darcy定律為基礎(chǔ)的RTM仿真技術(shù)能夠快速地模擬出樹脂在成型時的浸潤狀態(tài)，為RTM工藝提供了設(shè)計參考，降低了試錯率。本文依據(jù)計算機(jī)仿真技術(shù)，通過對原材料的測試、模具的設(shè)計和工藝參數(shù)的優(yōu)化，成功制備了碳纖維槽鋼，其孔隙率、纖維體積含量、固化度及內(nèi)部質(zhì)量等理化性能充分達(dá)到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；RTM；碳纖維槽鋼；計算機(jī)輔助技術(shù)

Simulation and Preparation of Resin Transfer Molding

Process for Carbon Fiber Channel Steel

LIU Xinyi ， ZOU Hongyang， LI Mu ， SU Yading ， ZHANG Yunfeng ， YU Baifeng

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Fiber composite materials have various advantages such as high specific strength， high specific stiffness， corrosion resistance， and designability， and are widely used in various industries. As a type of composite material molding process， Resin Transfer Molding （RTM） is a high-quality， high-precision， low-cost， and environmentally friendly closed mold molding process. The RTM simulation technology based on Darcy's law can quickly simulate the wetting state of resin during molding， providing design reference for RTM process and reducing the trial and error rate. Based on computer simulation technology， this article successfully prepared carbon fiber channel steel through testing of raw materials， design of molds， and optimization of process parameters. Its physical and chemical properties such as porosity， fiber volume content， curing degree， and internal quality fully meet the design requirements.

KEYWORDS composite material; RTM; carbon fiber channel steel; computer-aided technology

1 引言

纖維復(fù)合材料作為輕質(zhì)高強(qiáng)的典型材料體系[ 2]，具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、抗疲勞性能好、強(qiáng)度可設(shè)計等多種優(yōu)點[3]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器軍工、汽車工業(yè)、風(fēng)電等行業(yè)[4-7]。特別在建筑及工程領(lǐng)域[8-10]，大型復(fù)合材料型材具有較大的潛力，而樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）技術(shù)已成為大型結(jié)構(gòu)型材的優(yōu)勢工藝[11-13]。RTM工藝作為閉模成型的一種，具有低成本、綠色化、質(zhì)量穩(wěn)定等多種優(yōu)勢，隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式多種多樣，RTM隨之衍生出多種成型工藝[14]。本文借鑒高壓注射樹脂傳遞成型（HP-IRTM）的工藝思路，依托于計算機(jī)輔助技術(shù)，探究在較低壓力下、高真空環(huán)境的RTM成型，使其不僅具有HP-IRTM工藝的快速高效，又降低了設(shè)備依賴，同時提高產(chǎn)品成型質(zhì)量，并成功研制出具有一定厚度和較大長度的碳纖維槽鋼。

2 材料與設(shè)備

碳纖維槽鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，為一截面類“U”型或類“C”型的凹槽長條結(jié)構(gòu)，主要用于機(jī)械支撐及導(dǎo)向作用，產(chǎn)品規(guī)格為腰高90 mm，腿寬255 mm，腰厚10.5 mm，整體長度為4000 mm。

樹脂基復(fù)合材料成型工藝眾多，以纖維纏繞、拉擠、手糊及模壓成型等最為廣泛，隨著認(rèn)識的深入及材料和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，以預(yù)浸料作為中間材

料的對模鋪放成型、熱壓罐成型、自動鋪絲等成型方式應(yīng)用也越來越廣，RTM及其衍生工藝以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢同樣占有較高地位。碳纖維槽鋼成型工藝綜合考慮表1多種復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)缺點[15，16]，根據(jù)其應(yīng)用場景，優(yōu)選出拉擠工藝、對模鋪放成型及RTM工藝。但作為承力及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，需有一定比例的環(huán)向鋪層，對于以縱向為主方向的拉擠成型工藝，難以保證該長度下槽鋼的平面度、直線度等公差要求，若采用預(yù)浸料對模成型，其成型效率及成本又相對較高，因此，最終將RTM工藝作為碳纖維槽鋼成型的第一選擇。

碳纖維槽鋼成型設(shè)備主要有提供真空環(huán)境的真空泵系統(tǒng)，RTM過程的雙組份環(huán)氧注膠機(jī)以及固化過程的加熱爐，如表2所示。材料將采用哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司的T700級碳纖維織物和增韌環(huán)氧樹脂。樹脂性能如表3所示，理論上RTM用樹脂在使用期內(nèi)粘度為100～500 Cps較佳[17]，該樹脂是一種雙組份的高性能環(huán)氧樹脂體系，具有低粘度、可操作時間長、工藝性能好等優(yōu)點，并且在適當(dāng)?shù)臏囟认驴梢钥焖俟袒哂袃?yōu)異的力學(xué)性能和極強(qiáng)的纖維粘接性。

3 工藝設(shè)計與制造

3.1 模具設(shè)計

RTM成型工藝中大部分成本在模具和夾緊裝置上。模具設(shè)計依據(jù)有限元仿真分析設(shè)計厚度或加筋、加肋，防止其在合模過程時的密封條壓緊力，纖維織物因蓬松受壓時的抵抗力，以及樹脂注入過程中的壓力引入導(dǎo)致模具變形，甚至超過設(shè)計值。但由于密封條所在處為法蘭區(qū)，模具厚度大，RTM工藝?yán)w維體積含量相對較低，因此本次模具設(shè)計主要以樹脂注入過程中的壓力作為計算條件，以產(chǎn)品公差要求的1/2和材料許用應(yīng)力為設(shè)計要求。最終模具材質(zhì)選用45#鋼，外形尺寸為4500×355×195 mm，壁厚50 mm的箱式結(jié)構(gòu)，分為上模具、下模具、頂出板及脫模板等結(jié)構(gòu)。密封設(shè)計為φ10 mm的硅橡膠密封條，鎖緊螺栓為M16，8.8級。

3.2 流道設(shè)計

樹脂浸潤過程是復(fù)合材料液體成型工藝的關(guān)鍵步驟。由于RTM為閉模成型工藝，對模具和工藝參數(shù)的設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗法或試錯法，往往需要多輪試驗后才可固化模具及工藝參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計周期長、效率低，且成本高[18]。隨著計算機(jī)仿輔助技術(shù)的發(fā)展，以Darcy定律為基礎(chǔ)的RTM仿真技術(shù)正逐步應(yīng)用于設(shè)計過程，Darcy定律[19，20]表達(dá)式如下，是對雷諾數(shù)＜1的流動狀態(tài)的合理預(yù)測[21]。

=-Kμ P

式中，為RTM過程的纖維浸潤速率，K為纖維的滲透率，μ為基體樹脂的粘度，P為流動前后的壓力差。由于RTM過程的纖維增強(qiáng)材料已確定，可認(rèn)為滲透率為一定值，因此如何提高纖維浸潤時的壓力差，降低樹脂的粘度，是RTM成型過程的關(guān)鍵因素[22]。

本文依據(jù)碳纖維槽鋼結(jié)構(gòu)形狀，對RTM成型過程進(jìn)行了建模和仿真，優(yōu)化了流道設(shè)計和成型工藝參數(shù)。流道設(shè)計過程分為兩種方案，其中方案一為1#口注膠，2#及3#口抽真空，方案二為2#口注膠，3#口作為真空通道。采用國內(nèi)外主流的RTM仿真軟件對兩種方案進(jìn)行分析，計算參數(shù)取值如表4所示，假定充填過程中樹脂粘度為常數(shù)，不隨時間和溫度變化。

如圖4所示，方案一、方案二均完成了樹脂浸潤，經(jīng)后續(xù)試驗也驗證了該結(jié)果，其中方案一成型時間為31 min，方案二為109 min，充填曲線放大后呈階梯狀主要受計算軟件精度影響?？梢钥闯觯瑑煞N方案整體表現(xiàn)為開始時浸潤速度快，后趨于變緩，最后略有增加，這是因為樹脂在充填過程中，一方面受注膠口處機(jī)械推動，另一方面也受真空口處的牽引，而二者均與距離成負(fù)相關(guān)，即距離越近，效果越明顯。隨著浸潤的進(jìn)行，樹脂流動前端逐漸遠(yuǎn)離注膠口，注膠阻力逐漸加大，速度變緩，而越接近真空口，越受真空負(fù)壓的牽引，促進(jìn)了纖維的浸潤過程。方案二時間長于方案一，是因為其流道過長，平均浸潤速率又低。根據(jù)計算結(jié)果，優(yōu)選了方案一的流道設(shè)計方案。在模具設(shè)計過程中，將注膠口和真空口均設(shè)計成帶有一定角度的錐型結(jié)構(gòu)，以便該處的脫模。

3.3 工藝成型

碳纖維槽鋼成型過程主要分為預(yù)成型制造階段、RTM成型階段、機(jī)械加工階段及終檢出廠階段，如圖6所示。

3.3.1 預(yù)成型坯制造

對模具表面進(jìn)行清潔處理并涂抹脫模劑3～4次。根據(jù)產(chǎn)品尺寸要求進(jìn)行纖維織物裁剪，首先在下模具上鋪放碳纖維織物，由于產(chǎn)品尺寸較厚，故采用了面密度1000 g/m2的雙軸向布進(jìn)行鋪放，過程中采用3M膠定型并與模具貼合，如圖7所示。

3.3.2 RTM成型

真空度：在不考慮流道設(shè)計情況下，密閉模腔內(nèi)的真空度等級越高越好，以防止樹脂流動過程包裹空氣，形成“氣團(tuán)”，造成浸潤不良。故在該產(chǎn)品的研制過程中，將持續(xù)對密閉模具抽真空，本產(chǎn)品模腔內(nèi)真空度不低于500 Pa。

注膠溫度：理論上樹脂粘度越低，樹脂流動阻力越小，纖維浸潤越好。環(huán)氧樹脂粘度通常表現(xiàn)為隨著溫度的升高而逐漸降低，但同時溫度的升高也增加了樹脂體系的反應(yīng)速率。因此，注膠溫度的選擇取決于樹脂體系的活化期和最小粘度溫度，使其既滿足成型時間，避免RTM過程中樹脂快速固化浸潤不良，又不使注膠溫度過低，樹脂粘度增大而提高注膠壓力。如圖8所示，成型樹脂由50 ℃升溫至60 ℃時，粘度仍下降超10 %，而升溫至70 ℃時，樹脂粘度略有升高。故綜合考慮樹脂粘度、適用期、成型時間及設(shè)備的可承受能力，樹脂的預(yù)熱溫度暫定為60 ℃，同時測量該樹脂在恒溫60 ℃時的粘度變化，樹脂隨著溫度的升高及時間的延長，逐漸發(fā)生聚合反應(yīng)，宏觀表現(xiàn)為粘度增大且越來越快。在60 min內(nèi)樹脂粘度變化不大，滿足30 min成型時間要求，故RTM成型時樹脂加熱溫度最終定為60 ℃。

注膠壓力：注膠壓力是RTM工藝中的重要參數(shù)。壓力過大，會造成模具損壞或模具工裝成本過高以及模腔內(nèi)纖維預(yù)成型體的位移和變形，導(dǎo)致微小氣泡不易排除；壓力過小，易造成充模不完全。兩種情況都會致使工藝失敗。注膠壓力是決定RTM制品質(zhì)量的關(guān)鍵要素。由于本工藝是借鑒HP-RTM工藝的理論原理，即采用一定壓力注膠的形式，將樹脂完全灌入模腔，該方式降低了對樹脂流動通道的設(shè)計依賴，但對成型用設(shè)備也提出了一定要求，即樹脂灌注過程應(yīng)達(dá)到一定的壓力值，才能保證纖維的完全浸潤。因此，合理的注膠壓力設(shè)計是保證關(guān)鍵件成型過程的要素之一。如圖10所示，樹脂充填時間隨注膠壓力的升高而逐漸降低，但逐步趨于緩慢，主要因為采用橫流注射，對于低壓力時，壓力作為主要影響因素，而高壓力時，滲透率和粘度影響較大。但實際生產(chǎn)中，如圖11所示，壓力或流速增大將造成纖維的褶皺，導(dǎo)致局部纖維體積含量增加，滲透率降低，不利于浸潤過程，本次成型壓力最終選為2 MPa。

注膠速度：在一定注射壓力下，注膠速度取決于樹脂對纖維的潤濕性和樹脂的表面張力及粘度，受樹脂的活化期、注射設(shè)備的性能、模具強(qiáng)度、制件的尺寸和纖維含量的制約。若流速過快，會造成纖維沖刷嚴(yán)重，若流速較慢，不僅降低了成型效率，甚至可能在樹脂試用期內(nèi)難以完全充填模腔，造成局部樹脂固化浸潤不良，導(dǎo)致成型失敗。因此在前期計算基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的注膠速度將采用梯度設(shè)計，即從3 g/s逐步增加至5 g/s。

在預(yù)成型坯制造完成后，鎖緊模具，安裝閥體。首先關(guān)閉注膠閥，打開真空閥，并啟動真空設(shè)備，對密閉模腔進(jìn)行抽真空，過程中應(yīng)檢查接口處是否存在漏氣現(xiàn)象。待真空設(shè)備真空度顯示為500 Pa或更高，打開注膠閥和注膠設(shè)備，開始灌注過程，待真空閥處溢膠，及時關(guān)閉真空閥和注膠閥，切斷連接管路，完成注膠過程。

3.3.3 固化及脫模

依據(jù)DSC結(jié)果，確定成型樹脂的固化制度。由于RTM為帶有外模具的固化，固化溫度和時間需考慮模具的傳熱，涉及模具的材質(zhì)和厚度，如圖12所示，碳纖維槽鋼的固化時間由理論的5 h調(diào)整為9 h。

待模具冷卻至室溫時進(jìn)行脫模，首先拆去鎖緊螺栓，利用模具頂出機(jī)構(gòu)拆卸上模具，端部安裝脫模端板，利用螺栓頂出設(shè)計將碳纖維槽鋼沿長度方向脫出。

4 理化性能分析

首先對碳纖維槽鋼進(jìn)行表觀檢查，可見外部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)干斑、貧膠等缺陷。采用游標(biāo)卡尺對產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測量，其尺寸公差均小于設(shè)計要求的±0.2 mm。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對碳纖維槽鋼的纖維體積含量、孔隙率、固化度及硬度進(jìn)行了測試。如下表所示所示，纖維體積含量為56.10 %，孔隙率為0.17 %，固化度為98.25 %，巴氏硬度67.24 Hba，均達(dá)到設(shè)計要求。在超聲波探傷檢測階段，采用奧林巴斯超聲探傷儀，掃描速度小于50 mm/s，掃描間距小于2 mm，進(jìn)行鋸齒形掃查，結(jié)果顯示產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)異，無疏松、架橋或分層等缺陷。

5 總結(jié)與展望

本文首先通過計算機(jī)輔助技術(shù)對碳纖維槽鋼進(jìn)行了流道設(shè)計，其次采用RTM工藝成功研制了較大長度、較高壁厚及高質(zhì)量的碳纖維槽鋼。但在RTM成型階段，實際灌注時間約為24 min，小于仿真分析的31 min，是因為纖維在裁剪時邊緣參差不齊，形成了更大滲透率的樹脂流動通道，促進(jìn)了樹脂的浸潤過程。然而，RTM仿真技術(shù)對流道設(shè)計提供了定性分析，讓流道設(shè)計更加優(yōu)化和合理，指導(dǎo)了生產(chǎn)。與工業(yè)生產(chǎn)相融合的計算機(jī)仿真技術(shù)將為RTM提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步推進(jìn)RTM及其衍生工藝的應(yīng)用和普及。

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