5.2 树脂传递模塑成型技术与特点
随着复合材料应用领域的不断拓宽，复合材料工业得到迅速发展，成型技术日益完善，新的成型方法不断涌现。目前树脂基复合材料的成型技术主要有手糊成型、喷射成型、树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）、模压成型、注射成型、结构反应注射成型(SRIM)、真空袋成型、压力袋成型、高压釜成型、纤维缠绕法、拉挤成型法以及其它成型方法[1~2]。
早期，复合材料部件的生产多采用手糊工艺，但手糊制品质量稳定性差，劳动强度大，不能满足工业化生产的要求。后来发展起来的喷射法，生产质量和效率有所提高，应用于较大、简单形状部件的生产。20世纪60年代SMC和BMC工艺的出现，为工业化生产大型部件提供了可行性。在随后的20年里，SMC和BMC技术迅速发展成熟，并得到了广泛应用[3~4]。20世纪80年代，由于市场需要的多样性，以RTM工艺为代表的先进液体模塑技术迅速发展。这类技术属于高性能低成本制造技术，工艺方法灵活，能够一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件，比其它任何工艺更具有竞争力[5]。
5.2.1 RTM树脂基体及增强材料
5.2.1.1 RTM树脂基体的要求
RTM成型制品质量好坏,性能高低及工艺上的可操作性如何与RTM所选树脂有密切关系。因此，研究RTM适用的树脂基体便显得尤为重要。
RTM用树脂体系应满足：
1）粘度低，浸润性好，便于树脂在模腔内顺利均匀地通过并浸渍纤维； 2）固化放热峰低，以100~180℃为宜；
3）活性高，凝胶时间和固化时间短，但在注射时又要有较长的适用期；
4）树脂系统不含溶剂，固化时无低分子物析出，同时又适宜增加填料，尤其是树脂消泡性要好；
5）收缩率低，以保证制品尺寸准确，且所需的树脂应为预促进型。
RTM使用的高性能树脂基体包括：不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂，环氧树酯，双马来酰亚胺树脂，热塑性树脂。目前主要为环氧树脂。 5.2.1.2 RTM增强材料的要求
在RTM工艺中，对增强材料的限制很小。玻璃纤维(包括E和S玻璃纤维)、芳纶纤维和碳纤维都可以使用。根据不同的要求，天然纤维和一些有机纤维，如聚醋纤维，也可在RTM中使用。有时也使用金属作结构的局部增强。在这种情况下应考虑使用环境条件对所选择的金属的腐蚀和采用相应防护措施。增强体预制件可根据应用采用不同的工艺制备。
RTM成型对增强材料的要求是：
1）增强材料的分布应符合制品结构设计的要求，要注意方向性；
2） 增强材料铺好后其位置和状态应固定，不动不应因合模和注射树脂而动； 3）对树脂的浸润性要好；
4）利于树脂的流动并能经受树脂的冲击。
5.2.2 RTM成型工艺
5.2.2.1 RTM成型工艺的原理
复合材料树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）法是从湿法铺层和注塑工艺中演变而来的一种新的复合材料成型工艺[6]。所谓树脂传递模塑，一般是指在闭合模腔中预先铺覆好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体(包括螺栓、螺帽、聚氨酯泡沫塑料等嵌件)，夹紧后，从置于适当位置的注入孔在一定温度及压力下将配好的树脂注入模具中，在室温或升温条件使之与增强材料一起固化，最后启模、脱模而得到成型制品。图1为RTM成型工艺示意图。
图1 RTM成型工艺示意图
RTM工艺通常包括以下四个步骤：一、从卷材上裁剪增强材料并铺叠在一起；二、使增强材料具有一定的形状、按照制品的形状修剪预成型体；三、充模(包括预成型体的铺放，树脂的注射以及固化)；四、脱模及加工。 5.2.2.2 RTM成型工艺的优势
与手糊成型、喷射成型、缠绕成型、模压成型等传统工艺的纤维/树脂浸润过程相比，RTM成型工艺的优势主要表现在：
1）RTM工艺分增强材料预成型体加工和树脂注射固化两个步骤，具有高度灵活性和组合性[7]；
2）采用了与制品形状相近的增强材料预成型技术，纤维树脂的浸润一经完成即可固化，因此可用低粘度快速固化的树脂，并可对模具加热而进一步提高生产效率和产品质量；
3）增强材料预成型体可以是短切毡、连续纤维毡、纤维布、无皱折织物、三维针织物以及三维编织物，并可根据性能要求进行选择向增强、局部增强、混杂增强以及采用预埋和
夹芯结构，可充分发挥复合材料性能的可设计性[8~9]；
4）封闭模树脂注入方式可极大减少树脂有害成分对人体和环境的毒害；
5）RTM一般采用低压注射技术(注射压力<4kg/cm2)，有利于制备大尺寸、外形复杂、两面光洁的整体结构，及不需后处理制品[10]；
6）加工中仅需用树脂进行冷却；
7）模具可根据生产规模的要求选择不同的材料，以降低成本。 5.2.2.3 RTM成型工艺存在的不足
目前，RTM成型工艺其自身还存在一些问题，主要表现在[11]：
1）树脂对纤维的浸渍不够理想，制品里存在空隙率较高，干纤维的现象； 2）制品的纤维含量较低，一般为50%；
3）大面积、结构复杂的模具型腔内，模塑过程中树脂的流动不均衡，不能进行预测和控制，对于制造大尺寸复合材料来说，模具成本高,脱模困难等。
5.2.3 RTM成型工艺改进
RTM已经成为一种主要的复合材料低成本制造工艺，近些年获得了很大的发展。针对传统RTM工艺制件纤维体积含量低、不能整体成型复杂构件等不足，衍生出很多新的RTM工艺，主要有柔性辅助RTM、真空辅助RTM、SCRIMP成型技术、共注射RTM技术等。 5.2.3.1 柔性辅助RTM
此工艺主要用来制造空心结构，通过柔性模对预成型体的压实作用，制件的纤维体积含量较传统RTM工艺得到了提高；由于构件套合在柔性模上，脱模更为容易[12]。
此工艺的原理为：在柔性模上铺放好干态的预成型体，置入刚性的阴模中，把树脂注入模腔中并控制柔性模膨胀(或先使柔性模膨胀，然后注射树脂)，固化成型，脱模。为了控制柔性模的膨胀，可采取加热柔性模或向密闭的柔性模中充气的方法。前者可称为热膨胀软模辅助RTM工艺，后者为气囊辅助RTM工艺[13]。
(1) 热膨胀软模辅助RTM工艺
将预成型体铺放在聚氨酯泡沫、硅橡胶等软质材料上，然后将其置入刚性阴模内，利用软模材料与阴模材料热膨胀系数的差异，在模具加热过程中，软模受热膨胀，对预成型体起到挤压作用，从而提高构件的致密性。
该工艺由于能够以较低成本整体成型大尺寸复杂结构的复合材料构件，因此受到人们的关注。如Bender等[14]利用热膨胀软模辅助RTM工艺成功成型了内部结构复杂的复合材料舱段构件。通过静载性能研究表明，舱段整体力学性能优异，可满足航天主承力结构件的使用要求。国内学者采用热膨胀成型工艺，一次性固化成型制成复合材料背架构件。其工艺过程为先在钢质阴模内铺放预浸料，然后在模腔内放置膨胀芯模，模具组装后进行加热固化。鞠金山[16~17]利用软模成型技术制备了高精度天线测量杆，芯模采用热膨胀硅橡胶，将碳
纤维单向布铺贴于热膨胀芯模上进行加热加压成型，最终成型制品为规则杆状构件。
(2) 气囊辅助RTM工艺
气囊辅助RTM工艺是将预成型体铺放在密封的气囊上，置入模腔内，通过气囊充压压实预成型体，使预成型体贴附在模腔内表面赋形。气囊辅助RTM工艺预成型体铺放方便快捷，气囊压力容易控制，对预成型体压实效果显著。国外在该方面有较多的研究工作。
U．Lehmann等[18]利用气囊辅助RTM工艺成型了某个空心构件，图2为其原理图。由图可见，预成型体的外形与最终构件的外形并不一样，预成型体铺放在气囊上，置入模腔后即充压使得预成型体贴附在模腔内壁上，空心构件的外形是靠模腔的内壁形状保证的。
图2 气囊辅助RTM工艺制造空心结构原理图
5.2.3.2 真空辅助RTM
(1) 真空辅助RTM工艺原理
真空辅助RTM（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding）其基本方法是使用敞开模具成型制品[19]。这里所说的敞开模具是相对传统的RTM的双层硬质闭合模具而言的,VARTM模具只有一层硬质模板，纤维增强材料按规定的尺寸及厚度铺放在模板上，用真空袋包覆，并密封四周，真空袋采用尼龙或硅树脂制成。注射口设在模具
的一端，而出口则设在另一端，注射口与图3 真空辅助模塑工艺工作原理 RTM喷枪相连，出口与真空泵相连。当模具
密封完好，确认无空气泄漏后，开动真空泵抽真空。达到一定真空度后，开始注入树脂，固化成型。
(2) 真空辅助模塑工艺特点
与RTM相比,VARTM的优点有：(1)模腔内抽真空使压力减小，增加了使用更轻型模具的可能性，从而使模具的使用寿命更长、可设计性更好；(2)真空袋材料取代了在RTM中的需相配对的金属模具；(3)真空也可提高玻璃纤维与树脂的比率，使玻璃纤维的含量更高，增加制品的强度[20]；(4)无论增强材料是编织的还是非编织的，无论树脂类型及粘度如何，VARTM都能大大改善模塑过程中纤维的浸润性，使树脂和纤维的结合界面更完美,提高制品
的质量；(5)用VARTM工艺可使直径38.11 mm的致密预成型坯的纤维体积含量为16%~68%,累计孔隙率为1.7%，而普通的预浸料的孔隙率为5 %~7%[21]。
虽然VARTM工艺以上的优点可提高制品的成品率和力学性能，但是VARTM的缺点是：与高压成型相比，纤维含量低。随着科学技术的发展和国内外各科研单位和生产厂家对真空辅助RTM工艺的重视程度及认识程度不断加深，近十几年来，国内外许多学者对真空辅助RTM成型工艺中缺陷的形成及消除进行了深入细致的研究。 5.2.3.3 SCRIMP成型技术
SCRIMP（Seeman Composites Resin Infusion Molding Process）是一种比较新颖的复合材料成型工艺，以既经济又安全的方法生产高品质的大型制品见长，近年来在国外有关资料中时有报道。SCRIMP成型技术是一种新型的真空辅助注射技术(VARTM),是一种低成本制造技术(复合材料制造成本占总成本的60~70%)。自80年代末开发出来，在航空、航天、船舶、基础结构工程、交通、防御工程等应用领域得到了人们的普遍关注。经过多年的发展，目前该工艺已由研究开发阶段逐步进入规模化的工程应用[22~23]。
(1) SCRIMP成型技术原理
SCRIMP工艺同RTM类似,也是采用干织物或芯层材料作预成型；与RTM不同之处在于它只需一半模具和一个弹性真空袋。事先将一层或几层纤维织物或芯层辅放在模具里面。真空袋一般采用尼龙或抗撕裂、延伸性能好的硅橡胶材料，在模具上形成封闭的腔，真空袋上有一个或几个真空出口。模具上有一个或几个树脂注入口，树脂通过注入口注入到增强材料中。在高真空度下，增强材料被压实同时吸入树脂。SCRIMP的专利关键在于真空袋下面的分散介质层，它是一种针织网状织物，含有互相交错的树脂分布通道。小于大气压的压力通过弹性真空袋作用在铺层材料上，在树脂注入前将玻纤压实，降低空隙率，纤维树脂重量比可达70/30。在Seeman工艺中还有一可透过树脂的剥离层，铺在分散介质层和制品之间，在制品固化成型后，剥离层连同多余的树脂一起揭掉，在靠近模具面，得到表面效果理想的大型制品。SCRIMP复合材料生产工艺步骤：(1)单面模具表面涂脱模剂；(2)铺放干织物和芯层；(3)铺放分散介质层；(4)用真空袋密封；(5)注入树脂同时抽真空；(6)室温固化或放入烘房。
(2) SCRIMP成型技术特点[24]
a) SCRIMP是一闭合式系统，操作人员同苯乙烯隔离并且也不需要接触其它有机材料。 b) 纤维层在高真空度下被压实、孔隙率极低，纤维与树脂重量比可达70/30。又加上有分散介质层的存在，使树脂快速而均匀地渗透到纤维层，控制手段比手糊更为严密，从而使质品满足强度要求，重复性好、质量可靠。
c) 一般来说，SCRIMP制品越大，经济性越可观。生产大型RTM制品，模具费用及注射设备费用相当高,而同样尺寸的SCRIMP模具费用却与手糊相当，而且不需要注射设备，同时劳动力费用比手糊法降低50%。