復合材料板簧制造工藝的研究進展*

柯 俊，吳震宇，史文庫，胡旭東

（1.浙江理工大學，浙江省現(xiàn)代紡織裝備重點實驗室，杭州 310018； 2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，纖維增強樹脂基復合材料不但具有疲勞壽命長、比強度和比模量高、減振性能好、耐腐蝕、易于加工、可設計性強等顯著優(yōu)點，而且輕量化效果非常顯著。因此，采用纖維增強樹脂基復合材料制造汽車零部件可起到明顯的節(jié)能減排效果。隨著汽車排放標準的日益嚴苛和新能源汽車延長續(xù)航里程的迫切需要，復合材料的替換目標逐漸從服役工況良好、質量占比較低的內(nèi)外飾部件擴大到板簧和傳動軸等影響行車安全的底盤關鍵零部件。其中，板簧是汽車懸架系統(tǒng)中廣泛應用的彈性元件，不但受力條件惡劣，而且直接影響行車安全和整車操縱穩(wěn)定性和平順性。復合材料板簧采用纖維增強樹脂基復合材料加工成型。在剛度相同的前提下，復合材料板簧的質量不到鋼板彈簧的一半，而疲勞壽命至少是鋼板彈簧的兩倍，即使發(fā)生局部破壞也不會突然完全斷裂，具有更高的安全冗余。此外，復合材料板簧具有更高的儲能能力和一定的阻尼，減振性能更好。因此，復合材料板簧的綜合性能明顯優(yōu)于鋼板彈簧。然而，復合材料板簧在我國的應用仍然非常有限。除了原材料成本較高、市場對其可靠性有疑慮這些因素外，限制復合材料板簧推廣應用的重要原因是其制造工藝不成熟，導致試制成本居高不下、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差等突出問題，嚴重制約了復合材料板簧的推廣應用。因此，研究并制定科學的、適宜工程應用的復合材料板簧制造工藝，不但是復合材料板簧推廣應用中亟待解決的關鍵核心問題，也是汽車底盤零部件輕量化需攻克的瓶頸問題。

本文中綜述了近年來國內(nèi)外在復合材料板簧制造工藝領域的相關研究成果，梳理了復合材料板簧試制過程中的瓶頸問題，為復合材料板簧制造工藝的研究和改進提供了方向，這對促進復合材料板簧的推廣應用具有重要意義。

1 復合材料板簧簡介

復合材料板簧所需的耐熱性、耐高低溫、抗氧化、耐腐蝕等物理化學性能通過選材來保證；纖維體積含量、孔隙率、表面質量和外形尺寸精度等性能參數(shù)通過制造工藝保證。綜合考慮性能與成本，復合材料板簧大多采用E玻璃纖維作為增強纖維，采用環(huán)氧樹脂或聚氨酯作為樹脂基體。按照復合材料板簧在懸架系統(tǒng)中的布置形式，復合材料板簧可分為橫置和縱置兩大類型。橫置復合材料板簧安裝在具有獨立懸架的車型上，簧身兩端通過搭接的方式傳遞載荷，因此無須單獨設計接頭結構。縱置復合材料板簧安裝在具有非獨立懸架的車型上，須單獨設計性能可靠的接頭結構。由于一體成型可降低生產(chǎn)成本、減少加工工序，因此一般將復合材料板簧設計成單片的。復合材料板簧的簧身結構可分為等寬度等厚度、等寬度變厚度和變寬度變厚度等截面結構形式；接頭結構則主要采用包含螺栓連接和粘接連接的混合連接形式。復合材料板簧的典型總成結構和安裝環(huán)境如圖1所示。

2 復合材料簧身的制造工藝

2.1 概述

圖1 復合材料板簧的典型總成結構和安裝環(huán)境

復合材料簧身是復合材料板簧的核心組件，對復合材料板簧的整體性能有著至關重要的影響。在復合材料板簧研究的早期階段，通常采用手糊工藝制作復合材料板簧［1］，這是因為手糊工藝最簡單，且對設備要求最低。但制得的復合材料板簧質量穩(wěn)定性差，其力學性能也難以滿足工業(yè)產(chǎn)品的要求。也有學者采用真空輔助成型工藝制作復合材料板簧［2］。真空輔助成型工藝是利用真空袋膜與真空泵除去復合材料增強體中的氣體，進而形成真空狀態(tài)，然后利用樹脂的流動、滲透實現(xiàn)對復合材料增強體的浸潤，并在一定溫度下固化成型的工藝方法。雖然該工藝顯著降低了制品的孔隙率，且成本較低，但存在生產(chǎn)效率低下、制品纖維體積含量低、樹脂浸潤效果不佳等突出的缺點，因此也不適宜批量制造復合材料簧身。隨著研究的深入，纖維纏繞、拉擠、模壓和RTM（樹脂傳遞模塑成型工藝）等工藝或其組合工藝［3-4］逐漸受到重視，并應用于復合材料板簧簧身的試制中。

2.2 模壓成型工藝

模壓成型工藝是指將一定量的模壓料放入金屬對模中，在一定溫度和壓力下，固化成型為異形制品的工藝過程。對復合材料板簧而言，該工藝的優(yōu)點是：（1）易實現(xiàn)機械化和自動化，生產(chǎn)效率較高；（2）制品尺寸精確、重復性好，有兩個精制表面；（3）生產(chǎn)成本低。缺點是：（1）壓機和模具設計與制造較復雜；（2）制品尺寸受設備限制；（3）初始投入較高。

早在1987年，Lo等［5］就采用模壓成型工藝制作了一款槽掛車懸掛用復合材料板簧。國內(nèi)最早在1992年由沈碧霞等采用模壓成型工藝制作了一款復合材料板簧［6］。近年來，對復合材料板簧模壓成型工藝的研究取得了長足的進展。吳輝等［7］采用模壓成型工藝制作了一款等厚等寬的復合材料板簧，并首次公開了該公司的模壓成型工藝流程，即將制備的預浸料進行裁剪、疊層后送入模具中壓制，如圖2所示。

圖2 復合材料板簧的模壓成型工藝流程圖［7］

模壓成型工藝參數(shù)對復合材料層合板力學性能的影響度（從大到?。┮来螢椋簾釅簻囟?、熱壓時間、熱壓壓力。其中，熱壓溫度是決定復合材料層合板力學性能的最重要因素［8］。為使復合材料板簧的力學性能達到最優(yōu)，呂文麗等［9］研究確定了復合材料層壓板的最佳固化工藝參數(shù)。周洲等［10］通過差式熱掃描量熱儀（DSC）方法預測了復合材料板簧用預浸料的固化度與固化溫度和時間的關系，并制定出合理的預浸料固化曲線，進而采用模壓成型工藝制作了一款復合材料副簧［11］。李建林等［12］采用模壓成型工藝制作了一款復合材料縱置板簧，工藝參數(shù)取呂文麗等［9］研究得到的工藝參數(shù)，制得的樣件通過了裝車耐久性強化試驗。楊昂等［13］采用模壓成型工藝試制了一款復合材料板簧并進行了系統(tǒng)的臺架試驗和裝車試驗。試驗結果表明，試制的復合材料板簧的疲勞壽命超過鋼板彈簧2倍以上。

總體來看，采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在固化工藝和工程實踐方面均已趨于成熟，制得的復合材料板簧也得到了大量試驗的檢驗。但采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在制品性能（如孔隙率）和生產(chǎn)效率方面仍有很大的提升空間。

2.3 拉擠成型工藝

拉擠成型工藝的示意圖如圖3所示。該工藝是在牽引裝置的牽引下，將連續(xù)纖維或其織物進行樹脂浸潤并通過模具加熱使樹脂固化，最后通過切斷轉置來生產(chǎn)復合材料型材的工藝方法。該工藝同時具備“成型”和“固化”兩種功能，因此可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

圖3 拉擠成型工藝示意圖

在上世紀70年代，通用汽車公司曾采用拉擠成型工藝制作復合材料板簧，并進行了臺架試驗和裝車試驗，樣件彎曲疲勞壽命可達50萬次［14］。但由于該工藝無法有效地生產(chǎn)變截面復合材料板簧，且設備投資過大，近年來未見采用拉擠成型工藝制備復合材料板簧的報道。

2.4 纖維纏繞成型工藝

當板簧為變寬變厚等截面結構時，宜采用纖維纏繞成型［15］，該成型工藝的示意圖如圖4所示。該工藝的核心操作是將連續(xù)纖維按預定張力及角度纏繞在芯模上，以制備纖維纏繞預成型體。所述連續(xù)纖維束放置在纏繞機上，通過傳動軸控制纖維的張力，通過導紗器來導引纖維實現(xiàn)所需要的纏繞角度［16-17］。待纏繞至所需圈數(shù)時停止纏繞并剪斷纖維。在制得復合材料板簧纖維纏繞預成型體后，還要實施閉模加壓工序并脫模。

圖4 纖維纏繞成型工藝示意圖

該工藝生產(chǎn)效率較高且工藝過程便于控制。此外，由于纖維是連續(xù)的，因此纖維纏繞成型制品的強度、疲勞性能較好。長春汽車材料研究所曾采用纏繞成型工藝制備了輕型車用復合材料副簧［17］。哈爾濱玻璃鋼研究院曾采用纏繞和模壓成型相結合的工藝制備復合材料板簧［14］。然而，纖維纏繞成型制品存在層間結合力較弱、鋪層角度和尺寸控制不夠精確等缺點，且纏繞過程及合模過程存在樹脂流失過多的現(xiàn)象［16］，因此并不適宜批量生產(chǎn)。

2.5 RTM 成型工藝

2.5.1 RTM成型工藝簡介

RTM成型工藝的示意圖如圖5所示。

圖5 RTM成型工藝示意圖

RTM成型工藝是在預先制作的符合特定工藝尺寸的模腔中，鋪放好按設計要求計算得到的纖維增強材料預成型體，然后在一定的壓力范圍內(nèi)，采用注射設備將專用的樹脂體系注入閉合模腔內(nèi)，通過樹脂與增強體的浸潤，最終固化成型為所需高性能復合材料的一種成型技術［18］。由于RTM成型工藝通過一次浸潤代替了傳統(tǒng)成型工藝兩步或多步浸潤的過程，減少了預浸料制備、鋪層、真空袋和在熱壓罐中固化等工序［19］，從而大大降低了成型時間和成型成本。與模壓成型、拉擠成型等傳統(tǒng)工藝相比，RTM成型工藝不但有極好的制品表面，且制品纖維體積含量更高、孔隙率更低。此外，RTM工藝還具有尺寸精度高、可加預埋件、環(huán)保、能耗低和工藝適應性強等優(yōu)點，既可生產(chǎn)等截面板簧也可生產(chǎn)變截面板簧［17］，是當前最有前景用于批量生產(chǎn)復合材料板簧的制造工藝。如柯俊等［20］通過RTM工藝制作了可裝車的復合材料板簧樣件，王慧軍等［21］采用RTM工藝制備了玄武巖增強復合材料板簧，德國的本特勒西格里汽車公司也采用RTM工藝開發(fā)了一款玻璃纖維/聚氨酯復合材料板簧。

2.5.2 RTM成型工藝對樹脂的要求

樹脂特性在很大程度上決定了復合材料制品的力學性能和樹脂浸潤效果，因此研制或選用合適的樹脂體系對復合材料簧身的成功試制具有重要意義。目前，已有學者對RTM成型工藝用樹脂的性能改進［22］、流變特性［23］和無機填料對樹脂性能的影響規(guī)律［24］進行了研究。綜合相關報道，RTM成型工藝對樹脂的要求主要包括：具有良好的力學性能；在室溫或較低溫度下具有較低的黏度（一般小于1.0 Pa·s，以0.2～0.3 Pa·s最佳），并具有一定的適用期，在工藝溫度下有適當?shù)酿ざ龋üぷ鞣秶鷥?nèi)約為0.2～0.8 Pa·s）［25］；對增強材料應具有良好的浸潤性、黏附性和匹配性［26］，以保證樹脂與纖維之間具有高的界面剪切強度［27］；在樹脂注射和固化過程中最好無揮發(fā)產(chǎn)物生成，固化溫度不應過高，同時樹脂具有足夠長的固化周期以使之充分充模并浸潤纖維。

2.5.3 RTM成型工藝對模具的要求

RTM模具一般采用陰陽模對合方法，結構復雜，制造成本高，直接影響復合材料簧身的成型過程，因此RTM模具設計方案對復合材料簧身的試制成本、試制周期和綜合性能至關重要［28］。在RTM模具設計過程中應遵循如下基本原則：RTM模具應具有足夠高的尺寸精度、表面質量、強度、剛度和疲勞壽命，內(nèi)部應有可靠的模具加熱系統(tǒng)；RTM模具應具有良好的密封性和配套的抽真空系統(tǒng)；復合材料簧身具有體型狹長的特點，在樹脂流動浸潤方面存在困難，因此在設計樹脂流動通道時，應根據(jù)充模過程數(shù)值模擬結果，對樹脂注射口、排氣口的位置與數(shù)量和樹脂流動通道進行優(yōu)化設計，保證樹脂充分浸潤預成型體；RTM模具應設置對齊標記，方便增強纖維織物的對齊與鋪放；RTM模具應設置頂出機構，方便簧身粗坯的脫模，且應設計有夾緊和頂開上下模的裝置。

2.5.4 RTM成型工藝對預成型體的要求

適用于RTM成型工藝的預成型體，除了應保證復合材料簧身的力學性能外，還應具有合適的滲透率。滲透率是綜合反映預成型體滲透特性的參數(shù)，它表征流體流經(jīng)多孔介質的難易程度，該參數(shù)對樹脂的充模時間和流動特性都有重要影響。在RTM工藝中，應綜合考慮導流介質、引流槽孔和混合鋪層等因素的影響，通過調整工藝與材料參數(shù)來保證預成型體具有合適的滲透率。

2.5.5 RTM制品缺陷的分類及產(chǎn)生機理簡介

RTM制品的缺陷類型很多，主要包括制品尺寸不精確、制品表面質量差、固化不均、浸潤不良、鋪層非正常偏移、存在富樹脂區(qū)、脫模困難、制品分層、制品孔隙率高等。相關研究表明，當復合材料結構微孔含量增加1%時，其層間剪切強度、彎曲強度和彎曲模量將下降超過5%［29］。導致RTM制品缺陷的因素很多，從根本上來看，是由于各種因素的影響使樹脂流動過程不均衡，進而導致制品局部性質不均。因此，保持工藝過程的穩(wěn)定性是防止缺陷產(chǎn)生的非常重要的一個方面。一般從原材料質量、設備的可靠性、模腔尺寸的精確性、充模時間、注射壓力和固化制度等方面來分析缺陷產(chǎn)生的原因［30］。

2.5.6 RTM樹脂充模過程模擬

RTM成型工藝中的重要問題是確定樹脂注射口和排氣孔的位置，并確定合適的樹脂注射壓力，以使增強纖維被樹脂充分潤濕。樹脂充模過程的計算機模擬能幫助RTM工藝設計者完成以下任務［31］：確定注射口和排氣口的位置和數(shù)量，保證樹脂充滿整個模腔；確定模腔內(nèi)的壓力分布，確定注射壓力；優(yōu)化充模過程。因此，預先模擬RTM樹脂充模過程可對模具設計提供指導，對縮短復合材料簧身的試制周期、降低試制風險具有重要意義。國內(nèi)外學者也針對此問題開展了大量的研究工作［32-45］。目前也出現(xiàn)了PAM-RTM軟件等針對RTM、VARI（真空輔助成型工藝）等液體成型工藝的專業(yè)樹脂流動模擬軟件。李海晨等［46］給出了RTM工藝過程數(shù)值模擬中“邊緣效應”滲透率等價計算公式和增強纖維滲透率計算方法、不同時刻樹脂流動前沿曲線、計算網(wǎng)格和終止時刻壓力場分布，確定了排氣孔位置［47］，計算結果與試驗結果吻合良好［48］。戴福洪等［49］分析了RTM工藝注模過程模擬中有限元/控制體積方法和流動分析網(wǎng)絡技術這兩種算法的區(qū)別，采用等效滲透系數(shù)方法模擬RTM工藝注模過程的邊緣效應，得到了其影響下的樹脂流動前峰曲線和壓力場［50］。邱婧婧等［51］通過開發(fā)的模擬分析軟件模擬分析了工字孔二維平板構件的充模過程，對軟件模擬的準確性和工藝參數(shù)對充模過程的影響進行了試驗研究。Klunker等［52］提出了加工過程中模擬流場和固化過程的方法，研究了固化對熱力學參數(shù)的依賴關系和對能量平衡的影響。然而，面向復合材料板簧RTM樹脂充模過程模擬的相關案例尚未見報道。

2.5.7 RTM樹脂充模過程監(jiān)控

在完成RTM樹脂充模過程模擬的基礎上，如何通過試驗手段監(jiān)控樹脂在模腔中的實際充模過程，以驗證并對比模擬結果，這對深入理解RTM工藝的充模過程具有重要意義。Danisman等［53］采用多點電壓傳感器成功實現(xiàn)了對RTM 充模過程的監(jiān)測。Tuncol等［54］采用熱電偶傳感器系統(tǒng)對RTM充模過程進行了監(jiān)測。Matsuzaki等［55］利用面積傳感器陣列對RTM充模過程中樹脂浸漬截面進行了監(jiān)測，提出了一種通過測量電容和電阻來確定樹脂流動方向和浸漬厚度比值的方法。然而RTM工藝中模腔環(huán)境惡劣，在模具中布置傳感系統(tǒng)不但受傳感器自身性能的限制，也會帶來模具密封、疲勞壽命等方面的問題，因此對RTM充模過程的監(jiān)控仍停留在實驗室階段，尚無工程應用方面的報道。

2.5.8 RTM工藝參數(shù)優(yōu)化

在掌握RTM工藝中樹脂的充模過程后，如何對RTM工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以最終保證RTM工藝制品的質量，是接下來需要重點考慮的問題［56］。

制品表面質量優(yōu)化方面，Palardy等［57］采用田口法研究了低摻量添加劑、注射壓力、溫度梯度、填料含量、苯乙烯含量和凝膠時間對玻璃纖維聚酯復合板表面光潔度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，低收縮添加劑的濃度是影響表面粗糙度和波紋度的最主要因素。樹脂流動管道的優(yōu)化設計方面，劉金良等［58］通過改變RTM工藝中管道的出入口、長度和直徑大小，采用有限元法對管道中樹脂的流動進行模擬，得出樹脂出口速度與雷諾數(shù)的關系式和常用管道中樹脂的流動速度范圍。研究結果表明，樹脂的出口速度與管道長度關系不大，但與管道的直徑比有關。溫度、壓力等關鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化方面，王慧軍等［21］提出了初步的優(yōu)化思路：（1）工藝溫度優(yōu)化，根據(jù)樹脂黏度與溫度之間的關系曲線，通過控制樹脂和模具溫度的方法來控制樹脂黏度，使樹脂能更好地浸潤纖維，同時減少缺陷的產(chǎn)生；（2）固化工藝規(guī)范優(yōu)化，參考模壓工藝中的階梯制固化工藝規(guī)范，以樹脂的具體固化特性為依據(jù)，優(yōu)化預熱、合模升溫、合模保溫與降溫的操作溫度與保溫時間，以提高制品的固化質量；（3）壓力控制優(yōu)化，在注射初期，主要考慮對纖維織物預成型體紗線排布的影響和浸潤速率，在板簧成型過程中，當樹脂流動前沿到達排氣孔時，關閉排氣孔，保持注射口打開，直至型腔內(nèi)壓強與注射口相同后，保壓一段時間，然后重新打開排氣孔，一部分樹脂會與空氣同時流出型腔，重復上述過程可獲得較好的壓力控制效果。優(yōu)化方法方面，Okabe等［59］提出了一種基于有限元法和多目標遺傳算法的多點注射RTM工藝的多目標優(yōu)化方法，研究了復合材料結構的生產(chǎn)率與質量之間的平衡關系。

總體來看，目前學者們已初步掌握了樹脂充模的流動機理，能進行RTM樹脂充模過程的仿真，在工藝優(yōu)化方面已經(jīng)有了初步的優(yōu)化思路，也成功研制出了多款采用RTM工藝制備的復合材料板簧，說明采用RTM成型工藝制備復合材料簧身已經(jīng)具備一定的理論與工程應用基礎。然而，在缺陷形成機理和影響因素方面的研究還很少，主要基于試制經(jīng)驗，在樹脂充模過程監(jiān)控和工藝優(yōu)化方面的研究仍比較匱乏。

3 接頭結構的制造工藝

綜合相關文獻，復合材料板簧接頭一般采用螺栓連接配合膠接的混合連接結構［13，20-21］，該類接頭的制造工藝流程圖如圖6所示。

圖6 復合材料板簧接頭制造工藝流程圖

在接頭鉆孔工序中，需要特別注意鉆孔質量。首先鉆出較小直徑的孔，再進行磨削擴孔，以提高孔壁表面加工精度。螺栓孔與螺栓桿的配合采用基軸制。在安裝螺栓時，在孔壁內(nèi)涂抹高強度粘接劑，使螺栓與孔壁緊密粘接在一起，以進一步控制鉆孔帶來的損傷，同時對接頭實現(xiàn)密封，減小濕熱環(huán)境對接頭的影響并提高接頭抗電偶腐蝕的能力。

4 結論

（1）采用模壓成型工藝制備復合材料板簧在固化工藝和工程實踐方面均已趨于成熟。后續(xù)研究應著力于提高模壓成型工藝的制品性能（如孔隙率）和生產(chǎn)效率。

（2）雖然拉擠成型工藝和纖維纏繞成型工藝在特定類型復合材料板簧制備方面具有獨特的優(yōu)勢，但由于前期設備投入過大、制品層間結合力較弱等因素的限制，不適宜復合材料板簧的批量生產(chǎn)。

（3）RTM成型工藝是當前復合材料板簧制備領域最有應用前景的成型工藝。如何建立準確的RTM成型工藝的模擬模型、完善樹脂充模過程的模擬技術和監(jiān)控技術，進而對實際制造過程進行準確的預測和實時控制，最終保證復合材料板簧的生產(chǎn)效率和性能穩(wěn)定性，是后續(xù)研究需要重點解決的問題。