本文主要討論了模壓工藝在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用。重點(diǎn)分析了不同模壓條件（如溫度、壓力、保壓時(shí)間）對(duì)材料流動(dòng)和性能的影響。研究通過(guò)建立流動(dòng)模型，提出了優(yōu)化工藝參數(shù)的建議，旨在提高制品的質(zhì)量和效率。同時(shí)指出，進(jìn)一步的研究應(yīng)集中在工藝參數(shù)的綜合優(yōu)化和新材料技術(shù)的應(yīng)用上。

模壓工藝由于其成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛用于復(fù)合材料制品的工業(yè)化生產(chǎn)，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。模壓成型主要是片材在模具內(nèi)充模流動(dòng)的過(guò)程，因此，片材的充模特性和流變特性是模壓成型的主要研究?jī)?nèi)容。而其中預(yù)熱溫度、模壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度等模壓工藝參數(shù)對(duì)模壓料的流動(dòng)都有著重要的影響。最早的相關(guān)研究建立了適合 SMC 的光滑擠壓流動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上有學(xué)者通過(guò)研究建立了通用 Hele-Shaw 模型，這兩個(gè)模型都假設(shè)流動(dòng)過(guò)程中坯料為均勻變形，從而導(dǎo)出關(guān)聯(lián)應(yīng)力-應(yīng)變的方程；并采用彩色加料對(duì)交替色層模壓料在固定工藝條件下進(jìn)行模壓，通過(guò)試件表面及剖面來(lái)描述GMT 材料的流動(dòng)行為特征，其認(rèn)為模壓時(shí)材料的流動(dòng)以拉伸流動(dòng)（the extension flow）為主，兼有剪切流動(dòng)（the shear flow）；另有學(xué)者對(duì)模壓工藝中溫度、壓力以及保壓時(shí)間對(duì)制品的影響做了定性分析，分析結(jié)果表明升高溫度及升高壓可以加速固化速度，但過(guò)高溫度會(huì)使預(yù)浸料充模不滿(mǎn)，制品物理和力學(xué)性能降低，保壓時(shí)間太短會(huì)造成固化不完全，制品物理和力學(xué)性能低，易出現(xiàn)變形；也有研究認(rèn)為可以通過(guò)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度試驗(yàn)來(lái)確定成型壓力，通過(guò)模腔內(nèi)模塑料粘度來(lái)確定加壓時(shí)機(jī)，通過(guò)固化度測(cè)試及熱差分析確定模壓溫度，進(jìn)而利用正交實(shí)驗(yàn)方法確定模壓成型的最佳溫度、壓力、合模時(shí)機(jī)及保壓時(shí)間 ，某機(jī)構(gòu)研究了成型壓力對(duì) GMT 制品力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明制品拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度隨壓力增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨后采用 DOE 方法針對(duì)不同的模具型面對(duì)模壓工藝中各參數(shù)進(jìn)行研究，得到了各個(gè)參數(shù)的較優(yōu)取值范圍，并且研究結(jié)果表明，不同的模具幾何型面較不同的模具溫度以及成型壓力對(duì)成型件的力學(xué)性能的影響更大；軍工領(lǐng)域機(jī)構(gòu)為研制出滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)軍車(chē)擋泥板設(shè)計(jì)要求的 GMT 制品，制定出相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)方案并優(yōu)化了模壓成型工藝參數(shù)（溫度、壓力等），并且對(duì)材料的流動(dòng)性能、熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行了初步的探索。可以看出，針對(duì)復(fù)合材料模壓工藝的研究多數(shù)學(xué)者更多的是關(guān)注單一工藝參數(shù)對(duì)模壓件的影響，對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)間的交互作用并未進(jìn)行相關(guān)研究。由于多個(gè)因素間存在交互作用，所以將單一因素的最佳水平組合在一起往往不一定是最優(yōu)工藝參數(shù)組合。為了獲取模壓工藝的最優(yōu)參數(shù)組合，應(yīng)通過(guò)多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，綜合考慮各個(gè)因素及其之間的交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料因其強(qiáng)度高、密度小以及可回收等優(yōu)勢(shì)，是目前熱 塑性復(fù)合材料市場(chǎng)中增長(zhǎng)較快的品種之一，尤其是在汽車(chē)用塑料中。生產(chǎn)過(guò)程中，玻璃纖維與聚丙烯首先通過(guò)浸漬工藝制成預(yù)浸料，隨后通過(guò)相應(yīng)的成型工藝制成不同的零部件。

綜上所述，雖然對(duì)單一模壓工藝參數(shù)的研究取得了一定成果，但對(duì)多個(gè)參數(shù)間交互作用的研究不足。由于多因素間存在交互作用，單一因素的最佳水平組合并不總是最優(yōu)的。因此，為了獲得最優(yōu)的模壓工藝參數(shù)組合，需要通過(guò)多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮各個(gè)因素及其間的交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

復(fù)合材料成型工藝的關(guān)鍵是在使制品的形狀尺寸及表面質(zhì)量滿(mǎn)足要求的前提下，讓增強(qiáng)材料與基體材料盡量良好的結(jié)合，并盡量減少其性能降級(jí)，在基體材料充分固化后，制品的孔隙率應(yīng)盡量減少，浸漬率盡量提高，從而保證制品的力學(xué)性能。與熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型工藝更加多樣化，常見(jiàn)的有樹(shù)脂傳遞模塑成型、注塑成型、模壓成型等，每種成型工藝均有其各自的特點(diǎn)，根據(jù)材料的不同以及所生產(chǎn)的零件的差異選取合適的成型工藝至關(guān)重要。

注射成型

注射成型是熱塑性復(fù)合材料的主要生產(chǎn)方法，歷史悠久，應(yīng)用最廣。其主要工藝流程是先將長(zhǎng)玻纖粒料加熱至熔融狀態(tài)，鎖緊模具，通過(guò)注射機(jī)將熔融狀態(tài)下的粒料注入模具，冷卻定型，開(kāi)模頂出制品。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖所示。雖然其成型周期短，產(chǎn)品精度高，一次可成型復(fù)雜及帶有嵌件的制品，可一模一件，也可一模多件，生產(chǎn)效率高，但是生產(chǎn)面積較大的零件時(shí)精度控制較低和對(duì)模具質(zhì)量要求較高，并且由于纖維較長(zhǎng)，熱塑性樹(shù)脂粘度較大，流動(dòng)性差，導(dǎo)致充模不充分，并且在成型長(zhǎng)纖粒料時(shí)，成型時(shí)的剪切作用會(huì)對(duì)纖維造成很大的損傷。

圖1 注塑成型工藝流程簡(jiǎn)圖

樹(shù)脂傳遞模塑成型

樹(shù)脂傳遞模塑成型簡(jiǎn)稱(chēng) RTM(Resin Transfer Molding)，它是由手糊成型改進(jìn)而來(lái)的一種閉模成型技術(shù)，成型前，會(huì)在模具表面鋪置樹(shù)脂膠衣，以提高制品的表面質(zhì)量，之后將增強(qiáng)織物或預(yù)浸料按制品形狀置于模具中，通過(guò)注射系統(tǒng)加壓將樹(shù)脂膠液注入模腔，最后固化、脫模，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的后處理得到成型制品，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖所示。RTM 工藝的優(yōu)點(diǎn)是成型周期短，制品表面質(zhì)量高，尺寸控制精度好，大型件、小型件均可采用該種工藝成型，但也存在樹(shù)脂在纖維中分布不勻、樹(shù)脂對(duì)纖維浸漬不充分等缺陷，并且 RTM 模具的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，制造成本高。

圖2 RTM 工藝流程簡(jiǎn)圖

模壓成型工藝流程

模壓工藝的整個(gè)流程可以分為四個(gè)部分：

(1) 坯料準(zhǔn)備階段。模壓工藝所用坯料多為增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體進(jìn)行預(yù)混的預(yù)浸料。基體樹(shù)脂經(jīng)過(guò)添加固化劑、促進(jìn)劑及相應(yīng)填料的處理后，纖維經(jīng)過(guò)改性處理以絲、紗、布、氈等形式與樹(shù)脂基體進(jìn)行部分混合即可制成預(yù)浸料。預(yù)浸料質(zhì)量的好壞將直接影響到基體與纖維的浸漬，從而影響到最終模壓制品的性能， 后續(xù)工藝也將針對(duì)預(yù)浸料質(zhì)量的好壞進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(2) 成型準(zhǔn)備階段。在進(jìn)行成型之前會(huì)對(duì)預(yù)浸料以及模具進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)預(yù)浸料的預(yù)處理主要是進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)模具的預(yù)處理主要是型面的預(yù)熱。在一定溫度下對(duì)預(yù)浸料預(yù)熱后，由于基體樹(shù)脂的塑化，玻纖的延展，整個(gè)預(yù)浸料會(huì)有發(fā)泡現(xiàn)象出現(xiàn)，此時(shí)整個(gè)預(yù)浸料的流動(dòng)性增強(qiáng)，有利于材料的成型。當(dāng)經(jīng)過(guò)預(yù)熱后的預(yù)浸料從預(yù)熱裝置向模具上進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)，坯料的表面會(huì)因接觸空氣而造成表面溫度的迅速下降，因此對(duì)模具型面的預(yù)熱主要是為了補(bǔ)償坯料的表面溫度損失，提高最終制品的表面質(zhì)量。

(3) 成型階段。成型階段是整個(gè)模壓工藝的核心部分，主要過(guò)程是預(yù)浸料在壓力作用下浸漬、流動(dòng)并充滿(mǎn)模腔的過(guò)程，最后經(jīng)保壓冷卻，脫模即可完成成型。成型中壓力大小，加壓時(shí)機(jī)以及加壓速度對(duì)基體和纖維的浸漬起到?jīng)Q定性的作用，之后的保壓冷卻也將對(duì)制品的表面質(zhì)量及尺寸精度產(chǎn)生很大的影響，因此，該階段工藝技術(shù)最為復(fù)雜。

(4) 后處理階段。脫模后需對(duì)制品進(jìn)行修邊以及沖孔的處理得到最終制品，有時(shí)還需對(duì)制品進(jìn)行抽檢以檢查其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及成型標(biāo)準(zhǔn)。該過(guò)程通常不會(huì)對(duì)制品的性能造成太大影響。

圖 3模壓成型工藝流程圖

預(yù)浸料的制備對(duì)最終模壓件質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。由于熔融后熱塑性樹(shù)脂的粘度很高，一般都超過(guò) 500Pa·S，流動(dòng)性較差使得增強(qiáng)玻璃纖維很難獲得良好的浸漬，因此熱塑性樹(shù)脂與長(zhǎng)玻璃纖維浸漬程度的好壞直接決定了長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料性能的高低。常用的浸漬技術(shù)有溶液浸漬技術(shù)，熔融浸漬技術(shù)，粉末浸漬技術(shù)，纖維混編浸漬等。

溶液浸漬技術(shù)

溶液浸漬技術(shù)是使用恰當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑將熱塑性樹(shù)脂粉末溶解，以降低樹(shù)脂基體的粘度，然后將玻璃纖維通過(guò)有機(jī)溶液，使纖維得到充分浸漬，最后加熱除去溶劑制得預(yù)浸料。這種浸漬技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單、所用設(shè)備成本較低，但也存在以下不足：生產(chǎn)過(guò)程中有機(jī)溶劑在后序步驟中必須完全去除，否則會(huì)降低制品的耐溶劑性；溶劑會(huì)有很大幾率殘留在玻璃纖維表面小孔和空隙內(nèi)，這會(huì)降低樹(shù)脂和纖維的界面黏結(jié)性；溶劑的蒸發(fā)和回收成本較高，且會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染；去除溶劑的過(guò)程中，由于溶劑的揮發(fā)會(huì)造成物理分層；另外，一些熱塑性樹(shù)脂很難找到合適的有機(jī)溶劑。

熔融浸漬技術(shù)

熔融浸漬技術(shù)是將熱塑性樹(shù)脂通過(guò)多種途徑達(dá)到熔融狀態(tài)，降低樹(shù)脂的黏度，然后在浸潤(rùn)裝置中對(duì)處于分散狀態(tài)的玻璃纖維進(jìn)行浸漬，最后得到預(yù)浸料。由于熔融浸漬法技術(shù)不需要使用溶劑，生產(chǎn)過(guò)程中基本不產(chǎn)生揮發(fā)物質(zhì)，因此與溶液浸漬技術(shù)相比減少了環(huán)境污染，節(jié)省了原料成本。但是，由于熱塑性樹(shù)脂的熔融溫度較高，為了使黏度符合浸潤(rùn)要求通常還需要進(jìn)一步提高溫度，而過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂的降解，并且還會(huì)導(dǎo)致玻璃纖維在浸潤(rùn)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，從而會(huì)影響到復(fù)合材料的力學(xué)性能。

粉末浸漬技術(shù)

粉末工藝法(Powder Impregnation Technique)是將粉末狀樹(shù)脂以各種不同方式施加到玻璃纖維上，再通過(guò)加熱、熔融使得纖維與樹(shù)脂粉末浸漬，其原理模型如圖。根據(jù)基體樹(shù)脂和玻璃纖維結(jié)合狀態(tài)的差異，粉末預(yù)浸漬可分為濕法浸漬技術(shù)和干法浸漬技術(shù)。濕法浸漬技術(shù)是先將熱塑性樹(shù)脂粉體和一些表面活性劑以水為介質(zhì)形成懸浮液，并注入浸漬室中，當(dāng)連續(xù)玻纖通過(guò)浸漬室時(shí)，懸浮液將會(huì)均勻的滲入玻璃纖維之間，之后采用干燥裝置除去其中的水分，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行加熱熔融，冷卻后切分即成長(zhǎng)玻纖預(yù)浸料。該浸漬工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，對(duì)絕大多數(shù)樹(shù)脂均適用，但在浸漬過(guò)程中若除水不徹底則會(huì)造成預(yù)浸料存在界面缺陷。干法粉末浸漬技術(shù)采用連續(xù)無(wú)捻粗紗通過(guò)帶電的基體樹(shù)脂的粉末流化床，此時(shí)流化床中樹(shù)脂粉末通過(guò)靜電作用吸附在玻璃纖維單絲的表面，然后通過(guò)加熱使玻璃纖維表面的樹(shù)脂熔結(jié)，完成樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)。這種工藝的特點(diǎn)是加工速度快、成本低、聚合物幾乎不降解、玻璃纖維的損傷程度小。但干法粉末浸漬技術(shù)也存在不足之處，由于只有在后續(xù)的成型過(guò)程樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)才能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致了成型之前樹(shù)脂粉末容易散失，從而使得預(yù)浸料中的玻纖含量不易控制，而且成型過(guò)程中完成纖維浸潤(rùn)所需的時(shí)間、溫度和壓力直接受粉末粒徑的大小及其分布的影響，因此對(duì)成型工藝也有一定的要求。

圖4 粉末浸漬模型

纖維混編浸漬技術(shù)

纖維混編法(Fiber Commingled/cowoven Technique)即先將熱塑性樹(shù)脂加工成纖維，再將該纖維與增強(qiáng)纖維進(jìn)行混編，可預(yù)先編成二維或三維的幾何形狀的織物或氈，在之后進(jìn)行預(yù)浸料生產(chǎn)或直接成型的工序時(shí)，玻璃纖維與基體樹(shù)脂即可進(jìn)行浸漬。通過(guò)樹(shù)脂纖維和增強(qiáng)纖維的混編，可以使得兩者達(dá)到理論上的單絲分散水平，其原理模型如圖。