復(fù)合材料的原材料包括樹脂、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：
樹脂：主要為聚酯
纖維：粗玻璃纖維紗
芯材：無，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脂
3) 模具成本低廉
主要缺點(diǎn)：
1) 層合板易形成樹脂富集區(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，如敞篷車車身、卡車整流罩、浴缸和小型船艇
二、手糊成型
方法描述：
手動(dòng)將樹脂浸潤(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，然后用膠滾擠壓樹脂使之滲入纖維。層合板置于常壓下固化。
材料選擇：
樹脂：無要求，環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯、酚醛樹脂均可
纖維：無要求，但是基重較大的芳綸纖維難以手糊浸潤(rùn)
芯材：無要求
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) 樹脂混合、層合板樹脂含量和品質(zhì)與操作人員的熟練程度密切相關(guān)，難以獲得低樹脂含量且低孔隙率的層合板
2) 樹脂的健康和安全隱患，手糊樹脂分子量越低，潛在的健康威脅就越大，粘度越低意味著樹脂越容易滲透員工的工作服從而直接接觸皮膚
3) 如果沒有安裝良好的通風(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：
樹脂：主要為環(huán)氧和酚醛樹脂，聚酯和聚乙烯基酯不適用，因?yàn)樗鼈兒斜揭蚁瑩]發(fā)進(jìn)入真空泵
纖維：無要求，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，樹脂充分流動(dòng)提高了纖維的浸潤(rùn)程度，當(dāng)然部分樹脂會(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) 樹脂混合及樹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，賽車零部件，船舶制造過程中芯材的粘結(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)過樹脂浸潤(rùn)后沿各種方向纏繞在芯軸上，工藝過程由纏繞機(jī)和芯軸轉(zhuǎn)速控制。
材料選擇：
樹脂：無要求，如環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等
纖維：無要求，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） 可通過測(cè)定穿過樹脂槽的纖維束攜帶樹脂量控制樹脂含量
3） 纖維成本最小化，無中間編織工藝
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加熱盤，在加熱盤完成樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)，并且控制樹脂含量，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。擠拉成型是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程，制品截面通常有固定形狀，允許有微小變化。將通過熱盤的預(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：
樹脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯基酯和酚醛樹脂等
纖維：無要求
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） 樹脂含量控制精確
3） 纖維成本最小化，無中間編織工藝
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，再將樹脂注入型腔。通常采用真空輔助樹脂的注入和對(duì)纖維的浸潤(rùn)，即真空輔助樹脂注入工藝（VARI）。一旦纖維浸潤(rùn)完成，即關(guān)閉樹脂導(dǎo)入閥，并將復(fù)合材料進(jìn)行固化。樹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：
樹脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯和酚醛樹脂，雙馬來酰亞胺樹脂可以在高溫下使用
纖維：無要求。縫合纖維更適合此工藝，因?yàn)槔w維束間隙利于樹脂傳送；有專門研發(fā)的纖維可以促進(jìn)樹脂流動(dòng)
芯材：蜂窩泡沫不適用，因?yàn)榉涓C單元將被樹脂充滿，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)和汽車零部件，火車座椅
七、其他灌注工藝 - SCRIMP，RIFT，VARTM等
方法描述:
將干纖維以類似與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)，將樹脂導(dǎo)入整個(gè)鋪層結(jié)構(gòu)。樹脂在層合板中的分布依靠導(dǎo)流網(wǎng)引導(dǎo)樹脂流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，最后自上而下將干纖維完全浸潤(rùn)。
材料選擇：
樹脂：通常為環(huán)氧、聚酯、聚乙烯酯樹脂
纖維：任何常見纖維。縫合纖維更適合此工藝，因?yàn)槔w維束間隙加速樹脂傳送
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)無法避免
2) 樹脂粘度必須非常低，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，火車和卡車的車身板，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。加熱后樹脂可以再次流動(dòng)，并最終固化。可以用高壓釜對(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：
樹脂：通常為環(huán)氧、聚酯、酚醛樹脂，耐高溫樹脂如聚酰亞胺、氰酸酯和雙馬來酰亞胺也可使用
纖維：無要求。纖維束或纖維布均可
芯材：無要求，但泡沫需耐高溫高壓
主要優(yōu)點(diǎn)：
1） 樹脂和固化劑比例以及樹脂含量均由供應(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，無需中間工藝將纖維織成布
4） 制造工藝要求樹脂高粘度浸潤(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
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：
樹脂：通常僅環(huán)氧樹脂
纖維：無要求，與傳統(tǒng)預(yù)浸料一樣
芯材：無要求，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)即可滿足固化要求
4） 常見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，固瑞特推出了一系列具有專利技術(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：
樹脂：多為環(huán)氧樹脂，其他樹脂也可用
纖維：無要求
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)
（來源：復(fù)材應(yīng)用技術(shù)）
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