本文主要討論了模壓工藝在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用。重點分析了不同模壓條件（如溫度、壓力、保壓時間）對材料流動和性能的影響。研究通過建立流動模型，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。同時指出，進一步的研究應(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，目前廣泛用于復(fù)合材料制品的工業(yè)化生產(chǎn)，因此國內(nèi)外許多學(xué)者對其進行了研究。模壓成型主要是片材在模具內(nèi)充模流動的過程，因此，片材的充模特性和流變特性是模壓成型的主要研究內(nèi)容。而其中預(yù)熱溫度、模壓壓力、保壓時間、模具溫度等模壓工藝參數(shù)對模壓料的流動都有著重要的影響。最早的相關(guān)研究建立了適合 SMC 的光滑擠壓流動模型，在此基礎(chǔ)上有學(xué)者通過研究建立了通用 Hele-Shaw 模型，這兩個模型都假設(shè)流動過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；并采用彩色加料對交替色層模壓料在固定工藝條件下進行模壓，通過試件表面及剖面來描述GMT 材料的流動行為特征，其認(rèn)為模壓時材料的流動以拉伸流動（the extension flow）為主，兼有剪切流動（the shear flow）；另有學(xué)者對模壓工藝中溫度、壓力以及保壓時間對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，但過高溫度會使預(yù)浸料充模不滿，制品物理和力學(xué)性能降低，保壓時間太短會造成固化不完全，制品物理和力學(xué)性能低，易出現(xiàn)變形；也有研究認(rèn)為可以通過螺旋流動長度試驗來確定成型壓力，通過模腔內(nèi)模塑料粘度來確定加壓時機，通過固化度測試及熱差分析確定模壓溫度，進而利用正交實驗方法確定模壓成型的最佳溫度、壓力、合模時機及保壓時間 ，某機構(gòu)研究了成型壓力對 GMT 制品力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明制品拉伸強度及彎曲強度隨壓力增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨后采用 DOE 方法針對不同的模具型面對模壓工藝中各參數(shù)進行研究，得到了各個參數(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成型件的力學(xué)性能的影響更大；軍工領(lǐng)域機構(gòu)為研制出滿足國產(chǎn)軍車擋泥板設(shè)計要求的 GMT 制品，制定出相應(yīng)的模具設(shè)計方案并優(yōu)化了模壓成型工藝參數(shù)（溫度、壓力等），并且對材料的流動性能、熱傳導(dǎo)性能進行了初步的探索?？梢钥闯觯槍?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)對模壓件的影響，對多個工藝參數(shù)間的交互作用并未進行相關(guān)研究。由于多個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)通過多因素試驗設(shè)計的方法，綜合考慮各個因素及其之間的交互作用對評價指標(biāo)的影響。玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料因其強度高、密度小以及可回收等優(yōu)勢，是目前熱 塑性復(fù)合材料市場中增長較快的品種之一，尤其是在汽車用塑料中。生產(chǎn)過程中，玻璃纖維與聚丙烯首先通過浸漬工藝制成預(yù)浸料，隨后通過相應(yīng)的成型工藝制成不同的零部件。

綜上所述，雖然對單一模壓工藝參數(shù)的研究取得了一定成果，但對多個參數(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，需要通過多因素試驗設(shè)計方法，綜合考慮各個因素及其間的交互作用對評價指標(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)量滿足要求的前提下，讓增強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，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。與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝更加多樣化，常見的有樹脂傳遞模塑成型、注塑成型、模壓成型等，每種成型工藝均有其各自的特點，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玻纖粒料加熱至熔融狀態(tài)，鎖緊模具，通過注射機將熔融狀態(tài)下的粒料注入模具，冷卻定型，開模頂出制品。工藝流程簡圖如圖所示。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)面積較大的零件時精度控制較低和對模具質(zhì)量要求較高，并且由于纖維較長，熱塑性樹脂粘度較大，流動性差，導(dǎo)致充模不充分，并且在成型長纖粒料時，成型時的剪切作用會對纖維造成很大的損傷。

圖1 注塑成型工藝流程簡圖

樹脂傳遞模塑成型

樹脂傳遞模塑成型簡稱 RTM(Resin Transfer Molding)，它是由手糊成型改進而來的一種閉模成型技術(shù)，成型前，會在模具表面鋪置樹脂膠衣，以提高制品的表面質(zhì)量，之后將增強織物或預(yù)浸料按制品形狀置于模具中，通過注射系統(tǒng)加壓將樹脂膠液注入模腔，最后固化、脫模，經(jīng)過相應(yīng)的后處理得到成型制品，工藝流程簡圖如圖所示。RTM 工藝的優(yōu)點是成型周期短，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，但也存在樹脂在纖維中分布不勻、樹脂對纖維浸漬不充分等缺陷，并且 RTM 模具的設(shè)計比較復(fù)雜，制造成本高。

圖2 RTM 工藝流程簡圖

模壓成型工藝流程

模壓工藝的整個流程可以分為四個部分：

(1) 坯料準(zhǔn)備階段。模壓工藝所用坯料多為增強纖維與樹脂基體進行預(yù)混的預(yù)浸料?；w樹脂經(jīng)過添加固化劑、促進劑及相應(yīng)填料的處理后，纖維經(jīng)過改性處理以絲、紗、布、氈等形式與樹脂基體進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)工藝也將針對預(yù)浸料質(zhì)量的好壞進行相應(yīng)的調(diào)整。

(2) 成型準(zhǔn)備階段。在進行成型之前會對預(yù)浸料以及模具進行預(yù)處理，對預(yù)浸料的預(yù)處理主要是進行預(yù)熱，對模具的預(yù)處理主要是型面的預(yù)熱。在一定溫度下對預(yù)浸料預(yù)熱后，由于基體樹脂的塑化，玻纖的延展，整個預(yù)浸料會有發(fā)泡現(xiàn)象出現(xiàn)，此時整個預(yù)浸料的流動性增強，有利于材料的成型。當(dāng)經(jīng)過預(yù)熱后的預(yù)浸料從預(yù)熱裝置向模具上進行轉(zhuǎn)移時，坯料的表面會因接觸空氣而造成表面溫度的迅速下降，因此對模具型面的預(yù)熱主要是為了補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。成型階段是整個模壓工藝的核心部分，主要過程是預(yù)浸料在壓力作用下浸漬、流動并充滿模腔的過程，最后經(jīng)保壓冷卻，脫模即可完成成型。成型中壓力大小，加壓時機以及加壓速度對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。脫模后需對制品進行修邊以及沖孔的處理得到最終制品，有時還需對制品進行抽檢以檢查其是否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及成型標(biāo)準(zhǔn)。該過程通常不會對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脂的粘度很高，一般都超過 500Pa·S，流動性較差使得增強玻璃纖維很難獲得良好的浸漬，因此熱塑性樹脂與長玻璃纖維浸漬程度的好壞直接決定了長玻璃纖維增強熱塑性復(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溶劑將熱塑性樹脂粉末溶解，以降低樹脂基體的粘度，然后將玻璃纖維通過有機溶液，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)工藝流程簡單、所用設(shè)備成本較低，但也存在以下不足：生產(chǎn)過程中有機溶劑在后序步驟中必須完全去除，否則會降低制品的耐溶劑性；溶劑會有很大幾率殘留在玻璃纖維表面小孔和空隙內(nèi)，這會降低樹脂和纖維的界面黏結(jié)性；溶劑的蒸發(fā)和回收成本較高，且會帶來環(huán)境污染；去除溶劑的過程中，由于溶劑的揮發(fā)會造成物理分層；另外，一些熱塑性樹脂很難找到合適的有機溶劑。

熔融浸漬技術(shù)

熔融浸漬技術(shù)是將熱塑性樹脂通過多種途徑達到熔融狀態(tài)，降低樹脂的黏度，然后在浸潤裝置中對處于分散狀態(tài)的玻璃纖維進行浸漬，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，由于熱塑性樹脂的熔融溫度較高，為了使黏度符合浸潤要求通常還需要進一步提高溫度，而過高的溫度會導(dǎo)致樹脂的降解，并且還會導(dǎo)致玻璃纖維在浸潤過程中出現(xiàn)斷裂，從而會影響到復(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)是將粉末狀樹脂以各種不同方式施加到玻璃纖維上，再通過加熱、熔融使得纖維與樹脂粉末浸漬，其原理模型如圖。根據(jù)基體樹脂和玻璃纖維結(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)玻纖通過浸漬室時，懸浮液將會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，對樹脂進行加熱熔融，冷卻后切分即成長玻纖預(yù)浸料。該浸漬工藝流程簡單，設(shè)備成本較低，對絕大多數(shù)樹脂均適用，但在浸漬過程中若除水不徹底則會造成預(yù)浸料存在界面缺陷。干法粉末浸漬技術(shù)采用連續(xù)無捻粗紗通過帶電的基體樹脂的粉末流化床，此時流化床中樹脂粉末通過靜電作用吸附在玻璃纖維單絲的表面，然后通過加熱使玻璃纖維表面的樹脂熔結(jié)，完成樹脂對玻璃纖維的浸潤。這種工藝的特點是加工速度快、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)的成型過程樹脂對玻璃纖維的浸潤才能實現(xiàn)，導(dǎo)致了成型之前樹脂粉末容易散失，從而使得預(yù)浸料中的玻纖含量不易控制，而且成型過程中完成纖維浸潤所需的時間、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)即先將熱塑性樹脂加工成纖維，再將該纖維與增強纖維進行混編，可預(yù)先編成二維或三維的幾何形狀的織物或氈，在之后進行預(yù)浸料生產(chǎn)或直接成型的工序時，玻璃纖維與基體樹脂即可進行浸漬。通過樹脂纖維和增強纖維的混編，可以使得兩者達到理論上的單絲分散水平，其原理模型如圖。