树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望

树脂基复合材料低成本制造-原位固化技术发展及展望迪力穆拉提·阿卜力孜段玉岗李涤尘西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安，710049摘要：随着树脂基复合材料应用领域的扩大和使用比重的增加，发展高度自动化的低成本制造技术成为研究热点。

本文介绍了集成复合材料自动化的成型方式和新型固化方式为一体的复合材料低成本制造技术-复合材料原位固化成型技术的发展。

并就各种固化方式，如：高频电磁波，热，微波，紫外光和电子束等在该工艺上的可行性做了概述，总结了各自的优缺点及存在的问题，为其以后的发展方向做了展望。

关键词：复合材料；低成本制造；原位固化；纤维铺放中图分类号：TH39；TB332The UV in-situ curing composite manufacturing based on UV-LEDDilmurat Abliz Duan yugang Li dichenState Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049Abstract：Composite curing methods existing nowadays and newly emerged have been introduced, and their feasibility for the composites in-situ curing method is outlined integrating with composite in-situ curing method, which has emerged as composites low cost manufacturing method. For example: high frequency electromagnetic wave, heat, microwave, ultraviolet radiation and electron beam in-situ curing. Furthermore, their main pros and cons are summarized and author’s preview towards future development is put forward.Key words：composites; low-cost manufacturing; in-situ curing; fiber placement0 引言复合材料因具有高比模量，高比强度，可设计性强，抗疲劳性能和耐腐蚀性能好等优异的性能，在航空航天，运输交通，航海等领域的应用越来越广泛[1-4]。

在航空上，从20世纪70年代开始应用到飞机结构上开始，经过几个阶段的发展复合材料在飞机结构上的应用已经实现了从非承力，次承力构件到尾翼再到机翼与机身主承力构件的应用[5]。

最新的波音B787飞机复合材料用量占结构重量的50%，而计划中的空客A350飞机上将复合材料的用量提高到52%。

复合材料的应用可使飞机结构减重10%-40%，结构设计成本降低15%-30%，不仅提高了飞机燃油效率降低了成本，而且污染物排放量也大大降低[6, 7]。

飞机结构复合材料的用量多少和结构重量占比已成为衡量飞机整体水平的重要指标。

此外，复合材料在船舶，汽车等行业的应用也很广泛。

随着复合材料的应用领域的扩大和使用比重的增加，为了降低复合材料制造成本，国内外相继出现了纤维自动铺放技术（包括自动铺带技术和自动铺丝技术），液体成型技术（包括RTM，VARTM，VARI，SCRIMP和RFI等技术），低温固化技术等低成本制造技术[8, 9]。

固化作为复合材料构件最终成型必要的工序之一，对复合材料最终性能和其制造成本起着至关重要的作用。

现阶段复合材料构件比较成熟的固化方式是热固化。

但传统的基于热压灌，热压机等的热固化方式存在诸多缺点，比如：能耗高，成型时间长，固化过程难以控制；成型零件因热效应，残余变形和残余应力大；尤其是对于大尺寸和厚，形状复杂的复合材料构件，不可避免的热梯度会引起固化不均匀和不完全；对预成型件模具要求很高，要采用比较昂贵的INVAR合金制造[10]；此外，复合材料构件大小受热压灌容积限制，而热压罐设备成本很高，技术条件复杂，因此制造灵活性差，前期投资巨大等[11]。

因此，为了实现复合材料构件固化“无热压灌化”，相继出现了用γ-射线，X-射线，紫外光，微波和电子束等新型树脂基复合材料辐射固化方式。

下图1为用于波音787机身段固化的热压罐。

图1.用于波音787机身段固化的热压罐原位固化技术正是在这种背景下发展起来的一种新型复合材料低成本制造技术之一。

其以上世纪80年代出现并蓬勃发展的快速成型制造方法为原型：零件在一层一层增材的同时，使其逐步的固化成型而得到最终产品。

后来，由于这种方法固有的优点，相继应用到复合材料制造行业上。

复合材料原位固化工艺是指：复合材料在一层一层预成型阶段，引入相应的固化源，使最上面几层跟着固化。

它结合预成型和固化工艺为一体，使零件铺放成型的同时固化也会完成。

原位固化工艺能很好的跟纤维铺放，纤维缠绕，拉挤成型和液体成型等工艺结合，能大大降低复合材料制造成本，在尺寸大和厚的复合材料零件制造中的优势突出。

下图2为原位固化跟纤维铺放技术结合的工作原理。

图2.纤维铺放原位固化工艺示意图此工艺本质上是把一次整体固化分解成多次，分段固化，所以需要材料固化工艺等相关的理论支撑。

此外，因为结合了预成型工艺，其对成型材料和固化源等提出了一些特殊要求：保证固化速度快，能固化完整，而且使用性能满足要求等。

本文旨在介绍上述几种新型复合材料固化方式的同时，重点围绕原位固化工艺介绍了各种固化方式的可行性，存在的优缺点，现阶段发展情况，对其以后的发展方向进行了展望。

1.高频电磁波原位固化辐射固化的基本原理可以总结为树脂基体收到辐照以后会产生离子或自由基中间产物，进一步引起树脂交联反应[12, 13]。

辐射固化相比传统热固化具有低温快速固化，污染少，能耗低，树脂材料易于保存等优点。

高频电磁波固化虽然是辐射固化技术的一种，但固化机理跟紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化机理有所不同：紫外光、微波、红外光、激光等的辐射固化是利用光的波动性产生激发分子，且波长越短，穿透力越强，固化效果越好。

但电子束、X-射线、γ-射线等对聚合物的辐射固化是利用光的粒子性，不仅产生激发分子，而且还产生电离[14]。

用γ-射线，X-射线等高频电磁波和电子束辐射固化20世纪70代末由法国AEROSPATIALE 公司[15]进行研究。

他们通过进行固化实验总结出：γ-射线，X-射线剂量率低，因此固化所需要的时间比较长。

其中X-射线固化复合材料所需要的时间相比同样的材料电子束固化所需时间60倍还长；生成高频电磁波需要比较高的成本而且会产生一些难以处理的物质[16]；此外，它们的辐射对人体带来严重的危害，其高穿透能力大大的增加了屏蔽成本。

因此，高频电磁波在固化厚度比较大的零件领域具有独特的优势[15, 17]，但是用高频电磁波实现复合材料原位固化制造工艺没有得到相应的发展。

下图3所示，10Mev能量的电子束通常能处理25mm左右的复合材料，但其转化成同等能量的X-射线以后的处理深度就能达到300mm左右[15, 18]。

图3.10Mev能量的电子束和X-射线穿透深度比较[15]2.原位热固化热固化工艺是到现在为止最为成熟的复合材料固化工艺，因此相应的热固化材料体系已相当成熟，已经被大量的用于航空行业。

如果在现有成熟的热固性材料体系上能实现原位热固化，将会是最快而且最简便的方法之一。

这会也会省去新材料开发成本和随着新材料对行业的进入而要进行的广泛的性能测试成本。

因此，Boll 等[19]提出并探讨了热固性树脂预浸带原位固化铺放工艺：首先对树脂进行预热使其达到特定固化程度，对该预热以后的纤维带进行铺放，在辊压的同时提供额外的热源使其进一步固化。

但该工艺固化过程分几段进行，各部分相应的温度及固化程度很难控制，通过预热以后的预浸带会变软，这对设备输送系统和铺放工艺都带来了比较的挑战。

此外，由于复合材料本身对热辐射和热传递不敏感，热量传播速度比较慢，该原位固化工艺还是很难能使预浸带达到完全固化，因此还是需要额外的热后处理工序。

因此，作者除此之外也没看到更多关于热固性树脂基预浸带原位固化铺放相关的研究进展。

鉴于此，很多学者意识到热固性树脂基复合材料原位热固化工艺实现比较困难，因此Ahrens 等[20]比较早的提出并研究了基于机器人的热塑性预浸带原位固化铺放工艺。

Heider[21]，Sonmez[22]，Parlevliet[23-25]，Khan[26]和Schledjewski[27, 28]等相继对热塑性复合材料工艺进行了相关研究，提出通过选择合理的工艺参数，完全可以实现热塑性复合材料的原位固化成型。

但是，热塑性树脂基复合材料固有的容易热变形，刚性差，处理温度和压力大等缺点，一直难以满足航空航天使用材料的要求[29]。

近年来热塑性树脂基复合材料的发展速度已大大超过热固性树脂基复合材料。

热塑性树脂基复合材料已成功的应用在空客A340-600 机翼前缘等辅助结构和飞机内部构件等部分[30]。

然而，热塑性复合材料要应用到更重要的航空结构件需要从材料，成型工艺，综合性能和制造成本等方面进行进一步研究。

图4.用碳纤维/聚醚醚酮材料铺放并原位固化大型平板复合材料零件[31]3.原位微波固化复合材料微波固化机理其实就是热固化，但其独特之处在于微波加热机制独立于材料的热传导系数：它是一种被加热物体在电磁场中由于介质损耗引起的“体加热”方式[32]。

热传导中，热能因为存在热梯度而转移，而微波加热是直接发射到材料的电磁波能对热能的转换。

因此相比传统热源由表及里的传导式，微波具有加热均匀，效率高，固化速度快和便于控制等优点。

但是，微波加热效率跟材料的介电性能有很大关系。

单层纤维增强复合材料的介电性能是各项异性的，而且不同方向的单层板叠加而成的层合板内部会出现介电性能的不连续。

这都引起了电磁场在复合材料内部的分布是很复杂的。

因为玻璃纤维是透明的，因此玻璃纤维增强复合材料主要介电性能取决于树脂，因此微波能很好的用在玻璃纤维增强复合材料固化上面。

根据Boey等[33, 34]的研究，微波固化以后的玻璃纤维增强复合材料强度和刚度跟传统热固化相当甚至更好。

但是，由于碳纤维介电损耗系数小，导电导热率高，用微波对碳纤维复合材料进行加热存在一些特殊的问题。