复合材料湿法模压工艺参数与结构特性研究

杨 青 潘利剑

（1.上海碳纤维复合材料创新研究院有限公司，上海 201512；2.东华大学民用航空复合材料协同创新中心，上海 201620）

模压工艺是一种应用非常广泛的复合材料零件制造工艺，常见于片状模塑（SMC）和玻璃纤维毡增强热塑性树脂（GMT）等材料的成型［1-2］。湿法模压工艺属于其中的一种，也被称为液体模压成型，该工艺生产过程较简单，且成型速度快，适合大批量的零件制造；缺点在于树脂对纤维的浸润达不到热压罐和液体成型VARI的水平，不符合传统航空航天领域的使用要求，因而相关的研究较少。随着该工艺在汽车车身零部件中的成功应用，既满足了汽车次承力结构的使用要求，达到轻量化效果，且非常适合汽车行业大批量生产，因而重新成为关注和研究的热点［3-5］。

1 试验

湿法模压工艺成型过程中，首先是将液态环氧树脂浇注到纤维织物上，然后树脂在适当的温度、时间和固化压力下，完成对纤维织物的浸润和固化成型。湿法模压工艺的应用价值在于快速成型，因此只有使用快速固化树脂体系才能发挥这项工艺自身的特点。

文章选用的是一种中温快速固化树脂，该树脂是单组分复配型环氧树脂，不需要另加固化剂，可免脱泡使用。用流变仪作该树脂的升温黏度曲线，发现该树脂的黏度随着温度呈现明显的先减小后增大的趋势，且在120℃时，黏度非常小，仅为46 mPa·s，能对纤维进行很好的浸润。

随着温度的升高，该树脂凝胶时间减少趋势很明显，在80～120℃区间内黏度仅有60mPa·s，具有很好的流动性。选择80℃作为树脂预热温度，有近1 h凝胶时间，不仅能够节省加热时间，还能节省能耗。纤维织物被树脂浸润后，选择120℃作为固化温度，仅需不到10 min就能完全固化，实际生产中可以保持较高的制造效率。

碳纤维织物方面，选取Toray-T700-3k平纹织物（200 g／m2），10层叠合后，放置在模具内，根据不同试验方案，进行模压成型。

试验过程中，为了确保树脂和纤维能够充分浸润，在树脂喷涂完成后加压前，静置一段时间。采用VARI成型工艺进行参数摸索，在使用导流网0.1 MPa压力下，80℃树脂6.5 min能够完成浸润过程（使用导流网）。因此，选取0 min、2 min、4 min、10 min这几个时间点，作为后续试验参数。

2 结果与讨论

2.1 固化压力对试样性能的影响

在湿法模压成型工艺的过程中，压力的主要作用有：增加树脂的流动性，完成对织物铺层的浸润；提高制件结构的密实程度，减少制件中孔隙、分层等缺陷的产生。首先参考VARI工艺0.1 MPa的固化压力进行试制，但是发现此工况下，试样内部存在较大的干斑缺陷。因而，在正式试验制样时，采取2倍、5倍、10倍和15倍大气压（即0.2 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa）进行试验。进行此工况试验时，树脂浸润时间统一设定为0 min，即纤维织物喷淋树脂后，立刻合模升温成型。

固化成型后，对试样的厚度和纤维体积分数进行测定，测试结果见图1～2。

图1 固化压力与厚度的关系

由图1可以发现：随着压力的增加，试样厚度呈减小的趋势，说明固化压力越大，试验的压实程度越高，当压力为1.5 MPa时，厚度为1.62 mm。由图2可以看出：随着压力的增加，试样树脂含量降低，纤维体积分数提高，当压力从0.2 MPa增加到1.0 MPa时，试样的纤维体积分数有显著增加，达到65.5%；但是当压力达到1.5 MPa时，纤维体积分数降低至65.2%。结合图1～2可以看出：当压力大于1.0 MPa后，试样厚度进一步降低，但是纤维体积分数没有随之增加，反而略有下降，说明过大的压力导致纤维致密度增加，影响了树脂的浸润。

图2 固化压力与纤维体积分数的关系

对上述试样按照ASTM标准制作样条，进行拉伸、压缩等力学性能测试，测试结果见图3～4。

图3 不同固化压力对拉伸强度的影响

由图3可以发现：当固化压力从0.2 MPa增加到0.5 MPa时，试样抗拉强度增加较明显，最大值达到595.3 MPa；当压力大于1.0 MPa后，抗拉强度几乎没有变化。这说明0.2～1.0 MPa区间内施加压力可以显著减小试样内部缺陷。同理，由图4也可以发现：当压力为1.0 MPa时，试样纤维体积分数达到最大值，此时试样的强度最好；当固化压力从0.2 MPa向1.0 MPa增加的过程中，压缩强度不断增加，1.0 MP压力下，压缩强度最大，达到330.2 MPa；当继续增加压力，达到1.5 MPa时，压缩强度反而降低至322.0 MPa。这说明开始时压力增加有利于树脂在纤维内部的流动和浸润，促进树脂和纤维的结合力增加。当压力超过1.0 MPa后，压力使纤维织物堆叠更加紧密，影响树脂与纤维浸润，材料发生了贫树脂现象，纤维体积分数下降，导致压缩强度显著降低。

图4 不同固化压力对压缩强度的影响

2.2 树脂浸润时间对试样性能的影响

为了进一步考察树脂纤维的浸润效果对试样性能的影响，研究1.0 MPa压力下，不同浸润时间对材料性能的影响。

依据上述工艺参数，分别进行制样，测试不同浸润时间下试样厚度变化和纤维体积分数变化关系，测试结果见图5～6。

图5 浸润时间与厚度的关系

由图5可以看出：随着浸润时间的增加，试样厚度呈减小的趋势。当浸润时间为4 min时，试样厚度为1.65 mm；进一步将时间增加到10 min，试样厚度为1.6 mm，变化非常小。这说明浸润时间增加有利于树脂和纤维的浸润，另一方面也说明，1.6 mm是纤维织物在1.0 MPa压力下能够压缩到的最小厚度。同理，由图6也可以看出：随着浸润时间增加，纤维体积分数越来越高，说明浸润时间的增加有利于树脂和纤维的浸润。当浸润时间为4 min时，纤维体积分数达到66.8%；当浸润时间为10 min时，纤维体积分数仅为67.1%，说明浸润时间的增加对纤维体积分数的影响不再明显，纤维织物中浸润的树脂量已达到饱和。

图6 浸润时间与纤维体积分数的关系

针对上述样品依据ASTM标准制作样条，进行拉伸和压缩性能的测试，结果见图7～8。

图7 不同浸润时间下的拉伸强度

由图7可以发现：随着浸润时间的增加，材料的抗拉强度不断增强。当浸润时间为4 min时，抗拉强度从595.3 MPa快速增加到629.8 MPa，试样强度的增加非常显著；而当浸润时间大于4 min，抗拉强度仅增加到634.2MPa，增加较为缓慢。由图8可以发现：试样的抗压强度也随浸润时间增加不断增强，当浸润时间为4 min时，抗压强度从330.3 MPa迅速增加到363.4 MPa，增加非常显著；而当浸润时间为10 min时，抗压强度仅仅增加了4 MPa，达到367.0 MPa。即当浸润时间小于4 min时的纤维体积分数增加最快。因而在实际的生产中选择4 min的浸润时间是比较合适的。

图8 不同浸润时间下的压缩强度

2.3 模具真空负压对试样性能的影响

为了增加纤维织物内部气泡的排除速度，增加树脂的浸润速度，考察对模具腔体抽真空负压0 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa 3种参数对试样性能的影响。制样过程中，抽真空时间为1 min，不再单独增加树脂浸润时间，合模固化压力仍为1.0 MPa。

首先测试不同真空度下，试样厚度变化和纤维体积分数的变化关系，测试结果见图9～10。

图9 真空负压与厚度的关系

由图9可以看出：随着真空负压的增加，试样厚度呈减小的趋势，当负压为0.10 MPa时，试样厚度为1.6 mm。由图10可以发现：虽然试样厚度随真空负压的增加而变小，但是纤维体积分数则呈现先增加后减小的趋势，负压为0.05 MPa时纤维体积分数达到最大值66.9%，随着真空负压的继续增加，纤维体积分数显著减小至64.3%。这说明随着真空负压的增加，可能有部分树脂被负压抽走，造成纤维织物内部贫树脂。

图10 真空负压与纤维体积分数的关系

针对上述样品依据ASTM标准制造样条，进行拉伸和压缩性能的测试，结果见图11～12。

图11 不同真空负压下的拉伸强度

由图11可以发现：当负压增加到0.05 MPa时，抗拉强度有较显著地提升，从601.5 MPa提高至633.5 MPa；但是随着负压增加到0.10 MPa时，抗拉强度却略有下降。由图12可以发现：当负压增加到0.05 MPa时，抗压强度有较显著地提升，达到329.0 MPa；但是当负压增加到0.10 MPa时，抗压强度大幅度下降至298.6 MPa，说明此时树脂和纤维结合力严重下降。结合试样纤维体积分数的变化情况，说明当负压进一步增加时，材料中的树脂可能被抽走，造成了材料贫树脂情况的发生。

图12 不同真空负压下的压缩强度

对真空负压0.05 MPa和0.10 MPa的试样进行金相分析，得到放大200倍情况下的图像。通过对比发现，真空负压0.05 MPa的材料致密性较好，而真空负压0.05 MPa的纤维夹杂的黑色孔洞较多。黑色孔洞代表纤维内部的贫树脂缺陷，说明随着负压的进一步增加，有部分树脂被抽走，印证了前面的分析结果。

3 结论

（1）固化压力对试样性能有较大影响，压力太小，不利于树脂在纤维织物内部流动和浸润；而压力太大，会使纤维织物过于致密，导致树脂在完成充分浸润前就被挤出，从而试样内部出现显著缺陷。因此只有在合理的压力区间，才能使试样获得较好的力学性能。

（2）增加浸润时间对试样内部质量有非常显著的影响，浸润时间越长零件质量越好，但是过长的浸润时间对于试样性能的提升不再显著。因此生产中需要根据实际情况采取合理的浸润时间，达到质量和效率的平衡。

（3）模腔真空负压的施加，对于试样力学性能有显著影响，施加一定的真空负压，有利于纤维织物内部空气的排除，可以提高树脂和纤维的浸润效果，但是真空负压的抽气装置要合理设计，防止在较大负压下将树脂抽走，影响零件质量。

（4）当固化压力为1.0 MPa，浸润时间大于4 min，或模具真空负压为0.05 MPa时，所制造试样的拉伸强度均大于630 MPa，压缩强度均大于320 MPa，说明湿法模压工艺制造碳纤维复合材料具有较好的强度，完全可以满足汽车次承力结构件的使用要求。