淺議RTM復(fù)合材料的應(yīng)用

周子森

摘 要：RTM工藝是一種閉模成型技術(shù)，是復(fù)合材料低成本液體成形技術(shù)之一。文章通過介紹RTM復(fù)合材料在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用，來闡述RTM復(fù)合材料的特征。

關(guān)鍵詞：RTM；復(fù)合材料；應(yīng)用

1.RTM工藝簡述

RTM工藝是一種閉模成型技術(shù)，是復(fù)合材料低成本液體成形技術(shù)之一。通過將樹脂注入預(yù)先鋪有預(yù)成型體的閉合模具中即時成型制品，具有成型周期短、對環(huán)境污染危害少、設(shè)備和勞動成本低、能成型復(fù)雜和大型制件的優(yōu)點(diǎn)。所以使其在航空航天、汽車制造、大飛機(jī)、體育器材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化、凈尺寸和快速成形，因而可以以較低的制造成本獲得較高的減重效益。

目前在眾多的復(fù)合材料制造工藝中，樹脂傳遞模型（RTM）是一種最為常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，其基本加工原理為：將纖維預(yù)制件準(zhǔn)確地放入模具內(nèi)，使用夾緊（或加壓）、密封機(jī)構(gòu)將模具緊固閉合，然后將一定壓力、數(shù)量的樹脂注入模具內(nèi)部，加熱整個模具，利用熱量將樹脂固化，待模具完全冷卻后，取出產(chǎn)品進(jìn)行后處理。與其他復(fù)合材料加工工藝相比，RTM工藝具有如下特點(diǎn)：

將纖維預(yù)制件的設(shè)計(jì)與樹脂注入過程分開，易于纖維增強(qiáng)、夾芯及大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)生產(chǎn)，且加工工藝簡單。RTM工藝總投資規(guī)模小。相關(guān)材料損耗少，生產(chǎn)成本較低。RTM 生產(chǎn)過程主要使用密封模具，有害氣體的揮發(fā)量及樹脂污染物較少，利于操作人員的健康和環(huán)境保護(hù)。RTM中纖維預(yù)鋪放，可任意方向增強(qiáng)，制品強(qiáng)度好，制品正反面無玻璃纖維暴露。

2.RTM技術(shù)的分類

RTM技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)衍生出多種成型技術(shù)，主要有：

傳統(tǒng)RTM：成型時閉合模具，向預(yù)制件中注入樹脂，注射壓力約為0.7～1.4MPa，所得產(chǎn)品的纖維體積含量約為20%～45%。

VARTM：制品孔隙較少，纖維體積含量可提高到50%～60%。

RARTM：使用橡膠模具壓緊預(yù)成型體并抽真空，使樹脂在真空作用下被吸入預(yù)制件中，同時也可以給樹脂加壓。產(chǎn)品的纖維體積含量可達(dá)60%以上。

VIP：利用真空將樹脂吸入預(yù)制件中進(jìn)行纖維浸潤，產(chǎn)品的纖維體積含量可達(dá)60%左右。

SCRIPTM：利用真空袋使樹脂加壓浸漬，浸漬速度快，面積廣。樹脂在預(yù)制件的厚度方向也能充分浸漬。但必須使真空袋和軟面模具。

3.RTM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 RTM技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)用

Boeing 公司用編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)RTM技術(shù)制造了“J”形機(jī)骨架。道格拉斯公司采用縫合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體RTM技術(shù)研制了機(jī)翼和機(jī)身蒙皮。對于這種帶加筋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，利用RTM技術(shù)比一般傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型技術(shù)加工時間減少50% 以上，且能提高。

復(fù)合材料的抗沖擊性能，改善制件加強(qiáng)筋和蒙皮之間的整體性。空中客車公司利用碳纖維、玻璃纖維混雜織物作為增強(qiáng)材料，中溫固化環(huán)氧樹脂為基體樹脂，利用RTM技術(shù)批量生產(chǎn)A 321發(fā)動機(jī)吊架尾部整流錐。與模壓技術(shù)相比，獲得了生產(chǎn)成本降低30% 的效果。利用RTM 技術(shù)制備的實(shí)壁結(jié)構(gòu)機(jī)頭雷達(dá)罩，具有剛度高、透波性能好等優(yōu)點(diǎn)，在各種型號飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。BP高級材料公司使用 RTM 技術(shù)成型了具有蜂窩式芯型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)雜幾何體形狀的波音757推進(jìn)器轉(zhuǎn)向風(fēng)門。Hercules 公司使用RTM技術(shù)制造導(dǎo)彈機(jī)翼和其它部件，使用的預(yù)成型體包括碳纖維衣、玻璃纖維與碳纖維的混合物。Hercules正在研制用RTM生產(chǎn)Pegasus三級觸發(fā)器，其部件選用了HBRF 255A環(huán)氧樹脂和A S4碳纖維編織預(yù)成型體，部件獨(dú)特而復(fù)雜的造型再次證明了RTM 技術(shù)的優(yōu)異的適應(yīng)性。

3.2 RTM技術(shù)在大飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件上的應(yīng)用

隨著低成本復(fù)合材料制造技術(shù)的成熟，復(fù)合材料構(gòu)件在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)展，其中以A380和B787最具代表性。A380客機(jī)上的復(fù)合材料用量達(dá)，是率先將復(fù)合材料用于中央翼盒的大型民用飛機(jī)，其他復(fù)合材料構(gòu)件還有水平尾翼、垂直尾翼、后承壓框、地板梁和機(jī)身壁板等。B787“夢想”飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)50%，是第一個使用復(fù)合材料整體機(jī)翼和機(jī)身的大型客機(jī)。飛機(jī)的主要構(gòu)件如水平尾翼垂直尾翼、地板梁、整流罩、機(jī)艙門等都采用了復(fù)合材料。這些復(fù)合材料構(gòu)件的采用，與金屬結(jié)構(gòu)相比，使B787飛機(jī)減重約18t，提高燃油效率20%，與B787相比，飛機(jī)的維護(hù)成本降低了30%，同時也使飛機(jī)的安全性、舒適性和環(huán)保性得到了提高。復(fù)合材料整體構(gòu)件在民機(jī)上的大量應(yīng)用得益于樹脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的日臻成熟和完善。其中，預(yù)成型體液體成型技術(shù)是樹脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的重要方面。

3.3 RTM技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

世界汽車工業(yè)正朝著輕量、高速、安全、節(jié)能、低污染、多功能的方向發(fā)展，采用新型復(fù)合材料制造汽車車身及零部件則是汽車輕量化最有效的途徑之一，據(jù)報道，汽車每減重100kg，百公里耗油可減少0.4L。國外從50年代初開始玻璃鋼（FRP）汽車件的研究；從80年代開始，國外已廣泛采用片狀模塑料（SMC），樹脂傳遞模塑（RTM）等FRP制造技術(shù)開發(fā)汽車車身板和零部件，如制造汽車儀表盤、保險杠、發(fā)動機(jī)罩、檔泥板、車門、行李箱蓋、散熱器骨架乃至整體車身：進(jìn)人90年代，RTM工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)在國際上得到廣泛的應(yīng)用研究，例如，美國進(jìn)行了Viper高級跑車部件的RTM工業(yè)化生產(chǎn)線的研究。

3.4 RTM技術(shù)在體育器材上的應(yīng)用

碳纖維是含碳量很高的無機(jī)高分子纖維材料，它外柔內(nèi)剛，質(zhì)量比金屬鋁輕，而強(qiáng)度卻高于鋼鐵。它有四種產(chǎn)品形式：纖維，布料，預(yù)浸料坯和切短纖維。布料指的是由碳纖維制成的織品；預(yù)浸料坯是將碳纖維按照一個方向一致排列，并將碳纖維或布料經(jīng)樹脂浸漬使其轉(zhuǎn)化成片狀；切短纖維指的是短絲按照不同的配比，這些產(chǎn)品和樹脂一起應(yīng)用將形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）。當(dāng)前，用來制造體育運(yùn)動器材的新材料主要是復(fù)合材料，而碳纖維復(fù)合材料又是其中的佼佼者。從某種意義來說，現(xiàn)代競技運(yùn)動是一項(xiàng)向人類體能極限挑戰(zhàn)的運(yùn)動，任何項(xiàng)目世界紀(jì)錄微小的提高往往需要和依賴科技的推動。利用新材料提升比賽器材的性能，從而提高運(yùn)動成績的案例屢見不鮮。

參考文獻(xiàn)

[1]VARTM工藝浸潤過程及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].鄭澎.中北大學(xué) 2011.

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