适合大型高性能复合材料的两种RTM工艺

树脂转移模塑成型（Resintransfermolding，RTM）工艺是一种典型的纤维增强体树脂基复合材料液体模塑成型工艺，其工艺过程主要为：

（1）根据所需制件的形状及力学性能要求设计纤维预成型体；

（2）在模具内铺放预先设计好的纤维预成型体，合模并进行压缩，使纤维预成型体获得相应体积分数；

（3）在专用的注射设备下，以一定的压力和温度将树脂注入模具中排除空气并与纤维预成型体浸润；

（4）在纤维预成型体完全被树脂浸润后再以一定的温度进行固化反应，直至固化反应完成，取出最终的制件。

　　树脂传递压力是RTM工艺中应该控制的主要参数。此压力用来克服注入模腔和浸透增强材料时所遇到的阻力。树脂完成传递的时间与系统压力和温度有关，时间短可提高生产效率。但如果树脂流量太大，胶液来不及渗透增强材料，并可以由于系统压力增加而导致意外。因此，一般要求在传递过程中进入模具的树脂液面上升速度不大于25mm／min。通过观察排出口来监控树脂传递过程。通常以为，模具上所有的观察口均有胶液溢出并不再排出气泡，且实际加入的树脂量与预计加入的树脂量基本一致时，传递过程即已完成。因而排出口设置应周密考虑。

增强材料选择

　　RTM工艺中增强材料可选用玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、碳化硅和芳纶纤维等。品种可根据设计需要选择短切纤维、单向织物、多轴织物、编织、针织、芯材等材料或预成型坯。

　　从产品性能的角度来看，该工艺生产的制件具有较高的纤维体积分数，且能够根据具体的制件形状来进行纤维局部增强设计，有利于提高产品性能。从生产成本的角度来看，复合材料构件成本的70％来源于制造成本，所以如何降低制造成本是复合材料发展中亟待解决的重要问题，相较于传统制造树脂基复合材料的热压罐技术，RTM工艺不需要价格昂贵的罐体，极大地降低了制造成本，且RTM工艺本身制造的零件不受罐体尺寸的限制，制件尺寸范围较为灵活，能够制造大型、高性能复合材料构件。总的来看，RTM工艺在复合材料制造领域已经得到了广泛的应用和快速的发展，势必成为复合材料制造的主导工艺。

　　近年来，航空航天制造业中复合材料产品从非承力部件、小型制件逐步向主承力部件及大型一体化制件发展，对大型、高性能复合材料制造需求迫切，因此发展了例如真空辅助树脂转移模塑（Vacu-um assisted-resin transfer mold ing，VA-RTM）和轻质树脂转移模塑成型（Light-resin transfer molding，L-RTM）等工艺技术。

　　真空辅助树脂转移模塑工艺VA-RTM工艺是由传统RTM工艺衍生而来的一种工艺技术。该工艺过程主要是利用真空泵等设备将纤维预成型体所在的模具内部抽真空，使树脂在真空负压的作用下注射进入模具，实现对纤维预成型体的溃润过程，并最终在模具内部固化成型，得到所需形状及纤维体积分数的复合材料制件，其工艺装置结构如图所示。

　　轻质树脂转移模塑工艺L-RTM工艺是在传统VA-RTM工艺技术基础上发展而来的一种新型技术。如图所示，该工艺技术主要的特点就是下模采用金属等刚性模具，上模采用半刚性的轻质模具，模具内部设计为双重密封结构，外部通过真空来固定上模，内部采用真空来导入树脂。由于该工艺的上模采用了半刚性模具，且模具内部为真空状态，因此大大降低了模具内部的压力及模具本身的制造成本，使此项技术能够制造大型复合材料制件相比于传统VA-RTM工艺，该工艺获得的制件厚度更加均匀且上下表面质量优越，同时上模采 用半刚性材料能够进行重复利用，避免了VA-RTM工艺过程中真空袋的浪费，因此该技术十分适用于制造表面质量要求较高的航空航天复合材料制件。

然而在实际生产过程中，该工艺仍存在一定的技术难点：

　　（1）由于上模采用的是半刚性材料，若材料的刚性不够极易导致在抽真空固定模具过程中产生坍塌，从而使制件厚度不均匀并影响制件的表面质量，同时模具的刚性也影响着模具本身的寿命，如何选择合适的半刚性材料作为L-RTM的模具是该工艺应用的技术难点之一。

　　（2）由于L-RTM工艺技术模具内部采用了抽真空，因此模具的密封性对工艺过程能否顺利进行起到了至关重要的影响，若密封性不足会造成制件内部树脂浸润不充分，从而影响制件性能。故模具密封技术是该工艺应用的技术难点之一。

　　（3） L-RTM工艺所用的树脂应在充模过程中 保持较低的黏度从而降低注射压力，提高模具的使用寿命，如何开发合适的树脂基体是该工艺应用的技术难点之一。

　　（4）L-RTM工艺过程中通常需要在模具上设计流道来促进树脂均匀流动，若流道设计不合理，会使制件出现干斑、富脂等缺陷，严重影响制件的最终质量，特别是对于形状复杂的三维制件，如何合理设计模具流道也是该工艺应用的技术难点之一。

　　复合材料成型工艺主要有手糊工艺RTM工艺真空袋工艺、热压罐工艺、模压工艺、搓管工艺、拉挤成型工艺、辊压成型工艺、缠绕成型工艺、压力袋工艺等。

复合材料必读技术：RTM工艺

工艺简介

　　树脂转移模塑成形（RTM： ResinTransferMolding）技术是一种低成本复合材料的制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。1996年，美国防务预研局开展了高强度主承力构件的低成本RTM制造技术研究。RTM技术具有高效、低成本、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，可应用于体积大、结构复杂、强度高的复合材料制件的成型，已经成为近几年航空航天材料加工领域研究最为活跃的方向之一。

　　目前主要的派生技术是真空导入模塑工艺（VIMP：Vacuum Infusion Molding Process）、柔性辅助RTM和共注射RTM。这些技术在保留了传统的RTM工艺可浸渍成型带有夹芯、加筋、预埋件的大型构件等优势的基础上，具有生产构件范围广、产品质量稳定、易与其他编织工艺相结合和低成本的制造优势。

原理简介

　　RTM工艺的主要原理是在模腔（模腔需要预先制作成特定尺寸）中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，在一定压力范围内，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，通过树脂与增强体的浸润固化成型。模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维；同时具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。

对树脂的要求

　　（1）RTM工艺专用树脂在常温下为液体或固体，可在室温下稳定的存在，贮存时不出现树脂化学成分和性质的改变。

　　（2）树脂体系在工艺温度下有适当的黏度（工作范围内约为0.2-0.8Pa·s），黏度过高会导致树脂流动和纤维／树脂浸润困难；过低会导致树脂不稳定流动与扩散，形成孔隙。

　　（3）足够长的凝胶时间以满足树脂流动充模、纤维浸润的要求。同时，树脂的低黏度保持时间应大于40min，形成RTM工艺树脂所需的低黏度平台特性。

　　（4）树脂在注射及固化过程中无挥发产物的生成，同时树脂对增强材料应具有良好的浸润性和粘附性。

典型优点

　　传统成型工艺相比，RTM工艺最大的优点就是以一步浸润代替了传统成型工艺两步或多步浸润的过程，减少了预浸料制备、铺层、真空袋及在热压罐中固化等工序，从而大大的降低了成型时间和成型的成本。

派生工艺介绍

　　真空导入模塑工艺VIMP是在RTM工艺上发展起来的一种新型的大尺寸复合材料制件的低成本液体模塑成型技术。其工艺原理是在单面刚性模具上用柔性真空袋膜包覆、密封纤维增强材料，利用真空负压排除模腔中的气体，并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物浸渍的一种工艺，原理如下图所示。

VIMP封装原理示意图

　　柔性辅助RTM工艺是利用制造空心结构，通过柔性模对预成型体的压实作用来加工先进复合材料的一种成型技术。根据柔性模膨胀的方式，又分为气囊辅助RTM工艺和热膨胀软模辅助RTM工艺。

　　与传统的RTM工艺相比，此法解决了内腔结构较复杂而无法脱模的问题，同时制件纤维体积含量得到提高，产品性能得到改善。该工艺在成型复杂复合材料构件中具有独特优势。气囊辅助RTM工艺是目前国外研究较多的一种先进工艺，它是通过将预成型体安放在密封气囊，通过气囊充压压实预成型体，使其附着于模腔内表面而成型。

柔性辅助RTM工作原理

　　目前中小型复合材料RTM零件的制造已经获得了较广泛的应用，而大型RTM件也在JSF的垂尾上应用成功。该方法的优点是环保、形成的层合板性能好且双面质量好，在航空中应用不仅能够减少本身劳动量，而且由于能够成形大型整体件，使装配工作量减少。但是树脂通过压力注射进入模腔形成的零件存在着孔隙含量较大、纤维含量较低、树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分等缺陷，因此该技术还有改进潜力。

RTM工艺在碳纤维复合材料中的应用

　　碳纤维由于纤维直径小，表面惰性高，一般采用预浸料／热压罐成型工艺，为降低成本，国外目前已有主要应用于RTM工艺的碳纤维产品及环氧树脂型号，国内在这方面研究相对较少。

　　RTM工艺相比于成熟的预浸料／热压罐成型工艺，在降低材料成本和制造成本方面效果显著，且在制造小型复杂形状结构时更具优势。据悉RTM技术已经逐渐应用到国产T700级碳纤维复合材料中，采用RTM工艺成型能同时满足航空材料高性能、低成本及国产化的要求。更多内容后期我们会持续关注。

轻型RTM工艺介绍

　　传统的RTM工艺，由于是闭模工艺，具有减少挥发性有机物（VOC）排放、扩大可用原材料范围、降低用工、环境友善以及可得到两面光洁的产品等优点。但是在RTM工艺中，树脂的注入是在较高的压力和流速下进行的，因此我们要使模具的结构强度和刚度大到足够在注射压力下不破坏、不变形。通常采用带钢管支撑的夹芯复合材料，或用数控机床加工的铝模或钢模，这使制造费用增大，只有对产量足够大的产品，才能抵消模具费用。此外为了闭合模具，要使周边有足够的箝紧能力或使用闭合模具的压力系统。上述因素都限制了RTM工艺在大产品上的应用，否则模具会变得很重.而且投资也会很大。

　　轻型树脂传递模塑工艺（RTM - Light）又称为LRTM、ECO、Vacuum Molding或VARTM。是近年来发展迅速的低成本制造工艺，目前在船舰、汽车、工业和医用复合材料领域中应用已有超过RTM工艺的趋势。

LRTM工艺保留了RTM工艺的对模工艺，从而几乎保留了RTM工艺的所有的优点。但其上模为半刚性的玻璃钢模，厚度一般为6-8mm，通常不需要用钢管加固，模具有一个宽约100mm的刚性周边，由双道密封带构成一个独立的密封区，只要一抽真空模具即闭合，非常方便、快捷。然后对模腔内抽真空，利用模内的负压和较低的注射压力将树脂注入模具，使树脂渗入预先铺设的增强纤维或预制件中。RTM-Light的模具费用低，而且由于模内的受压降低，其模具已和开模相近，很容易从开模工艺的模具改造过来。

LRTM和常规RTM比较

1、模具

模具是这两种工艺的最大差别，在RTM投资中，由于注射压力大，相当部分的成本花在模具和夹紧装置上。这样对于产量少的产品在价格上是不适合的。RTM工艺模具使用寿命可达5000件以上，生产效率高，适合年产2000件以上的产品。

LRTM的最大优势在于其模具生产成本的低廉性，费用大概只有常规RTM模具的一半，但模具使用寿命也低于RTM模具，适合年产1000件左右的产品。LRTM工艺所生产的产品尺寸可以比传统RTM大，通常产品小到相当于一个蓝球帽，大到长8m的船体（约25平方米），但这不是尺寸的最终限制。产品尺寸小于蓝球帽的难度是铺加纤维，而产品大于8m，在如何处理上模上有难度。

玻璃钢模具的缺点是模具表面的使用寿命短。为了得到优良的模具寿命和产品的重复性和尺寸精度，LRTM和RTM工艺的模具都必须有高质量和具有精确的截面。在复合材料模压工艺中，最终产品表面要求的成本可达到最终产品价格的60％。复合材料模具能达到汽车表面质量的使用次数为500次，然后要进行模具的表面处理。增加寿命的一个方法是使用可更换模具面（ex-changeablemold skins），如JHm Technologies公司的专利ZIP RTM技术，可用于RTM和LRTM工艺。通过使用可更换模具面来替代易损的模具表面，从而延长模具寿命和提高模具质量，模具使用寿命可达到8000-10000次。当同时使用几个可更换模具面时，由于可以在模具外的可更换模具面上直接上胶衣并加热，从而大大提高了生产效率。

2、注射压力、流量和设备

　　RTM工艺的注射压力一般在0.1-0.4MPa，而LRTM工艺的注射压力一般不超过0.1MPa，通常在0.03-0.07MPa。树脂注射速率随多种因素影响，如树脂粘度，部件尺寸，纤维类型和铺层结构等，通常的注射速率为1.3-2升／分钟。

　　为防止模具变形或冲开上模（尤其是在注射口位置），这就要求对压力有一个较为严格的控制。用于LRTM工艺的注射设备一般都带有压力反馈装置，对压力作闭环控制。也可以在RTM标准设备线上设计一个简单的气压控制系统和配合用的电子闭环系统，就可以在不导致模具变形和破坏的情况下，利用原生产设备得到最佳的生产率。

　　设备研究也在向低价化和多用途化发展，Plastech的SSB注射设备，采用专利的活塞改造精密计量泵，其催化剂最低配比可达0.5％，配合工业用MPG（Mouldpressureguard），可由机器自行控制泵速，在12-15秒，可浸渍1m2增强材料，浸润速度可精确控制。骇设备配置其它选项，还可用于手糊工艺的配胶和刷胶等。

3、生产效率和成本

　　由于注射压力较低，树脂的流速不能加速到最佳流速，LRTM工艺的生产速度比RTM工艺少一半，以每班8小时计，对于采用胶衣表面和非加热模工艺，RTM工艺每班可生产10-12模，LRTM工艺只能生产4-6模。对于一个34平方英尺需要加热固化的产品，RTM工艺，在使用水压机、加热模具、并有5个可更换模时，每班可生产40模。同样情况的LRTM工艺，可生产20模。但不需要用水压机，模具价格也低一半。

　　近年来通过模具设计和工艺控制的改进，两者生产速度已接近。如Xiraplas公司在采用LRTM工艺替代开模工艺后，车间变得井然有序，利用原有的50名工人，和3000平方米车间面积，使得产量增加了25％。据该公司声称和原开模工艺相比，生产效率提高了90％。

4、流道设计：

　　一般RTM工艺的流道设计都从中心注入，从周边排出。但LRTM工艺通常从周边流入，从中心排出。我们知道，当树脂从树脂管道进入模腔后，与织物相遇，织物对树脂会产生一个阻力。阻力的大小和织物的渗透率、树脂的粘度以及树脂的流速有关，当织物和树脂选定的情况下，则和树脂的流速成正比。以一个面积为3平米、厚度为3mm的产品为例，一般注入压力为0.05MPa，注入时间为6min，注入流量为1.33L／min。如果从中心注入，并保持流量不变，则阻力可增加到0.1MPa以上，从而导致模具的打开或涨模现象，并导致树脂流动前锋失控及产品形成干斑等问题。为此必须要降低流速，但这又延长了注入时间，所以从中心注入，往往要超过6分钟。当从周边注入时，树脂首先进入一个间隙约为1mm 的几乎无阻力的周边流道，然后再进入纤维，由于树脂进入纤维的通路增加（由一个点变成一个周边），相对树脂在织物中的流速也减慢，阻力也减小，注入流量可增加，注入时间可缩短。试验表明，对于一个0.2平米的产品，从周边注人的时间为2.1分钟，而从中心注入为9分钟，速度相差四倍。当然RTM工艺也可以从周边注入树脂，其内腔的压力梯度不变，但压力的最高点从原中心点移到周边，这对控制模具的变形是有利的，因为模具的周边刚性优于中心区，但同时对周边的密封要求也提高了。

　　流道设计随产品而异，如Spectrayte公司的18m长灯柱，采用长形流道。Brands公司的6m2楼板，由于是不对称结构，采用两个出口，在不同的结构中心，各放了一个树脂收集器（Catchpot），注射时间15分钟。而荷兰皇家海军的13m 2船体制造，由于产品较大，采用了两个对角线安排的树脂进口。

5、产品精度、结构及其它

　　RTM和LRTM产品的尺寸粘度和重复性都受模压用树脂、工艺控制和产品固化情况的影响。产品截面精度还受工艺中树脂流动速率和注射压力的影响。对于RTM工艺当模具按标准制造，不发生弯曲，合适的夹紧装置或用压机夹紧，则部件的尺寸精度重复性很好，厚度偏差不大于0.010mm。而LRTM工艺通常上模有一定的变形，但产品尺寸精度也可以达到士0.020mm。个别地方为4士0.030mm。

RTM和LRTM工艺都可压制夹芯材料。芯材可采用轻木和泡沫。但RTM工艺有高的注射压力，限制了低密度泡沫材料的使用，泡沫最低密度不小于80千克／立方米，而LRTM和ZIPRTM工艺的压力较低，他所用的泡沫密度可小到37千克／立方米。但要指出的是在制造夹芯材料时，芯材的尺寸精确性要满足模具要求，以保证模压工艺和产品质量的重复性。

RTM和LRTM工艺也可以使用预制件和嵌件，当使用预制件时可得到高纤维体积含量的产品。LRTM工艺产品可以不上胶衣，只要一般的脱模蜡，产品就可脱模。但RTM产品如不用胶衣，脱模较为困难。

和开模工艺相比LRTM的投资还是相对较高，必须考虑产量对于配置模具必需的成本的合理性。此外，工艺的专业性强，日常维护任务重也影响一些手工铺层的复合材料制造商对LRTM的使用。

相对于RTM来说，LRTM拥有耗能低，对模具的刚性等指标要求不是太高等的优点，但是对树脂的黏度，树脂和增强材料的相容性，还有对树脂前锋的前进速度的要求很高。

LRTM工艺是一个专业性较强的工艺，操作人员必须经过适当的培训。如果没有合理的纤维铺层、好的气密性和精确的模具安装，没有一致的树脂流道控制，产品就会出现杂乱的干斑，径向气泡，以及树脂富集等问题。下面对相关问题作简要解说：

轻型RTM工艺中要注意的问题

　　LRTM工艺是一个专业性较强的工艺，操作人员必须经过适当的培训。如果没有合理的纤维铺层、好的气密性和精确的模具安装，没有一致的树脂流道控制，产品就会出现杂乱的干斑，径向气泡，以及树脂富集等问题。下面对相关问题作简要解说。

1、密封性

RTM-Ligh工艺对细节性问题要求较高，特别是模具的密封性问题。周边夹紧用的真空槽的真空度越低越好。内腔的真空度一般控制在15mm-Hg左右。周边夹紧用真空密封槽采用柔性氯丁橡胶的翼式密封圈（Wingsealprofile），其底部宽为20mm，密封圈接头处要垂直切割，用柔性胶粘剂胶合，以保证其弹性。外圈再用6mm宽硅橡胶封边。

在模塑的过程中，除了要注意模具真空密封胶的密封性，还要注意到模具的装配、密封圈和管子的连接、以及模具的裂口等造成的泄漏。事实上，任何密封口或者是树脂入口处的接头，包括真空区的出口都应该严格的检查。一个更为隐蔽的漏气原因是，在模具面板的表面有裂纹，这些原因通常不被发现。这种问题的解决方法是，在模具内部未达到真空以前，用催化剂调制过的树脂涂抹在模具的外表面，这是一种很有效的方法。

此外密封面要保持清洁，尽量不用溶剂清洗。脱模剂最好选择免清洗的半永久性脱模剂。

2、上下模的精密配合

上下模的精密配合有助于模内空腔的压力平衡，使树脂渗透均匀，有助于产品质量的提高。由于上模是半刚性模，每次合模必须仔细校正。

如果在产品同一位置连续地出现白斑，这可能是因为模具闭合的不准确，造成内腔的不准确性，这直接导致了内腔厚度的不均匀。在这种情况下，假设玻璃纤维的铺层是均匀的，注射过程中树脂的流动会具有选择性，它会选择厚度（间隙）比较大的地方，所以在内腔比较薄的区域就会导致白斑的出现。

较差的模具定位是造成模具配合不好的重要原因。当模具的边销安装好之后，模具的X轴和Y轴就自然而然地确定下来了。如果边销的定位不当，就会造成不可预测的错误和改变注射的特性。

3、合理的铺层和原材料选择

由于成型压力低LRTM工艺对织物的铺层要求更为严格，不合理的铺层，尤其是搭接头的处理，会严重影响树脂流道的一致性，从而造成产品的树脂富集或缺胶（干斑）现象等。

在铺层时可籍助喷胶固定织物，使铺层更为平整。但喷胶必须和所用树脂相溶性好，过多的喷胶对产品最终性能还是有一定影响。

不同的织物和毡对工艺有很大的影响，要尽量使用渗透率好的增强材料，现在的O.c.闭模毡或“Hi-Flow”复合毡的树脂流速可比通常的短切毡快一倍。应根据产品要求的不同选择合适的树脂体系。尽量使用低粘度、低收缩率的树脂。其标准和真空树脂扩散工艺的要求相当。

4、表面裂纹

产品表面的裂纹，会经常在角边区域观察到。这是一个在树脂富集区常见的问题。这也可以追溯到模具的制造上去。如果两个半模不能很好地彼此配合，就会产生一个超过预期厚度的余量。为解决这个问题，除了可修正半模之外，还可以在这些较厚的地方通过增加额外的玻璃纤维来弥补厚度，以防止产品的裂纹。

在大面积的平面区，会发现由于产品过厚而产生的模具上的裂纹。这是由于操作者任意加大树脂的注射速度造成的。注射的速度过快，就会使得模具的内腔膨胀，如果注射过程在一个很短的时间内完成的话，那么腔体就没有时间来恢复，所以过多的树脂就会导致模具的裂纹。在极端的情况下，会产生不可修复的模具表面的裂纹。

5、树脂的溢出

为了接收在模塑结束之前排出的树脂，许多制造者感到有必要用一个较大的树脂收集器。这是他们不能精确控制模塑填充的结果。如果树脂充填过程进行得太快，就难以正确判断什么时间停止注射。因为如果当你看到树脂到达树脂收集器后再停止注射，那么接着你会看到过多的树脂会因为过度膨胀的模具恢复到原来的尺寸而流进树脂收集器。为了克服这种可能，你只能更换一个较大的树脂收集器来防止树脂的溢出。

解决这个问题的简单方法是，预先计算要用多少树脂。但是在模塑大件制品时，很难准确地知道要用多少的树脂。另外的方法是通过精确的气压控制来为操作者提供信息，以避免操作者的盲目判断。腔内的气压读数，为操作带来了更为准确的模具填充信息，避免了较大树脂接收器的需要。这样的一个系统，保证每次注射过程后有10到100毫升的余量已足够，这使得树脂的浪费达到最低，保证了利润的增加。

轻型RTM的应用领域

　　目前常见的应用领域，有航空航天、军事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天领域的舱门、风扇叶片、机头雷达罩、飞机引擎罩等：军事领域的鱼雷壳体、油箱、发射管等；交通领域的轻轨车门、公共汽车侧面板、汽车底盘、保险杠、卡车顶部挡板等；建筑领域的路灯的管状灯杆、风能发电机机罩、装饰用门、椅子和桌子、头盔等；船舶领域的小型划艇船体、上层甲板等等等。